旭龙水电站坝址径流计算分析

熊丰 戴明龙 秦智伟 李立平

摘要：设计年径流计算是水电规划和工程设计中的基础工作任务。由于金沙江旭龙水电站坝址处无实测水文资料，需通过上下游和区间的水文站资料推求其坝址径流。基于重构的巴塘水文站和奔子栏水文站径流系列，分析对比了3种方法推求坝址径流的适用性。方法1采用奔子栏水文站扣除古学水文站流量和面积，再采用与巴塘水文站面积内插推求坝址径流；方法2利用坝址上下游的巴塘水文站、奔子栏水文站资料，采用面积内插推求坝址径流；方法3采用巴塘水文站流量，按面积比放大推求坝址径流。采用相邻水文站插补方法或水位流量关系插补方法重构了参证站巴塘水文站、奔子栏水文站1953～2018年的年、月径流系列。结果表明：上述3种方法得到的坝址多年平均径流量分别为321亿m3、329亿m3、317億m3，计算结果相差较小；旭龙水电站坝址年径流统计参数符合地区变化规律，各水文站径流成果在地区上较协调。

关键词：径流计算； 多年平均径流量； 插补延长； 缺资料地区； 旭龙水电站； 金沙江

中图法分类号：TV121

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.003

文章编号：1006-0081（2024）05-0014-06

0 引言

设计年径流计算是水电规划和工程设计中的基础工作任务［1］。根据资料的长短，流域径流计算可以分为具有长期、短期实测资料流域及无实测资料流域。对于具有短期实测径流资料流域，一般需利用邻近流域径流或降水资料进行插补展延［2-3］。对于无实测径流资料流域，通常采用水文比拟法和等值线图法等方法［4-5］。邵骏等［6-7］利用沱沱河水文站和气象站实测数据，通过分析径流演变规律与气象因素的关系以及不同冰芯间δ18O记录和冰芯累计量的关系，重建了沱沱河水文站1900～1960年滑动平均径流系列，揭示了沱沱河水文站年径流变化趋势。姜姗姗等［8］依据大溪桥站、福才站流量及降水量资料，采用多种方法对大溪桥站径流系列进行了插补延长，通过对比分析得到了合理的径流插补延长成果。刘阳容等［9］通过建立不同资料长度、不同来水条件的相关关系对插补延长成果进行了实例分析，研判了不同资料长度、不同来水条件下建立的相关关系对成果精度的影响程度。于冰等［10］利用水资源分析计算工作中常用的几种资料插补延长和代表性分析方法，对安帮河流域短系列降雨、径流资料进行了延长和代表性分析。

旭龙水电站坝址处无实测径流资料，坝址距上游巴塘水文站约137 km，距下游奔子栏水文站约70 km，坝址至奔子栏水文站区间有较大支流定曲河汇入。本文基于旭龙水电站坝址邻近地区的水文站，采用多种方法分析计算其坝址径流，可为旭龙水电站的规划设计提供参考。

1 研究区概况

1.1 地形气候条件复杂

旭龙水电站位于云南省德钦县与四川省得荣县交界的金沙江上游河段，为金沙江上游水电规划方案“一库十三级”的第12级，是国家西电东送骨干电源点之一［11］。坝址集水面积189 540 km2，拟定坝型为混凝土双曲拱坝。水库正常蓄水位为2 302 m，死水位2 294 m，最大坝高213 m，总库容约8.47亿m3。电站装机容量2 400 MW，多年平均年发电量105.14亿kW·h［12-13］。

旭龙水电站所在的金沙江石鼓水文站以上流域地形地貌复杂，大体可分为青藏高原区和横断山纵谷区。巴塘水文站以上地区位于青藏高原东南部，海拔高程5 000 m左右，地势由西北向东南倾斜，地貌呈高原景观。河源地区现代冰川发育，分水岭高程多在6 000 m左右。区内除高大雪峰外，地势较为平坦，沱沱河至通天河上段（楚玛尔河汇口以上）河道宽浅，多沙洲，流向大体由西北向东南，水流散乱，流速缓慢。河流两岸山丘平缓，高原面保存完整。植被以沼泽草甸及草原为主。楚玛尔河汇口以下的通天河段，河道较顺直，河槽渐趋稳定，水流比降增大，两岸山势增高，河流转向东南，进入高原峡谷区，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，金沙江流向转南，进入横断山纵谷区。横断山褶皱呈南北走向，谷岭相间，两岸高山海拔高程一般为4 000～5 000 m。岭谷间相对高差可达1 000～1 500 m，河谷深切，水流湍急，河道多呈“V”形。

旭龙水电站坝址以上流域气候以巴塘水文站为界，巴塘水文站以上海拔高程5 000 m左右，现代冰川发育，远离水汽源地，气候寒冷而干燥，属典型的高原气候亚湿润区（河源则为高原气候干旱区），以荒漠草甸为主；巴塘水文站以下大部分属亚热带气候湿润区，河谷地带则属亚热带亚湿润区，植被以森林、草甸为主。由于地形影响，区内气候在水平和垂直方向上差异很大，立体气候明显。旭龙水电站坝址以上流域降水量的总体分布是自西北向东南递增（图1）。据1956～2000年同步资料统计，坝址以上流域降水量等值线为300～800 mm，接近源头的楚玛尔河多年平均年降水量为239 mm，通天河流域平均年降水量为354 mm，直门达水文站至石鼓水文站平均年降水量为723 mm。受地形、地势及天气系统等因素的影响，降水量存在地区差别大、地形影响明显、年内分配不均等特点。

金沙江流域气温在地区分布上的总趋势是由上游向下游、西北向东南递增，存在明显的垂直分布和区域差别。根据旭龙水电站坝址附近的基本气象站得荣站1960～2016年实测资料统计，得荣多年平均气温14.8 ℃，平均最高气温22.5 ℃，极端最高气温36.9 ℃，极端最低气温-8.9 ℃。垂直高差近1 000 m，温差在7.0 ℃以上，气温垂直递减率超过了0.7 ℃/100 m。

1.2 径流时空变化较大

金沙江流域径流主要来自降水，上游地区有部分融雪补给。径流年内分配与降水的季节变化基本一致。金沙江流域的降水从上游向下游递增，径流分布与之相应，亦呈从上到下沿程增加的趋势，空间分布不均匀。河源及通天河径流深小于200 mm，为流域内的最小值，由于降水较少，径流主要来源于冰雪融水。上段直门达、岗托、巴塘、奔子栏水文站多年平均年径流深分别为90，110，157，172 mm，中段石鼓水文站多年平均年径流深196 mm，下段屏山水文站多年平均年径流深314 mm，为直门达水文站的3.49倍。

流域上游地处青藏高原，降水稀少，单位面积产水量较小。受流域降水量沿河流走向扩大影响，年径流量从上游至下游增长率远大于集水面积的增长率。直门达、岗托、巴塘、奔子栏水文站和石鼓水文站多年平均年径流量分别为124亿m3、164亿m3、282亿m3、350亿m3、419亿m3，金沙江干流部分水文站集水面积、年径流量占石鼓水文站的比例见图2。可以看出，石鼓水文站较直门达水文站径流量的增加量是集水面积增加量的4倍。

流域径流年内分配不均。上游青藏高原地区气候寒冷，冬春两季河流封冻，枯水期径流很少，汛期径流所占比值大。直门达水文站汛期6～10月径流量占全年径流量的81.5%，石鼓水文站6～11月径流量占全年径流量的74.4%。枯期12月至次年4月的各月相差较小，径流平稳，各月径流占全年比例均为2%～4%。

流域径流量的年际变化不大。由上游至下游各站历年最大与最小年平均流量极值比为3.19～2.01，其变幅呈逐渐递减趋势，越往下游，径流年际间相对更加均匀。年径流的变差系数Cv值随着集水面积的增大而趋于稳定，根据水文站径流系列统计分析，直门达水文站年径流的变差系数Cv值为0.28，直门达水文站以下逐渐减小，至石鼓水文站时，Cv值已减小为0.18。

2 研究数据

2.1 水文基本资料

旭龙水电站水文分析计算的主要设计依据站为巴塘水文站、奔子栏水文站和古学水文站，岗托水文站、直门达水文站和石鼓水文站为径流系列插补延长的重要参证站。各站基本信息如表1所示。从表1可以看出，各水文站流量均有缺测时段，不满足设计需求。

2.2 径流系列重构

采用相邻水文站插补方法或水位流量关系插补方法得到巴塘水文站、奔子栏水文站的长系列年、月径流序列。巴塘水文站1956年4月至1956年5月流量采用石鼓水文站与巴塘水文站相关关系插补而得，1956年6月至1959年4月流量采用岗托水文站与巴塘水文站相关关系插补而得；1969～1970年、1989～1991年流量依据本站邻近年份水位流量关系线，由日平均水位插补而得。奔子栏水文站1959年以前的流量资料通过与石鼓水文站相关关系插补而得；1959～1984年以后年份缺测流量资料依据邻近年份的水位流量关系，由日平均水位插补而得。通过重构，巴塘水文站、奔子栏水文站具有1953～2018年的年、月径流系列。

3 旭龙水电站坝址径流计算分析

3.1 计算方法及过程

巴塘水文站、旭龙水电站、奔子栏水文站集水面积分别为18.01万km2、18.95万km2、20.33万km2。坝址至奔子栏水文站区间有较大支流定曲河汇入，支流上有古学水文站，集水面积为1.216万km2，坝址至奔子栏水文站未控区间面积为0.162万km2。根据巴塘水文站、奔子栏水文站、古学水文站同步实测资料，采用如下3种方法分析计算旭龙水电站坝址径流。

（1）方法一。由于旭龙水电站坝址至奔子栏水文站未控區间面积较小，因此考虑采用奔子栏水文站、巴塘水文站和古学水文站的实测资料进行分析计算。将奔子栏水文站扣除古学水文站流量和面积，再采用与巴塘水文站面积内插推求坝址径流，公式如下：

根据1987～2018年同步计算流量资料对比分析，上述3种方法计算得到的坝址多年平均径流量分别为321亿m3、329亿m3、317亿m3，计算结果差异较小。分析巴塘水文站至奔子栏水文站（巴-奔）区间和古学水文站流量的相关关系，见图3，可以看出两者相关关系较好，说明方法1采用古学水文站流量进行分析计算合理可信。古学水文站径流量占巴-奔区间径流量的68.3%，面积仅占52.2%，远小于径流量之比，表明古学水文站以上流域产水模数较巴-奔区间河谷地带高。考虑到3种方法成果相差不大，最终采用方法1推求1987～2018年旭龙水电站坝址径流。

奔子栏水文站1953～1959年、1964年无实测流量资料，古学水文站流量资料系列为1987～2015年。因此，根据各水文站水文资料条件，并考虑到水量平衡，最终旭龙水电站坝址径流系列计算如下：1953～1959年、1964年径流采用方法3进行计算；1960～1963年、1965～1986年径流采用方法2进行计算；1987～2018年径流采用方法1进行计算，需说明的是采用方法1计算的径流成果有个别年份出现月水量不平衡现象，对于这些月份采用方法2的计算结果。

3.2 计算结果分析

根据旭龙水电站坝址1953～2018年径流系列，绘制了旭龙水电站坝址年径流系列累积均值、变差系数、差积曲线（图4～6），从图4和图5可以看出年径流累积均值和变差系数均在系列达20 a以后趋于稳定。从图6可以看出，径流系列中丰、平、枯水年交替出现。综上，旭龙水电站坝址1953～2018年径流系列具有较好的代表性，可以用于工程设计。

采用P-Ⅲ型分布和适线法分析旭龙水电站坝址设计年径流，如图7所示。可以看出，P-Ⅲ曲线与年径流的经验频率拟合较好，旭龙水电站坝址年平均流量的均值Ex、Cv、Cs/Cv参数（Cs为变异系数）分别为990，0.21和2。计算得到坝址10%，50%，90%的设计年平均流量分别为1 260，975，735 m3/s。

为了分析坝址径流成果合理性，将金沙江干流直门达、岗托、巴塘、奔子栏、石鼓、金江街、攀枝花水文站等9站的径流成果进行比较，见表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随着流域面积增加而增大，Cv值随着面积增加而减小，Cs/Cv一致。可见，旭龙水电站年径流设计参数符合地区变化规律，由此说明各水文站径流成果在地区上是比较协调的，成果合理。

根据推求的旭龙水电站坝址径流序列，计算了其径流年内分配，见表3。总体而言，旭龙水电站坝址径流年内分配不均，径流量主要集中在汛期6～10月，枯期径流平稳。由于6～10月为汛期，降雨量大部分集中在此期间，同时气温在全年中也为最高，冰雪融水主要集中于这段时期，径流量约占全年的76.5%。枯期12月至次年4月的各月相差较小，径流平稳，各月径流占全年比例均在2%～4%之间。旭龙水电站径流量的年际变化不大，其历年最大与最小年平均流量极值比为2.18，年径流的Cv值仅为0.21。

4 结论

本文充分利用奔子栏水文站、巴塘水文站、古学水文站实测流量，采用多种方法推求了旭龙水电站坝址径流，并进行了对比分析。结论如下：

（1） 采用相邻水文站插补方法或水位流量关系插补方法重构了依据站巴塘水文站、奔子栏水文站的长系列年、月径流序列。通过重构，巴塘水文站、奔子栏水文站具有1953～2018年的年、月径流系列。

（2） 采用3种方法推求的坝址多年平均径流量分别为321亿m3、329亿m3、317亿m3，差异较小。旭龙水电站坝址年径流统计参数符合地区变化规律，各水文站径流成果在地区上较协调。总体而言，旭龙水电站径流量的年际变化不大，年径流的变差系数值仅为0.21，年内分配不均，汛期径流量约占全年的76.5%。

（3） 旭龙水电站上游流域将陆续有大型水电站建成投运，会对其坝址天然径流成果产生较大影响，后续需进一步研究。

参考文献：

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编辑：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

基金项目：水利青年科技英才资助项目“水库群影响下的江湖水情响应机制及适应性对策研究”

作者简介：熊丰，男，工程师，博士，主要从事水文学与水资源研究。E-mail：fxiong07@foxmail.com

通信作者：戴明龙，男，正高级工程师，博士，主要从事水文学与水资源研究。E-mail：daiminglong@163.com