英布魯水電站水文特性及水文設計特點

馮德光 郝福良 史世平 李 林

1 流域氣象特點

1.1 流域下墊面

英布魯水電站位于剛果河支流萊菲尼河,距河口14 km。萊菲尼河發源于巴泰凱高原,流經峽谷、沼澤地和茂盛林區,河長280 km,沿程坡度平緩。分水嶺高程為600～800 m,壩址河段河谷深300～400 m,河道比降為0.2‰～0.3‰,庫區河段兩岸較平緩,局部岸坡較陡。河谷多為熱帶森林,沿河流呈帶狀分布,超出兩岸一定范圍后,森林稀疏,逐步過渡到草原地帶。流域植被良好,表層土壤為砂壤土。居民很少,人類活動少,未修建任何水利工程,流域下墊面條件變化不大。

1.2 氣象條件

萊菲尼河流域屬于蘇丹—幾內亞的赤道幾內亞氣候,全年分旱、雨兩季。旱季有氣壓高、氣溫低、多云天氣、雨量稀少等特點。雨季由于受東部印度洋的水汽影響,經常發生降雨,雨量充沛,氣溫高。

英布魯電站壩址處沒有氣象站,氣象資料較少。以位于河口北部的姆布亞氣象站1981—2002年實測氣象要素值為電站設計依據,多年平均降雨量1 598 mm,多年平均水面蒸發量為769.6 mm。

2 水文資料

2.1 用于分析的區域測站

萊菲尼河流域內分布有雷卡那、姜巴拉、贊加、恩果、恩庫木、恩薩、依諾尼、恩加貝、姆貝、姆布亞等氣象 (雨量)站,它們建立于20世紀50～60年代。

水電站壩址上游45 km處1949年設立布旺貝水文站,控制流域面積13 500 km2。為了滿足電站設計要求,瑞士UNEFICO于1981年在壩址處設置1臺自記水位計觀測水位并施測流量。后因戰爭影響,布旺貝水文站、壩址專用站停測。

萊菲尼河附近的恩凱尼河、阿里馬河,也位于巴泰凱高原,氣象、下墊面情況與萊菲尼河相似,分別設有甘博馬水文站、柴卡皮卡水文站。

依據對上述測站資料情況、所處位置的分析,確定以布旺貝水文站為設計依據站。

2.2 資料情況

姜巴拉、姆布亞等各站的降雨量資料系列不連續。布旺貝水文站和壩址專用站因戰爭影響部分資料遺失,有1971—1980年水文年鑒,有收集的零散流量資料。可用于分析的數據有:1952—1993年間斷的日、月、年平均流量,年最大洪峰流量。該站H—Q關系線穩定,施測垂線、測點、測流設備、測次符合規范要求,認為流量資料精度可靠。

該站實測流量資料特點是:平均流量數據較多,最大、最小極值流量數據缺乏,給下述的設計洪水推求帶來一定的難度。

另外,臨近河流的甘博馬水文站、柴卡皮卡水文站1971—1980年的日平均流量數據。

3 徑 流

3.1 降雨特性

依諾尼、雷卡那、姜巴拉、姆布亞等站年平均降雨量在1 393～2 538 mm之間。全年各月都會降雨,雨季降雨量多,占全年降雨量的比例約89%。降雨量年際變化不大。在空間上流域內的降雨量差別較大,恩庫木站降雨量最大,恩加貝站最小,分布趨勢是由東南向西北、從下游向上游降雨量逐漸增加。

3.2 徑流特性

根據萊菲尼河布旺貝站實測的1971—1980年日平均流量過程分析,流域年內有明顯的旱季 (6月中旬～9月末)、雨季 (10月初～6月上旬)之分。

統計插補后的布旺貝站1952—1993年月年徑流系列,多年平均年徑流量為131.85億m3,最大年徑流量為152.3億m3(1959年),最小年徑流量為118.6億m3(1993年),最大、最小年徑流量比值為1.3。不同時期相比,近期徑流量有所減小。雨季、旱季徑流量分別占年徑流量的69.7%、30.3%,最大月徑流量約占年徑流量的9.2%,最小月徑流量約占年徑流量的7.4%。可見,徑流年內分配均勻,年際變化不大。

3.3 代表性、一致性分析

系列代表性通過布旺貝站1952—1993年徑流差積曲線進行分析。差積曲線上,年際變化較穩定,1958—1974年為豐水年組,1952—1957年、1975—1980年為平水年組,1981—1992年為枯水年組；豐、平、枯水年組交替出現,因此,42年徑流系列具有一定代表性。

流域內居民很少,人類活動較少,未修建任何水利工程,流域降雨特性、產流匯流條件基本沒有變化,徑流系列的一致性很好。

3.4 壩址徑流

布旺貝站集水面積13 500 km2,占英布魯電站壩址以上流域面積16 000 km2的84.4%。

在以往設計中,瑞士人曾進行過布旺貝水文站、壩址專用站的流量同步觀測,分析兩者的流量換算系數為1.155。據此換算系數,推得英布魯電站壩址1952—1993年共42年的月、年徑流系列,多年平均流量為484 m3/s,多年平均徑流量為152.4億m3。在水電站施工階段,在原布旺貝站址和壩址處,又建專用站進行了同步觀測,經分析兩者之間的流量換算系數取1.155是合理的。

布旺貝站以上流域平均徑流深為976.7 mm。布旺貝站—壩址區間平均徑流量為20.55億m3,集水面積2 500 km2,徑流深為822 mm。前者徑流深大于后者,這與流域內降雨量的分布趨勢一致,符合降雨量上游大于下游的水文特性。

英布魯電站壩址設計年徑流采用數學期望公式計算,P-Ⅲ型適線。50%,75%,95%設計年徑流流量分別為480,463,446 m3/s。

4 洪 水

4.1 雨洪特性

流域雨季由于受東部印度洋的水汽影響,經常發生暴雨,暴雨持續時間一般為1～2 h,降雨時間多在午后。根據姆布亞氣象站1981—2002年降雨資料統計,該站最大24 h降雨量為209.7 mm。

流域洪水的發生時間與暴雨相應。統計布旺貝站實測資料,36年中有18年的年最大洪峰發生在5月、11月兩個月份,占年最大洪水次數的50%。由于流域植被良好,覆蓋層為巴代蓋砂,因此降雨的入滲能力很強,對河流基流有很強的補給作用。因為萊菲尼河具有這種下墊面特點和地下水補給排泄特點,因此流域內年平均流量較為均勻,洪水變幅不大,洪水過程以多峰、肥胖型居多,洪水起漲緩慢,一次洪水歷時約20 d；一次洪水過程的最大1 d洪量是最大10 d洪量的10%～11%,最大10 d洪量是最大20 d洪量的50%～53%。年際之間,據布旺貝站1971—1993年逐日流量資料統計,歷年實測最大洪峰流量670 m3/s(1961年11月),歷年實測最小洪峰流量450 m3/s(1988年3月),比值為1.5倍。最枯流量約為334 m3/s(1992年)。

4.2 洪水要素選取

一般情況下,水利水電樞紐的壩址洪水系列要統計洪峰、洪量等不同洪水要素的若干個洪水系列。

英布魯水電站為徑流式電站,調節能力小,設計洪峰流量是影響電站大壩泄洪建筑物規模的主要洪水要素,因此英布魯水電站設計洪水只統計壩址洪峰流量系列,推求壩址設計洪峰流量,即可滿足設計需要,這是本水電站水文設計的一個特點。

根據同步觀測分析,在布旺貝站—壩址河段,洪峰流量變幅小,且與日平均流量相差不大,因此,壩址洪峰流量系列也按1.155系數由布旺貝站洪峰流量系列推求。該站實測的平均流量數據較多,缺乏最大洪峰流量數據,通過建立歷年最大日、月平均流量—年最大洪峰流量的相關關系,插補缺測年份的年最大洪峰流量,得到該站1952—1980、1987—1993年共36年年最大洪峰流量系列,并換算得到英布魯水電站36年不連序的年最大洪峰流量系列。

4.3 設計洪峰流量

4.3.1 頻率分析

萊菲尼河河谷罕有人跡,除布旺貝村外很少有居民,調查清楚歷史大洪水很難。英布魯水電站壩址有36年洪峰流量系列,采用P-Ⅲ型線型進行頻率分析,以優選參數進行目估適線,1 000年一遇(P=0.1%)洪峰流量為962 m3/s,10 000年一遇 (P=0.01%)的洪峰流量為1 070 m3/s。洪水統計參數及設計洪峰流量見表1。

表1 英布魯電站壩址設計洪水成果表 m3/s

因為水電站水庫沒有調節能力,下游沒有防洪要求,洪水調節時,按入庫洪峰查泄流能力曲線即可,因此不必推求設計洪水過程線。

4.3.2 合理性分析

萊菲尼河與北部相鄰河流恩凱尼河、阿利馬河,均位于巴泰凱高原,氣象、下墊面及植被情況相近。英布魯水電站設計洪峰的統計參數,Cv值0.12、Cs/Cv=8.0,與恩凱尼河的甘博馬水文站(Cv=0.13、Cs/Cv=6.9)、阿利馬河的柴卡皮卡水文站的洪水統計參數 (Cv=0.08、Cs/Cv=6.3),基本一致。

4.4 校核洪水修正

萊菲尼河缺乏歷史大洪水資料,設計洪水 Cv值又小,上述方法分析的英布魯水電站壩址設計洪水有偏小的可能,對10 000年一遇校核洪水增大20%修正,洪峰流量為1 280 m3/s；1 000年一遇設計洪峰流量不變仍為962 m3/s。

這與國外設計洪水一般采用PMP、PMF進行設計是不同的,這是英布魯水電站洪水設計按我國規范計算的一個特點。

5 結 語

英布魯水電站水文特性、水文分析計算內容與國內外其他水電站相比,特點明顯,可供國外水電站設計借鑒。主要特點為:

(1)英布魯水電站所在流域覆蓋層為巴代蓋砂,植被良好,降雨入滲能力很強,對河流基流有很強的補給作用。

(2)降雨徑流特性:雨季、旱季分界明顯。降雨量分布西北高東南低、上游大下游小。徑流分配年內均勻,年際變化不大。

(3)洪水年內、年際變幅不大,洪水過程平緩。

(4)僅采用洪峰流量一個洪水要素。未用PMF設計,采用10 000年一遇校核洪水加安全值。