考虑水电站建设的尼罗河回水影响研究

依俊楠，鞠 彬

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 研究背景

1.1 尼罗河流域

尼罗河(Nile River)是1条流经非洲东部与北部的河流，自南向北注入地中海。尼罗河有两条主要的支流，即白尼罗河和青尼罗河；其中白尼罗河较长是主源，但发源于素有“东非水塔”之称的埃塞俄比亚高原的青尼罗河提供了比较多的水量。

白尼罗河经维多利亚湖的欧文瀑布流入基奥加湖，而后至埃尔伯特湖之间称为基奥加尼罗河。从基奥加湖流出后，尼罗河水先以相对平缓的水流流淌，然后相继出现湍流和瀑布。在卡鲁玛瀑布处，河流湍急流过卡鲁玛大桥，然后向西流入埃尔伯特湖。

基奥加湖是大型浅水湖，距上游金贾市约120 km。除维多利亚尼罗河外，湖水的另一来源是发源于乌干达和肯尼亚交界处的艾尔冈山。基奥加湖由众多山谷淹没形成，基奥加湖系包括基奥加湖、卡瓦尼亚湖、巴辛纳湖以及30多个其他小湖。从维多利亚尼罗河流入基奥加湖的进入点到基奥加尼罗河离开基奥加湖的出口点之间的距离约有80 km。

1.2 水电站概况

根据乌干达水电开发规划[1]，水电站K位于世界第一长河尼罗河上游的基奥加尼罗河上，坝址上游约110 km处为基奥加湖，下游约120 km处为埃尔伯特湖。水库正常蓄水位1 030 m，死水位1 028 m，调节库容约4 550万 m3。电站装机容量600 MW，多年平均发电量约40亿kW·h。

水电站枢纽建筑由闸坝、地下厂房和输水系统组成。坝的最大高度14 m，坝长314 m，泄洪闸布置于主河床，总长118.0 m，最大闸高13.0 m，分9个坝段，共设9孔闸孔，孔口尺寸为10.0 m(宽)×8.0 m(高)，采用开敞式实用堰型，堰顶高程1 022.0 m，顺水流方向长26.0 m。

根据水工模型试验成果，水库水位在1 030 m时，开启全部泄洪设施时泄流能力远大于设计洪水洪峰流量(4 660 m3/s，P=0.01%)。因此，在遭遇万年一遇及以下洪水流量时，大坝通过调节泄洪闸具有保持库水位维持1 030 m的能力。

本次研究旨在分析水电站K建成后，库区遭遇不同量级洪水时水库回水的影响范围，并为库区淹没红线的划定提供参考依据。

2 模型建立

2.1 建模原理

MIKE 11一维水动力学模型控制方程包括水流连续性方程和动量方程，形式如下[2_4]:

式中，A为过水断面面积(m2)；t为计算点的时间坐标；Q为过流流量(m3/s)；x为计算点的空间坐标；q为旁侧入流的流量(m3/s)；α为动量校正系数；h为水位(m)；g为重力加速度(m/s2)；C为谢才系数；R为水力半径。

2.2 模型概化

河网计算首先需要针对河网的河段、断面、节点3类要素进行概化[5_6]。整个模型概化河段总长约55 km，共设置52个断面，采用2017年实测断面资料，断面间距变化范围约为0.2～2.5 km。

2.3 模型构建

用MIKE11HD模块模拟河道一维恒定流，输入数据包括河网数据(.nwk11)、断面数据(.xns11)、边界数据(.bnd11)、水动力学参数(.hd11)、模拟时间数据(Time)；输出数据主要为水面线成果(.res11)。

主要输入信息如以下三方面：

(1)边界条件。研究区上边界设置为基奥加湖出口下游的第一个断面，设置为流量开边界，下边界设置为坝址的水位流量关系。

(2)参数设置。河段糙率系数采用率定参数。

(3)模拟时间。计算时间步长取10 s，时间步数为172 800。

3 参数率定

3.1 实测资料

研究团队于2015年8月在水库库区自坝址处至上游依次布设6支水尺，用于记录实时水位(见表1)。本次采用实测水面线和流量资料对模拟河段进行糙率的分段率定。

表1 实测水位和流量资料统计

3.2 糙率率定

对于率定河道糙率，本次根据前述实测水位和流量资料及坝址水位流量关系，将模拟河道分为7段，依次进行分段糙率率定。需要特殊说明的是，经过分析和现场测量成果比对，坝前1 km范围内局部有较大跌水，为使模型能更真实地模拟该处河道形态，本次在模型中将特殊位置断面概化为天然宽顶堰；这样可以较好地反映跌水处因流态急变而产生的局部水头损失，以更好的模拟水面线。率定坝址到基奥加湖湖口下游60 km处的综合糙率为0.028～0.085(见图1)。

图1模拟水位与实测水位对比

表2列出了A～F等6支水尺水位模拟的误差统计情况(见表2)，各水尺处水位误差均在模型验证误差合理要求范围内。考虑到研究区内河道变形、河网概化、模型参数设定等误差，可以认为基奥加尼罗河一维河道洪水演算模型模拟效果较好，基本能够满足计算精度要求。

表2水位模拟误差统计

水尺序号实测水位/m模拟水位/m偏差值/mF水尺1 031.641 031.63-0.01E水尺1 031.431 031.39-0.04D水尺1 030.851 030.84-0.01C水尺1 030.571 030.58 0.01B水尺1 029.921 029.91-0.01A水尺1 029.151 029.14-0.01

4 回水计算成果

根据上述计算方法和参数成果，基于建立的基奥加尼罗河一维河道水动力学模型，分别进行3组不同量级洪水的水库回水模拟计算，包括5年一遇、10年一遇和20年一遇洪水(见图2～图4，表3)。

表3 计算方案边界条件统计

图25年一遇洪水水面线成果

图310年一遇洪水水面线成果

图420年一遇洪水水面线成果

尽管3组方案用于模拟的洪水量级不同，但是由上图可知，模拟结果趋势上是相近的，即各方案模拟水位在坝前600 m开始至最末断面，水位基本与天然情况一致。

5 结 语

采用MIKE11建立了基奥加尼罗河一维河道水动力模型，并对尼罗河基奥加湖下游河段河道糙率进行了参数率定和验证，计算成果可以为今后该河段糙率选取以及洪水模拟提供依据。通过不同量级洪水组合的模拟，得出了大坝建设前后水面线变化情况，为水库淹没影响范围的确定提供了重要依据。

另外，研究区域为原始森林面貌，水文资料欠缺，坝址附近水流非常湍急，植被茂密，野生动物众多，尤其是鳄鱼和河马等具有攻击性的野生动物，给现场测量工作带来了一定的困难。针对此类资料缺乏的海外工程，如何更合理的建立当地河道水力模型，是需要进一步思考和讨论的。