依俊楠，鞠 彬

(中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 研究背景

1.1 尼羅河流域

尼羅河(Nile River)是1條流經(jīng)非洲東部與北部的河流，自南向北注入地中海。尼羅河有兩條主要的支流，即白尼羅河和青尼羅河；其中白尼羅河較長是主源，但發(fā)源于素有“東非水塔”之稱的埃塞俄比亞高原的青尼羅河提供了比較多的水量。

白尼羅河經(jīng)維多利亞湖的歐文瀑布流入基奧加湖，而后至埃爾伯特湖之間稱為基奧加尼羅河。從基奧加湖流出后，尼羅河水先以相對平緩的水流流淌，然后相繼出現(xiàn)湍流和瀑布。在卡魯瑪瀑布處，河流湍急流過卡魯瑪大橋，然后向西流入埃爾伯特湖。

基奧加湖是大型淺水湖，距上游金賈市約120 km。除維多利亞尼羅河外，湖水的另一來源是發(fā)源于烏干達(dá)和肯尼亞交界處的艾爾岡山?；鶌W加湖由眾多山谷淹沒形成，基奧加湖系包括基奧加湖、卡瓦尼亞湖、巴辛納湖以及30多個(gè)其他小湖。從維多利亞尼羅河流入基奧加湖的進(jìn)入點(diǎn)到基奧加尼羅河離開基奧加湖的出口點(diǎn)之間的距離約有80 km。

1.2 水電站概況

根據(jù)烏干達(dá)水電開發(fā)規(guī)劃[1]，水電站K位于世界第一長河尼羅河上游的基奧加尼羅河上，壩址上游約110 km處為基奧加湖，下游約120 km處為埃爾伯特湖。水庫正常蓄水位1 030 m，死水位1 028 m，調(diào)節(jié)庫容約4 550萬 m3。電站裝機(jī)容量600 MW，多年平均發(fā)電量約40億kW·h。

水電站樞紐建筑由閘壩、地下廠房和輸水系統(tǒng)組成。壩的最大高度14 m，壩長314 m，泄洪閘布置于主河床，總長118.0 m，最大閘高13.0 m，分9個(gè)壩段，共設(shè)9孔閘孔，孔口尺寸為10.0 m(寬)×8.0 m(高)，采用開敞式實(shí)用堰型，堰頂高程1 022.0 m，順?biāo)鞣较蜷L26.0 m。

根據(jù)水工模型試驗(yàn)成果，水庫水位在1 030 m時(shí)，開啟全部泄洪設(shè)施時(shí)泄流能力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)洪水洪峰流量(4 660 m3/s，P=0.01%)。因此，在遭遇萬年一遇及以下洪水流量時(shí)，大壩通過調(diào)節(jié)泄洪閘具有保持庫水位維持1 030 m的能力。

本次研究旨在分析水電站K建成后，庫區(qū)遭遇不同量級洪水時(shí)水庫回水的影響范圍，并為庫區(qū)淹沒紅線的劃定提供參考依據(jù)。

2 模型建立

2.1 建模原理

MIKE 11一維水動力學(xué)模型控制方程包括水流連續(xù)性方程和動量方程，形式如下[2_4]:

式中，A為過水?dāng)嗝婷娣e(m2)；t為計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間坐標(biāo)；Q為過流流量(m3/s)；x為計(jì)算點(diǎn)的空間坐標(biāo)；q為旁側(cè)入流的流量(m3/s)；α為動量校正系數(shù)；h為水位(m)；g為重力加速度(m/s2)；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑。

2.2 模型概化

河網(wǎng)計(jì)算首先需要針對河網(wǎng)的河段、斷面、節(jié)點(diǎn)3類要素進(jìn)行概化[5_6]。整個(gè)模型概化河段總長約55 km，共設(shè)置52個(gè)斷面，采用2017年實(shí)測斷面資料，斷面間距變化范圍約為0.2～2.5 km。

2.3 模型構(gòu)建

用MIKE11HD模塊模擬河道一維恒定流，輸入數(shù)據(jù)包括河網(wǎng)數(shù)據(jù)(.nwk11)、斷面數(shù)據(jù)(.xns11)、邊界數(shù)據(jù)(.bnd11)、水動力學(xué)參數(shù)(.hd11)、模擬時(shí)間數(shù)據(jù)(Time)；輸出數(shù)據(jù)主要為水面線成果(.res11)。

主要輸入信息如以下三方面：

(1)邊界條件。研究區(qū)上邊界設(shè)置為基奧加湖出口下游的第一個(gè)斷面，設(shè)置為流量開邊界，下邊界設(shè)置為壩址的水位流量關(guān)系。

(2)參數(shù)設(shè)置。河段糙率系數(shù)采用率定參數(shù)。

(3)模擬時(shí)間。計(jì)算時(shí)間步長取10 s，時(shí)間步數(shù)為172 800。

3 參數(shù)率定

3.1 實(shí)測資料

研究團(tuán)隊(duì)于2015年8月在水庫庫區(qū)自壩址處至上游依次布設(shè)6支水尺，用于記錄實(shí)時(shí)水位(見表1)。本次采用實(shí)測水面線和流量資料對模擬河段進(jìn)行糙率的分段率定。

表1 實(shí)測水位和流量資料統(tǒng)計(jì)

3.2 糙率率定

對于率定河道糙率，本次根據(jù)前述實(shí)測水位和流量資料及壩址水位流量關(guān)系，將模擬河道分為7段，依次進(jìn)行分段糙率率定。需要特殊說明的是，經(jīng)過分析和現(xiàn)場測量成果比對，壩前1 km范圍內(nèi)局部有較大跌水，為使模型能更真實(shí)地模擬該處河道形態(tài)，本次在模型中將特殊位置斷面概化為天然寬頂堰；這樣可以較好地反映跌水處因流態(tài)急變而產(chǎn)生的局部水頭損失，以更好的模擬水面線。率定壩址到基奧加湖湖口下游60 km處的綜合糙率為0.028～0.085(見圖1)。

圖1模擬水位與實(shí)測水位對比

表2列出了A～F等6支水尺水位模擬的誤差統(tǒng)計(jì)情況(見表2)，各水尺處水位誤差均在模型驗(yàn)證誤差合理要求范圍內(nèi)?？紤]到研究區(qū)內(nèi)河道變形、河網(wǎng)概化、模型參數(shù)設(shè)定等誤差，可以認(rèn)為基奧加尼羅河一維河道洪水演算模型模擬效果較好，基本能夠滿足計(jì)算精度要求。

表2水位模擬誤差統(tǒng)計(jì)

水尺序號實(shí)測水位/m模擬水位/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 回水計(jì)算成果

根據(jù)上述計(jì)算方法和參數(shù)成果，基于建立的基奧加尼羅河一維河道水動力學(xué)模型，分別進(jìn)行3組不同量級洪水的水庫回水模擬計(jì)算，包括5年一遇、10年一遇和20年一遇洪水(見圖2～圖4，表3)。

表3 計(jì)算方案邊界條件統(tǒng)計(jì)

圖25年一遇洪水水面線成果

圖310年一遇洪水水面線成果

圖420年一遇洪水水面線成果

盡管3組方案用于模擬的洪水量級不同，但是由上圖可知，模擬結(jié)果趨勢上是相近的，即各方案模擬水位在壩前600 m開始至最末斷面，水位基本與天然情況一致。

5 結(jié) 語

采用MIKE11建立了基奧加尼羅河一維河道水動力模型，并對尼羅河基奧加湖下游河段河道糙率進(jìn)行了參數(shù)率定和驗(yàn)證，計(jì)算成果可以為今后該河段糙率選取以及洪水模擬提供依據(jù)。通過不同量級洪水組合的模擬，得出了大壩建設(shè)前后水面線變化情況，為水庫淹沒影響范圍的確定提供了重要依據(jù)。

另外，研究區(qū)域?yàn)樵忌置婷?，水文資料欠缺，壩址附近水流非常湍急，植被茂密，野生動物眾多，尤其是鱷魚和河馬等具有攻擊性的野生動物，給現(xiàn)場測量工作帶來了一定的困難。針對此類資料缺乏的海外工程，如何更合理的建立當(dāng)?shù)睾拥浪δＰ停切枰M(jìn)一步思考和討論的。