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(gè)有效途徑，大中型水庫在利用洪水資源時(shí)，一般需對(duì)汛期限制水位進(jìn)行調(diào)整。本文選擇江蘇省連云港市的石梁河水庫為研究對(duì)象，根據(jù)其防洪調(diào)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(diào)洪有關(guān)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(shè)計(jì)洪水，然后通過調(diào)洪演算確定石梁河水庫各分期的汛限水位，并對(duì)水庫實(shí)施分期汛限水位后的效益進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)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M，水庫的洪水資源利用效益得到了顯著的提高。關(guān)鍵詞洪水資源利用；設(shè)計(jì)洪水；分期汛限水位；效益RESEARCHONLIMITEDWATERLEVELBYSTAGEOFSHILIANGHERESERVIORABSTRACTTHEFLOODRESOURCESUTILIZATIONISANEFFECTIVEWAYTOALLEVIATEWATERSHORTAGEONWATERDEFICIENTAREASWHENMAKINGUSEOFTHEFLOODRESOURCESONLARGEANDMEDIUMSIZEDRESERVOIRS,LIMITEDWATERLEVELDURINGFLOODSEASONISOFTENADJUSTEDTHISPAPERTOOKSHILIANGHERESERVOIROFLIANYUNGANGCITYINJIANGSUPROVINCEASTHERESEARCHCASEBASEDONTHEFLOODCONTROLSCHEDULINGANDDISCRIMINANTCONDITIONS,ACCORDINGTOTHERESERVOIRSITUATIONASAWHOLETOCONSIDERVARIOUSFACTORSRELATEDTOTHERESERVOIRFLOOD,ALLSTAGESOFDESIGNFLOODFORTHERESERVOIRWASCOMPUTEDUNDERTHECONDITIONOFTHECURRENTSITUATIONOFLIMITEDWATERLEVELBYSTAGETHENFLOODROUTINGWASCALCULATEDTODETERMINETHELIMITEDWATERLEVELFORALLSTAGESOFSHILIANGHERESERVOIRANDTHEBENEFITOFTHELIMITEDWATERLEVELBYSTAGEWASANALYZEDTHERESULTSSHOWTHATAFTERADOPTINGLIMITEDWATERLEVELBYSTAGE,AVERAGEANNUALSTORAGECAPACITYISINCREASEDBY11125MILLIONMINTHECASEOFALMOSTNOEXTRACOST,WHICHSIGNIFICANTLYIMPROVEDTHEBENEFITOFFLOODRESOURCESUTILIZATIONKEYWORDSTHEFLOODRESOURCESUTILIZATIONTHEDESIGNFLOODLIMITEDWATERLEVELBYSTAGEBENEFIT1引言隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)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(jì)和社會(huì)的發(fā)展；另一方面每年在洪水泛濫時(shí)為了保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全又要全力以赴進(jìn)行防洪排澇。這種缺水與洪澇并存的現(xiàn)象為我國(guó)洪水資源的開發(fā)利用提供了契機(jī)23。迄今為止，盡管國(guó)外還沒有對(duì)水庫分期汛限水位進(jìn)行系統(tǒng)的研究，但有許多水庫調(diào)度領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例。WILLIAMWGYEH（1985）全面回顧了水庫調(diào)度中的諸多優(yōu)化方法，并指出隨機(jī)模擬調(diào)度的優(yōu)越性4。LABADIEJ（2004）介紹了水庫群的隨機(jī)模擬及優(yōu)化技術(shù)，并探究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及遺傳算法等在水庫調(diào)度中的應(yīng)用5。水庫分期汛限水位的研究在國(guó)內(nèi)始于20世紀(jì)五六十年代，主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段。第一階段是采用現(xiàn)行分期設(shè)計(jì)洪水法，隨后研究者對(duì)其提出了質(zhì)疑。葉秉如（1995）指出，現(xiàn)行分期設(shè)計(jì)洪水法在計(jì)算中帶有一定的經(jīng)驗(yàn)性，并且沒有對(duì)水庫實(shí)行分期調(diào)度后總的防洪風(fēng)險(xiǎn)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(shè)計(jì)洪水聯(lián)合重現(xiàn)期和原設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期相等，來確保水庫分期運(yùn)行后不會(huì)降低原設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。如肖義等（2008）運(yùn)用GUMBELHOUGAARDCOPULA函數(shù)來建立分期最大洪水之間的相關(guān)性關(guān)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)法來確定水庫的分期汛限水位，但分期設(shè)計(jì)洪水法仍然是規(guī)范推薦釆用的方法8。鑒此，本文擬對(duì)石梁河水庫進(jìn)行分期汛限水位研究，采用分期設(shè)計(jì)洪水法來計(jì)算分期汛限水位，以期充分利用過境洪水資源。2研究資料21工程概況石梁河水庫是沂沭泗東調(diào)南下的關(guān)鍵工程，也是江蘇省第一大水庫，地處東海縣、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531億M3。水庫興建于1958年，1970年建成水力發(fā)電站一座，裝機(jī)七臺(tái)，容量L120KW。水庫按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核，其中設(shè)計(jì)洪水位2681M，校核洪水位2795M，最大下泄流量10131M3/S。石梁河水庫承擔(dān)著調(diào)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(wù)。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(guān)系見圖2。圖1石梁河水庫地理位置圖FIG1GEOGRAPHICLOCATIONOFSHILIANGHERESERVIOR22石梁河水庫調(diào)度規(guī)則在充分衡量流域、水庫本身及下游三者之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，石梁河水庫調(diào)度規(guī)則如下（1）在本地?zé)o降雨而上游發(fā)生洪水的情況下，石梁河水庫可預(yù)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(biāo)準(zhǔn)洪水的情況下，石梁河水庫應(yīng)根據(jù)上游來水量和水文預(yù)報(bào)來控制下泄量以便下游河道、市區(qū)和農(nóng)田排澇，減輕下游災(zāi)害。并盡量大流量泄洪，縮短泄洪時(shí)間，與下游河道錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水的情況下，運(yùn)用錯(cuò)峰來充分發(fā)揮水庫調(diào)蓄洪水，留出時(shí)間供下游河道、市區(qū)和農(nóng)田排澇，以減輕下游洪災(zāi)，同時(shí)要盡可能利用過境洪水資源水庫控制運(yùn)用分期說明庫水位235M240M時(shí)，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240M263M時(shí)，控制下泄量為6000M3/S，其中新閘為3500M3/S，老閘為2500M3/S；庫水位263M270M，其中新閘為4000M3/S，老閘為3000M3/S；庫水位超過270M時(shí)，泄洪閘全開敞泄。3分期汛限水位研究31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(shí)，可通過分期設(shè)計(jì)洪水推算各分期的汛限水位9。首先依據(jù)當(dāng)?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(biāo)準(zhǔn)，按照設(shè)計(jì)洪水規(guī)范要求推算分期設(shè)計(jì)洪水；接著擬定起調(diào)水位，依據(jù)各分期初選的調(diào)度方式及調(diào)度規(guī)則分別對(duì)分期設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算；最后根據(jù)不同起調(diào)水位的調(diào)洪成果，選取一個(gè)同時(shí)滿足水庫及上下游各個(gè)防洪控制點(diǎn)和各級(jí)防洪標(biāo)準(zhǔn)的起調(diào)水位來作為分期汛限水位值10。32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(guó)重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫中，此后一直低水位運(yùn)行，水庫原設(shè)計(jì)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TAB1CHARACTERISTICSTAGEOFSHILINGHERESERVOIRUNDERDIFFERENTCONDITIONS汛限水位M工況正常蓄水位M設(shè)計(jì)洪水位M校核洪水位M前汛期主汛期后汛期現(xiàn)狀24526812795245235245設(shè)計(jì)近期250遠(yuǎn)期260276528023519992001年石梁河水庫實(shí)施了除險(xiǎn)加固工程，2008年底，新沭河治理工程正式開工，完工時(shí)沂沭泗河中下游地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)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(fù)正常運(yùn)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(fù)至原設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期目標(biāo)26M，設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位分別恢復(fù)至2765M、280M，并以此為基礎(chǔ)，對(duì)石梁河水庫分期汛限水位進(jìn)行研究。33汛期分期汛期分期屬于高維時(shí)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(diǎn)分析法、動(dòng)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(chǔ)上，結(jié)合流域及地區(qū)防洪工作實(shí)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TAB2RESULTSOFSHILIANGHERESERVOIRFLOODSEASONSTAGING分期前汛期主汛期后汛期時(shí)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34分期設(shè)計(jì)洪水（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)石梁河水庫擴(kuò)大泄量工程竣工初步設(shè)計(jì)，石梁河水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。本文分期設(shè)計(jì)洪水選用同樣標(biāo)準(zhǔn)，按100年一遇設(shè)計(jì)，2000年一遇校核。（2）分期設(shè)計(jì)洪峰流量對(duì)19802009年石梁河水庫入庫洪水進(jìn)行調(diào)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(yīng)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪峰?？紤]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(nèi)洪水出現(xiàn)的時(shí)間存在一定偶然性。基于其提前及推后發(fā)生的可能性，采用“跨期選樣法”，即洪水選樣在分期原有時(shí)間段基礎(chǔ)上，同時(shí)向前、后各延伸5天。石梁河水庫分期設(shè)計(jì)洪峰流量見表4。（3）分期設(shè)計(jì)洪水選用1974年石梁河水庫典型洪水過程，按分期設(shè)計(jì)洪峰與設(shè)計(jì)洪峰的比值對(duì)其進(jìn)行放大，推求石梁河水庫前汛期和后汛期的設(shè)計(jì)、校核洪水過程12，分期設(shè)計(jì)洪水成果見表3。表3分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表TAB3RESULTSOFDIFFERENTSEASONALDESIGNFLOOD洪峰流量QP（M3/S）7日洪量WP（億M3）分期QM（M3/S）CVCS/CV10051005前汛期23919103108029611264727552928主汛期100171579934364107后汛期2493809610802621124722753293135分期汛限水位水利部綜合利用水庫調(diào)度通則規(guī)定分期防洪限制水位的確定應(yīng)按不低于工程安全的標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)下游防洪標(biāo)準(zhǔn)和庫區(qū)安全準(zhǔn)則的原則，根據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算確定。本文中水庫分期汛限水位的計(jì)算方法為在分期設(shè)計(jì)洪水、各特征水位已定的前提下，根據(jù)水庫調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，由此推求防洪限制水位。石梁河水庫分期設(shè)計(jì)洪水和校核洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果分別見表4和表5。表4分期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果（P1）TAB4RESULTSOFFLOODREGULATIONUNDERSEASONALDESIGNFLOOD分期起調(diào)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2602276580296700050044主汛期2465276510017700050053后汛期2583276580262700050053表5分期校核洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果（P005）TAB5RESULTSOFFLOODREGULATIONUNDERSEASONALCHECKFLOOD分期起調(diào)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261428001126471013153137主汛期24522800157991013153103后汛期258728001124721013153081根據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水與分期校核洪水調(diào)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(duì)比表TAB6THECONTRASTOFLIMITEDWATERLEVELFORALLSTAGES頻率P前汛期M主汛期M后汛期M1260224652583005261424522587綜合分析比較分期設(shè)計(jì)、校核洪水調(diào)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(diào)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TAB7RESULTSOFLIMITEDWATERLEVELFORALLSTAGES汛期分期前汛期6月1日6月30日主汛期7月1日8月15日后汛期8月16日9月30日汛限水位M26024525835分期汛限水位效益計(jì)算石梁河水庫分期汛限水位效益計(jì)算原理如下對(duì)石梁河水庫19912009歷年歷次棄水資料進(jìn)行調(diào)查，見表8，推算出汛限水位調(diào)整相對(duì)應(yīng)所的蓄水庫容增量。當(dāng)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(shí)，水庫可增加的蓄水量即等于棄水量；當(dāng)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(shí)，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(duì)石梁河水庫汛限水位分期控制的效益進(jìn)行計(jì)算，見表9。表8石梁河水庫歷年汛期各分期棄水量表TAB8ABANDONEDWATEROFSHILIANGHERESERVOIRFORALLSTAGESDURINGHISTORICALSEASONSV/104M3年份非汛期前汛期主汛期后汛期合計(jì)19911254616910237702905351619927100940804199394492601876082029289199435902007446261703740619953701117460239702591719960380133600137401997068003580426019981083003112051090930401999002480248200000029450294502001460266137760145022002019200019202003643003118039260768702004001257084013410200524500753046830568102006000002007190023590179504173020083590260842704184012996020090012623385016473合計(jì)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(jì)算表TAB9BENEFITOFWATERSTORAGEINCREASEDBYSTAGINGLIMITEDWATERLEVELDURINGFLOODSEASON項(xiàng)目非汛期（101531）前汛期（61630）主汛期（71815）后汛期（816930）合計(jì)現(xiàn)汛限水位（M）245235245調(diào)整后汛限水位（M）2602452580正常蓄水位（M）245調(diào)整后正常蓄水位（M）260增加蓄水庫容（104M3）100841008457618685累計(jì)增加蓄水量（104M3）47407151676993478860211368年均增加蓄水量（104M3）24957983681415111125根據(jù)效益計(jì)算結(jié)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(jié)論（1）石梁河水庫恢復(fù)原設(shè)計(jì)水位運(yùn)行并實(shí)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(nóng)業(yè)用水矛盾突出的問題。同時(shí)，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(fù)原設(shè)計(jì)水位運(yùn)行并實(shí)施汛限水位分期控制后，正常蓄水位由245M提高至26M，同時(shí)汛限水位及設(shè)計(jì)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(huì)