巴基斯坦卡洛特水電站上游流域暴雨洪水特性分析

劉天勇 楊軍 劉應(yīng)武

摘要：為了準(zhǔn)確掌握卡洛特水電站上游流域暴雨洪水特性，介紹了自2016年吉拉姆河流域建站以來(lái)該流域的地理特征和氣候特性。針對(duì)當(dāng)前所收集到的降水和水文資料，分析了卡洛特水電站上游流域的降水、徑流特性。選取2017～2020年多場(chǎng)暴雨洪水，分析洪水來(lái)源和組成，總結(jié)出流域內(nèi)暴雨洪水形成的原因和規(guī)律。結(jié)果表明：在西南季風(fēng)影響下，卡洛特水電站上游流域可能發(fā)生局部或全流域性暴雨，暴雨中心多在壩址附近;近壩區(qū)暴雨一般降水歷時(shí)短、總量小，洪水陡漲陡落，全流域性暴雨洪水則相反。

關(guān)鍵詞：暴雨洪水特性;卡洛特水電站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV122.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.001

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）11 - 0001 - 06

1 流域概況

1.1 地理位置

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省境內(nèi)的吉拉姆（Jhelum）河干流上，是巴基斯坦境內(nèi)吉拉姆河規(guī)劃的5座梯級(jí)水電站中的第4級(jí)[1]。阿扎德帕坦（Azad Pattan）水電站為其上一級(jí)電站，曼格拉（Mangla）水電站為其下一級(jí)電站[2]?？逄厮娬卷?xiàng)目是“一帶一路”倡議的首個(gè)大型水電投資建設(shè)項(xiàng)目，壩址位于旁遮普省境內(nèi)卡洛特橋上游約1 km，下距曼格拉大壩74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km[3]。壩址以上流域面積26 700 km2，水庫(kù)正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m[4]，裝機(jī)容量72萬(wàn)kW（4×180 MW），設(shè)計(jì)年發(fā)電量32.1億kW·h[5]。吉拉姆河從克什米爾山谷發(fā)源，沿比爾本賈爾（Pir Panjal）山的背風(fēng)坡呈西北向流向瓦爾（Wular）湖，瓦爾湖以上流域集水面積達(dá)10 308 km2。出瓦爾湖之后，吉拉姆河流經(jīng)一段長(zhǎng)達(dá)12 km的相對(duì)平坦區(qū)域至巴拉穆拉（Baramula），隨后流經(jīng)十分陡峭的山谷區(qū)域至木扎法拉巴德（Muzaffarabad），瓦爾湖至扎法拉巴德區(qū)域集水面積為4 196 km2。吉拉姆河干流右岸的最大支流尼拉姆（Neelum）河集水面積為7 278 km2，其上游地區(qū)為高山區(qū)，少有季風(fēng)雨。吉拉姆河干流右岸還有一條較大支流昆哈（Kunhar）河，徑流量?jī)H次于尼拉姆河，集水面積為2 489 km2。本次暴雨洪水研究范圍為巴基斯坦境內(nèi)卡洛特水電站壩址以上流域，區(qū)間集水面積約為13 500 km2。

1.2 地形地貌

卡洛特水電站區(qū)域北部處于喜馬拉雅山南麓中高山區(qū)，海撥在2 000～3 500 m之間。東側(cè)為克什米爾盆地，西側(cè)為白沙瓦盆地。南部為旁遮普平原區(qū)，高程約200 m?？逄厮娬舅畮?kù)長(zhǎng)約26 km，庫(kù)段內(nèi)河谷深切，多呈“V”型谷，兩岸谷坡基本對(duì)稱。

卡洛特水電站壩址位于吉拉姆河中上游河段，壩址區(qū)屬中低山地貌，兩岸臨江岸坡山頂?shù)孛娓叱潭嘣?10～870 m。吉拉姆河呈“幾”字穿過(guò)壩址區(qū)，在右岸形成寬約700 m的河灣地塊。吉拉姆河枯水期水面寬30～60 m，水面高程388～391 m，相應(yīng)水深一般為6～8 m。壩址區(qū)地形封閉，左岸山體渾厚;右岸河灣地塊高程461 m處寬380～700 m，不存在地形埡口[2]。

1.3 流域站網(wǎng)分布

卡洛特水電站上游流域有兩條主要支流在木扎法拉巴德附近匯入干流，因此沿干流吉拉姆河和支流昆哈河、尼拉姆河先后共建有32個(gè)雨量站。在干流建有6個(gè)水文站，支流建有3個(gè)水文站。測(cè)站分布見(jiàn)圖1。

2 降水特性

卡洛特水電站上游流域內(nèi)的氣候可分為4季：12～2月為東北季風(fēng)季節(jié)、3～5月為熱季、6～9月為西南季風(fēng)季節(jié)、10～11月為西南季風(fēng)季節(jié)和東北季風(fēng)季節(jié)的過(guò)渡期。

由于地形和季節(jié)的影響，流域降水分配不均。1～3月降水量逐漸增加，3月出現(xiàn)年內(nèi)第一個(gè)峰值，月降水占全年的10%左右，4～5月降水量有所回落，從6月開(kāi)始，由于西南季風(fēng)影響，降水量迅速增加，7～8月降水量約占全年的35%，9月之后降水量逐步減少，月降水一般占全年的5%左右。降水量年際變化不大，極值比一般在1.7～2.3之間。統(tǒng)計(jì)多站降水資料可知，卡洛特水電站上游流域多年平均降水量約1 430 mm，最大年降水量1 793 mm（1977年），最小年降水量1 046 mm（2001年）;降水量年內(nèi)分配以7月最大，為289 mm，11月最小，為34 mm。

3 降水徑流特性

3.1 產(chǎn)流規(guī)律

根據(jù)2017～2020年實(shí)測(cè)資料分析，卡洛特水電站上游流域年平均徑流量為225.45億m3，徑流來(lái)源主要為上游融雪和降水補(bǔ)給。從每年3月起進(jìn)入熱季，流域氣溫逐步上升，上游積雪開(kāi)始融化，徑流量逐步增大。自6月起，由于西南季風(fēng)影響，卡洛特水電站上游流域降水量迅速增加，7～8月雨強(qiáng)最大，流域徑流量進(jìn)一步加大。9月以后降水逐步減少，氣溫逐步降低，上游融雪減少，導(dǎo)致徑流量逐漸減小，每年11月和12月徑流量最小。當(dāng)降水量較大尤其是在發(fā)生流域性暴雨時(shí)，徑流量變化較大?？逄厮娬旧嫌瘟饔虺隹诳刂普灸昶骄邓考s1 466 mm，年平均徑流系數(shù)大于0.4，濕潤(rùn)系數(shù)小于1。

3.2 匯流規(guī)律

根據(jù)干支流和現(xiàn)有站網(wǎng)分布情況，可將卡洛特上游流域劃分為多個(gè)區(qū)間，用以分析其匯流規(guī)律。①杜德利爾（Dhudnial）至木扎法拉巴德區(qū)間;②恰可迪（Chakothi）至哈丁巴拉（Hattian Bala）區(qū)間;③哈丁巴拉至多邁爾（Domel）區(qū)間;④多邁爾、塔哈塔（Talhatta）、木扎法拉巴德至查特克拉斯（Chattar Kallas）區(qū)間;⑤查特克拉斯至阿扎德帕坦區(qū)間;⑥阿扎德帕坦至卡洛特區(qū)間。

3.2.1 杜德利爾至木扎法拉巴德區(qū)間

杜德利爾至木扎法拉巴德區(qū)間內(nèi)有5個(gè)雨量站，依據(jù)多年收集得到的降水?dāng)?shù)據(jù)資料，利用泰森多邊形法計(jì)算得到該區(qū)間多年平均年降水量約為1 248 mm。杜德利爾水文站和木扎法拉巴德水文站分別為區(qū)間上下游控制站。選取2017～2020年多場(chǎng)無(wú)區(qū)間降水的洪水分析得到該區(qū)間洪水傳播時(shí)間約為5.0 h。

3.2.2 恰可迪至哈丁巴拉區(qū)間

恰可迪至哈丁巴拉區(qū)間內(nèi)共建有3個(gè)雨量站，根據(jù)多年實(shí)測(cè)降水量計(jì)算得到區(qū)間多年平均年降水量約為1 284 mm。區(qū)間上、下游控制站分別為恰可迪水文站和哈丁巴拉水文站，分析2017～2020年多場(chǎng)無(wú)區(qū)間降水的洪水得到該區(qū)間洪水傳播時(shí)間約為1.0 h。

3.2.3 哈丁巴拉至多邁爾區(qū)間

哈丁巴拉至多邁爾區(qū)間內(nèi)共建有4個(gè)雨量站，根據(jù)多年收集得到的降水量資料可知，區(qū)間多年平均年降水量約為1 466 mm。以哈丁巴拉水文站為上游控制站，多邁爾水文站為下游控制站，選取2017～2020年多場(chǎng)無(wú)區(qū)間降水的洪水，分析得到該區(qū)間洪水傳播時(shí)間為2.0～3.0 h。

3.2.4 多邁爾、塔哈塔、木扎法拉巴德至查特克拉斯區(qū)間

多邁爾、塔哈塔、木扎法拉巴德至查特克拉斯區(qū)間內(nèi)，查特克拉斯水文站處于吉拉姆河干流，是尼拉姆河、吉拉姆河與昆哈河匯合控制站。4個(gè)水文站都建有雨量站，根據(jù)2017～2020年收集的降水量資料，利用泰森多邊形法計(jì)算得到區(qū)間內(nèi)多年平均年降水量約為1 302 mm。分析多場(chǎng)無(wú)區(qū)間降水，分別由多邁爾水文站、塔哈塔水文站和木扎法拉巴德水文站來(lái)水引起的洪水，得到從多邁爾水文站、塔哈塔水文站和木扎法拉巴德水文站到查特克拉斯水文站的洪水傳播時(shí)間分別為1.0～2.0，2.0 h和1.5～2.0 h。

3.2.5 查特克拉斯至阿扎德帕坦區(qū)間

根據(jù)查特克拉斯至阿扎德帕坦區(qū)間內(nèi)現(xiàn)有的9個(gè)雨量站降水量資料，利用泰森多邊形法計(jì)算得到區(qū)間多年平均年降水量約為1 302 mm。以查特克拉斯水文站為上游控制站，阿扎德帕坦水文站為下游控制站，選取2017～2020年多場(chǎng)符合要求的洪水，分析計(jì)算得到洪水傳播時(shí)間3.5～5.0 h。

3.2.6 阿扎德帕坦至卡洛特區(qū)間

阿扎德帕坦至卡洛特區(qū)間為卡洛特上游流域最下游區(qū)間，在區(qū)間內(nèi)共有固定雨量站5個(gè)，采用泰森多邊形法計(jì)算雨量站網(wǎng)權(quán)重，根據(jù)2017～2020年降水資料計(jì)算得出多年平均年降水量約為1 389 mm。選取2017～2020年多場(chǎng)無(wú)區(qū)間降水洪水及多年水文預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)可知，區(qū)間洪水傳播時(shí)間約為1.0～1.5 h。

4 暴雨洪水特性

根據(jù)2017～2020年多場(chǎng)暴雨洪水分資料，可大致將卡洛特水電站上游流域暴雨洪水分為兩大類：近壩區(qū)暴雨洪水和全流域性暴雨洪水。

4.1 近壩區(qū)暴雨洪水特性

近壩區(qū)暴雨洪水主要是由查特克拉斯至卡洛特壩址區(qū)間內(nèi)的暴雨形成的洪水。從2017～2020年的暴雨洪水中，選取“20170713、20170722、20180807、20180813、20190813”等多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水進(jìn)行分析。

4.1.1 暴雨特性

為了更直觀地得到近壩區(qū)暴雨特性，將多場(chǎng)暴雨的暴雨中心、暴雨歷時(shí)、面平均降水量、降水強(qiáng)度等要素信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果列于表1。

根據(jù)表1可得到近壩區(qū)暴雨存在以下特性：

（1）暴雨歷時(shí)較短。從多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨分析得知，近壩區(qū)暴雨降水歷時(shí)普遍較短，從降水開(kāi)始到結(jié)束一般不超過(guò)6.0 h，尤其是強(qiáng)降水時(shí)間主要在1.0～3.0 h。近壩區(qū)短時(shí)暴雨主要發(fā)生在7～8月，形成原因?yàn)槲髂霞撅L(fēng)造成的局部氣候。

（2）暴雨強(qiáng)度大。統(tǒng)計(jì)多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨可知，暴雨面平均降水量為30～120 mm，最大1 h降水強(qiáng)度可能超過(guò)50 mm/h。

4.1.2 洪水特性

根據(jù)“20170713、20170722、20180807、20180813、20190813”等多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水，繪制上下游水文站流量過(guò)程線圖，見(jiàn)圖2～6。統(tǒng)計(jì)多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水的匯流時(shí)間等信息，列于表2。

根據(jù)圖2～6的流量過(guò)程線和表2可知，近壩區(qū)暴雨致使查特克拉斯至卡洛特壩址的區(qū)間來(lái)水量迅速增加，最終導(dǎo)致壩址流量迅速上漲。查特克拉斯水文站以上來(lái)水為壩址洪水起到筑基作用，而查特克拉斯至卡洛特壩址的區(qū)間來(lái)水則起到造峰作用。分析多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水，總結(jié)得出以下洪水特性：

（1）洪水匯流時(shí)間短、上漲快、漲幅大、退水快。由表2統(tǒng)計(jì)可知，近壩區(qū)暴雨洪水匯流時(shí)間在1.00～3.00 h，匯流時(shí)間短、速度快。依據(jù)統(tǒng)計(jì)所得數(shù)據(jù)，近壩區(qū)暴雨洪水上漲速度迅速、漲幅大、退水快。

（2）洪水預(yù)見(jiàn)期短。由于近壩區(qū)暴雨發(fā)生在壩區(qū)范圍內(nèi)，強(qiáng)降水造成區(qū)間洪水迅速發(fā)展。根據(jù)長(zhǎng)期的水文預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水的分析，得到近壩區(qū)暴雨洪水的預(yù)見(jiàn)期只有30～60 min，時(shí)間極短，無(wú)法滿足常規(guī)水文預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期要求。

（3）短時(shí)區(qū)間來(lái)水占比大。選取多場(chǎng)近壩區(qū)暴雨洪水，統(tǒng)計(jì)其區(qū)間來(lái)水最大3 h洪量占比，主要在20%～60%范圍內(nèi)。這表明，近壩區(qū)暴雨洪水區(qū)間來(lái)水占比較大，同時(shí)波動(dòng)范圍廣。主要影響因素包括暴雨歷時(shí)、暴雨降水總量和前期土壤含水量Pa值等。Pa越大、暴雨歷時(shí)越長(zhǎng)、暴雨降水總量越大，其區(qū)間來(lái)水量占比越大，反之越小。

4.2 全流域性暴雨洪水特性

全流域性暴雨洪水是指由發(fā)生在卡洛特水電站上游流域現(xiàn)有站點(diǎn)檢測(cè)范圍內(nèi)的暴雨形成洪水。根據(jù)現(xiàn)有的水雨情資料，選取了2017～2020年發(fā)生的“20170406、20180420、20200327、20200514、20200827”等多場(chǎng)全流域性暴雨洪水進(jìn)行暴雨洪水特性分析。

4.2.1 暴雨特性

選取2017～2020年多場(chǎng)全流域性暴雨，統(tǒng)計(jì)其暴雨中心、暴雨歷時(shí)、面平均降水量、降水強(qiáng)度等要素信息，列于表3。

由表3可知，全流域性暴雨存在以下特性：

（1）暴雨中心多在壩址附近，多在阿扎德帕坦至卡洛特之間，屬于近壩區(qū)。

（2）降水歷時(shí)長(zhǎng)、面平均降水量大。統(tǒng)計(jì)多場(chǎng)全流域性暴雨，其降水歷時(shí)在11～23 h，說(shuō)明全流域性降水歷時(shí)普遍較長(zhǎng)。由于全流域性暴雨歷時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致其降水總量大，統(tǒng)計(jì)面平均降水量在35.0～95.0 mm，不同場(chǎng)次暴雨也存在較大差別。

（3）短時(shí)降水強(qiáng)度較大。由多場(chǎng)全流域性暴雨統(tǒng)計(jì)所得最大1h降水強(qiáng)度為17.0～49.5mm，存在一定的波動(dòng)范圍，但強(qiáng)度都較大。

（4）降水時(shí)程和空間分布多不均。統(tǒng)計(jì)分析2017～2020年多場(chǎng)全流域性暴雨，除“20180420和20200327”等少數(shù)幾場(chǎng)暴雨時(shí)程和空間分布較為均勻外，多數(shù)場(chǎng)次暴雨時(shí)程和空間分布不均。各地暴雨發(fā)生時(shí)間有所差別，各時(shí)間段降水量也差異較大，不同站點(diǎn)累計(jì)降水量不同。

4.2.2 洪水特性

根據(jù)所選取的“20170406、20180420、20200327、20200514、20200827”等多場(chǎng)全流域性暴雨洪水，繪制各控制水文站流量過(guò)程線圖，見(jiàn)圖7～11。

由圖7～11可知，對(duì)于全流域性暴雨洪水，由于暴雨時(shí)程和空間分布不同，洪水漲落過(guò)程有較大差別。如“20170406、20180420”場(chǎng)次洪水，其降水時(shí)程分布較為均勻，故各控制站點(diǎn)洪水漲落大致同步。但由于空間分布不均、匯流面積不同以及各控制站位置不同，其洪水漲幅差別較大。由統(tǒng)計(jì)多場(chǎng)暴雨洪水所得規(guī)律及多年水文預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)可知，越是上游控制站，洪水漲幅越小;區(qū)間面平均降水量越小，洪水漲幅越小。如“20200327、20200514、20200827”場(chǎng)次洪水，降水時(shí)程分布不均，故各控制站點(diǎn)洪水漲落有先有后，再加上空間分布不均、匯流面積以及各控制站位置不同，其洪水漲幅差別較大。統(tǒng)計(jì)所選取的多場(chǎng)暴雨洪水預(yù)見(jiàn)期等信息見(jiàn)表4。

根據(jù)圖7～11和表4，歸納總結(jié)得出全流域性暴雨洪水具有以下特性：①洪水預(yù)見(jiàn)期較短，多在2.0～5.0 h;②因暴雨歷時(shí)長(zhǎng)，洪水歷時(shí)也較長(zhǎng)，一般下游洪水尚未退去，上游洪水已經(jīng)到來(lái)，所以洪水退水時(shí)間也較長(zhǎng);③由于全流域性暴雨洪水降水歷時(shí)長(zhǎng)、降水總量大，導(dǎo)致區(qū)間來(lái)水量大，洪水漲幅大。

5 結(jié) 論

根據(jù)2016年吉拉姆河流域建站以來(lái)卡洛特水電站上游流域多個(gè)水文控制站和雨量站所收集的資料，分析各場(chǎng)次暴雨洪水來(lái)源和組成，總結(jié)卡洛特上游流域內(nèi)暴雨洪水特性，得出以下結(jié)論。

（1）卡洛特水電站上游流域多為干燥天氣，西南季風(fēng)季節(jié)會(huì)發(fā)生暴雨，包括全流域性暴雨和近壩區(qū)局部暴雨，全流域性暴雨的暴雨中心一般在壩址附近。

（2）近壩區(qū)暴雨洪水與全流域性暴雨洪水相同特征包括：①暴雨短時(shí)降水強(qiáng)度大;②匯流時(shí)間短、預(yù)見(jiàn)期短;③區(qū)間來(lái)水占比大;④洪水漲幅大。

（3）近壩區(qū)暴雨洪水與全流域性暴雨洪水不同點(diǎn)包括：①近壩區(qū)暴雨降水歷時(shí)短，而全流域性暴雨歷時(shí)較長(zhǎng);②近壩區(qū)暴雨降水總量相較于全流域性暴雨降水總量小;③近壩區(qū)暴雨洪水陡漲陡落，而全流域性暴雨洪水因暴雨歷時(shí)較長(zhǎng)，洪水漲落過(guò)程時(shí)間也較長(zhǎng)，相對(duì)于近壩區(qū)暴雨洪水，曲線更為平緩;④全流域性暴雨洪水相較于近壩區(qū)漲幅更大。

（4）因暴雨洪水預(yù)見(jiàn)期很短，為提高水文預(yù)報(bào)質(zhì)量，可結(jié)合天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行徑流演算，以此延長(zhǎng)暴雨洪水預(yù)見(jiàn)期。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李強(qiáng)， 黃烈敏， 戴剛. 卡洛特水庫(kù)集水區(qū)洪水特性與預(yù)報(bào)方法分析[J]. 人民長(zhǎng)江， 2018， 49（增2）： 54-57.

[2] 尹春明，陳文理，侯欽禮，等. 巴基斯坦卡洛特水電站工程地質(zhì)勘察研究綜述[J]. 水利水電快報(bào)，2020，41（3）：12-18.

[3] 杜興強(qiáng)，楊軍，楊成，等. 巴基斯坦卡洛特水電站壩址“1992·9”特大洪水分析[J]. 水利水電快報(bào)，2020，41（7）：9-13.

[4] 徐長(zhǎng)江，李響，邴建平，等. 卡洛特水電站工程水文設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 人民長(zhǎng)江，2019，50（12）：66-72.

[5] 許弟兵，楊軍，鄧頌霖. 巴基斯坦卡洛特水電站施工期水文工作實(shí)踐與研究探討[J]. 水利水電快報(bào)，2020，41（3）：6-11，18.

（編輯：李 慧）

Analysis of storm flood characteristics of upstream basin of

Karot Hydropower Station in Pakistan

LIU Tianyong，YANG Jun，LIU Yingwu

（Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Jingzhou 434000 ， China）

Abstract：In order to master the storm flood features of upstream basin of Karot Hydropower Station in Pakistan， this paper focused on the geographical and climatic characteristics of the basin since the construction of hydrological stations in the Jhelum River Basin in 2016. On the basis of the collected precipitation and runoff data in the basin， the characteristics of rainfall and runoff was analyzed. A number of storm floods from 2017 to 2020 was selected to analyze the source and composition of the floods， and the causes and laws of the storm floods were summarized. The results showed that under the southwest monsoon， local or basin storm could occur and the most storm centers were near the dam site; the rainfall duration near dam site was short with small amount， the surge and fall of the flood was fast， which was the opposite to basin storm flood.

Key words：storm flood characteristics; Karot Hydropower Station;Jhelum River Basin;Pakistan