石梁河水庫分期汛限水位研究

ADDINCNKISM.UserStyle石梁河水庫分期汛限水位研究摘要：洪水資源利用是緩解缺水地區(qū)水資源緊張的一個有效途徑，大中型水庫在利用洪水資源時，一般需對汛期限制水位進行調整。本文選擇江蘇省連云港市的石梁河水庫為研究對象，根據(jù)其防洪調度方式及判別條件，按照水庫的具體情況統(tǒng)籌考慮與水庫調洪有關的各種因素，基于水庫現(xiàn)狀汛期分期，推求水庫各分期的設計洪水，然后通過調洪演算確定石梁河水庫各分期的汛限水位，并對水庫實施分期汛限水位后的效益進行了分析計算。結果表明，石梁河水庫采取分期汛限水位以后，在幾乎不增加額外成本的情況下，年均可增加蓄水量11125萬m3，水庫的洪水資源利用效益得到了顯著的提高。關鍵詞：洪水資源利用；設計洪水；分期汛限水位；效益ResearchonLimitedWaterLevelbyStageofShiliangheReserviorAbstract:Thefloodresourcesutilizationisaneffectivewaytoalleviatewatershortageonwater-deficientareas.Whenmakinguseofthefloodresourcesonlargeandmedium-sizedreservoirs,limitedwaterlevelduringfloodseasonisoftenadjusted.ThispapertookShilianghereservoirofLianyungangcityinJiangsuprovinceastheresearchcase.Basedonthefloodcontrolschedulinganddiscriminantconditions,accordingtothereservoirsituationasawholetoconsidervariousfactorsrelatedtothereservoirflood,allstagesofdesignfloodforthereservoirwascomputedundertheconditionofthecurrentsituationoflimitedwaterlevelbystage.ThenfloodroutingwascalculatedtodeterminethelimitedwaterlevelforallstagesofShilianghereservoir.Andthebenefitofthelimitedwaterlevelbystagewasanalyzed.TheResultsshowthatafteradoptinglimitedwaterlevelbystage,averageannualstoragecapacityisincreasedby111.25millionm3inthecaseofalmostnoextracost,whichsignificantlyimprovedthebenefitofKeywords:Thefloodresourcesutilization;thedesignflood;limitedwaterlevelbystage;benefit1引言隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對地表水、地下水等水資源的開發(fā)利用已不能滿足生產(chǎn)生活的需要[1]。洪水資源是具有極大開發(fā)潛力的淡水資源，一方面，淡水資源的緊缺制約了經(jīng)濟和社會的發(fā)展；另一方面每年在洪水泛濫時為了保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全又要全力以赴進行防洪排澇。這種缺水與洪澇并存的現(xiàn)象為我國洪水資源的開發(fā)利用提供了契機[2-3]。迄今為止，盡管國外還沒有對水庫分期汛限水位進行系統(tǒng)的研究，但有許多水庫調度領域的應用實例。WilliamW-G.Yeh（1985）全面回顧了水庫調度中的諸多優(yōu)化方法，并指出隨機模擬調度的優(yōu)越性[4]。LabadieJ（2004）介紹了水庫群的隨機模擬及優(yōu)化技術，并探究了神經(jīng)網(wǎng)絡及遺傳算法等在水庫調度中的應用[5]。水庫分期汛限水位的研究在國內始于20世紀五六十年代，主要經(jīng)歷了兩個階段。第一階段是采用現(xiàn)行分期設計洪水法，隨后研究者對其提出了質疑。葉秉如（1995）指出，現(xiàn)行分期設計洪水法在計算中帶有一定的經(jīng)驗性，并且沒有對水庫實行分期調度后總的防洪風險率做出定量分析[6]；在第二階段中，研究者提出通過使分期設計洪水聯(lián)合重現(xiàn)期和原設計洪水重現(xiàn)期相等，來確保水庫分期運行后不會降低原設計的防洪標準。如肖義等（2008）運用Gumbel-HougaardCopula函數(shù)來建立分期最大洪水之間的相關性關系，得到了分期最大洪水的聯(lián)合分布和聯(lián)合重現(xiàn)期[7]。雖然目前有人提出要采用模糊分析法和多目標優(yōu)化設計法來確定水庫的分期汛限水位，但分期設計洪水法仍然是規(guī)范推薦釆用的方法[8]。鑒此，本文擬對石梁河水庫進行分期汛限水位研究，采用分期設計洪水法來計算分期汛限水位，以期充分利用過境洪水資源。2研究資料2.1工程概況石梁河水庫是沂沭泗東調南下的關鍵工程，也是江蘇省第一大水庫，地處東?？h、贛榆縣交界處，西與山東臨沭相臨，東距連云港市區(qū)約35km。水庫承泄新沭河上游和沂河、沭河區(qū)間來水，集水面積約15365km2，總庫容5.31億m3。水庫興建于1958年，1970年建成水力發(fā)電站一座，裝機七臺，容量l120kW。水庫按100年一遇設計，2000年一遇校核，其中設計洪水位26.81m，校核洪水位27.95m，最大下泄流量10131m3/s。石梁河水庫承擔著調蓄沂沭泗流域洪水，保證連云港市不受洪水侵襲的首要職能任務。另外，石梁河水庫也是連云港市區(qū)生活及工業(yè)用水的第二水源，自建成以來發(fā)揮了巨大的綜合效益。石梁河水庫地理位置見圖1，石梁河水庫水位～庫容關系見圖2。圖1石梁河水庫地理位置圖Fig.1GeographiclocationofShilianghereservior2.2石梁河水庫調度規(guī)則在充分衡量流域、水庫本身及下游三者之間關系的基礎上，石梁河水庫調度規(guī)則如下：（1）在本地無降雨而上游發(fā)生洪水的情況下，石梁河水庫可預先泄水，盡可能控制下泄流量不超過3000m3/s，確保新沭河堤防安全；（2）在本地和上游發(fā)生同頻率超標準洪水的情況下，石梁河水庫應根據(jù)上游來水量和水文預報來控制下泄量以便下游河道、市區(qū)和農田排澇，減輕下游災害。并盡量大流量泄洪，縮短泄洪時間，與下游河道錯峰，讓出河道以便下游排除洪澇；（3）在本地和上游發(fā)生同頻率標準內洪水的情況下，運用錯峰來充分發(fā)揮水庫調蓄洪水，留出時間供下游河道、市區(qū)和農田排澇，以減輕下游洪災，同時要盡可能利用過境水庫控制運用分期說明：庫水位23.5m~24.0m時，照顧下游區(qū)間匯流，控制下泄流量不超過5000m3/s，其中新老閘各控制不超過2500m3/s；庫水位24.0m~26.3m時，控制下泄量為6000m3/s，其中新閘為3500m3/s，老閘為2500m3/s；庫水位26.3m~27.0m，其中新閘為4000m3/s，老閘為3000m3/s；庫水位超過27.0m時，泄洪閘全開敞泄。3分期汛限水位研究3.1分期汛限水位確定的方法通過分析論證，若水庫上游來水具有明顯季節(jié)性變化時，可通過分期設計洪水推算各分期的汛限水位[9]。首先依據(jù)當?shù)貧夂蚝陀旰榧竟?jié)變化規(guī)律，確定汛期分期；然后根據(jù)工程的防洪標準，按照設計洪水規(guī)范要求推算分期設計洪水；接著擬定起調水位，依據(jù)各分期初選的調度方式及調度規(guī)則分別對分期設計洪水進行調洪計算；最后根據(jù)不同起調水位的調洪成果，選取一個同時滿足水庫及上下游各個防洪控制點和各級防洪標準的起調水位來作為分期汛限水位值[10]。3.2不同工況特征水位的確定石梁河水庫于1958年建成，1992年水利部將其列入第二批全國重點病險水庫中，此后一直低水位運行，水庫原設計特征水位與現(xiàn)狀特征水位見表1。表1石梁河水庫不同工況特征水位表Tab.1CharacteristicstageofShilingheReservoirunderdifferentconditions工況正常蓄水位(m)設計洪水位(m)校核洪水位(m)汛限水位(m)前汛期主汛期后汛期現(xiàn)狀24.526.8127.9524.523.524.5設計近期25.0遠期26.027.6528.023.51999-2001年石梁河水庫實施了除險加固工程，2008年底，新沭河治理工程正式開工，完工時沂沭泗河中下游地區(qū)防洪標準及新沭河行洪能力將提高至50年一遇水平，為石梁河水庫未來恢復正常運用創(chuàng)造了條件。因此，本文建議可將石梁河水庫興利水位恢復至原設計遠期目標26m，設計洪水位與校核洪水位分別恢復至27.65m、28.0m，并以此為基礎，對石梁河水庫分期汛限水位進行研究。3.3汛期分期汛期分期屬于高維時間序列的聚類問題，目前主要通過模糊集合分析法、分形法、變點分析法、動態(tài)聚類法等來處理這類問題[11]。在綜合分析石梁河水庫上游來水、本地降雨、地區(qū)氣候以及極端天氣等因素的基礎上，結合流域及地區(qū)防洪工作實際情況，將石梁河水庫汛期劃分為前汛期、主汛期及后汛期，具體見表2。表2石梁河水庫汛期分期成果表Tab.2ResultsofShilianghereservoirfloodseasonstaging分期前汛期主汛期后汛期時間6月1日-6月30日7月1日-8月15日8月16日-9月30日3.4分期設計洪水（1）設計標準根據(jù)《石梁河水庫擴大泄量工程竣工初步設計》，石梁河水庫防洪標準為100年一遇設計，2000年一遇校核。本文分期設計洪水選用同樣標準，按100年一遇設計，2000年一遇校核。（2）分期設計洪峰流量對1980-2009年石梁河水庫入庫洪水進行調查，按不同分期逐年選取入庫最大流量，組成洪峰流量系列，用適線法推求分期洪水頻率曲線，求得相應于設計標準的設計洪峰。考慮到石梁河水庫上游來水以及流域天氣的異常變化明顯，使其在多年內洪水出現(xiàn)的時間存在一定偶然性?；谄涮崆凹巴坪蟀l(fā)生的可能性，采用“跨期選樣法”，即洪水選樣在分期原有時間段基礎上，同時向前、后各延伸5天。石梁河水庫分期設計洪峰流量見表4。（3）分期設計洪水選用1974年石梁河水庫典型洪水過程，按分期設計洪峰與設計洪峰的比值對其進行放大，推求石梁河水庫前汛期和后汛期的設計、校核洪水過程[12]，分期設計洪水成果見表3。表3分期設計洪水計算成果表Tab.3Resultsofdifferentseasonaldesignflood分期Qm（m3/s）CvCs/Cv洪峰流量Qp（m3/s）7日洪量Wp（億m3）1%0.05%1%0.05%前汛期2391.91.031.08029.611264.727.5529.28主汛期——————100171579934.3641.07后汛期2493.80.961.08026.211247.227.5329.313.5分期汛限水位水利部《綜合利用水庫調度通則》規(guī)定：分期防洪限制水位的確定應按不低于工程安全的標準，承擔下游防洪標準和庫區(qū)安全準則的原則，根據(jù)分期設計洪水進行調洪計算確定。本文中水庫分期汛限水位的計算方法為：在分期設計洪水、各特征水位已定的前提下，根據(jù)水庫調度原則進行調洪計算，由此推求防洪限制水位。石梁河水庫分期設計洪水和校核洪水調洪計算結果分別見表4和表5。表4分期設計洪水調洪計算結果（P=1%）Tab.4

Resultsoffloodregulationunderseasonaldesignflood分期起調水位（m）最高水位（m）最大入庫流量（m3/s）最大下泄流量（m3/s）最大庫容（104m3）前汛期26.0227.658029.6700050044主汛期24.6527.6510017700050053后汛期25.8327.658026.2700050053表5分期校核洪水調洪計算結果（P=0.05%）Tab.5Resultsoffloodregulationunderseasonalcheckflood分期起調水位（m）最高水位（m）最大入庫流量（m3/s）最大下泄流量（m3/s）最大庫容（104m3）前汛期26.1428.0011264.71013153137主汛期24.5228.00157991013153103后汛期25.8728.0011247.21013153081根據(jù)分期設計洪水與分期校核洪水調洪演算成果，各分期汛限水位見表6。表6各分期汛限水位對比表Tab.6Thecontrastoflimitedwaterlevelforallstages頻率P前汛期(m)主汛期(m)后汛期(m)1%26.0224.6525.830.05%26.1424.5225.87綜合分析比較分期設計、校核洪水調洪演算成果，石梁河水庫分期汛限水位選用二者中的較小值并取整，以保證水庫防洪安全及其自身調度控制的方便，由此確定石梁河水庫各分期汛限水位，見表7。表7各分期汛限水位成果表Tab.7Resultsoflimitedwaterlevelforallstages汛期分期前汛期6月1日～6月3主汛期7月1日～8月15日后汛期8月16日～9月3汛限水位(m)26.024.525.83.5分期汛限水位效益計算石梁河水庫分期汛限水位效益計算原理如下：對石梁河水庫1991-2009歷年歷次棄水資料進行調查，見表8，推算出汛限水位調整相對應所的蓄水庫容增量。當各分期的棄水量小于由于汛限水位的提高而增加的庫容時，水庫可增加的蓄水量即等于棄水量；當各分期的棄水量大于由于汛限水位的提高而增加的庫容時，增加的蓄水量等于由于汛限水位提高所增加的蓄水庫容[13]。由此，對石梁河水庫汛限水位分期控制的效益進行計算，見表9。表8石梁河水庫歷年汛期各分期棄水量表Tab.8AbandonedwaterofShilianghereservoirforallstagesduringhistoricalseasonsV/10年份非汛期前汛期主汛期后汛期合計19911254616910237702905351619927100940804199394492601876082029289199435902007446261703740619953701117460239702591719960380133600137401997068003580426019981083003112051090930401999002480248200000029450294502001460266137760145022002019200019202003643003118039260768702004001257084013410200524500753046830568102006000002007190023590179504173020083590260842704184012996020090012623385016473合計5061521993280797285940639345年均棄水量26641158147791504933650表9石梁河水庫分期汛限水位蓄水效益計算表Tab.9Benefitofwaterstorageincreasedbystaginglimitedwaterlevelduringfloodseason項目非汛期（10.1-5.31）前汛期（6.1-6.30）主汛期（7.1-8.15）后汛期（8.16-9.30）合計現(xiàn)汛限水位（m）——24.523.524.5——調整后汛限水位（m）——26.024.525.80——正常蓄水位（m）24.5————————調整后正常蓄水位（m）26.0————————增加蓄水庫容（104m3）100841008457618685——累計增加蓄水量（104m3）47407151676993478860211368年均增加蓄水量（104m3）24957983681415111125根據(jù)效益計算結果，采用分期汛限水位后，石梁河水庫平均每年可多蓄水11125萬m3，其中非汛期年均增加蓄水量2495萬m3，汛期年均增加8630萬m3。4結論（1）石梁河水庫恢復原設計水位運行并實施汛限水位分期控制后，年均可增加蓄水量11125萬m3，這將大大提高連云港市洪水資源利用效率，并有效緩解其周邊地區(qū)的工、農業(yè)用水矛盾突出的問題。同時，石梁河水庫兼具水力發(fā)電功能，汛期庫水位的提高也將有助于其提高水庫的發(fā)電效益。（2）石梁河水庫恢復原設計水位運行并實施汛限水位分期控制后，正常蓄水位由24.5m提高至26m，同時汛限水位及設計洪水位等水庫特征水位均有所提高，由此將造成水庫水域面積以及庫區(qū)淹沒范圍的增加，易引發(fā)水庫移民等社會問題，同時也將對庫區(qū)的生態(tài)、環(huán)境、局部氣候等產(chǎn)生一定的影響。參考文獻湯喜春.雨洪資源利用的必要性及其措施探討[