巴基斯坦卡洛特水电站上游流域暴雨洪水特性分析

刘天勇 杨军 刘应武

摘要：为了准确掌握卡洛特水电站上游流域暴雨洪水特性，介绍了自2016年吉拉姆河流域建站以来该流域的地理特征和气候特性。针对当前所收集到的降水和水文资料，分析了卡洛特水电站上游流域的降水、径流特性。选取2017～2020年多场暴雨洪水，分析洪水来源和组成，总结出流域内暴雨洪水形成的原因和规律。结果表明：在西南季风影响下，卡洛特水电站上游流域可能发生局部或全流域性暴雨，暴雨中心多在坝址附近;近坝区暴雨一般降水历时短、总量小，洪水陡涨陡落，全流域性暴雨洪水则相反。

关键词：暴雨洪水特性;卡洛特水电站;吉拉姆河流域;巴基斯坦

中图法分类号：TV122.1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.001

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0001 - 06

1 流域概况

1.1 地理位置

卡洛特水电站位于巴基斯坦旁遮普省境内的吉拉姆（Jhelum）河干流上，是巴基斯坦境内吉拉姆河规划的5座梯级水电站中的第4级[1]。阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站为其上一级电站，曼格拉（Mangla）水电站为其下一级电站[2]。卡洛特水电站项目是“一带一路”倡议的首个大型水电投资建设项目，坝址位于旁遮普省境内卡洛特桥上游约1 km，下距曼格拉大坝74 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km[3]。坝址以上流域面积26 700 km2，水库正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m[4]，装机容量72万kW（4×180 MW），设计年发电量32.1亿kW·h[5]。吉拉姆河从克什米尔山谷发源，沿比尔本贾尔（Pir Panjal）山的背风坡呈西北向流向瓦尔（Wular）湖，瓦尔湖以上流域集水面积达10 308 km2。出瓦尔湖之后，吉拉姆河流经一段长达12 km的相对平坦区域至巴拉穆拉（Baramula），随后流经十分陡峭的山谷区域至木扎法拉巴德（Muzaffarabad），瓦尔湖至扎法拉巴德区域集水面积为4 196 km2。吉拉姆河干流右岸的最大支流尼拉姆（Neelum）河集水面积为7 278 km2，其上游地区为高山区，少有季风雨。吉拉姆河干流右岸还有一条较大支流昆哈（Kunhar）河，径流量仅次于尼拉姆河，集水面积为2 489 km2。本次暴雨洪水研究范围为巴基斯坦境内卡洛特水电站坝址以上流域，区间集水面积约为13 500 km2。

1.2 地形地貌

卡洛特水电站区域北部处于喜马拉雅山南麓中高山区，海拨在2 000～3 500 m之间。东侧为克什米尔盆地，西侧为白沙瓦盆地。南部为旁遮普平原区，高程约200 m。卡洛特水电站水库长约26 km，库段内河谷深切，多呈“V”型谷，两岸谷坡基本对称。

卡洛特水电站坝址位于吉拉姆河中上游河段，坝址区属中低山地貌，两岸临江岸坡山顶地面高程多在510～870 m。吉拉姆河呈“几”字穿过坝址区，在右岸形成宽约700 m的河湾地块。吉拉姆河枯水期水面宽30～60 m，水面高程388～391 m，相应水深一般为6～8 m。坝址区地形封闭，左岸山体浑厚;右岸河湾地块高程461 m处宽380～700 m，不存在地形垭口[2]。

1.3 流域站网分布

卡洛特水电站上游流域有两条主要支流在木扎法拉巴德附近汇入干流，因此沿干流吉拉姆河和支流昆哈河、尼拉姆河先后共建有32个雨量站。在干流建有6个水文站，支流建有3个水文站。测站分布见图1。

2 降水特性

卡洛特水电站上游流域內的气候可分为4季：12～2月为东北季风季节、3～5月为热季、6～9月为西南季风季节、10～11月为西南季风季节和东北季风季节的过渡期。

由于地形和季节的影响，流域降水分配不均。1～3月降水量逐渐增加，3月出现年内第一个峰值，月降水占全年的10%左右，4～5月降水量有所回落，从6月开始，由于西南季风影响，降水量迅速增加，7～8月降水量约占全年的35%，9月之后降水量逐步减少，月降水一般占全年的5%左右。降水量年际变化不大，极值比一般在1.7～2.3之间。统计多站降水资料可知，卡洛特水电站上游流域多年平均降水量约1 430 mm，最大年降水量1 793 mm（1977年），最小年降水量1 046 mm（2001年）;降水量年内分配以7月最大，为289 mm，11月最小，为34 mm。

3 降水径流特性

3.1 产流规律

根据2017～2020年实测资料分析，卡洛特水电站上游流域年平均径流量为225.45亿m3，径流来源主要为上游融雪和降水补给。从每年3月起进入热季，流域气温逐步上升，上游积雪开始融化，径流量逐步增大。自6月起，由于西南季风影响，卡洛特水电站上游流域降水量迅速增加，7～8月雨强最大，流域径流量进一步加大。9月以后降水逐步减少，气温逐步降低，上游融雪减少，导致径流量逐渐减小，每年11月和12月径流量最小。当降水量较大尤其是在发生流域性暴雨时，径流量变化较大。卡洛特水电站上游流域出口控制站年平均降水量约1 466 mm，年平均径流系数大于0.4，湿润系数小于1。

3.2 汇流规律

根据干支流和现有站网分布情况，可将卡洛特上游流域划分为多个区间，用以分析其汇流规律。①杜德利尔（Dhudnial）至木扎法拉巴德区间;②恰可迪（Chakothi）至哈丁巴拉（Hattian Bala）区间;③哈丁巴拉至多迈尔（Domel）区间;④多迈尔、塔哈塔（Talhatta）、木扎法拉巴德至查特克拉斯（Chattar Kallas）区间;⑤查特克拉斯至阿扎德帕坦区间;⑥阿扎德帕坦至卡洛特区间。

3.2.1 杜德利尔至木扎法拉巴德区间

杜德利尔至木扎法拉巴德区间内有5个雨量站，依据多年收集得到的降水数据资料，利用泰森多邊形法计算得到该区间多年平均年降水量约为1 248 mm。杜德利尔水文站和木扎法拉巴德水文站分别为区间上下游控制站。选取2017～2020年多场无区间降水的洪水分析得到该区间洪水传播时间约为5.0 h。

3.2.2 恰可迪至哈丁巴拉区间

恰可迪至哈丁巴拉区间内共建有3个雨量站，根据多年实测降水量计算得到区间多年平均年降水量约为1 284 mm。区间上、下游控制站分别为恰可迪水文站和哈丁巴拉水文站，分析2017～2020年多场无区间降水的洪水得到该区间洪水传播时间约为1.0 h。

3.2.3 哈丁巴拉至多迈尔区间

哈丁巴拉至多迈尔区间内共建有4个雨量站，根据多年收集得到的降水量资料可知，区间多年平均年降水量约为1 466 mm。以哈丁巴拉水文站为上游控制站，多迈尔水文站为下游控制站，选取2017～2020年多场无区间降水的洪水，分析得到该区间洪水传播时间为2.0～3.0 h。

3.2.4 多迈尔、塔哈塔、木扎法拉巴德至查特克拉斯区间

多迈尔、塔哈塔、木扎法拉巴德至查特克拉斯区间内，查特克拉斯水文站处于吉拉姆河干流，是尼拉姆河、吉拉姆河与昆哈河汇合控制站。4个水文站都建有雨量站，根据2017～2020年收集的降水量资料，利用泰森多边形法计算得到区间内多年平均年降水量约为1 302 mm。分析多场无区间降水，分别由多迈尔水文站、塔哈塔水文站和木扎法拉巴德水文站来水引起的洪水，得到从多迈尔水文站、塔哈塔水文站和木扎法拉巴德水文站到查特克拉斯水文站的洪水传播时间分别为1.0～2.0，2.0 h和1.5～2.0 h。

3.2.5 查特克拉斯至阿扎德帕坦区间

根据查特克拉斯至阿扎德帕坦区间内现有的9个雨量站降水量资料，利用泰森多边形法计算得到区间多年平均年降水量约为1 302 mm。以查特克拉斯水文站为上游控制站，阿扎德帕坦水文站为下游控制站，选取2017～2020年多场符合要求的洪水，分析计算得到洪水传播时间3.5～5.0 h。

3.2.6 阿扎德帕坦至卡洛特区间

阿扎德帕坦至卡洛特区间为卡洛特上游流域最下游区间，在区间内共有固定雨量站5个，采用泰森多边形法计算雨量站网权重，根据2017～2020年降水资料计算得出多年平均年降水量约为1 389 mm。选取2017～2020年多场无区间降水洪水及多年水文预报经验可知，区间洪水传播时间约为1.0～1.5 h。

4 暴雨洪水特性

根据2017～2020年多场暴雨洪水分资料，可大致将卡洛特水电站上游流域暴雨洪水分为两大类：近坝区暴雨洪水和全流域性暴雨洪水。

4.1 近坝区暴雨洪水特性

近坝区暴雨洪水主要是由查特克拉斯至卡洛特坝址区间内的暴雨形成的洪水。从2017～2020年的暴雨洪水中，选取“20170713、20170722、20180807、20180813、20190813”等多场近坝区暴雨洪水进行分析。

4.1.1 暴雨特性

为了更直观地得到近坝区暴雨特性，将多场暴雨的暴雨中心、暴雨历时、面平均降水量、降水强度等要素信息进行统计，结果列于表1。

根据表1可得到近坝区暴雨存在以下特性：

（1）暴雨历时较短。从多场近坝区暴雨分析得知，近坝区暴雨降水历时普遍较短，从降水开始到结束一般不超过6.0 h，尤其是强降水时间主要在1.0～3.0 h。近坝区短时暴雨主要发生在7～8月，形成原因为西南季风造成的局部气候。

（2）暴雨强度大。统计多场近坝区暴雨可知，暴雨面平均降水量为30～120 mm，最大1 h降水强度可能超过50 mm/h。

4.1.2 洪水特性

根据“20170713、20170722、20180807、20180813、20190813”等多场近坝区暴雨洪水，绘制上下游水文站流量过程线图，见图2～6。统计多场近坝区暴雨洪水的汇流时间等信息，列于表2。

根据图2～6的流量过程线和表2可知，近坝区暴雨致使查特克拉斯至卡洛特坝址的区间来水量迅速增加，最终导致坝址流量迅速上涨。查特克拉斯水文站以上来水为坝址洪水起到筑基作用，而查特克拉斯至卡洛特坝址的区间来水则起到造峰作用。分析多场近坝区暴雨洪水，总结得出以下洪水特性：

（1）洪水汇流时间短、上涨快、涨幅大、退水快。由表2统计可知，近坝区暴雨洪水汇流时间在1.00～3.00 h，汇流时间短、速度快。依据统计所得数据，近坝区暴雨洪水上涨速度迅速、涨幅大、退水快。

（2）洪水预见期短。由于近坝区暴雨发生在坝区范围内，强降水造成区间洪水迅速发展。根据长期的水文预报经验和对多场近坝区暴雨洪水的分析，得到近坝区暴雨洪水的预见期只有30～60 min，时间极短，无法满足常规水文预报预见期要求。

（3）短时区间来水占比大。选取多场近坝区暴雨洪水，统计其区间来水最大3 h洪量占比，主要在20%～60%范围内。这表明，近坝区暴雨洪水区间来水占比较大，同时波动范围广。主要影响因素包括暴雨历时、暴雨降水总量和前期土壤含水量Pa值等。Pa越大、暴雨历时越长、暴雨降水总量越大，其区间来水量占比越大，反之越小。

4.2 全流域性暴雨洪水特性

全流域性暴雨洪水是指由发生在卡洛特水电站上游流域现有站点检测范围内的暴雨形成洪水。根据现有的水雨情资料，选取了2017～2020年发生的“20170406、20180420、20200327、20200514、20200827”等多场全流域性暴雨洪水进行暴雨洪水特性分析。

4.2.1 暴雨特性

选取2017～2020年多场全流域性暴雨，统计其暴雨中心、暴雨历时、面平均降水量、降水强度等要素信息，列于表3。

由表3可知，全流域性暴雨存在以下特性：

（1）暴雨中心多在坝址附近，多在阿扎德帕坦至卡洛特之间，属于近坝区。

（2）降水历时长、面平均降水量大。统计多场全流域性暴雨，其降水历时在11～23 h，说明全流域性降水历时普遍较长。由于全流域性暴雨历时长，导致其降水总量大，统计面平均降水量在35.0～95.0 mm，不同场次暴雨也存在较大差别。

（3）短时降水强度较大。由多场全流域性暴雨统计所得最大1h降水强度为17.0～49.5mm，存在一定的波动范围，但强度都较大。

（4）降水时程和空间分布多不均。统计分析2017～2020年多场全流域性暴雨，除“20180420和20200327”等少数几场暴雨时程和空间分布较为均匀外，多数场次暴雨时程和空间分布不均。各地暴雨发生时间有所差别，各时间段降水量也差异较大，不同站点累计降水量不同。

4.2.2 洪水特性

根据所选取的“20170406、20180420、20200327、20200514、20200827”等多场全流域性暴雨洪水，绘制各控制水文站流量过程线图，见图7～11。

由图7～11可知，对于全流域性暴雨洪水，由于暴雨时程和空间分布不同，洪水涨落过程有较大差别。如“20170406、20180420”场次洪水，其降水时程分布较为均匀，故各控制站点洪水涨落大致同步。但由于空间分布不均、汇流面积不同以及各控制站位置不同，其洪水涨幅差别较大。由统计多场暴雨洪水所得规律及多年水文预报经验可知，越是上游控制站，洪水涨幅越小;区间面平均降水量越小，洪水涨幅越小。如“20200327、20200514、20200827”场次洪水，降水时程分布不均，故各控制站点洪水涨落有先有后，再加上空间分布不均、汇流面积以及各控制站位置不同，其洪水涨幅差别较大。统计所选取的多场暴雨洪水预见期等信息见表4。

根据图7～11和表4，归纳总结得出全流域性暴雨洪水具有以下特性：①洪水预见期较短，多在2.0～5.0 h;②因暴雨历时长，洪水历时也较长，一般下游洪水尚未退去，上游洪水已经到来，所以洪水退水时间也较长;③由于全流域性暴雨洪水降水历时长、降水总量大，导致区间来水量大，洪水涨幅大。

5 结 论

根据2016年吉拉姆河流域建站以来卡洛特水电站上游流域多个水文控制站和雨量站所收集的资料，分析各场次暴雨洪水来源和组成，总结卡洛特上游流域内暴雨洪水特性，得出以下结论。

（1）卡洛特水电站上游流域多为干燥天气，西南季风季节会发生暴雨，包括全流域性暴雨和近坝区局部暴雨，全流域性暴雨的暴雨中心一般在坝址附近。

（2）近坝区暴雨洪水与全流域性暴雨洪水相同特征包括：①暴雨短时降水强度大;②汇流时间短、预见期短;③区间来水占比大;④洪水涨幅大。

（3）近坝区暴雨洪水与全流域性暴雨洪水不同点包括：①近坝区暴雨降水历时短，而全流域性暴雨历时较长;②近坝区暴雨降水总量相较于全流域性暴雨降水总量小;③近坝区暴雨洪水陡涨陡落，而全流域性暴雨洪水因暴雨历时较长，洪水涨落过程时间也较长，相对于近坝区暴雨洪水，曲线更为平缓;④全流域性暴雨洪水相较于近坝区涨幅更大。

（4）因暴雨洪水预见期很短，为提高水文预报质量，可结合天气预报进行径流演算，以此延长暴雨洪水预见期。

参考文献：

[1] 李强， 黄烈敏， 戴刚. 卡洛特水库集水区洪水特性与预报方法分析[J]. 人民长江， 2018， 49（增2）： 54-57.

[2] 尹春明，陈文理，侯钦礼，等. 巴基斯坦卡洛特水电站工程地质勘察研究综述[J]. 水利水电快报，2020，41（3）：12-18.

[3] 杜兴强，杨军，杨成，等. 巴基斯坦卡洛特水电站坝址“1992·9”特大洪水分析[J]. 水利水电快报，2020，41（7）：9-13.

[4] 徐长江，李响，邴建平，等. 卡洛特水电站工程水文设计与实践[J]. 人民长江，2019，50（12）：66-72.

[5] 許弟兵，杨军，邓颂霖. 巴基斯坦卡洛特水电站施工期水文工作实践与研究探讨[J]. 水利水电快报，2020，41（3）：6-11，18.

（编辑：李 慧）

Analysis of storm flood characteristics of upstream basin of

Karot Hydropower Station in Pakistan

LIU Tianyong，YANG Jun，LIU Yingwu

（Jingjiang Bureau of Hydrology and Water Resources Survey， Bureau of Hydrology， Changjiang Water Resources Commission， Jingzhou 434000 ， China）

Abstract：In order to master the storm flood features of upstream basin of Karot Hydropower Station in Pakistan， this paper focused on the geographical and climatic characteristics of the basin since the construction of hydrological stations in the Jhelum River Basin in 2016. On the basis of the collected precipitation and runoff data in the basin， the characteristics of rainfall and runoff was analyzed. A number of storm floods from 2017 to 2020 was selected to analyze the source and composition of the floods， and the causes and laws of the storm floods were summarized. The results showed that under the southwest monsoon， local or basin storm could occur and the most storm centers were near the dam site; the rainfall duration near dam site was short with small amount， the surge and fall of the flood was fast， which was the opposite to basin storm flood.

Key words：storm flood characteristics; Karot Hydropower Station;Jhelum River Basin;Pakistan