卡洛特水電站工程水文設計與實踐

徐 長 江，李 響2，邴 建 平，鄧 鵬 鑫

(1.長江水利委員會 水文局，湖北 武漢 430010； 2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

卡洛特(Karot)水電站是我國提出“一帶一路”倡議以來的首個水電大型投資建設項目，也是“中巴經濟走廊”首個水電投資項目。卡洛特水電站壩址位于巴基斯坦旁遮普省境內吉拉姆河(Jhelum River)的Karot橋上游，下距曼格拉大壩74 km，西距伊斯蘭堡直線距離約55 km。工程為單一發電任務的水電站，由大壩和泄洪建筑物、引水系統、發電廠房等組成，攔河大壩為瀝青混凝土心墻土石壩，最大壩高95.5 m。壩址處控制流域面積26 700 km2，水庫正常蓄水位461 m，死水位451 m。正常蓄水位以下庫容1.52億m3，電站裝機容量720 MW(4×180 MW)，多年平均年發電量32.06億kW·h，年利用小時數4 452 h。2018年9月22日，卡洛特水電站順利實現大江截流，標志著該走廊優先實施項目進入全面施工階段。作為巴基斯坦境內首個完全使用中國技術和中國標準建設的水電投資項目，卡洛特水電站建成后將為該國帶來經濟適用的清潔能源，為其經濟發展提供強大動力。

1 吉拉姆河流域特性及水電規劃概況

卡洛特水電站是吉拉姆河水電規劃5個梯級電站中的第4級。吉拉姆河是印度河(Indus River)流域水系最大的河流之一，發源于克什米爾山谷的韋爾納格深泉，向西北流經克什米爾谷地入Wular湖，在Sopur附近出湖，經陡峭峽谷穿過Pir Panjal山，至Muzaffarabad匯入Kishanganga河后轉向南進入巴基斯坦，在Mangla附近穿過Siwalik山進入沖積平原，然后在吉拉姆河鎮沿Salt山轉向西南至Khushab，最后向南在Trimmu附近注入Chenab河。吉拉姆河干流全長725 km，流域面積6.35萬km2。

在吉拉姆河的源頭峽谷地區，左岸為Pir Panjal山，右岸為Himalaya山脈。當低壓抵達Jhelum河流域附近地區時，潮濕的西南氣流由于地形抬升作用常在該區域形成強降水。降水量隨地形抬升而增加，夏季在海拔6 000～10 000英尺(1828.80～3048.00 m)附近達到最大值，冬季在8 000～12 000英尺(2 438.40～3 657.60 m)附近達最大值。河源在Srinagar附近出峽谷地區之后，流經較為平坦的谷地進入Wular湖。Wular湖是一個天然的大水庫，對進入湖里的洪水起著調節、削峰和滯時作用。

出Wular湖之后，吉拉姆河流經一段長達12 km的相對平坦的區域至Baramula，隨后河道坡度陡增至1∶35流至Muzaffarabad區域，該區域集水面積為4 196 km2。與克什米爾地區的降雨相比，Wular湖至Muzaffarabad河段區域的降雨有所增加，區域產水量較大。

Muzaffarabad至Karot壩址區集水面積2 429 km2，河流向南流經高山區，該區域位于Pir Panjal山脈和Swalik山脈之間，在季風加強情勢下，是強季風雨區，西南和東南季風氣流均可抵達該區域。由Pir Panjal和Swalik山脈地形抬升形成的降雨強度僅次于河源地區。

Neelum河是吉拉姆河干流右岸的最大支流，集水面積為7 278 km2，其上游地區為高山區，少有季風雨。因上游位于流域東北地區，遠離季風低壓活動路徑，季風極少到達該區域。因此，在上游地區會出現冬季降雨大于夏季降雨的情況。與上游相比，下游地區的季風雨顯著增加。當熱帶低壓抵達Rawalpindi附近時，下游地區有時會受到強季風入侵的影響，發生暴雨洪水。

Kunhar河是吉拉姆河干流右岸水量僅次于Neelum河的重要支流，集水面積為2 489 km2。當熱帶低壓抵達其北部地區時，整個河流位于西南季風氣流控制之下。在夏季，流域上游地區降水大于下游地區，在冬季，形勢發生改變，流域下游地區降水大于上游地區降水。

根據巴基斯坦2008年5月編制的吉拉姆河水電規劃《Study for Hydropower Cascading Projects on Jhelum River》[1]，吉拉姆河規劃有5座裝機容量超500MW的水電站，分別為科哈拉(Kohala)、馬赫爾(Mahl)、阿扎德帕坦(Azad Pattan)、卡洛特(Karot)和曼格拉(Mangla)。其中曼格拉水庫已于1967年建成，后受水庫泥沙淤積影響，實施了大壩加高工程，目前已完工；Mahl、Azad Pattan及Kohala正在進行前期研究工作，Karot正處于施工建設期。

2 水文基礎資料及外業測量和試驗情況

2.1 水文站基本情況

吉拉姆河流域內有9個水文站，由巴基斯坦水電發展署(the Pakistan Water and Power Development Authority，WAPDA)的地表水文部門(Surface Water Hydrology Project，SWHP)設立與管理。其中，吉拉姆河干流上有Chinari，Hattian Bala，Domel，Chattar Kallas，Kohala，Azad Pattan和Karot 7個站，支流Kunhar河、Neelum河上分別設有Garhi Habib-ullah和Muzaffarabad站。各站均有日、月、年平均流量，年瞬時最大流量及泥沙資料。

卡洛特水電站壩址附近的水文站有Azad Pattan水文站和Karot水文站，基本情況見表1，Karot水電站流域水系及站網分布見圖1。

Karot站1969年建站，1979年撤銷；Azad Pattan站1979年設立，位于壩址上游約15 km，觀測至今(1993年缺測)。

根據資料查閱和現場查勘，Azad Pattan站測驗河段順直，測流斷面呈V型，為典型的峽谷型河道，左岸為山體，右岸為公路。河段兩岸河床出露有砂礫石，主要為泥頁巖，直徑為0.1～1 m，測流斷面下游右岸河床出露有大塊礫石，高水河床植被茂盛。測驗河段河床中較大尺寸的塊石、礫石，造成局部紊流。測驗河段測驗控制條件總體較好。Azad Pattan站采用纜道測流，測流采用流速儀，測驗50次即對流速儀進行校測。斷面測流垂線布置間距為20英尺(約6 m)，垂線流速測量在中高水時采用0.2和0.8相對水深的兩點法，低水時采用0.6相對水深的一點法。測次布置為枯季一周測流一次，汛期增加測次，測量時間視實時水情相機選取。含沙量測驗采用鉛魚深度一體采樣器(D-49)，在測流的同時測量懸移質泥沙的含沙量。

表1 水文站觀測資料情況Tab.1 Basic information about hydrological stations

圖1 Karot水電站壩址流域水系及站網Fig.1 The watershed outline and station network of Karot Hydropower Station

2.2 水文外業測量和試驗情況

在水文專題設計工作中，根據設計需要，卡洛特項目部布置開展了若干水文外業測量和試驗工作，包括：設立了入庫和廠房兩個臨時水文站和壩址臨時水位站，并開展了一個水文年度的水文觀測，觀測項目有水位、降水、流量、懸移質含沙量及顆粒級配；開展了Karot水電站庫區及壩下37個坑測點的取樣，并將樣品帶回中國開展了河床質顆粒級配分析；多次實施了Azad Pattan水文站的懸移質泥沙取樣，就地委托巴基斯坦國家實驗室開展了懸移質顆粒級配分析工作；完成了Karot庫區58個大斷面的水道地形測量工作以及壩址上下游約4 km河段1∶2 000河道地形測量工作；在壩址河段實施了懸移質泥沙取樣，并將樣品帶回國內，送中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點試驗室開展了懸移質泥沙的礦物組成分析。

3 徑流設計

吉拉姆河徑流以融雪水和季節性降雨補給為主，源頭沒有永久冰川覆蓋。吉拉姆河流域分為四季，冬季季風期(12月至次年2月)、炎熱期(3～5月)、夏季季風期(6～9月)和過渡期(10～11月)。在冬季季風期，流域內大部分地區的降水以降雪的形式體現，這些降雪將堆積到4～5月、甚至6月，當溫度上升時才融化。這些化雪導致吉拉姆河產生持續的河水入流量。在夏季季風季節，降雨集中在流域的南部和西部，并以強暴雨為特征，正是這些暴雨導致了大洪水，進而形成了吉拉姆河流域的獨有特點。在Karot壩址上游與吉拉姆河交匯的重要支流為Kunhar和Neelum河，兩河流均從季風降雨和融雪水補給流量。

卡洛特水電站壩址集水面積26 700 km2，Karot水文站集水面積26 677 km2，Azad Pattan水文站集水面積26 485 km2，區間沒有大支流匯入，因此以Karot站和Azad Pattan站作為計算壩址徑流的設計依據站。壩址徑流由設計依據站徑流采用面積比擬法推求，即先將Karot站1969～1978年徑流系列轉換到Azad Pattan站，與Azad Pattan站1979～2010年(1993年缺測)系列組成徑流長系列，然后再轉換到壩址。

從壩址40 a徑流系列的模比差積曲線分析，包含有長豐水期、長枯水期和平水期，說明系列的豐、枯代表性較好；從長系列不同時間尺度的滑動平均圖分析，30 a滑動平均值最大為837 m3/s，最小為823 m3/s，相對差為1.6%，說明徑流系列長度超過30 a后已趨于穩定。

卡洛特壩址多年平均流量為819 m3/s，徑流量為258.3億m3，歷年最大年平均流量為1 300 m3/s(1996年)，歷年最小年平均流量為384 m3/s(2001年)。卡洛特壩址多年平均年月徑流成果見表2。

卡洛特壩址徑流主要集中在3～9月，占全年的86.2%。多年平均最大月平均流量出現在5月，為1 710 m3/s；最小出現在12月，為223 m3/s；5月下旬平均流量為各旬最大，為1 760 m3/s；1月上旬平均流量為各旬最小，為216 m3/s。

根據項目合同約定，卡洛特水電站采用中國標準設計和建設。依據我國SL278-2002《水利水電工程水文計算規范》[2]，開展卡洛特壩址年徑流設計。經驗頻率采用數學期望公式計算，即

(1)

式中，Pm是n年連續系列中按由大到小順序排列，其序位為m的經驗頻率。

表2 卡洛特壩址多年平均年、月徑流Tab.2 The multi-year average annual and monthly runoff at Karot dam site

徑流頻率曲線的線型，采用皮爾遜Ⅲ型。P-Ⅲ分布函數的概率密度函數為

(2)

式中，α,β和ξ分別為分布的形狀、尺度和位置參數。

徑流頻率曲線的統計參數，用矩法初估，用適線法調整確定[3]。卡洛特壩址年徑流量設計成果見表3。

表3 Karot水電站壩址年徑流量設計成果Tab.3 Annual runoff design results at Karot dam site 億m3

4 洪水設計

4.1 暴雨洪水特性

吉拉姆河流域位于季風區，流域內的氣候可分為四季：東北季風季節(12月至次年2月)、熱季(3～5月)、西南季風季節(6～9月)和10～11月的過渡期。流域多年平均降雨量1 440mm，多年平均月降雨過程呈典型的雙峰型特征，第一個峰值出現在3月，平均月降雨160 mm，第二個峰值出現在7月，平均月降雨270 mm。

吉拉姆河在夏季季風季節，主要受西南季風影響，由于流域地勢總體北高南低，加上局部地形影響，有利于來自印度洋的水汽輸送和抬升，易發生強暴雨，降雨多集中在流域的南部和西部。位于流域西部的Murree站多年平均降雨量1 730 mm，7月最大降雨量為704 mm。

吉拉姆河流域多為高山峽谷，為典型的山區性河流。在4～5月，溫度開始明顯上升，吉拉姆河干流源頭地區、Neelum河和Kunhar河上游地區的降雪融化，形成穩定的入流。在夏季季風季節，來自印度洋的西南暖濕氣流北上，將大量水汽輸送到該流域，由于地形抬升，常形成強降水，正是這些暴雨導致了大洪水。

以卡洛特壩址區附近的Azad Pattan水文站實測流量資料分析，受局地強降雨和山區地形影響，流域大洪水過程常陡漲陡落，年最大洪峰的年際差異較大，最小洪峰流量1 334 m3/s，發生于2001年，最大洪峰流量14 730 m3/s，發生于1992年。以1992年9月大洪水為典型進行壩址洪量地區組成分析，1，3，7 d洪量主要來自于Muzaffarabad以上干流和支流Neelum河，占比達66%～70%，Kunhar河占比約13%～14%，區間占比約16%～19%。

4.2 實測大洪水及重現期

吉拉姆河1992年發生了特大洪水，距Azad Pattan站上游約7km的Azad Pattan大橋被洪水沖毀。巴基斯坦WAPDA部門發布的1992年水文年鑒中刊出的該年最大洪峰流量為14 730 m3/s。在2001年的Mangla大壩可能最大洪水復核報告中，從1929，1959年和1992年大暴雨中，挑出最為極端的1992年大暴雨作為典型暴雨，認為該年是自1929年以來最為惡劣的大暴雨。通過現場查勘訪問及與前期開展工作的澳大利亞雪山公司(SMEC)工程師交流，調查到Azad Pattan站1992年大洪水為1929年以來的最大洪水，比2010年發生的大洪水(洪峰流量9748m3/s)也要大。綜上分析，將Azad Pattan站1992年洪水重現期定為82 a。

4.3 壩址洪水分析計算

卡洛特壩址位于Azad Pattan水文站和Karot水文站(1979年撤銷)下游，Karot壩址至Azad Pattan水文站區間無較大支流匯入，區間面積為245 km2，占壩址面積的0.92%，故卡洛特壩址的設計洪水以Azad Pattan和Karot站為依據站進行推算。

由于Karot水文站和Azad Pattan水文站距離相近，集水面積相差較小，將Karot水文站1969～1978年和Azad Pattan水文站1979～2010年洪峰系列按面積比擬法推算至Karot水電站壩址(1969年1～4月、1993年缺測)。Karot壩址年最大洪峰流量散布圖見圖2。

圖2 Karot壩址年最大洪峰流量散布Fig.2 Annual maximum peak flow scatter map at Karot dam site

分析可知，Karot壩址年最大洪水在3～9月均可發生，其中以8,9月份的量級為大。10月至次年2月沒有出現過年最大洪水。

根據Karot水電站調節計算需要，頻率計算時段選為洪峰、3 d洪量和7 d洪量。1992年洪水漲落迅速，峰型尖瘦，實測洪峰做特大值處理，重現期為82 a；1992年3 d洪量遠大于位列第2的3 d洪量，亦做特大值處理，重現期為82 a；7 d洪量不突出，不做特大值處理。

依據我國SL44-2006《水利水電工程設計洪水計算規范》[4]，開展卡洛特壩址洪水設計。特大洪水經驗頻率計算公式采用：

(3)

實測連續系列經驗頻率計算公式采用：

(4)

式中，PM為特大洪水第M項的經驗頻率；Pm為實測洪水系列第m項的經驗頻率；N為特大洪水考證期；M為特大洪水序位(M=1，2，…，a)；a為在N年中連續順位的特大洪水項數；l為實測洪水中抽出作特大洪水處理的洪水項數；m為實測洪水序位；n為實測洪水系列項數。

卡洛特水電站壩址設計洪水頻率曲線線型采用P-Ⅲ型曲線，以矩法計算值為初估值，適線法確定統計參數[5-6]。卡洛特壩址的設計洪水成果見表4。

4.4 成果合理性分析

卡洛特壩址設計洪水和工程河段上下游梯級相關設計洪水成果對比見表5。

咨詢聯合體(SMEC│SW│Sogreah│MAES│EGC)于2008年提出了卡洛特壩址上游Kohala水電站的壩址和廠址設計洪水頻率分析計算成果[7]，推薦采用對數正態分布線型的成果，廠址處集水面積為24 890 km2，萬年一遇設計洪水為28 080 m3/s。

URS Scott Wilson公司于2011年提出了卡洛特壩址上游Azad Pattan水電站的壩址設計洪水成果[8]，壩址處集水面積為26 183 km2，頻率線型采用對數P-Ⅲ分布，設計依據站為Azad Pattan和Karot站，洪水系列為1969～2009年(1993年缺測)，萬年一遇設計洪水為32 880 m3/s。

表4 卡洛特壩址設計洪水成果Tab.4 Flood design results at Karot dam site

咨詢聯合體(SMEC│MAES│EGC)于2009年提出了卡洛特水電站的水文報告[9]。其中卡洛特壩址設計洪水分別采用對數P-Ⅲ分布、Gumbel分布和對數正態分布作了分析計算，設計依據站為Azad Pattan和Karot站，洪水系列為1969～2004年(1993年缺測)，萬年一遇設計洪水分別為30 184,13 478 m3/s和24 849 m3/s。但在水文報告中，沒有提出推薦采用意見。

巴基斯坦沒有正式頒布的水利水電工程洪水設計的國家標準或行業標準，本次設計工作依約采用中國的設計標準[10-16]。URS Scott Wilson公司提出的上游Azad Pattan水電站的設計洪水成果與本次成果較為接近，依據的資料系列也相差不大。咨詢聯合體(SMEC│MAES│EGC)提出的設計洪水成果中，不同頻率分布線型的成果差異較大。分析比較前期成果與本次設計成果的差異，主要原因有3方面因素：① 設計依據的系列不同，前期成果資料系列截止2004年或2009年，本次將系列延長至2010年，其中，2010年發生了實測系列的第三大洪水。② 采用的頻率線型不同，不同的線型可能會產生較大差異的成果；水文系列總體的頻率曲線線型是未知的，通常選用能較好擬合水文系列的線型，我國學者經過大量的理論研究、方法探索和實際應用工作，提出P-Ⅲ型曲線對我國南北大部分地區的水文系列適應性較好，并寫入了我國的行業規范。本次采用P-Ⅲ型分布開展了卡洛特水電站的壩址設計洪水計算，點線擬合亦較好。③ 參數估計方法的不同，咨詢聯合體的估參方法不詳，無法考證，本次設計中采用適線法確定參數，在考慮總體點線擬合良好的情況下，結合設計洪水的定位需求，給予中高水點線擬合更多權重[17]。綜合考慮，本次壩址設計洪水計算，多方調查考證了1992年大洪水及其重現期，盡可能收集資料延長了依據站水文系列，采用P-Ⅲ型分布，點線擬合良好，并與工程河段鄰近梯級水電站設計成果進行了分析比較，基本在相近的量級，分析認為，本次設計成果是合理的。

5 水位流量關系

壩址和廠房處的水位流量關系根據工程河段實測的1∶500地形圖和壩址、廠房處實測的水位、流量資料，采用水力學方法推算[2]。

在工程河段的壩址專用水文(位)站，共完成了27次水位、流量測驗，且壩址處有逐日的人工觀測水位，廠房處有連續的自記水位資料。根據開展的外業測驗資料分析，壩址、廠址河段糙率分別取0.05和0.06，壩址河段實測比降約為0.003。

中低水采用實測水位流量資料，中高水采用曼寧公式適當外延，擬定水位流量關系。卡洛特壩址水位流量關系成果如圖3所示。

6 泥 沙

吉拉姆河流域內植被覆蓋情況從中等到茂密不等。由于流域內降雨豐沛，每月均有降雨產生，因此山坡上植被生長良好。流域內泥沙大多數是地質侵蝕和地震運動引起的。野外勘察期間發現壩址上游吉拉姆河沿線幾乎都有滑坡發生，帶來大量泥沙。流域內泥沙來源還包括降雨引起的片狀侵蝕和沖溝侵蝕，以及人類活動引起的土壤侵蝕。

表5 Karot壩址和工程河段上下游梯級設計洪水成果Tab.5 The flood design results of hydropower cascading projects at Karot river section

表7 卡洛特水電站壩址懸移質泥沙顆粒級配成果Tab.7 Results of suspended sediment particle gradation at Karot dam site

圖3 Karot水電站壩址水位流量關系Fig.3 The Rating-curve at Karot dam site

根據從WAPDA收集的Karot站和Azad Pattan站1970～2010年泥沙資料，推算電站壩址懸移質輸沙量。卡洛特水庫壩址以上流域年均懸移質輸沙量為3 315萬t，最大年輸沙量為1992年的8 160萬t，多年平均含沙量為1.28 kg/m3。Karot水電站壩址多年平均年月輸沙量見表6。

表6 卡洛特水電站壩址多年平均年月輸沙量成果Tab.6 The multi-year average annual and monthly sediment yield results at Karot dam site 萬t

分析可知，卡洛特壩址年輸沙量在4～8月高度集中，5個月輸沙量占年輸沙量的比重達88%以上；12月和1月輸沙量較小。

參考工程河段上下游梯級相關泥沙設計和本次在Karot工程庫區河段泥沙取樣及野外勘察意見，推移質輸沙量取為懸移質輸沙量的15%，則推移質輸沙量為497萬t。

水文外業工作中，在卡洛特水電站工程河段開展了4次懸移質泥沙取樣，并委托巴基斯坦當地的國家實驗室完成了懸移質級配分析，成果如表7所示。

此外，為配合水電機組選型，還在Karot水電站工程壩址河段實施了懸移質泥沙取樣，并將樣品帶回國內，送中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點試驗室開展了懸移質泥沙的礦物組成分析，成果如表8所示。

表8 Karot水電站工程壩址河段懸移質泥沙X射線物相分析Tab.8 X-ray phase analysis of suspended sediment at Karot river section %

7 結 語

卡洛特水電站是絲路基金首個對外投資項目，影響深遠。在水文專題設計過程中，設計組多次赴壩址河段現場勘查，拜訪巴基斯坦水電發展署收集資料和溝通設計情況，并根據前期項目評估和實際需求，扎實開展了大量的水文外業測量和試驗工作，為工程水文設計提供了堅實可靠的基礎條件。工程水文設計提出了徑流、洪水、水位流量關系和泥沙等系列成果，為工程規模、工程布置、機電選型等專業設計提供了有效的設計輸入。這是中國技術和中國標準走向國際的良好范例，項目設計成果也可為巴基斯坦境內河流規劃、水電開發等工作提供技術參考。