徐 长 江，李 响2，邴 建 平，邓 鹏 鑫

(1.长江水利委员会 水文局，湖北 武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

卡洛特(Karot)水电站是我国提出“一带一路”倡议以来的首个水电大型投资建设项目，也是“中巴经济走廊”首个水电投资项目。卡洛特水电站坝址位于巴基斯坦旁遮普省境内吉拉姆河(Jhelum River)的Karot桥上游，下距曼格拉大坝74 km，西距伊斯兰堡直线距离约55 km。工程为单一发电任务的水电站，由大坝和泄洪建筑物、引水系统、发电厂房等组成，拦河大坝为沥青混凝土心墙土石坝，最大坝高95.5 m。坝址处控制流域面积26 700 km2，水库正常蓄水位461 m，死水位451 m。正常蓄水位以下库容1.52亿m3，电站装机容量720 MW(4×180 MW)，多年平均年发电量32.06亿kW·h，年利用小时数4 452 h。2018年9月22日，卡洛特水电站顺利实现大江截流，标志着该走廊优先实施项目进入全面施工阶段。作为巴基斯坦境内首个完全使用中国技术和中国标准建设的水电投资项目，卡洛特水电站建成后将为该国带来经济适用的清洁能源，为其经济发展提供强大动力。

1 吉拉姆河流域特性及水电规划概况

卡洛特水电站是吉拉姆河水电规划5个梯级电站中的第4级。吉拉姆河是印度河(Indus River)流域水系最大的河流之一，发源于克什米尔山谷的韦尔纳格深泉，向西北流经克什米尔谷地入Wular湖，在Sopur附近出湖，经陡峭峡谷穿过Pir Panjal山，至Muzaffarabad汇入Kishanganga河后转向南进入巴基斯坦，在Mangla附近穿过Siwalik山进入冲积平原，然后在吉拉姆河镇沿Salt山转向西南至Khushab，最后向南在Trimmu附近注入Chenab河。吉拉姆河干流全长725 km，流域面积6.35万km2。

在吉拉姆河的源头峡谷地区，左岸为Pir Panjal山，右岸为Himalaya山脉。当低压抵达Jhelum河流域附近地区时，潮湿的西南气流由于地形抬升作用常在该区域形成强降水。降水量随地形抬升而增加，夏季在海拔6 000～10 000英尺(1828.80～3048.00 m)附近达到最大值，冬季在8 000～12 000英尺(2 438.40～3 657.60 m)附近达最大值。河源在Srinagar附近出峡谷地区之后，流经较为平坦的谷地进入Wular湖。Wular湖是一个天然的大水库，对进入湖里的洪水起着调节、削峰和滞时作用。

出Wular湖之后，吉拉姆河流经一段长达12 km的相对平坦的区域至Baramula，随后河道坡度陡增至1∶35流至Muzaffarabad区域，该区域集水面积为4 196 km2。与克什米尔地区的降雨相比，Wular湖至Muzaffarabad河段区域的降雨有所增加，区域产水量较大。

Muzaffarabad至Karot坝址区集水面积2 429 km2，河流向南流经高山区，该区域位于Pir Panjal山脉和Swalik山脉之间，在季风加强情势下，是强季风雨区，西南和东南季风气流均可抵达该区域。由Pir Panjal和Swalik山脉地形抬升形成的降雨强度仅次于河源地区。

Neelum河是吉拉姆河干流右岸的最大支流，集水面积为7 278 km2，其上游地区为高山区，少有季风雨。因上游位于流域东北地区，远离季风低压活动路径，季风极少到达该区域。因此，在上游地区会出现冬季降雨大于夏季降雨的情况。与上游相比，下游地区的季风雨显著增加。当热带低压抵达Rawalpindi附近时，下游地区有时会受到强季风入侵的影响，发生暴雨洪水。

Kunhar河是吉拉姆河干流右岸水量仅次于Neelum河的重要支流，集水面积为2 489 km2。当热带低压抵达其北部地区时，整个河流位于西南季风气流控制之下。在夏季，流域上游地区降水大于下游地区，在冬季，形势发生改变，流域下游地区降水大于上游地区降水。

根据巴基斯坦2008年5月编制的吉拉姆河水电规划《Study for Hydropower Cascading Projects on Jhelum River》[1]，吉拉姆河规划有5座装机容量超500MW的水电站，分别为科哈拉(Kohala)、马赫尔(Mahl)、阿扎德帕坦(Azad Pattan)、卡洛特(Karot)和曼格拉(Mangla)。其中曼格拉水库已于1967年建成，后受水库泥沙淤积影响，实施了大坝加高工程，目前已完工；Mahl、Azad Pattan及Kohala正在进行前期研究工作，Karot正处于施工建设期。

2 水文基础资料及外业测量和试验情况

2.1 水文站基本情况

吉拉姆河流域内有9个水文站，由巴基斯坦水电发展署(the Pakistan Water and Power Development Authority，WAPDA)的地表水文部门(Surface Water Hydrology Project，SWHP)设立与管理。其中，吉拉姆河干流上有Chinari，Hattian Bala，Domel，Chattar Kallas，Kohala，Azad Pattan和Karot 7个站，支流Kunhar河、Neelum河上分别设有Garhi Habib-ullah和Muzaffarabad站。各站均有日、月、年平均流量，年瞬时最大流量及泥沙资料。

卡洛特水电站坝址附近的水文站有Azad Pattan水文站和Karot水文站，基本情况见表1，Karot水电站流域水系及站网分布见图1。

Karot站1969年建站，1979年撤销；Azad Pattan站1979年设立，位于坝址上游约15 km，观测至今(1993年缺测)。

根据资料查阅和现场查勘，Azad Pattan站测验河段顺直，测流断面呈V型，为典型的峡谷型河道，左岸为山体，右岸为公路。河段两岸河床出露有砂砾石，主要为泥页岩，直径为0.1～1 m，测流断面下游右岸河床出露有大块砾石，高水河床植被茂盛。测验河段河床中较大尺寸的块石、砾石，造成局部紊流。测验河段测验控制条件总体较好。Azad Pattan站采用缆道测流，测流采用流速仪，测验50次即对流速仪进行校测。断面测流垂线布置间距为20英尺(约6 m)，垂线流速测量在中高水时采用0.2和0.8相对水深的两点法，低水时采用0.6相对水深的一点法。测次布置为枯季一周测流一次，汛期增加测次，测量时间视实时水情相机选取。含沙量测验采用铅鱼深度一体采样器(D-49)，在测流的同时测量悬移质泥沙的含沙量。

表1 水文站观测资料情况Tab.1 Basic information about hydrological stations

图1 Karot水电站坝址流域水系及站网Fig.1 The watershed outline and station network of Karot Hydropower Station

2.2 水文外业测量和试验情况

在水文专题设计工作中，根据设计需要，卡洛特项目部布置开展了若干水文外业测量和试验工作，包括：设立了入库和厂房两个临时水文站和坝址临时水位站，并开展了一个水文年度的水文观测，观测项目有水位、降水、流量、悬移质含沙量及颗粒级配；开展了Karot水电站库区及坝下37个坑测点的取样，并将样品带回中国开展了河床质颗粒级配分析；多次实施了Azad Pattan水文站的悬移质泥沙取样，就地委托巴基斯坦国家实验室开展了悬移质颗粒级配分析工作；完成了Karot库区58个大断面的水道地形测量工作以及坝址上下游约4 km河段1∶2 000河道地形测量工作；在坝址河段实施了悬移质泥沙取样，并将样品带回国内，送中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点试验室开展了悬移质泥沙的矿物组成分析。

3 径流设计

吉拉姆河径流以融雪水和季节性降雨补给为主，源头没有永久冰川覆盖。吉拉姆河流域分为四季，冬季季风期(12月至次年2月)、炎热期(3～5月)、夏季季风期(6～9月)和过渡期(10～11月)。在冬季季风期，流域内大部分地区的降水以降雪的形式体现，这些降雪将堆积到4～5月、甚至6月，当温度上升时才融化。这些化雪导致吉拉姆河产生持续的河水入流量。在夏季季风季节，降雨集中在流域的南部和西部，并以强暴雨为特征，正是这些暴雨导致了大洪水，进而形成了吉拉姆河流域的独有特点。在Karot坝址上游与吉拉姆河交汇的重要支流为Kunhar和Neelum河，两河流均从季风降雨和融雪水补给流量。

卡洛特水电站坝址集水面积26 700 km2，Karot水文站集水面积26 677 km2，Azad Pattan水文站集水面积26 485 km2，区间没有大支流汇入，因此以Karot站和Azad Pattan站作为计算坝址径流的设计依据站。坝址径流由设计依据站径流采用面积比拟法推求，即先将Karot站1969～1978年径流系列转换到Azad Pattan站，与Azad Pattan站1979～2010年(1993年缺测)系列组成径流长系列，然后再转换到坝址。

从坝址40 a径流系列的模比差积曲线分析，包含有长丰水期、长枯水期和平水期，说明系列的丰、枯代表性较好；从长系列不同时间尺度的滑动平均图分析，30 a滑动平均值最大为837 m3/s，最小为823 m3/s，相对差为1.6%，说明径流系列长度超过30 a后已趋于稳定。

卡洛特坝址多年平均流量为819 m3/s，径流量为258.3亿m3，历年最大年平均流量为1 300 m3/s(1996年)，历年最小年平均流量为384 m3/s(2001年)。卡洛特坝址多年平均年月径流成果见表2。

卡洛特坝址径流主要集中在3～9月，占全年的86.2%。多年平均最大月平均流量出现在5月，为1 710 m3/s；最小出现在12月，为223 m3/s；5月下旬平均流量为各旬最大，为1 760 m3/s；1月上旬平均流量为各旬最小，为216 m3/s。

根据项目合同约定，卡洛特水电站采用中国标准设计和建设。依据我国SL278-2002《水利水电工程水文计算规范》[2]，开展卡洛特坝址年径流设计。经验频率采用数学期望公式计算，即

(1)

式中，Pm是n年连续系列中按由大到小顺序排列，其序位为m的经验频率。

表2 卡洛特坝址多年平均年、月径流Tab.2 The multi-year average annual and monthly runoff at Karot dam site

径流频率曲线的线型，采用皮尔逊Ⅲ型。P-Ⅲ分布函数的概率密度函数为

(2)

式中，α,β和ξ分别为分布的形状、尺度和位置参数。

径流频率曲线的统计参数，用矩法初估，用适线法调整确定[3]。卡洛特坝址年径流量设计成果见表3。

表3 Karot水电站坝址年径流量设计成果Tab.3 Annual runoff design results at Karot dam site 亿m3

4 洪水设计

4.1 暴雨洪水特性

吉拉姆河流域位于季风区，流域内的气候可分为四季：东北季风季节(12月至次年2月)、热季(3～5月)、西南季风季节(6～9月)和10～11月的过渡期。流域多年平均降雨量1 440mm，多年平均月降雨过程呈典型的双峰型特征，第一个峰值出现在3月，平均月降雨160 mm，第二个峰值出现在7月，平均月降雨270 mm。

吉拉姆河在夏季季风季节，主要受西南季风影响，由于流域地势总体北高南低，加上局部地形影响，有利于来自印度洋的水汽输送和抬升，易发生强暴雨，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月最大降雨量为704 mm。

吉拉姆河流域多为高山峡谷，为典型的山区性河流。在4～5月，温度开始明显上升，吉拉姆河干流源头地区、Neelum河和Kunhar河上游地区的降雪融化，形成稳定的入流。在夏季季风季节，来自印度洋的西南暖湿气流北上，将大量水汽输送到该流域，由于地形抬升，常形成强降水，正是这些暴雨导致了大洪水。

以卡洛特坝址区附近的Azad Pattan水文站实测流量资料分析，受局地强降雨和山区地形影响，流域大洪水过程常陡涨陡落，年最大洪峰的年际差异较大，最小洪峰流量1 334 m3/s，发生于2001年，最大洪峰流量14 730 m3/s，发生于1992年。以1992年9月大洪水为典型进行坝址洪量地区组成分析，1，3，7 d洪量主要来自于Muzaffarabad以上干流和支流Neelum河，占比达66%～70%，Kunhar河占比约13%～14%，区间占比约16%～19%。

4.2 实测大洪水及重现期

吉拉姆河1992年发生了特大洪水，距Azad Pattan站上游约7km的Azad Pattan大桥被洪水冲毁。巴基斯坦WAPDA部门发布的1992年水文年鉴中刊出的该年最大洪峰流量为14 730 m3/s。在2001年的Mangla大坝可能最大洪水复核报告中，从1929，1959年和1992年大暴雨中，挑出最为极端的1992年大暴雨作为典型暴雨，认为该年是自1929年以来最为恶劣的大暴雨。通过现场查勘访问及与前期开展工作的澳大利亚雪山公司(SMEC)工程师交流，调查到Azad Pattan站1992年大洪水为1929年以来的最大洪水，比2010年发生的大洪水(洪峰流量9748m3/s)也要大。综上分析，将Azad Pattan站1992年洪水重现期定为82 a。

4.3 坝址洪水分析计算

卡洛特坝址位于Azad Pattan水文站和Karot水文站(1979年撤销)下游，Karot坝址至Azad Pattan水文站区间无较大支流汇入，区间面积为245 km2，占坝址面积的0.92%，故卡洛特坝址的设计洪水以Azad Pattan和Karot站为依据站进行推算。

由于Karot水文站和Azad Pattan水文站距离相近，集水面积相差较小，将Karot水文站1969～1978年和Azad Pattan水文站1979～2010年洪峰系列按面积比拟法推算至Karot水电站坝址(1969年1～4月、1993年缺测)。Karot坝址年最大洪峰流量散布图见图2。

图2 Karot坝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坝址年最大洪水在3～9月均可发生，其中以8,9月份的量级为大。10月至次年2月没有出现过年最大洪水。

根据Karot水电站调节计算需要，频率计算时段选为洪峰、3 d洪量和7 d洪量。1992年洪水涨落迅速，峰型尖瘦，实测洪峰做特大值处理，重现期为82 a；1992年3 d洪量远大于位列第2的3 d洪量，亦做特大值处理，重现期为82 a；7 d洪量不突出，不做特大值处理。

依据我国SL44-2006《水利水电工程设计洪水计算规范》[4]，开展卡洛特坝址洪水设计。特大洪水经验频率计算公式采用：

(3)

实测连续系列经验频率计算公式采用：

(4)

式中，PM为特大洪水第M项的经验频率；Pm为实测洪水系列第m项的经验频率；N为特大洪水考证期；M为特大洪水序位(M=1，2，…，a)；a为在N年中连续顺位的特大洪水项数；l为实测洪水中抽出作特大洪水处理的洪水项数；m为实测洪水序位；n为实测洪水系列项数。

卡洛特水电站坝址设计洪水频率曲线线型采用P-Ⅲ型曲线，以矩法计算值为初估值，适线法确定统计参数[5-6]。卡洛特坝址的设计洪水成果见表4。

4.4 成果合理性分析

卡洛特坝址设计洪水和工程河段上下游梯级相关设计洪水成果对比见表5。

咨询联合体(SMEC│SW│Sogreah│MAES│EGC)于2008年提出了卡洛特坝址上游Kohala水电站的坝址和厂址设计洪水频率分析计算成果[7]，推荐采用对数正态分布线型的成果，厂址处集水面积为24 890 km2，万年一遇设计洪水为28 080 m3/s。

URS Scott Wilson公司于2011年提出了卡洛特坝址上游Azad Pattan水电站的坝址设计洪水成果[8]，坝址处集水面积为26 183 km2，频率线型采用对数P-Ⅲ分布，设计依据站为Azad Pattan和Karot站，洪水系列为1969～2009年(1993年缺测)，万年一遇设计洪水为32 880 m3/s。

表4 卡洛特坝址设计洪水成果Tab.4 Flood design results at Karot dam site

咨询联合体(SMEC│MAES│EGC)于2009年提出了卡洛特水电站的水文报告[9]。其中卡洛特坝址设计洪水分别采用对数P-Ⅲ分布、Gumbel分布和对数正态分布作了分析计算，设计依据站为Azad Pattan和Karot站，洪水系列为1969～2004年(1993年缺测)，万年一遇设计洪水分别为30 184,13 478 m3/s和24 849 m3/s。但在水文报告中，没有提出推荐采用意见。

巴基斯坦没有正式颁布的水利水电工程洪水设计的国家标准或行业标准，本次设计工作依约采用中国的设计标准[10-16]。URS Scott Wilson公司提出的上游Azad Pattan水电站的设计洪水成果与本次成果较为接近，依据的资料系列也相差不大。咨询联合体(SMEC│MAES│EGC)提出的设计洪水成果中，不同频率分布线型的成果差异较大。分析比较前期成果与本次设计成果的差异，主要原因有3方面因素：① 设计依据的系列不同，前期成果资料系列截止2004年或2009年，本次将系列延长至2010年，其中，2010年发生了实测系列的第三大洪水。② 采用的频率线型不同，不同的线型可能会产生较大差异的成果；水文系列总体的频率曲线线型是未知的，通常选用能较好拟合水文系列的线型，我国学者经过大量的理论研究、方法探索和实际应用工作，提出P-Ⅲ型曲线对我国南北大部分地区的水文系列适应性较好，并写入了我国的行业规范。本次采用P-Ⅲ型分布开展了卡洛特水电站的坝址设计洪水计算，点线拟合亦较好。③ 参数估计方法的不同，咨询联合体的估参方法不详，无法考证，本次设计中采用适线法确定参数，在考虑总体点线拟合良好的情况下，结合设计洪水的定位需求，给予中高水点线拟合更多权重[17]。综合考虑，本次坝址设计洪水计算，多方调查考证了1992年大洪水及其重现期，尽可能收集资料延长了依据站水文系列，采用P-Ⅲ型分布，点线拟合良好，并与工程河段邻近梯级水电站设计成果进行了分析比较，基本在相近的量级，分析认为，本次设计成果是合理的。

5 水位流量关系

坝址和厂房处的水位流量关系根据工程河段实测的1∶500地形图和坝址、厂房处实测的水位、流量资料，采用水力学方法推算[2]。

在工程河段的坝址专用水文(位)站，共完成了27次水位、流量测验，且坝址处有逐日的人工观测水位，厂房处有连续的自记水位资料。根据开展的外业测验资料分析，坝址、厂址河段糙率分别取0.05和0.06，坝址河段实测比降约为0.003。

中低水采用实测水位流量资料，中高水采用曼宁公式适当外延，拟定水位流量关系。卡洛特坝址水位流量关系成果如图3所示。

6 泥 沙

吉拉姆河流域内植被覆盖情况从中等到茂密不等。由于流域内降雨丰沛，每月均有降雨产生，因此山坡上植被生长良好。流域内泥沙大多数是地质侵蚀和地震运动引起的。野外勘察期间发现坝址上游吉拉姆河沿线几乎都有滑坡发生，带来大量泥沙。流域内泥沙来源还包括降雨引起的片状侵蚀和冲沟侵蚀，以及人类活动引起的土壤侵蚀。

表5 Karot坝址和工程河段上下游梯级设计洪水成果Tab.5 The flood design results of hydropower cascading projects at Karot river section

表7 卡洛特水电站坝址悬移质泥沙颗粒级配成果Tab.7 Results of suspended sediment particle gradation at Karot dam site

图3 Karot水电站坝址水位流量关系Fig.3 The Rating-curve at Karot dam site

根据从WAPDA收集的Karot站和Azad Pattan站1970～2010年泥沙资料，推算电站坝址悬移质输沙量。卡洛特水库坝址以上流域年均悬移质输沙量为3 315万t，最大年输沙量为1992年的8 160万t，多年平均含沙量为1.28 kg/m3。Karot水电站坝址多年平均年月输沙量见表6。

表6 卡洛特水电站坝址多年平均年月输沙量成果Tab.6 The multi-year average annual and monthly sediment yield results at Karot dam site 万t

分析可知，卡洛特坝址年输沙量在4～8月高度集中，5个月输沙量占年输沙量的比重达88%以上；12月和1月输沙量较小。

参考工程河段上下游梯级相关泥沙设计和本次在Karot工程库区河段泥沙取样及野外勘察意见，推移质输沙量取为悬移质输沙量的15%，则推移质输沙量为497万t。

水文外业工作中，在卡洛特水电站工程河段开展了4次悬移质泥沙取样，并委托巴基斯坦当地的国家实验室完成了悬移质级配分析，成果如表7所示。

此外，为配合水电机组选型，还在Karot水电站工程坝址河段实施了悬移质泥沙取样，并将样品带回国内，送中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点试验室开展了悬移质泥沙的矿物组成分析，成果如表8所示。

表8 Karot水电站工程坝址河段悬移质泥沙X射线物相分析Tab.8 X-ray phase analysis of suspended sediment at Karot river section %

7 结 语

卡洛特水电站是丝路基金首个对外投资项目，影响深远。在水文专题设计过程中，设计组多次赴坝址河段现场勘查，拜访巴基斯坦水电发展署收集资料和沟通设计情况，并根据前期项目评估和实际需求，扎实开展了大量的水文外业测量和试验工作，为工程水文设计提供了坚实可靠的基础条件。工程水文设计提出了径流、洪水、水位流量关系和泥沙等系列成果，为工程规模、工程布置、机电选型等专业设计提供了有效的设计输入。这是中国技术和中国标准走向国际的良好范例，项目设计成果也可为巴基斯坦境内河流规划、水电开发等工作提供技术参考。