非洲奥果韦河水力资源理论蕴藏量估算

李 璐 董晓华 赵 乔 周清平 薄会娟 魏 冲

(1.三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002； 2.中国电建集团 贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

水力资源估算是水利工程建设必不可少的前期工作，对于河流开发方案的确定、工程项目的选址、工程规模和运行机制的制定都起到重要的指示作用.水力资源的理论蕴藏量是指存在于河流或湖泊的水力资源量值，主要由上下游水位差和流量决定.开展水力资源的计算，需要以站点的径流系列资料、地形地质资料以及社会经济资料等为基础.目前我国已经开展了3次全国范围内的水力资源普查[1]和一次全国水力资源复查工作[2-3]，并对我国水力资源理论蕴藏量公布了准确的计算标准.然而对于国际河流，由于缺少实测径流和地形气象数据，其水力资源理论蕴藏量的计算往往遭遇瓶颈，较难开展.国内外学者对于全球水力资源的普查，主要通过应用遥感数据与实测径流数据相结合的方法[4-6].

在“一带一路”的背景下，非洲地区水电资源开发受到我国水电行业的关注[7].开展非洲地区河流的水资源特性及分布调查，分析当地电力市场的需求，有助于对水电开发项目的可行性进行评估和对水电项目的规模进行合理规划[8].

1 研究区域、数据和研究方法

1.1 研究区概况

奥果韦河是非洲中部一条较大的河流，也是加蓬共和国境内最大的河流，地理位置是8°48′E～14°29′E，2°16′N～2°46′S.奥果韦河全长1210km，发源于刚果共和国境内，沿西北方向流经加蓬境内的锡马市、博韦(Booue)、恩乔莱(Ndjole)、让蒂尔港(Lambarene)后注入大西洋，流域出口断面即是入海口，地理位置是8°54′E，1°3′S.奥果韦河流域总面积22.3万km2，该河流80%以上的集水流域位于加蓬境内，剩余20%位于刚果共和国、喀麦隆和赤道几内亚境内.

奥果韦河流域主要气候类型为热带季风气候，干湿季区分明显且全年高温.流域年内气候变化与其他地区有较大不同[9]，每年1～5 月为大雨季，10～12月为小雨季，6～9月为旱季[10].奥果韦河流域的年均降水量介于1200～2000mm，多年平均降雨量为1831mm，年平均气温介于21～28℃.奥果韦河水系发达，支流较多，干流下游多年平均流量为4730m3/s，奥果韦河地理位置以及水系分布如图1所示.

图1 奥果韦河地理位置图

1.2 数据来源

本文水力资源理论蕴藏量采用的基础资料来自于美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM 数据、全球降水气候学中心(Global Precipitation Climatology Centre，GPCC)提供的降雨数据和全球径流数据中心(Global Runoff Data Centre， GRDC)提供的流量测站数据，具体数据清单见表1.

表1 基础数据参数表

1.3 理论蕴藏量计算

理论蕴藏量是指存在于河流或湖泊的水力资源量值，即年水量与水头的乘积.理论蕴藏量根据多年平均径流量或多年平均流量进行计算，采用年电量和平均功率(年电量/8760)两个指标来表示.

本文采用两种方法计算理论蕴藏量.奥果韦河干流和部分支流上共分布有11个GRDC 站点，具体位置如图1所示，各个区间断面有实测径流数据.故干流可用多年平均径流量进行理论蕴藏量计算，即采用流量换算方法，将流量换算为径流量，然后直接计算理论蕴藏量.对于奥果韦河流域内缺少实测径流数据的各个支流，移用GRDC 站点对应的汇水区平均径流系数，然后将径流系数与支流子流域的区间降雨量相乘，获得区间流量，然后代入公式进行理论蕴藏量的计算.理论蕴藏量计算涉及的公式如下[11-12].

式中：E是理论蕴藏量的分段电量(kW·h)；k是折算系数，k=2.778×10-4；g是重力加速度，取值9.81(m/s2)；W是上下断面多年平均年径流量的平均值(万m3)；H是河段上下断面水位差(m)；q是河段上下游断面平均流量的平均值(m3/s)；t是时间(s)；P是降雨量(mm)；A是各断面控制的流域面积(m2).

缺少实测流量数据的支流，其理论蕴藏量计算方法如图2所示.

图2 缺少资料支流的理论蕴藏量计算方法

本文首先在奥果韦河流域DEM 数据上，提取流域河网水系，以50000hm2为面积阈值对奥果韦河子流域进行划分，根据GPCC 提供的多年平均降雨量，可以划分出各个支流子流域多年平均降雨量.然后根据已知的11个GRDC 站点将奥果韦河流域划分出11个汇水区，通过GPCC 提供的多年平均降雨量和实测径流序列数据，计算各个GRDC 站点汇水区域的平均径流系数，即GRDC 站点汇水区域的径流深与平均降雨量的比值，区间汇水面积的径流深是指汇水面积出口实测径流量减去入口实测径流量的差值与汇水面积的比值.因而可以得到整个流域的平均径流系数分布图.缺少资料的支流可以参照流域的平均径流系数分布图，选取相邻流域的径流系数，结合支流子流域的降雨量得到各个断面的径流量.

最后结合遥感影像数据，计算得到子流域上下游断面水位高差.将径流量和高差代入公式(1)计算可得理论蕴藏量数值.

由于奥果韦河流域面积大，部分支流的理论蕴藏量过小，没有水力资源开发价值，在文中不做统计.本文选取了奥果韦河干流和13条较大支流进行理论蕴藏量的计算.

2 结果及分析

2.1 水资源特性分析

奥果韦河流域河网发达、水系纵横，其中最大的两条支流分别是伊温多河(Ivindo)和恩古涅河(Ngounie)，两者的流域面积之和占奥果韦河总流域面积的1/2.其余较大支流包括Abonga、Okano、Sebe、Deconi、Ofoue等.

表2 奥果韦河较大支流统计情况

奥果韦河流域的气候是典型的热带季风气候，雨季较长且降雨量充沛.根据GPCC多年平均年降雨量栅格数据，以100mm 为间隔，绘制奥果韦河流域的等雨量线图，结果如图3所示.

图3 奥果韦河流多年平均降雨量分布图

从图3可以看出：奥果韦河流域多年平均年降雨量最大为2306.3mm，最小为1594.4mm，平均值为1800mm；流域内降雨量最大的地区为下游河口附近和Abonga河子流域，多年平均年降雨量最小的地区为伊温多(Ivindo)河上游地区；奥果韦河全流域的多年平均降雨呈现从东到西逐渐增加，从北向南逐渐增多的趋势.

奥果韦河的径流数据来源于GRDC 全球径流数据中心公布的实测数据.在奥果韦河干流的上游选择Franceville站，中游选择Booue站，下游选择Lambarene站，根据GRDC 公布的以上3 个站点1965～1974年多年平均实测径流数据，绘制图4奥果韦河干流上中下游代表站径流年内分配图.根据图4可以看出奥果韦河从6 月至9 月的流量较小，属于枯水期；10月至次年5月属于水量充足的丰水期.

图4 奥果韦河干流上中下游代表站径流年内分配图

奥果韦河流域内的GRDC 站点共有11个，其中分布在干流的站点有6个，分布在支流上的站点有5个.将奥果韦河干流上的6个GRDC 站点，按照距河口距离从小到大排列，分别是Lambarene站、Ndjole站、Portesdel'okanda站、Booue站、Lastourville站和Franceville站.以每个站点为断面将干流划分为7个区间，分析奥果韦河干流6个断面的年内径流变化情况，结果如图5所示.

图5 奥果韦河干流GRDC站点径流年内分配特征图

分析图5奥果韦河干流上站点的平均流量数据，可以看出：奥果韦河干流上游的年平均流量较小，约为200m3/s，干流中游流量为3000m3/s，干流下游平均流量为4000m3/s；奥果韦河上中游区间汇流水量较大；奥果韦河干流各站点在丰水期的平均流量是枯水期的1.77倍.

2.2 无资料地区多年平均径流量推求

奥果韦河流域内共有可用的GRDC 站点11个.其中6个站点位于奥果韦河干流上，5个站点位于奥果韦河部分支流上.在全流域中划分出11个GRDC站点的汇水面积，然后根据站点的实测流量，进行流量分割，得到汇水区的实际产流量.具体计算过程见表3.

表3 奥果韦河GRDC站点汇水区径流系数推求表

根据表3求出的GRDC 站点汇水区面积和产流量，可以得到汇水区的多年平均雨量和径流深，而径流深与汇水面积的比值即为该汇水区的径流系数.由于缺少流域出口断面的实际流量，出口断面汇水区径流系数采用空间插值的方法得到.奥果韦河GRDC站点汇水区的多年平均径流系数分布如图6所示.

图6 奥果韦河GRDC站点平均径流系数分布图

分析图6可知：奥果韦河干流中下游区间的径流系数较大，可以达到0.6左右；流域东南地区径流系数次之，约为0.5；流域北部的平均径流系数约为0.3.结合图3来看，流域内多年平均径流系数空间分布与多年平均降雨分布规律相似，整体呈现出从北到南，从东到西增加的趋势，这说明降雨的空间变化对径流系数的影响显著.同时，从径流系数的定义和影响因子来分析，降雨是影响径流系数的主要因素之一，径流系数的空间变化与降雨分布有相关性.也间接说明，下垫面对流域产流的影响较大.降雨量小的流域北部地区，降雨较多的用于补足土壤前期缺水量，因此产生径流量小；奥果韦河流域西部临海且属于干流下游区间，土地前期含水量较大，降雨被拦截的损失较小，产流量大，因而径流系数也相对较大.

奥果韦河无资料支流的多年平均径流量是通过子流域面积和径流深的乘积求得的，其中径流深是指查询得到的径流系数和支流多年平均面降雨量之积.具体计算结果见表4.

表4 无资料支流多年平均径流量推求计算表

3 水力资源分布

根据奥果韦河流域GRDC 站点分布情况，奥果韦河干流上的6个GRDC站点将干流划分为7段区间，从河源到河口依次编号为区间1、区间2…区间7.奥果韦河流域内8条一级支流，作为子流域进行理论蕴藏量计算，同时由于伊温多河(Ivindo)和恩古涅河(Ngounie)流域面积大，将这两条河上的部分二级支流和干流各区间也单独划作子流域进行计算.故奥果韦河流域共划分出25个子流域，具体分布如图7所示.

图7 奥果韦河子流域划分图

对奥果韦河干流和缺少实测资料的支流分别进行理论蕴藏量计算后，最终得到奥果韦河流域18条支流区间以及干流7个区间的理论蕴藏量数值，结果见表5.

表5 奥果韦河流域理论蕴藏量分布表

续表5 奥果韦河流域理论蕴藏量分布表

根据表5可以看出：奥果韦河的干流区间5、区间6、区间7的理论蕴藏量较大，即干流Booue站到入海口区间的河段水位落差大且水量丰富，该区间总理论蕴藏量达6389.39MW，具有较大的水电开发价值；奥果韦河干流的理论蕴藏量总和为724.27 亿kW·h，理论总装机为8267.95MW.根据2017 年《世界水电与大坝简谱》[13]中公布的数据，加蓬境内水力资源理论蕴藏量为8000MW，与奥果韦河干流理论蕴藏量相近，2017年奥果韦河流域水力资源的已正开发量为1617MW，低于奥果韦河理论蕴藏量，故奥果韦河流域的水力资源仍有较大的开发空间.为了便于分析奥果韦河流域水力资源的空间分布特点，将奥果韦河各个子流域的理论蕴藏量与子流域划分图结合，绘制结果如图8所示.

图8 奥果韦河水力资源理论蕴藏量分布图

由图8奥果韦河流域理论蕴藏量分布图可以看出：奥果韦河干流上水力资源最丰富的地区为中游地段，结合降雨和水位落差情况分析，干流下游流量大，但地势平坦水位落差小，而干流上游地势陡峻落差大，但降雨相对较少；奥果韦河流域的理论蕴藏量有着明显的空间差异性，下游的水能蕴藏量较丰富，整体呈现出由北向南，由东向西逐渐增多的趋势.同时，根据图8可以看出支流伊温多(Ivindo)河和恩古涅(Ngounie)河的水力资源相对丰富，伊温多河流域的理论蕴藏量为1043.02MW，恩古涅河流域的理论蕴藏量为1572.43MW.

4 结 论

本文采用两种方法对奥果韦河的理论蕴藏量进行估算，其中奥果韦河的干流采用径流数据直接计算，支流通过移用相似流域的径流系数，由降雨获取径流，从而计算水力资源理论蕴藏量.主要得到以下结论：

1)奥果韦河流域降雨充沛，雨季时间长，旱季短，多年平均年降雨量最大为2306.3mm，最小为1594.4 mm，全流域降雨呈现从东到西，从北向南逐渐增多的趋势.奥果韦河的枯水期为6月至9月，其它月份为丰水期，干流多年平均丰枯比为1.77.

2)奥果韦河流域内水力资源丰富，干流总理论蕴藏量达到8267.95MW，各支流理论蕴藏量之和达到3515.14MW，其中干流Booue站到入海口区间的理论蕴藏量达6389.39MW，伊温多河流域的理论蕴藏量为1043.02MW，恩古涅河流域的理论蕴藏量为1572.43MW，干流中下游、伊温多河和恩古涅河具有较大的水电开发价值.

水电资源开发作为在中非电力合作中占首要地位的重点领域，大力开发中部非洲地区水电资源对整个非洲的社会经济具有极为重要的意义.非洲地区的水电资源丰富，目前实际开发程度较低，具有较大的发展空间.通过对无资料的非洲河流进行理论蕴藏量估算，可以更全面地了解各国水电资源情况，也可以充分发挥我国水电咨询技术优势，帮助非洲“一带一路”沿线国家更好地进行水电开发建设.