巴基斯坦科哈拉水電站下游入河口頂托影響分析

鄭永路 叢娜 周佳敏

1 研究背景

科哈拉（Kohala）水電站位于巴基斯坦東北部的巴控克什米爾地區(qū)，AJK省的穆扎法拉巴德（Muzaffarabad）市境內(nèi)吉拉姆河上，為引水式水電站，引水樞紐壩址位于吉拉姆河Dhanni村附近，壩址以上流域面積14 060 km2。尼拉姆河是吉拉姆河的最大支流，位于吉拉姆河的北側(cè)，流域面積7 194 km2。支流Kunhar河位于尼拉姆河流域的西側(cè)，流域面積2 429 km2。如圖1所示。

圖1 吉拉姆河流域水系及研究區(qū)域圖

研究區(qū)域范圍內(nèi)分布有3個(gè)水文站。Kohala水電站壩址上游河段附近有Chinari水文站，1970年1月設(shè)立，1996年12月下移至Hattian Bala鎮(zhèn)，更名為Hattian Bala水文站；吉拉姆河廠址下游河段附近有Kohala水文站，1965年設(shè)立，從1971年1月有實(shí)測流量資料。1995年12月停測，1996年上移12 km（廠址上游約9.5 km）設(shè)立Chattar Kalass站；Domel站位于壩址下游Muzaffarabad市區(qū)吉拉姆河上，1976年1月設(shè)立，觀測至今。

Domel站位于與尼拉姆河匯合口上游僅130 m處，如尼拉姆河發(fā)生洪水，可能造成對吉拉姆河水的頂托，從而影響Domel水文站的測驗(yàn)結(jié)果。鑒于此，有必要對Domel站受尼拉姆河的來水頂托影響進(jìn)行分析。

2 研究內(nèi)容

河流斷面實(shí)測流量是河槽調(diào)蓄作用和洪水傳播共同作用下的結(jié)果[1]，在水文測站控制條件下，對水位流量關(guān)系的主要影響因素為上游洪水漲落和下游洪水頂托，致使河道斷面的水位流量關(guān)系復(fù)雜多變。通過選取吉拉姆河和尼拉姆河同期流量的上外包線、平均線、下外包線推算不同來水組成情況下水文站斷面的水位流量關(guān)系，定性和定量分析頂托影響的大小[2]。

2.1 資料來源

本次研究分析采用的資料為1976—2012年Domel站的實(shí)測水位流量資料。實(shí)測了1#斷面（Domel站）及與尼拉姆河匯合后河段的2#、3#、4#共4個(gè)河道橫斷面，河段長1 149 m。1#斷面河道較窄，匯合口以下的2#斷面較寬，之后河道逐漸變窄。

2.2 分析步驟

（1）點(diǎn)繪吉拉姆河和尼拉姆河同期的日流量關(guān)系，繪制出以吉拉姆河來水為主的上外包線、來水平均線和以尼拉姆河來水為主的下外包線。

（2）首先采用曼寧公式法計(jì)算起始斷面的水位流量關(guān)系，用河道恒定流水面曲線的計(jì)算方法，由起始斷面推求上游頂托斷面的水位流量關(guān)系；再根據(jù)尼拉姆河與吉拉姆河不同來水流量組成對水位的影響，分析頂托規(guī)律[3]。

3 頂托影響分析

3.1 來水流量組成

分析河段位于支流Kunhar河匯入口上游的吉拉姆河。Kunhar河流域面積約占Kohala站控制面積的10%，將Kohala站日流量乘以0.9折算為分析河段吉拉姆河與尼拉姆河匯合后的干流流量，將Chinari（Hattian Bala）站的日流量用面積比折算到Domel站作為吉拉姆河匯合前的日流量。點(diǎn)繪其同期的日流量關(guān)系，如圖2所示。從圖中可見，其關(guān)系為寬條帶狀，并繪出了以吉拉姆河來水為主的上包線、來水平均線和以尼拉姆河來水為主的下包線，可代表尼拉姆河、吉拉姆河的來水流量組成情況。

圖2 尼拉姆河匯入前、后吉拉姆河同期日流量關(guān)系圖

從圖2可以看出，以吉拉姆河來水為主的上外包線在來水流量為1 500 m3/s和3 000 m3/s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，來水平均線在來水流量為3 200 m3/s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，以尼拉姆河來水為主的下外包線在來水流量為4 000 m3/s時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，由此可以推斷出不同來水流量組成下的水位變化情況。

不同來水情況下的流量及其轉(zhuǎn)化關(guān)系見表1，其中變量x為4#斷面處流量，y為1#斷面（Domel站）處轉(zhuǎn)換流量。

表1 不同來水情況下的流量轉(zhuǎn)化關(guān)系表

3.2 不同來水流量組合條件下的水位流量關(guān)系

為分析頂托影響，首先采用曼寧公式計(jì)算4#斷面和1#斷面（Domel站）的水位流量關(guān)系。用河道恒定流水面曲線的計(jì)算方法[4]，自下而上，由4#斷面的水位流量關(guān)系，推求3#、2#斷面的水位流量關(guān)系；再考慮2#斷面以上尼拉姆河與吉拉姆河的來水流量組成關(guān)系，分為上外包線、平均線、下外包線，推算不同來水組成情況下1#斷面（Domel站）的水位流量關(guān)系（分析結(jié)果見表2），并分析水位流量關(guān)系的差別，即尼拉姆河來水的頂托影響。根據(jù)河道實(shí)際情況，河段糙率取0.045，1#斷面在671.4 m以上右側(cè)有漫灘，灘糙率取0.08；4#、1#斷面的水面比降采用斷面測量時(shí)的水面比降[5]，分別為4.3‰和4.0‰。

從表2可以看出，當(dāng)取以吉拉姆河來水為主的上外包線時(shí)，隨著流量的增大，吉拉姆河流量占比為97.5%～19.9%，同期尼拉姆河流量占比為2.5%～80.1%；當(dāng)取來水平均線時(shí)，隨著流量的增大，吉拉姆河流量占比為45.1～19.9%，同期尼拉姆河流量占比為54.9%～80.1%；當(dāng)取尼拉姆河來水為主的下包線時(shí)，隨著流量增大，吉拉姆河流量占比為4.5%～21.5%，同期尼拉姆河流量占比為95.5%～78.5%。可見，隨著流量增大，尼拉姆河的流量占匯合后的流量占比越大。為更直觀判斷頂托影響[6]，對比頂托影響前后不同斷面水位流量關(guān)系，如圖3所示。

表2 不同來水流量組成下的斷面水位流量關(guān)系

從圖3可見，采用曼寧公式計(jì)算的4#、1#斷面的水位流量關(guān)系，與用河道恒定流水面曲線計(jì)算方法推求的匯合口下3#、2#斷面的水位流量關(guān)系，基本呈平行分布。1#斷面上外包線、平均線、下外包線不同來水流量組成情況下，水位流量關(guān)系差別較大，以吉拉姆河來水為主（上外包線）的情況下，水位流量關(guān)系位于最左側(cè)；以尼拉姆河來水為主（下包線）情況下，水位在670 m以下（相應(yīng)流量閾值為1 370 m3/s）的水位流量關(guān)系基本與曼寧公式法結(jié)果一致，水位在670 m以上水位流量關(guān)系開始上偏；來水平均組成情況下，水位流量關(guān)系位于中間。

圖3 頂托影響前后水位流量關(guān)系對比圖

4 結(jié)語

（1）本文通過選取上外包線、平均線、下外包線推算不同來水組成情況下水文站斷面的水位流量關(guān)系，定性定量分析了尼拉姆河對吉拉姆河頂托影響。結(jié)果表明，Domel站水位流量關(guān)系存在尼拉姆河來水頂托，尼拉姆河流量越大影響越大。當(dāng)Domel站流量較大時(shí)，尼拉姆河流量變化對吉拉姆河頂托影響較大，在Domel站流量大于1 370 m3/s時(shí)，尼拉姆河對吉拉姆河的頂托量隨著流量的增大而增大，當(dāng)Domel站流量小于1 370 m3/s時(shí)，尼拉姆河頂托影響不明顯。

（2）本次研究彌補(bǔ)了針對國外河流交匯河段頂托規(guī)律研究的不足，對類似國際工程在資料可靠性分析時(shí)提供了判別方法，可作為工程設(shè)計(jì)依據(jù)。