英布鲁水电站水文特性及水文设计特点

冯德光 郝福良 史世平 李 林

1 流域气象特点

1.1 流域下垫面

英布鲁水电站位于刚果河支流莱菲尼河,距河口14 km。莱菲尼河发源于巴泰凯高原,流经峡谷、沼泽地和茂盛林区,河长280 km,沿程坡度平缓。分水岭高程为600～800 m,坝址河段河谷深300～400 m,河道比降为0.2‰～0.3‰,库区河段两岸较平缓,局部岸坡较陡。河谷多为热带森林,沿河流呈带状分布,超出两岸一定范围后,森林稀疏,逐步过渡到草原地带。流域植被良好,表层土壤为砂壤土。居民很少,人类活动少,未修建任何水利工程,流域下垫面条件变化不大。

1.2 气象条件

莱菲尼河流域属于苏丹—几内亚的赤道几内亚气候,全年分旱、雨两季。旱季有气压高、气温低、多云天气、雨量稀少等特点。雨季由于受东部印度洋的水汽影响,经常发生降雨,雨量充沛,气温高。

英布鲁电站坝址处没有气象站,气象资料较少。以位于河口北部的姆布亚气象站1981—2002年实测气象要素值为电站设计依据,多年平均降雨量1 598 mm,多年平均水面蒸发量为769.6 mm。

2 水文资料

2.1 用于分析的区域测站

莱菲尼河流域内分布有雷卡那、姜巴拉、赞加、恩果、恩库木、恩萨、依诺尼、恩加贝、姆贝、姆布亚等气象 (雨量)站,它们建立于20世纪50～60年代。

水电站坝址上游45 km处1949年设立布旺贝水文站,控制流域面积13 500 km2。为了满足电站设计要求,瑞士UNEFICO于1981年在坝址处设置1台自记水位计观测水位并施测流量。后因战争影响,布旺贝水文站、坝址专用站停测。

莱菲尼河附近的恩凯尼河、阿里马河,也位于巴泰凯高原,气象、下垫面情况与莱菲尼河相似,分别设有甘博马水文站、柴卡皮卡水文站。

依据对上述测站资料情况、所处位置的分析,确定以布旺贝水文站为设计依据站。

2.2 资料情况

姜巴拉、姆布亚等各站的降雨量资料系列不连续。布旺贝水文站和坝址专用站因战争影响部分资料遗失,有1971—1980年水文年鉴,有收集的零散流量资料。可用于分析的数据有:1952—1993年间断的日、月、年平均流量,年最大洪峰流量。该站H—Q关系线稳定,施测垂线、测点、测流设备、测次符合规范要求,认为流量资料精度可靠。

该站实测流量资料特点是:平均流量数据较多,最大、最小极值流量数据缺乏,给下述的设计洪水推求带来一定的难度。

另外,临近河流的甘博马水文站、柴卡皮卡水文站1971—1980年的日平均流量数据。

3 径 流

3.1 降雨特性

依诺尼、雷卡那、姜巴拉、姆布亚等站年平均降雨量在1 393～2 538 mm之间。全年各月都会降雨,雨季降雨量多,占全年降雨量的比例约89%。降雨量年际变化不大。在空间上流域内的降雨量差别较大,恩库木站降雨量最大,恩加贝站最小,分布趋势是由东南向西北、从下游向上游降雨量逐渐增加。

3.2 径流特性

根据莱菲尼河布旺贝站实测的1971—1980年日平均流量过程分析,流域年内有明显的旱季 (6月中旬～9月末)、雨季 (10月初～6月上旬)之分。

统计插补后的布旺贝站1952—1993年月年径流系列,多年平均年径流量为131.85亿m3,最大年径流量为152.3亿m3(1959年),最小年径流量为118.6亿m3(1993年),最大、最小年径流量比值为1.3。不同时期相比,近期径流量有所减小。雨季、旱季径流量分别占年径流量的69.7%、30.3%,最大月径流量约占年径流量的9.2%,最小月径流量约占年径流量的7.4%。可见,径流年内分配均匀,年际变化不大。

3.3 代表性、一致性分析

系列代表性通过布旺贝站1952—1993年径流差积曲线进行分析。差积曲线上,年际变化较稳定,1958—1974年为丰水年组,1952—1957年、1975—1980年为平水年组,1981—1992年为枯水年组；丰、平、枯水年组交替出现,因此,42年径流系列具有一定代表性。

流域内居民很少,人类活动较少,未修建任何水利工程,流域降雨特性、产流汇流条件基本没有变化,径流系列的一致性很好。

3.4 坝址径流

布旺贝站集水面积13 500 km2,占英布鲁电站坝址以上流域面积16 000 km2的84.4%。

在以往设计中,瑞士人曾进行过布旺贝水文站、坝址专用站的流量同步观测,分析两者的流量换算系数为1.155。据此换算系数,推得英布鲁电站坝址1952—1993年共42年的月、年径流系列,多年平均流量为484 m3/s,多年平均径流量为152.4亿m3。在水电站施工阶段,在原布旺贝站址和坝址处,又建专用站进行了同步观测,经分析两者之间的流量换算系数取1.155是合理的。

布旺贝站以上流域平均径流深为976.7 mm。布旺贝站—坝址区间平均径流量为20.55亿m3,集水面积2 500 km2,径流深为822 mm。前者径流深大于后者,这与流域内降雨量的分布趋势一致,符合降雨量上游大于下游的水文特性。

英布鲁电站坝址设计年径流采用数学期望公式计算,P-Ⅲ型适线。50%,75%,95%设计年径流流量分别为480,463,446 m3/s。

4 洪 水

4.1 雨洪特性

流域雨季由于受东部印度洋的水汽影响,经常发生暴雨,暴雨持续时间一般为1～2 h,降雨时间多在午后。根据姆布亚气象站1981—2002年降雨资料统计,该站最大24 h降雨量为209.7 mm。

流域洪水的发生时间与暴雨相应。统计布旺贝站实测资料,36年中有18年的年最大洪峰发生在5月、11月两个月份,占年最大洪水次数的50%。由于流域植被良好,覆盖层为巴代盖砂,因此降雨的入渗能力很强,对河流基流有很强的补给作用。因为莱菲尼河具有这种下垫面特点和地下水补给排泄特点,因此流域内年平均流量较为均匀,洪水变幅不大,洪水过程以多峰、肥胖型居多,洪水起涨缓慢,一次洪水历时约20 d；一次洪水过程的最大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%。年际之间,据布旺贝站1971—1993年逐日流量资料统计,历年实测最大洪峰流量670 m3/s(1961年11月),历年实测最小洪峰流量450 m3/s(1988年3月),比值为1.5倍。最枯流量约为334 m3/s(1992年)。

4.2 洪水要素选取

一般情况下,水利水电枢纽的坝址洪水系列要统计洪峰、洪量等不同洪水要素的若干个洪水系列。

英布鲁水电站为径流式电站,调节能力小,设计洪峰流量是影响电站大坝泄洪建筑物规模的主要洪水要素,因此英布鲁水电站设计洪水只统计坝址洪峰流量系列,推求坝址设计洪峰流量,即可满足设计需要,这是本水电站水文设计的一个特点。

根据同步观测分析,在布旺贝站—坝址河段,洪峰流量变幅小,且与日平均流量相差不大,因此,坝址洪峰流量系列也按1.155系数由布旺贝站洪峰流量系列推求。该站实测的平均流量数据较多,缺乏最大洪峰流量数据,通过建立历年最大日、月平均流量—年最大洪峰流量的相关关系,插补缺测年份的年最大洪峰流量,得到该站1952—1980、1987—1993年共36年年最大洪峰流量系列,并换算得到英布鲁水电站36年不连序的年最大洪峰流量系列。

4.3 设计洪峰流量

4.3.1 频率分析

莱菲尼河河谷罕有人迹,除布旺贝村外很少有居民,调查清楚历史大洪水很难。英布鲁水电站坝址有36年洪峰流量系列,采用P-Ⅲ型线型进行频率分析,以优选参数进行目估适线,1 000年一遇(P=0.1%)洪峰流量为962 m3/s,10 000年一遇 (P=0.01%)的洪峰流量为1 070 m3/s。洪水统计参数及设计洪峰流量见表1。

表1 英布鲁电站坝址设计洪水成果表 m3/s

因为水电站水库没有调节能力,下游没有防洪要求,洪水调节时,按入库洪峰查泄流能力曲线即可,因此不必推求设计洪水过程线。

4.3.2 合理性分析

莱菲尼河与北部相邻河流恩凯尼河、阿利马河,均位于巴泰凯高原,气象、下垫面及植被情况相近。英布鲁水电站设计洪峰的统计参数,Cv值0.12、Cs/Cv=8.0,与恩凯尼河的甘博马水文站(Cv=0.13、Cs/Cv=6.9)、阿利马河的柴卡皮卡水文站的洪水统计参数 (Cv=0.08、Cs/Cv=6.3),基本一致。

4.4 校核洪水修正

莱菲尼河缺乏历史大洪水资料,设计洪水 Cv值又小,上述方法分析的英布鲁水电站坝址设计洪水有偏小的可能,对10 000年一遇校核洪水增大20%修正,洪峰流量为1 280 m3/s；1 000年一遇设计洪峰流量不变仍为962 m3/s。

这与国外设计洪水一般采用PMP、PMF进行设计是不同的,这是英布鲁水电站洪水设计按我国规范计算的一个特点。

5 结 语

英布鲁水电站水文特性、水文分析计算内容与国内外其他水电站相比,特点明显,可供国外水电站设计借鉴。主要特点为:

(1)英布鲁水电站所在流域覆盖层为巴代盖砂,植被良好,降雨入渗能力很强,对河流基流有很强的补给作用。

(2)降雨径流特性:雨季、旱季分界明显。降雨量分布西北高东南低、上游大下游小。径流分配年内均匀,年际变化不大。

(3)洪水年内、年际变幅不大,洪水过程平缓。

(4)仅采用洪峰流量一个洪水要素。未用PMF设计,采用10 000年一遇校核洪水加安全值。