幾內亞凱樂塔及蘇阿皮蒂水電工程設計洪水分析

宋偉華，崔 鵬，焦營營

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

幾內亞地處西半球，位于西部非洲大西洋沿岸。國土面積25萬km2，海岸線長約300 km。幾內亞全國按地勢劃分為四個自然區：西部為靠近大西洋的沿海平原，占全國面積的18%；中部為富塔-賈隆(FOUTA-DJIALLON)高原區，地勢高且雨量充沛；東部和東北部為熱帶草原地區，占全國面積的41%，東南部為熱帶森林。

孔庫雷河(Konkoure)發源于幾內亞富塔-賈隆高原，屬幾內亞境內河流，全長360 km，流域面積17 000 km2，流向主要為東北～西南。

kaleta(凱樂塔)水電站壩址位于孔庫雷河干流中游，壩址以上控制流域面積11 380 km2，Souapiti(蘇阿皮蒂)水電站壩址位于kaleta壩址上游6 km，控制流域面積10 800 km2。Souapiti電站上游100 km為已建的75 MW的Garifiri(格拉菲里)水電站。

1 氣候及降雨特征

幾內亞只有雨季和旱季。沿海地區為熱帶季風氣候，內地為熱帶草原氣候。每年5月至10月，大陸低氣壓北移，北半球熱帶草原上盛行從幾內亞灣吹來的濕潤風，帶來豐沛降水。因此全國5月至10月為雨季，降雨量約占全年的90%；每年11月至次年4月，大陸低氣壓南移，北半球熱帶草原盛行來自副熱帶高氣壓帶的干燥風，因此全國11月至次年4月為旱季，干旱少雨。

全國年均氣溫約26℃。年平均絕對最高溫度35℃，年平均絕對最低溫度17℃。部分地區終年炎熱，年均氣溫24～32℃。

幾內亞大部地區雨量充沛，年降雨量介于1 300～4 500 mm，自東北部馬里邊界向西南大西洋幾內亞灣沿岸遞增。大部分地區的降雨多集中在夜間，孔庫雷河流域年平均降雨量為2 000 mm。該區域降雨量年內分配不均勻，5～10月降雨量占年降雨總量的90%以上，7、8、9三個月降雨量約占全年降雨總量的60%，8月份最大，約占年降雨量的25%，12月至次年3月，流域內基本無降雨。降雨量年際變化較小，位于流域邊界及附近的7個雨量站年降雨量系列的最大最小值比值在1.6～2.4之間，年降雨量變差系數Cv在0.11～0.21之間。

2 洪水特性

幾內亞旱雨兩季風向有異。旱季哈馬丹風從東北方的撒哈拉沙漠吹來，雨季則為來自西南方的沿海季風。兩氣流交匯形成熱帶交匯鋒面，鋒面移動帶來季節的更替，在每年的5月至10月，季風加速運動，在8月份達到頂峰。

洪水成因決定了孔庫雷河流域的洪水特點，流域內汛期為7～11月，非汛期為12～6月。該流域基本上每年發生一次大洪水，從年最大洪水發生時間看，主要發生在8月份。根據Telimele及壩址站共38年實測資料統計，年最大洪水發生在8月份的有25次，其次為9月份和7月份。

洪水過程為矮胖型，歷時長。年最大瞬時洪峰流量與年最大日均流量差別很小。根據收集到的1995年水文測站資料記錄《ANNUAIRE HYDROLOGIQUE 1995》，Kaleta壩址上游Telimele站，1995年最大洪峰流量為1 990 m3/s，最大日均流量為1 960 m3/s(8月26日)，最大洪峰流量為最大日均流量的1.015倍；Kondombofou站1995年最大洪峰流量為1 060 m3/s，最大日均流量為1 040 m3/s(8月27日)，最大洪峰流量為最大日均流量的1.019倍。

流域洪水年際變化小，有實測記錄以來，Kaleta壩址最大洪峰流量為3 368 m3/s，最小為862 m3/s，最大值為最小值的3.9倍，年最大洪峰流量變差系數Cv為0.30。

3 洪水系列選取

從現場調研及各工程項目收集資料情況看，幾內亞水文資料的測驗手段主要是設立水尺，人工讀數，主要問題是觀測記錄不連續。凱樂塔及蘇阿皮蒂樞紐工程設計采用的主要水文資料來自Telimele 水文站及kaleta水文站。從Telimele 水文站1954至2003年共50年600個月的資料情況看，測驗完整的月份有265個，占44%，未測驗的月份有219個，占37%，測驗不完整的有19%。Kaleta水文站1995至2013年共19年月資料中，測驗完整的月份占52%，未測驗的月份占43%。

流量資料不完整，給年最大洪水系列尤其是各分期施工洪水系列的統計和峰、量選樣帶來很大困難。在洪水系列統計時，按照各統計時段內系列均逐年分析選取的原則來進行，例如在12月至次年6月非汛期的洪水系列選取時，因絕大多數年份流量最大值均發生在12月或6月，且6月底居多，因此該期間資料6月和12月缺測的年份不選，無12月但有6月流量可選，雖有6月資料但能準確判斷出最大流量應發生在上年12月的不選。

關于洪水系列資料的插補，在早期法國咨詢機構曾利用Mamou站雨量資料(位于本流域東南側，有1922～1995年共約70年雨量資料)和Tossaye站(位于尼日利亞境內的Niger河，有自1925～1996年共70年洪水記錄)洪水資料對凱樂塔年最大日均流量系列進行了插補延長。截至2003年，Kaleta實測系列有38年(包括Telimele站)，系列延長的年份有1922～1943年、1945～1947年共25年，插補的年份有1960～1967年、1969、1974、1980～1987、1990年等共19 年。并將用兩種方法插補延長的洪水樣本(每年2個)與實測樣本作為一個系列，即自1925年以后插補延長的41年每年都有兩個數據，插補延長的數據共有44年85個(1922～1924年這3年每年1個，后邊41年每年2個)，加上實測的38年，一共有123個洪水點據，將這123個洪水點據作為一個系列進行頻率分析。

本次通過比較發現每年由兩種方法插補的最大日均流量數值平均相差在45%，這說明至少有一種方法插補的成果精度較低。根據Konkoure河流域的洪水特性可知各年洪水過程較穩定，年最大日均流量與年徑流量有一定相關性，建立Kaleta壩址實測年徑流與最大日均流量相關關系(相關系數為0.78)，來檢查用Tassaye站和Momou站插補的年最大日均流量與該站徑流量的關系是否與實測的關系相協調。由Tossaye插補的年最大日均流量點距位于相關線附近，由Mamou插補的點距則較為散亂。因此可初步判斷，由Mamou插補的最大日均流量精度相對較低，由Tossaye插補的最大日均流量精度相對較高。

一般而言，洪水系列越長，代表性越好，但若延長的系列可靠性不高，尤其是大水點據如果偏小，則曲線上端過于平緩，導致設計洪水成果存在偏小的可能性。鑒于由Mamou插補的系列可判斷其精度較差，未予以采用。由Tossaye站延長的系列其合理性尚無法判斷，在設計洪水計算時，分別對1944、1948～2003年中的38年實測系列，以及共57年實測加由Tossaye插補系列進行頻率分析，并與以往成果中采用的混合長系列進行比較。

4 設計洪水分析

4.1 設計標準

關于水庫的防洪標準，各國規定不盡相同，世界上多數國家確定水庫設計洪水采用頻率分析法，少數采用PMF[1]。凱樂塔工程前期階段采用PMF作為設計洪水。

按照我國現行規范來確定工程的防洪標準[2-3]：凱樂塔大壩設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為1 000年一遇；蘇阿皮蒂大壩設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為5 000年一遇。

4.2 采用的頻率曲線

適合非洲各地區年最大洪水頻率分布的線型有三種，分別為Pearson-Ⅲ、Normal、Gumbel，其中絕大部分地區適合用Pearson-Ⅲ。采用Pearson-Ⅲ型頻率曲線、Gumbel分布曲線進行適線，分別見圖1、圖2。對于該地區的洪水數據，尤其對于大水點據，Gumbel曲線與點距擬合較差，P-Ⅲ曲線與點據擬合較好，該地區使用P-Ⅲ型分布較Gumbel型分布更為合適。

圖1 Kaleta壩址年最大日平均流量頻率曲線圖(實測系列)

4.3 成果推薦及合理性分析

1)采用不同系列計算的成果比較。采用Pearson-Ⅲ曲線，由38年實測系列計算的成果略大于由插補展延后57年系列計算的成果，但相差不大，各頻率設計值差別基本在5%以內，故推薦采用由38年實測系列計算的成果。

2)與以往成果比較。與以往階段法國咨詢公司成果差別基本在±15%以內。凱樂塔工程防洪標準為百年一遇設計，千年一遇校核，本次計算的百年一遇設計洪水為3 670 m3/s，法國咨詢公司百年一遇設計洪水為3 490 m3/s，設計洪水相差5%；本次千年一遇校核洪水為4430 m3/s，法國咨詢公司可能最大洪水為4 500 m3/s，校核洪水基本一致，因此，與以往成果比較，雖然防洪標準不同，但大壩設計、校核洪水量級是基本一致的。

圖2 Kaleta站年最大洪峰流量GUMBEL頻率曲線圖(實測系列)

3)與非洲其他國家洪水比較。采用非洲國家的近70個水文站，統計各測站實測最大洪水，點繪最大洪水-流域面積的雙對數圖(見圖3)。繪制最大洪水外包線，可以看出，計算的設計洪水大于實測外包線，考慮到實測資料年限都較短，這種偏大是可以接受的。

圖3 鄰近國家實測最大洪峰與流域面積相關關系圖

5 結 語

1)幾內亞等非洲國家水文測驗資料的特點是：在較大流域設有水文站，一般委托當地人進行觀測記錄，設站流域一般都有一定數量的觀測資料，但因觀測受制于人為影響，資料完整性較差。

2)洪水樣本統計，需視歷年統計時段內缺失情況，結合雨量資料、現場調查，逐年具體分析、判斷，慎重選取。樣本獲得建立在可靠性的基礎上，避免為追求數量將可靠性低的樣本加入系列，影響系列的可靠性及代表性。

3)通過現場調查、文獻資料、長系列雨量資料等盡可能獲取歷史洪水信息，提高系列代表性。當定性判斷有大水年段但無法通過開展歷史洪水調查來獲得具體洪水樣本時，可將設計值按一定系數放大進行安全修正，或綜合比較現有方法計算結果，經合理性分析，選取偏于安全的設計值。

4)若前期其他國家曾開展相關研究，要注意收集吸納以往研究成果，并對其研究過程中采用方法及結果進行詳盡復核。總之，需利用多種途徑、多種方法、綜合分析、合理選用水文成果。