非洲奧果韋河水力資源理論蘊藏量估算

李 璐 董曉華 趙 喬 周清平 薄會娟 魏 沖

(1.三峽大學 水利與環(huán)境學院， 湖北 宜昌 443002； 2.中國電建集團 貴陽勘測設計研究院有限公司，貴陽 550081)

水力資源估算是水利工程建設必不可少的前期工作，對于河流開發(fā)方案的確定、工程項目的選址、工程規(guī)模和運行機制的制定都起到重要的指示作用.水力資源的理論蘊藏量是指存在于河流或湖泊的水力資源量值，主要由上下游水位差和流量決定.開展水力資源的計算，需要以站點的徑流系列資料、地形地質(zhì)資料以及社會經(jīng)濟資料等為基礎.目前我國已經(jīng)開展了3次全國范圍內(nèi)的水力資源普查[1]和一次全國水力資源復查工作[2-3]，并對我國水力資源理論蘊藏量公布了準確的計算標準.然而對于國際河流，由于缺少實測徑流和地形氣象數(shù)據(jù)，其水力資源理論蘊藏量的計算往往遭遇瓶頸，較難開展.國內(nèi)外學者對于全球水力資源的普查，主要通過應用遙感數(shù)據(jù)與實測徑流數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法[4-6].

在“一帶一路”的背景下，非洲地區(qū)水電資源開發(fā)受到我國水電行業(yè)的關(guān)注[7].開展非洲地區(qū)河流的水資源特性及分布調(diào)查，分析當?shù)仉娏κ袌龅男枨?，有助于對水電開發(fā)項目的可行性進行評估和對水電項目的規(guī)模進行合理規(guī)劃[8].

1 研究區(qū)域、數(shù)據(jù)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

奧果韋河是非洲中部一條較大的河流，也是加蓬共和國境內(nèi)最大的河流，地理位置是8°48′E～14°29′E，2°16′N～2°46′S.奧果韋河全長1210km，發(fā)源于剛果共和國境內(nèi)，沿西北方向流經(jīng)加蓬境內(nèi)的錫馬市、博韋(Booue)、恩喬萊(Ndjole)、讓蒂爾港(Lambarene)后注入大西洋，流域出口斷面即是入?？冢乩砦恢檬?°54′E，1°3′S.奧果韋河流域總面積22.3萬km2，該河流80%以上的集水流域位于加蓬境內(nèi)，剩余20%位于剛果共和國、喀麥隆和赤道幾內(nèi)亞境內(nèi).

奧果韋河流域主要氣候類型為熱帶季風氣候，干濕季區(qū)分明顯且全年高溫.流域年內(nèi)氣候變化與其他地區(qū)有較大不同[9]，每年1～5 月為大雨季，10～12月為小雨季，6～9月為旱季[10].奧果韋河流域的年均降水量介于1200～2000mm，多年平均降雨量為1831mm，年平均氣溫介于21～28℃.奧果韋河水系發(fā)達，支流較多，干流下游多年平均流量為4730m3/s，奧果韋河地理位置以及水系分布如圖1所示.

圖1 奧果韋河地理位置圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文水力資源理論蘊藏量采用的基礎資料來自于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯(lián)合測量的SRTM 數(shù)據(jù)、全球降水氣候?qū)W中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)提供的降雨數(shù)據(jù)和全球徑流數(shù)據(jù)中心(Global Runoff Data Centre， GRDC)提供的流量測站數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)清單見表1.

表1 基礎數(shù)據(jù)參數(shù)表

1.3 理論蘊藏量計算

理論蘊藏量是指存在于河流或湖泊的水力資源量值，即年水量與水頭的乘積.理論蘊藏量根據(jù)多年平均徑流量或多年平均流量進行計算，采用年電量和平均功率(年電量/8760)兩個指標來表示.

本文采用兩種方法計算理論蘊藏量.奧果韋河干流和部分支流上共分布有11個GRDC 站點，具體位置如圖1所示，各個區(qū)間斷面有實測徑流數(shù)據(jù).故干流可用多年平均徑流量進行理論蘊藏量計算，即采用流量換算方法，將流量換算為徑流量，然后直接計算理論蘊藏量.對于奧果韋河流域內(nèi)缺少實測徑流數(shù)據(jù)的各個支流，移用GRDC 站點對應的匯水區(qū)平均徑流系數(shù)，然后將徑流系數(shù)與支流子流域的區(qū)間降雨量相乘，獲得區(qū)間流量，然后代入公式進行理論蘊藏量的計算.理論蘊藏量計算涉及的公式如下[11-12].

式中：E是理論蘊藏量的分段電量(kW·h)；k是折算系數(shù)，k=2.778×10-4；g是重力加速度，取值9.81(m/s2)；W是上下斷面多年平均年徑流量的平均值(萬m3)；H是河段上下斷面水位差(m)；q是河段上下游斷面平均流量的平均值(m3/s)；t是時間(s)；P是降雨量(mm)；A是各斷面控制的流域面積(m2).

缺少實測流量數(shù)據(jù)的支流，其理論蘊藏量計算方法如圖2所示.

圖2 缺少資料支流的理論蘊藏量計算方法

本文首先在奧果韋河流域DEM 數(shù)據(jù)上，提取流域河網(wǎng)水系，以50000hm2為面積閾值對奧果韋河子流域進行劃分，根據(jù)GPCC 提供的多年平均降雨量，可以劃分出各個支流子流域多年平均降雨量.然后根據(jù)已知的11個GRDC 站點將奧果韋河流域劃分出11個匯水區(qū)，通過GPCC 提供的多年平均降雨量和實測徑流序列數(shù)據(jù)，計算各個GRDC 站點匯水區(qū)域的平均徑流系數(shù)，即GRDC 站點匯水區(qū)域的徑流深與平均降雨量的比值，區(qū)間匯水面積的徑流深是指匯水面積出口實測徑流量減去入口實測徑流量的差值與匯水面積的比值.因而可以得到整個流域的平均徑流系數(shù)分布圖.缺少資料的支流可以參照流域的平均徑流系數(shù)分布圖，選取相鄰流域的徑流系數(shù)，結(jié)合支流子流域的降雨量得到各個斷面的徑流量.

最后結(jié)合遙感影像數(shù)據(jù)，計算得到子流域上下游斷面水位高差.將徑流量和高差代入公式(1)計算可得理論蘊藏量數(shù)值.

由于奧果韋河流域面積大，部分支流的理論蘊藏量過小，沒有水力資源開發(fā)價值，在文中不做統(tǒng)計.本文選取了奧果韋河干流和13條較大支流進行理論蘊藏量的計算.

2 結(jié)果及分析

2.1 水資源特性分析

奧果韋河流域河網(wǎng)發(fā)達、水系縱橫，其中最大的兩條支流分別是伊溫多河(Ivindo)和恩古涅河(Ngounie)，兩者的流域面積之和占奧果韋河總流域面積的1/2.其余較大支流包括Abonga、Okano、Sebe、Deconi、Ofoue等.

表2 奧果韋河較大支流統(tǒng)計情況

奧果韋河流域的氣候是典型的熱帶季風氣候，雨季較長且降雨量充沛.根據(jù)GPCC多年平均年降雨量柵格數(shù)據(jù)，以100mm 為間隔，繪制奧果韋河流域的等雨量線圖，結(jié)果如圖3所示.

圖3 奧果韋河流多年平均降雨量分布圖

從圖3可以看出：奧果韋河流域多年平均年降雨量最大為2306.3mm，最小為1594.4mm，平均值為1800mm；流域內(nèi)降雨量最大的地區(qū)為下游河口附近和Abonga河子流域，多年平均年降雨量最小的地區(qū)為伊溫多(Ivindo)河上游地區(qū)；奧果韋河全流域的多年平均降雨呈現(xiàn)從東到西逐漸增加，從北向南逐漸增多的趨勢.

奧果韋河的徑流數(shù)據(jù)來源于GRDC 全球徑流數(shù)據(jù)中心公布的實測數(shù)據(jù).在奧果韋河干流的上游選擇Franceville站，中游選擇Booue站，下游選擇Lambarene站，根據(jù)GRDC 公布的以上3 個站點1965～1974年多年平均實測徑流數(shù)據(jù)，繪制圖4奧果韋河干流上中下游代表站徑流年內(nèi)分配圖.根據(jù)圖4可以看出奧果韋河從6 月至9 月的流量較小，屬于枯水期；10月至次年5月屬于水量充足的豐水期.

圖4 奧果韋河干流上中下游代表站徑流年內(nèi)分配圖

奧果韋河流域內(nèi)的GRDC 站點共有11個，其中分布在干流的站點有6個，分布在支流上的站點有5個.將奧果韋河干流上的6個GRDC 站點，按照距河口距離從小到大排列，分別是Lambarene站、Ndjole站、Portesdel'okanda站、Booue站、Lastourville站和Franceville站.以每個站點為斷面將干流劃分為7個區(qū)間，分析奧果韋河干流6個斷面的年內(nèi)徑流變化情況，結(jié)果如圖5所示.

圖5 奧果韋河干流GRDC站點徑流年內(nèi)分配特征圖

分析圖5奧果韋河干流上站點的平均流量數(shù)據(jù)，可以看出：奧果韋河干流上游的年平均流量較小，約為200m3/s，干流中游流量為3000m3/s，干流下游平均流量為4000m3/s；奧果韋河上中游區(qū)間匯流水量較大；奧果韋河干流各站點在豐水期的平均流量是枯水期的1.77倍.

2.2 無資料地區(qū)多年平均徑流量推求

奧果韋河流域內(nèi)共有可用的GRDC 站點11個.其中6個站點位于奧果韋河干流上，5個站點位于奧果韋河部分支流上.在全流域中劃分出11個GRDC站點的匯水面積，然后根據(jù)站點的實測流量，進行流量分割，得到匯水區(qū)的實際產(chǎn)流量.具體計算過程見表3.

表3 奧果韋河GRDC站點匯水區(qū)徑流系數(shù)推求表

根據(jù)表3求出的GRDC 站點匯水區(qū)面積和產(chǎn)流量，可以得到匯水區(qū)的多年平均雨量和徑流深，而徑流深與匯水面積的比值即為該匯水區(qū)的徑流系數(shù).由于缺少流域出口斷面的實際流量，出口斷面匯水區(qū)徑流系數(shù)采用空間插值的方法得到.奧果韋河GRDC站點匯水區(qū)的多年平均徑流系數(shù)分布如圖6所示.

圖6 奧果韋河GRDC站點平均徑流系數(shù)分布圖

分析圖6可知：奧果韋河干流中下游區(qū)間的徑流系數(shù)較大，可以達到0.6左右；流域東南地區(qū)徑流系數(shù)次之，約為0.5；流域北部的平均徑流系數(shù)約為0.3.結(jié)合圖3來看，流域內(nèi)多年平均徑流系數(shù)空間分布與多年平均降雨分布規(guī)律相似，整體呈現(xiàn)出從北到南，從東到西增加的趨勢，這說明降雨的空間變化對徑流系數(shù)的影響顯著.同時，從徑流系數(shù)的定義和影響因子來分析，降雨是影響徑流系數(shù)的主要因素之一，徑流系數(shù)的空間變化與降雨分布有相關(guān)性.也間接說明，下墊面對流域產(chǎn)流的影響較大.降雨量小的流域北部地區(qū)，降雨較多的用于補足土壤前期缺水量，因此產(chǎn)生徑流量?。粖W果韋河流域西部臨海且屬于干流下游區(qū)間，土地前期含水量較大，降雨被攔截的損失較小，產(chǎn)流量大，因而徑流系數(shù)也相對較大.

奧果韋河無資料支流的多年平均徑流量是通過子流域面積和徑流深的乘積求得的，其中徑流深是指查詢得到的徑流系數(shù)和支流多年平均面降雨量之積.具體計算結(jié)果見表4.

表4 無資料支流多年平均徑流量推求計算表

3 水力資源分布

根據(jù)奧果韋河流域GRDC 站點分布情況，奧果韋河干流上的6個GRDC站點將干流劃分為7段區(qū)間，從河源到河口依次編號為區(qū)間1、區(qū)間2…區(qū)間7.奧果韋河流域內(nèi)8條一級支流，作為子流域進行理論蘊藏量計算，同時由于伊溫多河(Ivindo)和恩古涅河(Ngounie)流域面積大，將這兩條河上的部分二級支流和干流各區(qū)間也單獨劃作子流域進行計算.故奧果韋河流域共劃分出25個子流域，具體分布如圖7所示.

圖7 奧果韋河子流域劃分圖

對奧果韋河干流和缺少實測資料的支流分別進行理論蘊藏量計算后，最終得到奧果韋河流域18條支流區(qū)間以及干流7個區(qū)間的理論蘊藏量數(shù)值，結(jié)果見表5.

表5 奧果韋河流域理論蘊藏量分布表

續(xù)表5 奧果韋河流域理論蘊藏量分布表

根據(jù)表5可以看出：奧果韋河的干流區(qū)間5、區(qū)間6、區(qū)間7的理論蘊藏量較大，即干流Booue站到入?？趨^(qū)間的河段水位落差大且水量豐富，該區(qū)間總理論蘊藏量達6389.39MW，具有較大的水電開發(fā)價值；奧果韋河干流的理論蘊藏量總和為724.27 億kW·h，理論總裝機為8267.95MW.根據(jù)2017 年《世界水電與大壩簡譜》[13]中公布的數(shù)據(jù)，加蓬境內(nèi)水力資源理論蘊藏量為8000MW，與奧果韋河干流理論蘊藏量相近，2017年奧果韋河流域水力資源的已正開發(fā)量為1617MW，低于奧果韋河理論蘊藏量，故奧果韋河流域的水力資源仍有較大的開發(fā)空間.為了便于分析奧果韋河流域水力資源的空間分布特點，將奧果韋河各個子流域的理論蘊藏量與子流域劃分圖結(jié)合，繪制結(jié)果如圖8所示.

圖8 奧果韋河水力資源理論蘊藏量分布圖

由圖8奧果韋河流域理論蘊藏量分布圖可以看出：奧果韋河干流上水力資源最豐富的地區(qū)為中游地段，結(jié)合降雨和水位落差情況分析，干流下游流量大，但地勢平坦水位落差小，而干流上游地勢陡峻落差大，但降雨相對較少；奧果韋河流域的理論蘊藏量有著明顯的空間差異性，下游的水能蘊藏量較豐富，整體呈現(xiàn)出由北向南，由東向西逐漸增多的趨勢.同時，根據(jù)圖8可以看出支流伊溫多(Ivindo)河和恩古涅(Ngounie)河的水力資源相對豐富，伊溫多河流域的理論蘊藏量為1043.02MW，恩古涅河流域的理論蘊藏量為1572.43MW.

4 結(jié) 論

本文采用兩種方法對奧果韋河的理論蘊藏量進行估算，其中奧果韋河的干流采用徑流數(shù)據(jù)直接計算，支流通過移用相似流域的徑流系數(shù)，由降雨獲取徑流，從而計算水力資源理論蘊藏量.主要得到以下結(jié)論：

1)奧果韋河流域降雨充沛，雨季時間長，旱季短，多年平均年降雨量最大為2306.3mm，最小為1594.4 mm，全流域降雨呈現(xiàn)從東到西，從北向南逐漸增多的趨勢.奧果韋河的枯水期為6月至9月，其它月份為豐水期，干流多年平均豐枯比為1.77.

2)奧果韋河流域內(nèi)水力資源豐富，干流總理論蘊藏量達到8267.95MW，各支流理論蘊藏量之和達到3515.14MW，其中干流Booue站到入海口區(qū)間的理論蘊藏量達6389.39MW，伊溫多河流域的理論蘊藏量為1043.02MW，恩古涅河流域的理論蘊藏量為1572.43MW，干流中下游、伊溫多河和恩古涅河具有較大的水電開發(fā)價值.

水電資源開發(fā)作為在中非電力合作中占首要地位的重點領(lǐng)域，大力開發(fā)中部非洲地區(qū)水電資源對整個非洲的社會經(jīng)濟具有極為重要的意義.非洲地區(qū)的水電資源豐富，目前實際開發(fā)程度較低，具有較大的發(fā)展空間.通過對無資料的非洲河流進行理論蘊藏量估算，可以更全面地了解各國水電資源情況，也可以充分發(fā)揮我國水電咨詢技術(shù)優(yōu)勢，幫助非洲“一帶一路”沿線國家更好地進行水電開發(fā)建設.