旭龍水電站壩址徑流計(jì)算分析

熊豐 戴明龍 秦智偉 李立平

摘要：設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算是水電規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)工作任務(wù)。由于金沙江旭龍水電站壩址處無實(shí)測(cè)水文資料，需通過上下游和區(qū)間的水文站資料推求其壩址徑流?；谥貥?gòu)的巴塘水文站和奔子欄水文站徑流系列，分析對(duì)比了3種方法推求壩址徑流的適用性。方法1采用奔子欄水文站扣除古學(xué)水文站流量和面積，再采用與巴塘水文站面積內(nèi)插推求壩址徑流；方法2利用壩址上下游的巴塘水文站、奔子欄水文站資料，采用面積內(nèi)插推求壩址徑流；方法3采用巴塘水文站流量，按面積比放大推求壩址徑流。采用相鄰水文站插補(bǔ)方法或水位流量關(guān)系插補(bǔ)方法重構(gòu)了參證站巴塘水文站、奔子欄水文站1953～2018年的年、月徑流系列。結(jié)果表明：上述3種方法得到的壩址多年平均徑流量分別為321億m3、329億m3、317億m3，計(jì)算結(jié)果相差較小；旭龍水電站壩址年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)符合地區(qū)變化規(guī)律，各水文站徑流成果在地區(qū)上較協(xié)調(diào)。

關(guān)鍵詞：徑流計(jì)算； 多年平均徑流量； 插補(bǔ)延長(zhǎng)； 缺資料地區(qū)； 旭龍水電站； 金沙江

中圖法分類號(hào)：TV121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.003

文章編號(hào)：1006-0081（2024）05-0014-06

0 引言

設(shè)計(jì)年徑流計(jì)算是水電規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)工作任務(wù)［1］。根據(jù)資料的長(zhǎng)短，流域徑流計(jì)算可以分為具有長(zhǎng)期、短期實(shí)測(cè)資料流域及無實(shí)測(cè)資料流域。對(duì)于具有短期實(shí)測(cè)徑流資料流域，一般需利用鄰近流域徑流或降水資料進(jìn)行插補(bǔ)展延［2-3］。對(duì)于無實(shí)測(cè)徑流資料流域，通常采用水文比擬法和等值線圖法等方法［4-5］。邵駿等［6-7］利用沱沱河水文站和氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過分析徑流演變規(guī)律與氣象因素的關(guān)系以及不同冰芯間δ18O記錄和冰芯累計(jì)量的關(guān)系，重建了沱沱河水文站1900～1960年滑動(dòng)平均徑流系列，揭示了沱沱河水文站年徑流變化趨勢(shì)。姜姍姍等［8］依據(jù)大溪橋站、福才站流量及降水量資料，采用多種方法對(duì)大溪橋站徑流系列進(jìn)行了插補(bǔ)延長(zhǎng)，通過對(duì)比分析得到了合理的徑流插補(bǔ)延長(zhǎng)成果。劉陽容等［9］通過建立不同資料長(zhǎng)度、不同來水條件的相關(guān)關(guān)系對(duì)插補(bǔ)延長(zhǎng)成果進(jìn)行了實(shí)例分析，研判了不同資料長(zhǎng)度、不同來水條件下建立的相關(guān)關(guān)系對(duì)成果精度的影響程度。于冰等［10］利用水資源分析計(jì)算工作中常用的幾種資料插補(bǔ)延長(zhǎng)和代表性分析方法，對(duì)安幫河流域短系列降雨、徑流資料進(jìn)行了延長(zhǎng)和代表性分析。

旭龍水電站壩址處無實(shí)測(cè)徑流資料，壩址距上游巴塘水文站約137 km，距下游奔子欄水文站約70 km，壩址至奔子欄水文站區(qū)間有較大支流定曲河匯入。本文基于旭龍水電站壩址鄰近地區(qū)的水文站，采用多種方法分析計(jì)算其壩址徑流，可為旭龍水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形氣候條件復(fù)雜

旭龍水電站位于云南省德欽縣與四川省得榮縣交界的金沙江上游河段，為金沙江上游水電規(guī)劃方案“一庫(kù)十三級(jí)”的第12級(jí)，是國(guó)家西電東送骨干電源點(diǎn)之一［11］。壩址集水面積189 540 km2，擬定壩型為混凝土雙曲拱壩。水庫(kù)正常蓄水位為2 302 m，死水位2 294 m，最大壩高213 m，總庫(kù)容約8.47億m3。電站裝機(jī)容量2 400 MW，多年平均年發(fā)電量105.14億kW·h［12-13］。

旭龍水電站所在的金沙江石鼓水文站以上流域地形地貌復(fù)雜，大體可分為青藏高原區(qū)和橫斷山縱谷區(qū)。巴塘水文站以上地區(qū)位于青藏高原東南部，海拔高程5 000 m左右，地勢(shì)由西北向東南傾斜，地貌呈高原景觀。河源地區(qū)現(xiàn)代冰川發(fā)育，分水嶺高程多在6 000 m左右。區(qū)內(nèi)除高大雪峰外，地勢(shì)較為平坦，沱沱河至通天河上段（楚瑪爾河匯口以上）河道寬淺，多沙洲，流向大體由西北向東南，水流散亂，流速緩慢。河流兩岸山丘平緩，高原面保存完整。植被以沼澤草甸及草原為主。楚瑪爾河匯口以下的通天河段，河道較順直，河槽漸趨穩(wěn)定，水流比降增大，兩岸山勢(shì)增高，河流轉(zhuǎn)向東南，進(jìn)入高原峽谷區(qū)，谷底海拔高程由通天河上段的4 000余m下降至3 000余m。巴塘水文站以下，金沙江流向轉(zhuǎn)南，進(jìn)入橫斷山縱谷區(qū)。橫斷山褶皺呈南北走向，谷嶺相間，兩岸高山海拔高程一般為4 000～5 000 m。嶺谷間相對(duì)高差可達(dá)1 000～1 500 m，河谷深切，水流湍急，河道多呈“V”形。

旭龍水電站壩址以上流域氣候以巴塘水文站為界，巴塘水文站以上海拔高程5 000 m左右，現(xiàn)代冰川發(fā)育，遠(yuǎn)離水汽源地，氣候寒冷而干燥，屬典型的高原氣候亞濕潤(rùn)區(qū)（河源則為高原氣候干旱區(qū)），以荒漠草甸為主；巴塘水文站以下大部分屬亞熱帶氣候濕潤(rùn)區(qū)，河谷地帶則屬亞熱帶亞濕潤(rùn)區(qū)，植被以森林、草甸為主。由于地形影響，區(qū)內(nèi)氣候在水平和垂直方向上差異很大，立體氣候明顯。旭龍水電站壩址以上流域降水量的總體分布是自西北向東南遞增（圖1）。據(jù)1956～2000年同步資料統(tǒng)計(jì)，壩址以上流域降水量等值線為300～800 mm，接近源頭的楚瑪爾河多年平均年降水量為239 mm，通天河流域平均年降水量為354 mm，直門達(dá)水文站至石鼓水文站平均年降水量為723 mm。受地形、地勢(shì)及天氣系統(tǒng)等因素的影響，降水量存在地區(qū)差別大、地形影響明顯、年內(nèi)分配不均等特點(diǎn)。

金沙江流域氣溫在地區(qū)分布上的總趨勢(shì)是由上游向下游、西北向東南遞增，存在明顯的垂直分布和區(qū)域差別。根據(jù)旭龍水電站壩址附近的基本氣象站得榮站1960～2016年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，得榮多年平均氣溫14.8 ℃，平均最高氣溫22.5 ℃，極端最高氣溫36.9 ℃，極端最低氣溫-8.9 ℃。垂直高差近1 000 m，溫差在7.0 ℃以上，氣溫垂直遞減率超過了0.7 ℃/100 m。

1.2 徑流時(shí)空變化較大

金沙江流域徑流主要來自降水，上游地區(qū)有部分融雪補(bǔ)給。徑流年內(nèi)分配與降水的季節(jié)變化基本一致。金沙江流域的降水從上游向下游遞增，徑流分布與之相應(yīng)，亦呈從上到下沿程增加的趨勢(shì)，空間分布不均勻。河源及通天河徑流深小于200 mm，為流域內(nèi)的最小值，由于降水較少，徑流主要來源于冰雪融水。上段直門達(dá)、崗?fù)?、巴塘、奔子欄水文站多年平均年徑流深分別為90，110，157，172 mm，中段石鼓水文站多年平均年徑流深196 mm，下段屏山水文站多年平均年徑流深314 mm，為直門達(dá)水文站的3.49倍。

流域上游地處青藏高原，降水稀少，單位面積產(chǎn)水量較小。受流域降水量沿河流走向擴(kuò)大影響，年徑流量從上游至下游增長(zhǎng)率遠(yuǎn)大于集水面積的增長(zhǎng)率。直門達(dá)、崗?fù)?、巴塘、奔子欄水文站和石鼓水文站多年平均年徑流量分別為124億m3、164億m3、282億m3、350億m3、419億m3，金沙江干流部分水文站集水面積、年徑流量占石鼓水文站的比例見圖2?？梢钥闯觯乃恼据^直門達(dá)水文站徑流量的增加量是集水面積增加量的4倍。

流域徑流年內(nèi)分配不均。上游青藏高原地區(qū)氣候寒冷，冬春兩季河流封凍，枯水期徑流很少，汛期徑流所占比值大。直門達(dá)水文站汛期6～10月徑流量占全年徑流量的81.5%，石鼓水文站6～11月徑流量占全年徑流量的74.4%?？萜?2月至次年4月的各月相差較小，徑流平穩(wěn)，各月徑流占全年比例均為2%～4%。

流域徑流量的年際變化不大。由上游至下游各站歷年最大與最小年平均流量極值比為3.19～2.01，其變幅呈逐漸遞減趨勢(shì)，越往下游，徑流年際間相對(duì)更加均勻。年徑流的變差系數(shù)Cv值隨著集水面積的增大而趨于穩(wěn)定，根據(jù)水文站徑流系列統(tǒng)計(jì)分析，直門達(dá)水文站年徑流的變差系數(shù)Cv值為0.28，直門達(dá)水文站以下逐漸減小，至石鼓水文站時(shí)，Cv值已減小為0.18。

2 研究數(shù)據(jù)

2.1 水文基本資料

旭龍水電站水文分析計(jì)算的主要設(shè)計(jì)依據(jù)站為巴塘水文站、奔子欄水文站和古學(xué)水文站，崗?fù)兴恼尽⒅遍T達(dá)水文站和石鼓水文站為徑流系列插補(bǔ)延長(zhǎng)的重要參證站。各站基本信息如表1所示。從表1可以看出，各水文站流量均有缺測(cè)時(shí)段，不滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 徑流系列重構(gòu)

采用相鄰水文站插補(bǔ)方法或水位流量關(guān)系插補(bǔ)方法得到巴塘水文站、奔子欄水文站的長(zhǎng)系列年、月徑流序列。巴塘水文站1956年4月至1956年5月流量采用石鼓水文站與巴塘水文站相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)而得，1956年6月至1959年4月流量采用崗?fù)兴恼九c巴塘水文站相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)而得；1969～1970年、1989～1991年流量依據(jù)本站鄰近年份水位流量關(guān)系線，由日平均水位插補(bǔ)而得。奔子欄水文站1959年以前的流量資料通過與石鼓水文站相關(guān)關(guān)系插補(bǔ)而得；1959～1984年以后年份缺測(cè)流量資料依據(jù)鄰近年份的水位流量關(guān)系，由日平均水位插補(bǔ)而得。通過重構(gòu)，巴塘水文站、奔子欄水文站具有1953～2018年的年、月徑流系列。

3 旭龍水電站壩址徑流計(jì)算分析

3.1 計(jì)算方法及過程

巴塘水文站、旭龍水電站、奔子欄水文站集水面積分別為18.01萬km2、18.95萬km2、20.33萬km2。壩址至奔子欄水文站區(qū)間有較大支流定曲河匯入，支流上有古學(xué)水文站，集水面積為1.216萬km2，壩址至奔子欄水文站未控區(qū)間面積為0.162萬km2。根據(jù)巴塘水文站、奔子欄水文站、古學(xué)水文站同步實(shí)測(cè)資料，采用如下3種方法分析計(jì)算旭龍水電站壩址徑流。

（1）方法一。由于旭龍水電站壩址至奔子欄水文站未控區(qū)間面積較小，因此考慮采用奔子欄水文站、巴塘水文站和古學(xué)水文站的實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析計(jì)算。將奔子欄水文站扣除古學(xué)水文站流量和面積，再采用與巴塘水文站面積內(nèi)插推求壩址徑流，公式如下：

根據(jù)1987～2018年同步計(jì)算流量資料對(duì)比分析，上述3種方法計(jì)算得到的壩址多年平均徑流量分別為321億m3、329億m3、317億m3，計(jì)算結(jié)果差異較小。分析巴塘水文站至奔子欄水文站（巴-奔）區(qū)間和古學(xué)水文站流量的相關(guān)關(guān)系，見圖3，可以看出兩者相關(guān)關(guān)系較好，說明方法1采用古學(xué)水文站流量進(jìn)行分析計(jì)算合理可信。古學(xué)水文站徑流量占巴-奔區(qū)間徑流量的68.3%，面積僅占52.2%，遠(yuǎn)小于徑流量之比，表明古學(xué)水文站以上流域產(chǎn)水模數(shù)較巴-奔區(qū)間河谷地帶高?？紤]到3種方法成果相差不大，最終采用方法1推求1987～2018年旭龍水電站壩址徑流。

奔子欄水文站1953～1959年、1964年無實(shí)測(cè)流量資料，古學(xué)水文站流量資料系列為1987～2015年。因此，根據(jù)各水文站水文資料條件，并考慮到水量平衡，最終旭龍水電站壩址徑流系列計(jì)算如下：1953～1959年、1964年徑流采用方法3進(jìn)行計(jì)算；1960～1963年、1965～1986年徑流采用方法2進(jìn)行計(jì)算；1987～2018年徑流采用方法1進(jìn)行計(jì)算，需說明的是采用方法1計(jì)算的徑流成果有個(gè)別年份出現(xiàn)月水量不平衡現(xiàn)象，對(duì)于這些月份采用方法2的計(jì)算結(jié)果。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)旭龍水電站壩址1953～2018年徑流系列，繪制了旭龍水電站壩址年徑流系列累積均值、變差系數(shù)、差積曲線（圖4～6），從圖4和圖5可以看出年徑流累積均值和變差系數(shù)均在系列達(dá)20 a以后趨于穩(wěn)定。從圖6可以看出，徑流系列中豐、平、枯水年交替出現(xiàn)。綜上，旭龍水電站壩址1953～2018年徑流系列具有較好的代表性，可以用于工程設(shè)計(jì)。

采用P-Ⅲ型分布和適線法分析旭龍水電站壩址設(shè)計(jì)年徑流，如圖7所示?？梢钥闯?，P-Ⅲ曲線與年徑流的經(jīng)驗(yàn)頻率擬合較好，旭龍水電站壩址年平均流量的均值Ex、Cv、Cs/Cv參數(shù)（Cs為變異系數(shù)）分別為990，0.21和2。計(jì)算得到壩址10%，50%，90%的設(shè)計(jì)年平均流量分別為1 260，975，735 m3/s。

為了分析壩址徑流成果合理性，將金沙江干流直門達(dá)、崗?fù)?、巴塘、奔子欄、石鼓、金江街、攀枝花水文站?站的徑流成果進(jìn)行比較，見表2。由表2可知，金沙江干流自上而下各水文站多年平均流量隨著流域面積增加而增大，Cv值隨著面積增加而減小，Cs/Cv一致。可見，旭龍水電站年徑流設(shè)計(jì)參數(shù)符合地區(qū)變化規(guī)律，由此說明各水文站徑流成果在地區(qū)上是比較協(xié)調(diào)的，成果合理。

根據(jù)推求的旭龍水電站壩址徑流序列，計(jì)算了其徑流年內(nèi)分配，見表3?？傮w而言，旭龍水電站壩址徑流年內(nèi)分配不均，徑流量主要集中在汛期6～10月，枯期徑流平穩(wěn)。由于6～10月為汛期，降雨量大部分集中在此期間，同時(shí)氣溫在全年中也為最高，冰雪融水主要集中于這段時(shí)期，徑流量約占全年的76.5%。枯期12月至次年4月的各月相差較小，徑流平穩(wěn)，各月徑流占全年比例均在2%～4%之間。旭龍水電站徑流量的年際變化不大，其歷年最大與最小年平均流量極值比為2.18，年徑流的Cv值僅為0.21。

4 結(jié)論

本文充分利用奔子欄水文站、巴塘水文站、古學(xué)水文站實(shí)測(cè)流量，采用多種方法推求了旭龍水電站壩址徑流，并進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)論如下：

（1） 采用相鄰水文站插補(bǔ)方法或水位流量關(guān)系插補(bǔ)方法重構(gòu)了依據(jù)站巴塘水文站、奔子欄水文站的長(zhǎng)系列年、月徑流序列。通過重構(gòu)，巴塘水文站、奔子欄水文站具有1953～2018年的年、月徑流系列。

（2） 采用3種方法推求的壩址多年平均徑流量分別為321億m3、329億m3、317億m3，差異較小。旭龍水電站壩址年徑流統(tǒng)計(jì)參數(shù)符合地區(qū)變化規(guī)律，各水文站徑流成果在地區(qū)上較協(xié)調(diào)?？傮w而言，旭龍水電站徑流量的年際變化不大，年徑流的變差系數(shù)值僅為0.21，年內(nèi)分配不均，汛期徑流量約占全年的76.5%。

（3） 旭龍水電站上游流域?qū)㈥懤m(xù)有大型水電站建成投運(yùn)，會(huì)對(duì)其壩址天然徑流成果產(chǎn)生較大影響，后續(xù)需進(jìn)一步研究。

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編輯：江文

Runoff calculation and analysis at dam site of Xulong Hydropower Station

XIONG Feng，DAI Minglong，QIN Zhiwei，LI Liping

（Bureau of Hydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract： Design annual runoff calculation is a basic task in water conservancy planning and engineering design.Xulong Hydropower Station on the Jinsha River is one of the backbone power supply points of the west-to-east power transmission.Since there is no measured hydrological observation data at the dam site，it is necessary to calculate the dam site runoff from the hydrological station data at the upstream，downstream and the interval basin.We analyzed and compared the applicability of three methods to calculate dam site runoff based on reconstructed flow series of Batang and Benzilan Hydrological Station.Method 1：The discharge was deducted from Benzilan and Guxue Hydrological Station，and the dam site runoff was calculated by interpolation with the area of Batang Hydrological Station.Method 2：We used the Batang and Benzilan Hydrological Station statistical data to calculate the dam site runoff by area interpolation.Method 3：We used the flow rate of Batang Hydrological Station to derive the runoff at the dam site by area ratio amplification.The annual and monthly runoff series of the Batang and Benzilan Hydrological Station from 1953 to 2018 were reconstructed by the interpolation method of adjacent hydrological stations or the interpolation method of water level discharge relationship.The results showed that the average annual runoff of the dam site obtained by the above three methods were 32.1 billion，32.9 billion and 31.7 billion cubic metre respectively，and the difference between the calculation results was small.The annual runoff statistical parameters of Xulong Hydropower Station conformed to the regional variation law，and the runoff results of each hydrological station were relatively coordinated in the region.

Key words：

runoff calculation； multi-year average runoff； extension of interpolation； areas lacking data； Xulong Hydropower Station； Jinsha River

收稿日期：2023-10-13

基金項(xiàng)目：水利青年科技英才資助項(xiàng)目“水庫(kù)群影響下的江湖水情響應(yīng)機(jī)制及適應(yīng)性對(duì)策研究”

作者簡(jiǎn)介：熊豐，男，工程師，博士，主要從事水文學(xué)與水資源研究。E-mail：fxiong07@foxmail.com

通信作者：戴明龍，男，正高級(jí)工程師，博士，主要從事水文學(xué)與水資源研究。E-mail：daiminglong@163.com