巴基斯坦科哈拉水电站下游入河口顶托影响分析

郑永路 丛娜 周佳敏

1 研究背景

科哈拉（Kohala）水电站位于巴基斯坦东北部的巴控克什米尔地区，AJK省的穆扎法拉巴德（Muzaffarabad）市境内吉拉姆河上，为引水式水电站，引水枢纽坝址位于吉拉姆河Dhanni村附近，坝址以上流域面积14 060 km2。尼拉姆河是吉拉姆河的最大支流，位于吉拉姆河的北侧，流域面积7 194 km2。支流Kunhar河位于尼拉姆河流域的西侧，流域面积2 429 km2。如图1所示。

图1 吉拉姆河流域水系及研究区域图

研究区域范围内分布有3个水文站。Kohala水电站坝址上游河段附近有Chinari水文站，1970年1月设立，1996年12月下移至Hattian Bala镇，更名为Hattian Bala水文站；吉拉姆河厂址下游河段附近有Kohala水文站，1965年设立，从1971年1月有实测流量资料。1995年12月停测，1996年上移12 km（厂址上游约9.5 km）设立Chattar Kalass站；Domel站位于坝址下游Muzaffarabad市区吉拉姆河上，1976年1月设立，观测至今。

Domel站位于与尼拉姆河汇合口上游仅130 m处，如尼拉姆河发生洪水，可能造成对吉拉姆河水的顶托，从而影响Domel水文站的测验结果。鉴于此，有必要对Domel站受尼拉姆河的来水顶托影响进行分析。

2 研究内容

河流断面实测流量是河槽调蓄作用和洪水传播共同作用下的结果[1]，在水文测站控制条件下，对水位流量关系的主要影响因素为上游洪水涨落和下游洪水顶托，致使河道断面的水位流量关系复杂多变。通过选取吉拉姆河和尼拉姆河同期流量的上外包线、平均线、下外包线推算不同来水组成情况下水文站断面的水位流量关系，定性和定量分析顶托影响的大小[2]。

2.1 资料来源

本次研究分析采用的资料为1976—2012年Domel站的实测水位流量资料。实测了1#断面（Domel站）及与尼拉姆河汇合后河段的2#、3#、4#共4个河道横断面，河段长1 149 m。1#断面河道较窄，汇合口以下的2#断面较宽，之后河道逐渐变窄。

2.2 分析步骤

（1）点绘吉拉姆河和尼拉姆河同期的日流量关系，绘制出以吉拉姆河来水为主的上外包线、来水平均线和以尼拉姆河来水为主的下外包线。

（2）首先采用曼宁公式法计算起始断面的水位流量关系，用河道恒定流水面曲线的计算方法，由起始断面推求上游顶托断面的水位流量关系；再根据尼拉姆河与吉拉姆河不同来水流量组成对水位的影响，分析顶托规律[3]。

3 顶托影响分析

3.1 来水流量组成

分析河段位于支流Kunhar河汇入口上游的吉拉姆河。Kunhar河流域面积约占Kohala站控制面积的10%，将Kohala站日流量乘以0.9折算为分析河段吉拉姆河与尼拉姆河汇合后的干流流量，将Chinari（Hattian Bala）站的日流量用面积比折算到Domel站作为吉拉姆河汇合前的日流量。点绘其同期的日流量关系，如图2所示。从图中可见，其关系为宽条带状，并绘出了以吉拉姆河来水为主的上包线、来水平均线和以尼拉姆河来水为主的下包线，可代表尼拉姆河、吉拉姆河的来水流量组成情况。

图2 尼拉姆河汇入前、后吉拉姆河同期日流量关系图

从图2可以看出，以吉拉姆河来水为主的上外包线在来水流量为1 500 m3/s和3 000 m3/s时发生转折，来水平均线在来水流量为3 200 m3/s时发生转折，以尼拉姆河来水为主的下外包线在来水流量为4 000 m3/s时发生转折，由此可以推断出不同来水流量组成下的水位变化情况。

不同来水情况下的流量及其转化关系见表1，其中变量x为4#断面处流量，y为1#断面（Domel站）处转换流量。

表1 不同来水情况下的流量转化关系表

3.2 不同来水流量组合条件下的水位流量关系

为分析顶托影响，首先采用曼宁公式计算4#断面和1#断面（Domel站）的水位流量关系。用河道恒定流水面曲线的计算方法[4]，自下而上，由4#断面的水位流量关系，推求3#、2#断面的水位流量关系；再考虑2#断面以上尼拉姆河与吉拉姆河的来水流量组成关系，分为上外包线、平均线、下外包线，推算不同来水组成情况下1#断面（Domel站）的水位流量关系（分析结果见表2），并分析水位流量关系的差别，即尼拉姆河来水的顶托影响。根据河道实际情况，河段糙率取0.045，1#断面在671.4 m以上右侧有漫滩，滩糙率取0.08；4#、1#断面的水面比降采用断面测量时的水面比降[5]，分别为4.3‰和4.0‰。

从表2可以看出，当取以吉拉姆河来水为主的上外包线时，随着流量的增大，吉拉姆河流量占比为97.5%～19.9%，同期尼拉姆河流量占比为2.5%～80.1%；当取来水平均线时，随着流量的增大，吉拉姆河流量占比为45.1～19.9%，同期尼拉姆河流量占比为54.9%～80.1%；当取尼拉姆河来水为主的下包线时，随着流量增大，吉拉姆河流量占比为4.5%～21.5%，同期尼拉姆河流量占比为95.5%～78.5%。可见，随着流量增大，尼拉姆河的流量占汇合后的流量占比越大。为更直观判断顶托影响[6]，对比顶托影响前后不同断面水位流量关系，如图3所示。

表2 不同来水流量组成下的断面水位流量关系

从图3可见，采用曼宁公式计算的4#、1#断面的水位流量关系，与用河道恒定流水面曲线计算方法推求的汇合口下3#、2#断面的水位流量关系，基本呈平行分布。1#断面上外包线、平均线、下外包线不同来水流量组成情况下，水位流量关系差别较大，以吉拉姆河来水为主（上外包线）的情况下，水位流量关系位于最左侧；以尼拉姆河来水为主（下包线）情况下，水位在670 m以下（相应流量阈值为1 370 m3/s）的水位流量关系基本与曼宁公式法结果一致，水位在670 m以上水位流量关系开始上偏；来水平均组成情况下，水位流量关系位于中间。

图3 顶托影响前后水位流量关系对比图

4 结语

（1）本文通过选取上外包线、平均线、下外包线推算不同来水组成情况下水文站断面的水位流量关系，定性定量分析了尼拉姆河对吉拉姆河顶托影响。结果表明，Domel站水位流量关系存在尼拉姆河来水顶托，尼拉姆河流量越大影响越大。当Domel站流量较大时，尼拉姆河流量变化对吉拉姆河顶托影响较大，在Domel站流量大于1 370 m3/s时，尼拉姆河对吉拉姆河的顶托量随着流量的增大而增大，当Domel站流量小于1 370 m3/s时，尼拉姆河顶托影响不明显。

（2）本次研究弥补了针对国外河流交汇河段顶托规律研究的不足，对类似国际工程在资料可靠性分析时提供了判别方法，可作为工程设计依据。