光照水電站壩址水文特性分析與設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

陳蘭蘭，黃天任，余興奎

(1.貴州黔源電力股份有限公司，貴州？貴陽？550002；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江？杭州？310030；3.中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州？貴陽？550081)

0 引 言

近年來，隨著自然環(huán)境變化以及水利工程開發(fā)等人類活動的影響，流域水文特性發(fā)生相應(yīng)變化[1]。由于氣溫、降雨等不同因素的影響，造成流域水文循環(huán)系統(tǒng)發(fā)生改變，進(jìn)而影響降雨徑流的變化過程。而不同形式的人類活動，如水利工程開發(fā)及河道治理等，改變了原有的流域下墊面條件和產(chǎn)流、匯流機(jī)制，從而影響整個水文循環(huán)過程[2]。

水文分析是開展流域規(guī)劃、水工程設(shè)計(jì)建設(shè)與運(yùn)行管理、水資源調(diào)度及管理、水電開發(fā)建設(shè)等工作的重要決策依據(jù)，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有很強(qiáng)的推動作用[3]。

上游梯級水庫群對下游河段水文特性的影響體現(xiàn)在徑流、洪水、泥沙等多個方面，需進(jìn)行系統(tǒng)分析[4]。目前考慮上游水庫影響的下游水電站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的主要方法有洪水隨機(jī)模擬法、頻率組合法和地區(qū)組成法[5]。

本文基于光照水電站以上北盤江流域水文站實(shí)測資料及電站運(yùn)行資料，采用水量平衡、馬斯京根、區(qū)間疊加等方法，開展氣象、徑流、設(shè)計(jì)洪水分析，可為工程規(guī)模確定和方案設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究思路和方法可供類似工程借鑒。

1 流域概況

北盤江是珠江上游南盤江左岸一級支流，河源位于云南宣威烏蒙山東麓，東接紅水河蒙江，南接南盤江，西鄰黃泥河、塊澤河，北靠牛欄江、橫江及烏江三岔河。流域分屬云南、貴州兩省，集水面積26 538 km2，其中貴州20 982 km2，占79.1%；云南5 556 km2，占20.9%。北盤江流域地勢北高南低，呈北西—南東狹長形平行展布，左右岸集水面積基本對稱。河系發(fā)育、支流密布，有主要支流66條，其中一級支流18條。

光照水電站位于貴州省晴隆縣與關(guān)嶺縣交界處，是北盤江干流梯級開發(fā)的第8級，控制流域集水面積13 584 km2，具有不完全多年調(diào)節(jié)性能。電站正常蓄水位745 m，相應(yīng)庫容31.35億m3，于2003年5月開始前期施工準(zhǔn)備，2008年投產(chǎn)發(fā)電。光照水電站以上北盤江干流已建有萬家口子、毛家河、響水、善泥坡水庫梯級水電站，下游的馬馬崖、董箐水電站也已投產(chǎn)發(fā)電，詳見圖1。

圖1 北盤江流域水系圖

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

(1)氣象數(shù)據(jù)。采用盤縣、普安縣等15個氣象站的降水月(日)尺度資料，來源于各縣氣象局。

(2)水文數(shù)據(jù)。采用大渡口水文站、盤江橋水文站1959—2022年共63個水文年徑流量系列資料，來源于貴州省水文局。

(3)水庫運(yùn)行數(shù)據(jù)。采用善泥坡水電站、光照水電站投運(yùn)以來壩前逐日(時)水位、汛期逐時下泄流量、發(fā)電流量，來源于黔源電力股份有限公司集控中心。

(4)工農(nóng)業(yè)用水?dāng)?shù)據(jù)。采用水城縣、盤州市、普安縣、晴隆縣、六枝特區(qū)等主要縣區(qū)的工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水、生活用水、生態(tài)用水等，來源于各省市縣《水資源公報》、珠江委《北盤江流域綜合規(guī)劃》《北盤江流域水量分配方案》《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃》等。

2.2 分析方法

光照水電站壩址以上的流域集水面積(13 548 km2)與盤江橋水文站以上的流域集水面積(14 356 km2)相差為5.96%，面積相差不超過15%，且區(qū)間降水和下墊面條件相差不大。因此，2008年以前的光照水電站壩址徑流成果可采用盤江橋水文站徑流按面積比一次方修正得到，計(jì)算公式如下：

式中：Qd、Fd分別為光照水電站壩址徑流、集水面積；Qs、Fs分別為盤江橋水文站流量、集水面積；n為面積比指數(shù)。

2008年以后采用庫水位及庫容反算推求入庫流量，即根據(jù)水位庫容關(guān)系曲線及出庫流量等資料，計(jì)算一定時段內(nèi)的實(shí)測出庫水量和水庫庫容變化量，利用水量平衡原理推求時段內(nèi)壩址入庫流量。其中，徑流還原以月、日為時段，洪水還原以小時為時段；計(jì)算公式如下：

式中：Qn為天然流量；Qm為實(shí)測流量；V1、V2分別為時段初、末水庫蓄水量；T為時段長度。

3 降雨特性分析

北盤江流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)、冬干夏濕氣候帶。受地形地貌影響，立體氣候明顯，不同高程帶氣候差異大。

北盤江流域降水空間分布很不均勻。流域少雨區(qū)位于西北部的宣威、威寧一帶，多年降水量集中在900～1 000 mm；降雨高值區(qū)位于流域中游的打幫河以及南部的晴隆站，多年平均降水量在1 500 mm左右。北盤江中游往下，年降水量逐漸減小，董箐壩址附近的年平均降水量在1 100 mm左右。

北盤江流域降水量年際變化不大，但年內(nèi)分配極不均勻。全年降水集中在5月至9月，約占年降水量的78.3%；而降水較少的12月至次年3月，僅占全年總降水的6.7%。北盤江流域內(nèi)暴雨大多數(shù)為中小量級，多出現(xiàn)在5月至9月，其中又以六七月最多。受流域地形地貌影響，全流域性的大暴雨較少形成，除中等量級的暴雨可能籠罩全流域，其他量級的降雨強(qiáng)度越大，越是呈插花型分布。北盤江流域年最大24 h降雨的多年平均值在80～100 mm，實(shí)測最大24 h降雨在120～200 mm，一次暴雨的歷時一般在12 h以內(nèi)。與年降水在地區(qū)上的分布基本一致，北盤江流域西北部為暴雨低值區(qū)，東南部為暴雨高值區(qū)。

采用泰森多邊形法計(jì)算光照電站壩址以上流域多年平均面降水量為1 112 mm。其中5月至9月平均降水量為969.3 mm，占多年平均面降水量的87.1%；10月至次年4月平均降水量為142.4 mm，占多年平均降水量的12.9%；與流域降水時空分布特性基本一致。其中，6月降水明顯偏高，多年平均降水量為237.8 mm；12月降水明顯偏低，多年平均降水量僅為13 mm，極值比為19.8。

4 徑流特性分析

北盤江流域夏秋5—10月為豐水期，流量起伏變化大，冬春11月—次年4月為枯水期，流量平穩(wěn)，變化小。流域年均徑流深的分布變化與年降雨相對應(yīng)，上游可渡河及右岸支流革香河最小，為300～500 mm；中游屬黔西南多雨區(qū)最大，為600～800 mm；下游為400～600 mm。

考慮到近幾十年來流域內(nèi)人類活動對徑流的影響較大，實(shí)測流量系列中有逐年變化的工農(nóng)業(yè)用水損失，需利用壩址以上工農(nóng)業(yè)用水調(diào)查資料對光照壩址徑流系列進(jìn)行逐年還原。還原后結(jié)果表明光照壩址1959年6月—2022年5月多年平均流量為241.8 m3/s，多年平均徑流量為76.6億m3，多年平均徑流深562.8 mm。徑流年際變化較大，年最大、最小平均流量分別為1965年的370.7 m3/s、2011年的98.5 m3/s，極值比為3.76。徑流年內(nèi)分配不均勻，豐水期(6—11月)多年平均徑流量占全年的84.4%，枯水期(12—次年5月)僅占15.6%。多年平均徑流量最大的7月份，占全年徑流量的22.4%，多年平均徑流量最小的4月份，只占全年徑流量的1.92%。光照水電站壩址天然徑流年內(nèi)分配如表1所示。

表1 光照水電站壩址水文年月平均流量及徑流年內(nèi)分配表

5 洪水特性分析

5.1 暴雨洪水特性

北盤江流域內(nèi)暴雨形成主要是由于大氣環(huán)流活躍，流域的暴雨中心在中下游的六枝、安順、鎮(zhèn)寧、關(guān)嶺、晴隆、普安、興仁、貞豐一帶，其實(shí)測最大1 h降水量在66～116 mm之間。流域內(nèi)暴雨一般在5月末開始，主要集中在6月至9月，打邦河一帶稍有提前。隨著暴雨季節(jié)的到來，流域自6月起進(jìn)入汛期，大暴雨多發(fā)生在6月至7月。一次暴雨的持續(xù)時間一般為1～3 d，總降水量最大可達(dá)300 mm。

北盤江上游屬山區(qū)性河流，河道比降大，匯流迅速，洪水漲落快，洪量較為集中。流域內(nèi)洪水一般出現(xiàn)在汛期，年最大洪峰均發(fā)生在5—10月，其中6—8月發(fā)生最大洪水次數(shù)占比86%左右，5月占比4%左右，9—10月占比10%左右。另外，六七月發(fā)生的洪水量級一般較大，其他月發(fā)生的洪水量級一般較小。

根據(jù)大渡口水文站歷史資料統(tǒng)計(jì)，流域大洪水多為單峰和雙峰，漲水歷時一般為10～20 h；峰頂持續(xù)時間較短，退水也較快，一次洪水過程一般約為3～5 d。其中，1968年最大洪水，漲洪歷時20 h，總歷時96 h，1日洪量1.23億m3，3日洪量為2.21億m3。

5.2 歷史洪水

根據(jù)《北盤江善泥坡水電站可行性研究報告》，大渡口河段歷史洪水采用了1885年(4 310 m3/s)和1954年(3 830 m3/s)?？裳性O(shè)計(jì)時采用的資料系列到2003年，將1885年洪水重現(xiàn)期定為1885年以來的第一位，重現(xiàn)期為119年；將1954年洪水的重現(xiàn)期定為1954年以來的第一位。本次將洪水系列資料延長至2022年，由于2004—2022年期間最大洪峰流量為1 900 m3/s，未發(fā)生過特大洪水，故大渡口水文站洪水系列頻率計(jì)算仍將1885年和1954年兩個歷史洪水作為特大洪水考慮，對應(yīng)1885年重現(xiàn)期延長為138年，1954年排1885年以來第二位。

為北盤江流域規(guī)劃設(shè)計(jì)需要，1978年9月，中南勘測設(shè)計(jì)院在北盤江這洞河段進(jìn)行了洪水調(diào)查。調(diào)查到1833年、1872年、1918年、1932年及1955年的歷史洪水，其中1872年和1833年洪水較大，分別排在1833年以來的第一、第二位。光照水電站設(shè)計(jì)時，率定這洞水文站綜合水位流量關(guān)系曲線，推得這洞水文站1872年歷史洪水洪峰流量為9 360 m3/s，1833年歷史洪水洪峰流量為9 150 m3/s。

利用盤江橋站和這洞站洪峰流量的相關(guān)關(guān)系，把這洞站歷史洪水搬至盤江橋站。在作此相關(guān)關(guān)系時，選擇兩站洪峰均為年最大且在時間和數(shù)值上相對應(yīng)之點(diǎn)據(jù)點(diǎn)繪出相關(guān)線，其相關(guān)關(guān)系為Q盤=0.865Q這，從而推得1872年盤江橋站歷史洪水的洪峰流量為8 100 m3/s。

5.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

經(jīng)計(jì)算，大渡口水文站與盤江橋水文站洪峰、24 h和72 h洪量均值對數(shù)面積比系數(shù)α分別為1.67、2.12、2.17，較一般河流的洪峰面積比指數(shù)大。分析認(rèn)為，北盤江流域的主要暴雨區(qū)處在大渡口至盤江橋區(qū)間的右岸烏都河和左岸月亮河一帶，且大渡口至盤江橋河段多為峽谷河段，洪水在往下游行進(jìn)過程中伴隨有較大的區(qū)間洪水加入；但因受峽谷河道影響，難以得到坦化，因此造成該河段面積比指數(shù)較大。

根據(jù)盤江橋水文站1959—2007年年最大洪水系列，以及利用2008—2022年光照水電站實(shí)測年最大入庫洪峰流量，按照面積比指數(shù)修正后，得到盤江橋水文站年最大洪峰流量；然后根據(jù)盤江橋水文站的峰量關(guān)系推求不同統(tǒng)計(jì)時段的洪量。

點(diǎn)繪1954—2007年盤江橋站年最大洪峰流量與年最大24、72、120、168 h洪量的相關(guān)關(guān)系，詳見圖2～圖5。歷史洪水的最大24、72、120、168 h洪量根據(jù)其洪峰流量采用上述相關(guān)關(guān)系推求得到。

圖2 盤江橋水文站年最大24 h洪量同年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

圖3 盤江橋水文站年最大72 h洪量同年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

圖4 盤江橋水文站年最大120 h洪量同年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

圖5 盤江橋水文站年最大168 h洪量同年最大洪峰流量相關(guān)關(guān)系圖

結(jié)合歷史洪水調(diào)查成果，考慮將1872年及1887年兩場歷史洪水作為特大洪水處理，按照經(jīng)驗(yàn)頻率公式及進(jìn)行特大洪水及其他實(shí)測洪水系列的頻率計(jì)算，采用P—Ⅲ型曲線作為頻率曲線的線型目估適線，進(jìn)行盤江橋站設(shè)計(jì)洪水的分析計(jì)算，成果如表2所示。

表2 盤江橋站洪水頻率計(jì)算成果表

由于光照水電站壩址與盤江橋水文站的集水面積僅相差5.6%，故以盤江橋水文站為設(shè)計(jì)依據(jù)站，考慮面積比指數(shù)修正，將其設(shè)計(jì)洪水成果比擬至上游19.5 km的光照壩址，得到光照壩址設(shè)計(jì)洪峰流量及時段洪量成果，詳見表3。

表3 光照水電站壩址設(shè)計(jì)洪水成果表

6 結(jié) 論

(1)北盤江流域降水空間分布很不均勻，主要降水集中在流域中游，降水量年際變化不大；但年內(nèi)分配極不均勻，6月降水明顯偏高，而12月降水明顯偏低。

(2)光照水電站天然徑流年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，豐水期多年平均徑流量占全年的84.4%。

(3)受流域暴雨區(qū)位置及地形影響，大渡口水文站與盤江橋水文站洪峰、洪量均值對數(shù)面積比系數(shù)較常用系數(shù)偏大。

(4)光照水電站壩址徑流計(jì)算成果與可研階段成果相比，差異不大，仍可采用可研階段徑流成果。