（水利工程专业论文）考虑暴雨成因的水库汛限水位研究.pdf

摘要 山东省现行的“大中型水库汛期运用方案”中，汛期限制水位的确定一般是统筹 考虑保证兴利蓄水、保证下游安全、保证大坝本身安全三种要求，通过计算比较后选 定。其中后两条要求的依据是设计洪水，因此，设计洪水大小对汛期限制水位的确定 影响很大。山东省水资源紧缺，但在汛期为了保证防洪安全，许多大中型水库库水位 必须维持在较低的汛限水位以下，造成大量弃水，而汛后往往无水可蓄，洪水资源得 不到充分利用。为了协调水库防洪和兴利的矛盾，开发利用汛期洪水资源，作者在分 析有关研究成果的基础上，基于山东省暴雨主要成因是台风、台风倒槽和东风波，而 台风带来暴雨的机率和强度最大的特点，提出了在设计洪水计算选样时剔除台风暴雨 ( 洪水) ，用年内非台风雨形成的最大洪水代替，得到一个无台风雨的样本系列，以 此计算的设计洪水以及确定的水库汛限水位，一般要高于原设计的汛限水位。无台风 来临时，按此汛限水位控制运行，当台风来临时，充分利用台风暴雨预报预见期长、 准确度高的特点，采取预泄措施及时将水库水位降至原汛限水位。 本文结合威海市两座大型水库( 米山水库和龙角山水库) 的实际情况，按照上述 方法进行了设计洪水及汛限水位的计算。结果表明，对米山水库，有台风雨影响的汛 限水位为2 9 0 1 1 1 ，无台风雨影响的汛限水位为2 9 4 5 m ，可使水位提高0 4 5 m ，相应增 加蓄水1 1 0 0 1 0 4 m 3 ，对龙角山水库，有台风雨影响的汛限水位为4 1 o ，无台风雨影 响的汛限水位为4 1 3 2 m ，可使水位提高0 3 2 m ，相应增加蓄水3 8 0 1 0 4 m a 。这样，在 一般年份可以多拦蓄些洪水，减少汛期弃水，在保证防洪的前提下充分发挥蓄水效益， 以提高汛期水资源的利用效率。 关键词：汛限水位、台风暴雨预报、设计洪水、洪水资源 a b s tr a c t i nt h ea c t u a l “o p e r a t i n gs c h e m e sd u r i n gf l o o ds e a s o no ft h el a r g ea n d m e d i u ms i z er e s e r v o i r s ” o fs h a n d o n gp r o v i n c e ，t h ed e t e r m i n a t i o no ft h e l i m i t e dw a t e rl e v e l sd u r i n gf l o o ds e a s o n ( z l ) u s u a l l yn e e d st oc o n s i d e rt h r e e f a c t o r s i e t oe n s u r et h en e c e s s a r yi m p o u n d m e n t ，t oa s s u r et h es a f e t yo f t h e1 0 w e rr e a c h e so ft h er i v e ra n dt og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h ed a m ，t h e n t h ew a t e rl e v e li sd e t e r m i n e dt h r o u g ha n a l y s e sa n dc o m p a r i s o n s t h e r e f o r e ， t h ed e s i g nf l o o dh a sg r e a te f f e c t o i lt h ed e t e r m i n a t i o no fzl s h a n d o n g d r o v i n c ei ss h o r to fw a t e rr e s o u r c e s ，h o w e v e r ，d u r i n gt h ef l o o ds e a s o n ，i n o r d e rt om a k es u r eo ft h es a f e t yo ff l o o dc o n t r o l ，w a t e rl e v e lm u s tb ek e p t b e l o wal o w e r1i m i t e dw a t e rl e v e ld u r i n gf l o o ds e a s o nf o rm a n yl a r g ea n d m e d i a ms i z er e s e r v o i r s i tr e s u l t si nad i s c o m f i t u r es i t u a t i o nt h a tg r e a t a m o u n to fw a t e ri sd i s c a r d e da n dn oe n o u g hw a t e rw i l lb er e c h a r g e da f t e r t h ef l o o d i no r d e rt oc o o r d i n a t et h ec o n f l i c to ft h ef l o o dc o n t r o la n dt h eb e n e f i t t ou t i l i z ew a t e rr e s o u r c e s ，a n dt oa l l e v i a t et h ew a t e rs h o r t a g ei nt h i sa r e a ， t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so ne x p l o i t i n gt h em e a n st oc o n t r o lz lf r o mt h ep o i n t o fv i e wo fc h e c k i n gd e s i g nf l o o db yr e s a m p l i n ga n n u a lm a x i m u md a t a i th a s b e e nr e c o g n i z e dt h a ts t o r m so c c u r r i n gi ns h a n d o n gp r o v i n c ea r em a i n l y b r o u g h tb ye a s t e r l yw a v e ，t y p h o o no rt y p h o o n r e l a t e dm e t e o r o l o g i c a ls y s t e m s ， m o r e o v e r ，t y p h o o nm o r e1i k e l yi n d u c e sh e a v yr a i n s t h e r e f o r e ，p r o c e d u r et o m o d i f yt h ed e s i g nf l o o da n dz lo far e s e r v o i ri sp r e s c r i b e da s ：i nt h ea n n u a l m a x i m u mf l o o dd a t as e r i o u sw h i c hu s u a l l ya r et a k e na ss a m p l e st oe s t i m a t e t h ed e s i g nf l o o d ，e li m i n a t i n gt h o s ed a t ac a u s e db yt y p h o o n ，i n s t e a da d d i n g t h el a r g e s tf l o o d w h i c hi sn o tb r o u g h tb yt y p h o o n ，t h u so b t a i n i n gan e wa n n u a l s a m p l es e r i o u sf o rd e s i g nf l o o da n a l y s i s a ss u c had e s i g nf l o o di su s u a l l y s m a l l e rt h a nt h a t o fe s t i m a t e db yu s i n gs a m p l e sc o n t a i n i n gt y p h o o nd a t a ， t h er e s u l ti st h a ti ti n c r e a s e st h ed e s i g n e dv a l u eo fz lo ft h er e s e r v o i r w h e n e v e rt h et y p h o o ni sf o r e c a s t e dt ob ea p p r o a c h i n g ，p r e r e l e a s i n gt h e w a t e rt ol o w e rd o w nt h er e s e r v o i rw a t e r1 e v e lt ot h eo r i g i n a ld e s i g n e dz l t os a t i s f yt h en e e d sf o rf l o o dp r o t e c t i o n b yt a k i n ga d v a n t a g eo f t h i s s t r a t e g y ，s t o r i n ge x t r aw a t e rr e s o u r c e si nc a s eo fn ot y p h o o nr a i n so rb i g f l o o d so c c u r ，w h i l er e t a i n i n gt h er e s e r v o i r sf u n c t i o no ff l o o dc o n t r o l ift h e r ec o m e st h et y p h o o nr a i no rh e a v yf l o o d a sa ne x a m p l e ，v a r i a t i o n so f & o ft w ol a r g es i z er e s e r v o i r si nw e i h a i c i t yn a m e l ym i s h a nr e s e r v o i ra n dl o n g j i a o s h a nr e s e r v o i r ，w e r es t u d i e d r e s u l t si n d i c a t et h a t ，f o rm i s h a nr e s e r v o i r ，t h eo r i g i n a ld e s i g n e dz li s2 9 0 m ，w h i l et h en e w l ye s t i m a t e dz li s2 9 4 5 m ，i te n h a n c e s0 4 5 m ，t h u sb r i n g i n g a ni n c r e a s eo fw a t e rs t o r a g eb yl lm i l l i o nm 3 f o rl o n g j i a o s h a nr e s e r v o i r t h et w ow a t e rl e v e l sa r e4 1 ma n d4 1 3 2 mr e s p e c t i v e l y ，b r i n g i n g0 3 2m i n c r e a s ei nw a t e rl e v e la n d3 8m i l l i o nm 3i ns t o r a g e i tc o n c l u d e sb yt h e s e f i g u r e st h a t ，i fi m p l e m e n t st h em e a n sp r o p o s e db yt h i ss t u d yf o ra c t u a l r e s e r v o i ro p e r a t i o n ，e a c hy e a rm o r eo re x t r aw a t e rr e s o u r c e sis1i k e l ys t o r e d a n dl e s sw a t e ri sd i s c a r d e di nt h e f l o o dr e a s o n ，t h u si m p r o v i n gt h e e f f i c i e n c yo fu t i l i z a t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e si nt h ef l o o ds e a s o n k e yw o r d s ：l i m i t e dw a t e rl e v e ld u r i n gf l o o ds e a s o n ，t y p h o o nr a i nf o r e c a s t ， d e s i g nf l o o d ，f l o o dw a t e rr e s o u r c e s 剪一蕈劈硷 第一章绪论 1 1 研究的目的意义 山东省位于中国东部沿海、黄河下游，境域包括半岛和内陆两部分，山东半岛突 出于渤海与黄海之中，同辽东半岛遥相对峙；内陆部分自北而南与河北、河南、安徽、 江苏四省接壤。全境南北最长约4 2 0 k m ，东西最宽约7 0 0 k m ，总面积1 5 6 7 1 0 4 k m 8 。 山东省多年平均降水量6 8 0 m m ，多年平均地表水资源量1 9 8 x1 0 ”m ，多年平均地下水资 源量1 6 5 1 0 ”m ，多年平均水资源总量为3 0 3 1 0 ”i n ，人均水资源占有量3 4 4 m 3 ，不足全 国人均占有量的六分之一，仅为世界人均占有量的二十四分之一，远低于人均1 0 0 0 m 3 的国际水资源紧缺标准。全省一般年份缺水1 0 0 x1 0 8 m a ，平均每年因缺水减产粮食 3 0 1 0 8 k g ，有3 0 0 多万人口吃水困难，严重缺水已成为制约山东省经济发展的瓶颈。 山东省的地理气候特征，决定了区域内河川径流年内和年际分配极不均匀，据统 计分析，6 9 月份，全省地表径流占年径流量的8 0 左右，地表径流必须经过水利工程 调蓄，才能充分利用。近5 0 年来，经过大规模的水利建设，已有的水利工程不仅对 防洪减灾发挥了重要作用，而且也为水资源的充分开发利用与合理配置提供了保障。 山东省现有3 2 座大型水库，1 4 1 座中型水库，大中型水库仅有少数能对入库径流进行 多年调节，大部分水库库容较小，而且还承担着防洪任务，汛期需要预留相当的防洪 库容，以确保水库及下游保护对象的防洪安全。因此，每年汛期，当水库水位超过汛 限水位时，水库不能超蓄，形成汛期弃水，而主汛期过后，往往因来水少又蓄水不足， 导致来年缺水的矛盾。山东省水库的防洪调度基本上是以库水位的变化作为依据，根 据水库水位和入库洪水大小或量级，进而决定下泄流量大小，场洪水过后，水库水 位随即回到汛限水位，汛限水位基本是一个固定值。调度方式单一，缺乏灵活性，未 能充分发挥水库的调节作用。目前随着水文遥测系统的建立，洪水预报手段和准确度 的提高，特别是在现代化气象观测、气象预报条件下，卫星监测水平不断提高，新 代气象雷达网和地面自动气象站的覆盖面迅速扩大，我国台风预报技术已有很大发 展。台风数值预报模式已从区域模式向全球模式转型，过去我国只能提前2 天发布台 风路径预报，现在已能提前4 天发布预报。2 4 h 台风路径预报的误差值已从上世纪9 0 第一章绪论 年代初期的2 0 0 k m 以上，下降到目前的1 3 0 k m 左右。4 8 h 台风路径预报误差值从上世 纪9 0 年代初的4 0 0 k m 下降至目前的2 5 0 k m 以下。我国的气象卫星监测系统正在不断 完善。2 0 0 4 年1 0 月1 9 日中国又成功发射了一颗气象卫星“风云一2 号c 星”，发射 上天1 0 天之后就收到其发出的第一张卫星云图，2 0 0 5 年3 月这颗气象卫星正式投入 卫星监测服务。中国新一代多普勒气象雷达网也已初具规模，2 0 0 4 年在全国各地又新 设置了4 0 多部雷达，到年底雷达总数达到9 3 部，根据最新的规划，中国气象雷达网 的总体规模最终将达到1 5 8 部。地面自动气象站的建设也十分迅速，2 0 0 4 年新完成了 5 0 0 多个，到年底达到1 6 0 0 多个站的规模。在沿海的部分地区，自动气象站设置密度 越来越高，有的不到l o k m 就有一个。随着台风雨预见期的延长和预报准确度的提高， 完全可以将台风雨从计算设计洪水的系列中剔出，相应地提高水库汛限水位，增加汛 末蓄水量和供水保证率，进一步开发利用洪水资源。这对于缓解水资源危机，k 。t 库防洪效益，改善流域生态环境具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究进展 面对水资源危机与日益提高的防洪减灾安全保障需求，世界上许多国家陆续选择 以加强“洪水管理”作为治水方略调整的方向，并且纷纷探讨适合国情的洪水管理模 式。针对国际大趋势，我国学者陆续撰文，倡导我国防洪减灾工作应向“洪水管理” 转变，指出从我国的国情出发，需要选择“有风险的洪水管理”模式，其后又进一步 提出洪水管理要采取“风险分担，利益共享”的运作模式。 1 2 1 水库调整汛限水位研究进展 2 0 0 3 年初，国家防总与水利部开始提出我国的防洪“要从控制洪水向洪水管理转 变”的理念。我国不仅水资源短缺，而且时空分布不均，全国大部分地区降雨量的7 “ 主要集中在汛期，甚至是汛期当中的几场洪水，且年际丰枯变化很大，容易形_ t ” 涝即早、早涝交替发生的局面。所以，开发利用洪水资源，将洪水资源化是新t l , j ，；蚰虮 洪保安全、抗旱保供水、生态保良好的必然选择。实现洪水资源化，不仅需要采取必 要的工程措旌，同时也需要依靠预报、调度等非工程措施。在洪水预报上，如何增长 预见期，提高预报精度，为洪水资源化提供准确的决策信息，并积极探索人工影响天 气的可能性是其中的重要研究课题。在调度上，要完善防洪和抗旱调度方案，加强防 第l 立缝论 洪抗旱的统一科学调度，统筹考虑防汛抗旱两个方面的需求。随着我国水利建设投入 的增加，防洪工程质量和标准都发生了很大变化，防洪能力有了一定的提高，有必要 对汛限水位实施动态管理，在确保防洪安全的前提下，增加调节水量，实现洪水资源 化。 “十五”期间，南京水利科学研究院、中国水利水电科学研究院、海河水利委员 会、清华大学联合承担了国家重大科技攻关课题海河流域洪水资源安全利用关键技 术研究，在2 0 0 3 年底提出的报告中，对洪水资源化的定义、内涵、洪水资源合理 配置和利用的模式等进行了理论性的探讨；胡四一、高波等( 2 0 0 2 ) 系统地论述了海河 流域利用水库分期汛限水位调控洪水资源的研究思路和技术框架，探讨了暴雨洪水季 节特征和分期规律以及水库分期汛限水位合理确定和安全运用的分析方法，并对水库 运行的蓄水效益和防洪风险的评价提出了建议。冯平等( 1 9 9 6 ) 通过采用概率组合方 法估算了水库的实际防洪能力，然后与水库的设计防洪标准比较，判断水库提高汛限 水位的可能性，并通过风险效益的分析给出合理的汛限水位。，吴晋青、李文奇( 1 9 9 9 ) 针对北京市严重缺水状况，对密云水库汛限水位及汛期调度方式进行分析研究，提出 抬高密云水库汛限水位，增加水库供水的可能性”1 。钟平安( 2 0 0 2 ) 阐述了防洪限制水 位物理意义、设置防洪限制水位的必要条件以及防洪限制水位设计应考虑的主要因 素、从洪水信息获取方式、设计运用条件、调度运行规则等方面分析了防洪限制水位 在水库设计与运行阶段的差异，总结了在水库长期运行中由于社会经济条件、运行管 理体制变化对变动防洪限制水位的客观需求，并从高新技术应用、风险分析、水库特 性等角度论述了防洪限制水位动态控制的可能性“1 。李成林( 2 0 0 3 ) 针对察尔森水库及 其所处流域的实际情况，应用模糊水文学理论方法推求出水库汛限水位过程线，解决 了水库在实际运行中难以实现分期抬高汛限水位期望值的关键问题，进一步增加了水 库蓄水量和汛后蓄满的几率，更好地发挥了水库兴利效益5 1 。邱瑞田等( 2 0 0 4 ) 在水利 部和国家防汛抗旱总指挥部重大科技资助项目的研究中指出，传统的水库汛限水位的 控制，只利用了洪水的统计信息，使水库在汛期要时刻预防设计与校核洪水事件的 发生，致使一些水库在汛期不敢蓄水而汛后又无水可蓄，造成洪水资源的浪费。提出 了水库汛限水位动态控制的新理念及其综合推理模式，适应当前预报技术的发展水 镣一章罐论 平，考虑降雨径流洪水预报与一定时间内的短期降雨预报，摊除不可能发生的洪水 事件，预报可能发生的洪水，实施水库汛限水位的动态控制。但预报不可避免地存在 误差，当小概率预报误差事件发生时，仍可采取弥补措施以确保大坝的防洪安全“1 。 上述各项研究针对的水库主要在北方缺水地区，研究的角度虽各有侧重，但是都 强调在对水库所在地区的暴雨洪水特性进行分析的基础上，对水库汛限水位进行调整 提高。 在国外，2 0 世纪初期由于水库和水利发电工程的大量兴建，水库防洪及水资源调 度开始得到广泛研究。特别是随着计算机技术的发展，各种新的计算技术得到成功应 用，各种应用软件系统在实际业务操作中发挥巨大作用。l i t t l e ( 1 9 5 5 ) 在研究水库 优化调度问题时提出了水电系统随机动态规划调度模型，标志着用系统理论方法进行 水库调度研究的开始“1 。m a a s s 等人( 1 9 6 2 ) 系统地总结了由美国洛克菲勒基金会、 陆军工程兵师团和恳务局支持的“哈佛大学水规划”项目中，关于水资源多目标开发 利用理论和应用成果。1 。w i n d s o r ( 1 9 7 5 ) 在研究水库群系统防洪联合调度方面，将洪 峰损失函数之间的非线性关系做线性化处理，采用线性规划方法，以单纯形法或者 混合整数规划法进行求解，得到了理想的计算结果”i t 0 os c h u l t z ( 1 9 7 5 ) 对某并联 水库群，以下游削峰最大为目标，建立了一个动态规划模型，适于各支流洪水同时发 生情况的联合调度问题“。f o u f o u l a 等( 1 9 8 8 ) 提出了个可以有效减少由于水库 数目增加造成“维数灾”的梯度动态规划算法“。u n v e r 等人( 1 9 9 0 ) 将防洪调度的 非线性规划和洪水演算的模拟方法结合，建立了一种实时防洪优化调度模型o “。 v a l d e 等( 1 9 9 2 ) 提出了由随机动态规划和线性规划组成的多库系统的时空聚集一解 集方法“。在大量理论研究与应用的同时，通用的水资源模拟系统模型也相继问世。 如田纳西流域机构( t v a ) 开发研制的水资源优化调度系统( h y d r o s i m ) ，美国陆军 工程师兵团研制的流量合成与水库调度模型( s s a r r ) 等，特别是其水文工程中心研制 的h e c 模型系统，涉及地表和地下水文、河道水力和泥沙迁移、水文统计和风险分析、 水库系统分析、实时水资源控制和管理等，是应用最为广泛的水库系统模拟模型“8 i b o 由于西方发达国家在防洪、水资源供需矛盾、生态环境等方面与我国的差异，从上世 纪后期开始，防洪研究重点是在水资源综合管理的框架下，强调人与洪水的协调、防 第。章结论 洪与生态环境恢复相结合的洪水管理模式，所以，关于防洪调度和汛限水位动态控制 的研究较少。 1 2 2 台风暴雨研究进展 关于台风雨的研究，刘还珠将我国天气预报业务中台风暴雨的预报方法归纳为4 种类型m 1 ：一是天气概念模型；二是数值预报产品动力释用；三是相似预报方法； 四是利用卫星、雷达等非常规观测资料的预报方法。台风的预报方法除了使用台风数 值预报模式，预报台风的位置和强度外，主要运用上述的第四和第二类方法。并以典 型实例说明了每种方法的基本思路和大概情况。由此分析了我国在预报业务中所具有 的优势和存在着的薄弱环节，并依照近期的计划和动向对我国天气预报业务发展作了 展望。沈树勤和于波( 1 9 9 6 ) 对热带气旋暴雨落区进行预报时，将热带气旋造成的暴 雨按5 0 0h p a 天气形势分为热带气旋倒槽、热带气旋环流和冷空气与气旋相结合的暴 雨三类，然后归纳出与热带气旋暴雨关系密切的物理因子及阈值，最后以2 4 h 数值预 报在相应时刻所挑选的物理量因子及阈值参加判别，得到华东地区热带气旋暴雨落区 概率预报图n “。 用雷达、卫星云图监测技术获得的资料确定热带气旋位置和强度，预报热带气旋 未来变化的方法，在国家气象中心和我国东南沿海的几个省被广泛使用。范惠君等 ( 1 9 9 6 ) 用g m s 展宽数字云图以人机交互方式确定热带气旋强度“9 1 。根据环流中心 与浓密云相对位置、眼的形状和直径、中心密蔽云区形状、螺旋云带最低云顶温度和 云带条数、旋转圈数等计算气旋强度云指数i ，然后建立气旋中心附近最大风速与i 之间的关系，从而获得热带气旋最大风速和中心气压值，经1 9 9 4 年业务检验，2 6 个 热带气旋最大风速平均绝对误差为2 4 4 阻s ，最大误差为9 6 m s 。 将数值预报的结果与统计方法结合进行热带气旋路径的预报，也得到了广泛的研 究和应用。蒋乐贻等( 1 9 9 7 ) 利用模式识别技术对数值预报5 0h p a 高度场提取天气图 特征，再将这些特征定量化作为因子，用逐步回归和神经元方法建立热带气旋路径 预报方程( 分别预报气旋中心每时刻经度和纬度) 。通过对1 9 9 7 年6 9 月共4 0 个 台风日的预报检验结果表明，对热带气旋预报的平均误差：3 6 h 为1 2 0 7 k m ，6 0 h 为 2 2 8 9 k m ，比台风路径数值预报的结果有明显提高 2 0 1 。 麓一章绪论 刘春霞和周家斌( 1 9 9 6 ) 在p r e s s 模型预报南海台风路径的基础上引入了卡尔曼 滤波技术，以p r e s s 回归模型作为量测方程( y = h b 十1 】) 的初值b o 和作为w k 的协方差 r k 的初值r o ，p r e s s 模型经过卡尔曼滤波后使热带气旋路径的预报得nt 改善，2 4 h 预报最大平均距离误差不大于1 5 0k m 【2 l 】。 钟元( 1 9 9 6 ) 从】9 6 1 1 9 9 0 年6 9 月间共2 4 0 个热带气旋的样本中选取了如下 预报因子：1 ) 热带气旋初始位置、强度和中心附近风向风速；2 ) 5 0 0h p a 高度场的 天气系统特征；3 ) 地面气压场的天气系统特征；4 ) 把中国、亚洲分别分成3 个不同 区域，对5 0 0h p a 高度场用自然正交函数( e o f ) 展开，取前1 0 项特征向量；5 ) 再对上 述3 个区5 0 0h p a 高度场用切比雪夫多项式展开，取3 个区具有一定天气意义的3 5 个切比雪夫正交展开系数a k ；6 ) 将5 0 0 h p a 高度场用谐波分析方法求得纬圈谱的参 数，使用数值预报产品对初选因子进行逐步判别分析，建成三类预报模式，最后进 行集成，得到综合客观预报方法。对热带气旋路径作出三类判别预报，总体准确率达 到8 4 7 2 2 1 。 研究及应用表明，天气预报水平的高低依赖于数值天气预报的精度和时效，所以， 完善数值天气预报理论和增强预报能力是未来的重要发展方向。从2 0 0 0 年开始，国 家气象中心加快研制全球和区域三维变分同化系统，将中期谱模式上升到t 2 3 9 l 3 1 ，此 外改善物理过程，发展v - i t l a f s 3 0k m 分辨率的区域预报模型和分辨率为11 0k l n 全 球台风模式，建立b j l0k m 分辨率的中尺度模式，这些研究将为数值预报产品的使用 提供更广阔应用的基础，也将逐步提高我国天气预报的科学水平。 1 3 基本技术路线 山东省的大中型水库，其防洪库容和兴利库容一般是部分结合的，因此，水库汛 期限制水位的高低直接影响到水库汛末蓄水量和蓄至兴利水位的机率。我省现行的 “大中型水库汛期运用方案”中，汛期限制水位的确定一般是统筹考虑保证灌溉( 城 市供水) 蓄水、保证下游安全、保证大坝本身安全三种要求，通过计算比较后选定。 其中后两条要求的依据则是设计洪水，因此，设计洪水大小对汛期限制水位的确定影 响很大。 通过分析，山东省暴雨的主要成困以台风、台风倒槽和东风波为最多，其次为西 第章缝论 南涡和西北涡形成的气旋雨，在各类天气系统中以台风出现暴雨的机率和强度最大。 目前，在计算设计洪水时，不考虑洪水( 暴雨) 是由哪种天气系统形成的，在控制运 用中则不考虑各种天气系统形成的暴雨( 洪水) 在特征上的差异及预报的预见期和准 确性上的差异，这使得在水库防洪上表现较保守，汛限水位偏低，对水库蓄水兴利造 成不利影响。 为了克服上述缺点，在计算设计洪水的年最大值系列选样时，若年最大值为台风 暴雨( 洪水) ，则将台风暴雨从系列中剔除，而用本年度非台风暴雨最大值代替，将 计算设计洪水的样本长系列分为有台风雨系列和无台风雨系列，无台风雨系列计算的 设计洪水一定是小于有台风雨系列计算的设计洪水，无台风雨系列确定的汛限水位一 定是高于有台风雨系列确定的汛限水位。在非台风雨发生时，无台风雨系列确定的较 高汛限水位可以满足防洪要求。若影响本地区的台风雨发生时，充分利用台风暴雨预 报预见期较长、准确度较高的特点，在暴雨来临前，在考虑下游安全泄量的前提下， 及时将水库的汛限水位降到原汛限水位巯( 有台风雨系列确定的汛限水位) ，由于原 “方案”汛限水位已考虑了台风暴雨因素，所以只要能够使水库水位在台风暴雨降雨 之前下降至互f l ，就完全可以满足水库的防洪要求。 这种方法的意义在于：对于已建蓄水工程，若兴利与防洪结合，适当提高汛限水 位，在不影响防洪的前提下，可以增加汛末蓄水量；对于兴利与防洪不结台的情况， 这种方法可以防御更高标准的洪水，提高防洪保证率；对于新建蓄水工程，在设计时 可以考虑更有效的防洪调度方式，减少防洪库容，提高经济效益。 第章山东氆求痒汛中碾镪承位核算方法 第二章水库汛中限制水位核算方法 2 1 汛中限制水位核算原则 山东省根据多年实践经验提出水库汛中限制水位的核算原则如下：。” ( 1 ) 在确保工程安全的前提下，最大限度地保障下游安全和蓄水兴利的原则，从 保水库安全、保下游安全、保蓄水兴利三方面核算，提出方案进行比较选定。 ( 2 ) 具体要求是：遇现状防洪标准以内的洪水，要确保水库安全，在此前提下， 力保下游安全和兴利蓄水。蓄水保证率可利用“三查三定”设计的灌溉保证率。对于 下游安全的防御标准考虑水库蓄水和洪水相遇机率的组合概率为2 5 的洪水；下游 有重要城市或工矿的水库，力争遇组合概率为1 的洪水减少损失。三者矛盾时服从水 库安全。 ( 3 ) 为便于核算，可先按蓄水兴利要求核算，再按保下游安全核算，最后按保水 库安全核算，然后进行综合比较，选定最佳方案。 2 2 按兴利要求计算汛中限制水位的方法 2 2 1 保证率为5 0 9 6 和7 5 的8 至9 月水库来水量计算 ( 1 ) 统计计算历年8 至9 月水库来水量。 ( 2 ) 推求多年平均来水量和理论频率曲线的变差系数c v 值和偏差系数c s 值( c s 取2 c v ) 。 ( 3 ) 查皮尔逊i 型曲线，即可得p = 5 0 和7 5 的模比系数k p 值，以k p 值乘x 则 得相应保证率的来水量。 2 2 2 耗水量计算 耗水量计算包括灌溉用水量计算、蒸发渗漏损失水量计算、工业及城市生活和其 它用水，按设计及实际需要而定。 2 2 3 推求实际可蓄存水量及参考汛中限制水位 由8 至9 月水库上游的来水量减耗水量得实际可蓄存水量，以汛术蓄水量减实际 可蓄存水量，其相应库水位即按汛末蓄水量要求计算的参考汛中限制水位。 第i 章u s 东省7 k 章汛中限瓶m 位棱算方法 2 3 按下游防洪要求核算汛中限制水位方法 我省多数水库汛中蓄不满水，部分兴利库容可作防洪库容重复使用。在设计中一 般未考虑这一因素，而具体制定洪水调度方案时，可利用这一部分库容对中小洪水进 行调节，保护下游安全，这样计算的成果也能更好地反映客观实际。凶此，中小洪水 保下游安全的参考汛限水位，采用组合概率的方法核算。 ( 1 ) 水库蓄水概率曲线的计算和绘制 从“三查三定“所做的水量平衡计算成果中，选取历年7 月底的蓄水库容( 该库 容由长系列变动用水平衡计算求得，采用的灌溉面积为现状有效灌溉面积，城市用水 为现状设计用水量) ，用曲线拟合法计算概率曲线，并点绘概率曲线。 ( 2 ) 计算各种参考汛限水位的概率 参照按蓄水兴利要求计算所得的参考汛中限制水位，取三种水位，查水位库容 曲线得相应库容值，计算或查图即得各水位相应的蓄水概率。 ( 3 ) 计算相应各参考汛限水位的洪水频率及洪水过程线 按水库蓄水与洪水的组合概率为5 和2 分别计算相应于各种参考限制水位的洪 水频率，然后推求洪水过程线。 ( 4 ) 汛中限制水位核算 按组合概率为5 、2 的洪水进行核算时，以2 0 年、5 0 年一遇的洪水位为允许壅 高水位，并以此作为控制条件，使最大下泄流量小于安全泄量，确定相应闸门开启高 度，依此自参考汛限水位起调作调洪演算。核算时反推的起调水位若高于参考汛限水 位，则初选参考汛中限制水位满足保护下游安全的要求。有的水库有多级安全流量， 则可选择多级壅高水位为控制条件，对应每级水位有相应的下泄流量和闸门开度，则 应采用变动开度的调洪演算方式进行核算，反推起调水位。 2 4 按保大坝要求核算汛中限制水位方法 ( 1 ) 确定水库现有防洪标准，“三查三定“以来，水库抗洪能力没有提高的水库， 现有防洪标准按“三查三定”标定的标准。如水库工程已加固改善，或发现有新的严 重隐患危及工程安全，则应按工程现状情况，论证后报上级管理部门审批，重新确定 防洪标准。 9 第二章山氟省水毒汛中限截水位棱锋方法 ( 2 ) 确定该水库控制泄洪的原则和计算条件 因遇中小洪水要保下游安全，故泄洪时采取控制泄洪的方式。实际调度时，由于 事先难以对暴雨洪水作准确的判断，一般在初始阶段降雨较h 采取控制泄洪措旌，制 订限泄流量对应的允许最高壅水位，在降雨继续加大，工程安全受到威胁时再加大泄 流量，敞开闸门自由泄洪。 ( 3 ) 核算方法 取现状防洪标准的洪水过程线由参考汛限水位顺时序或以最高水位逆时序调洪。 按第二款所述的控制泄洪原则，逐级变动闸门开度进行调洪，确定汛限水位。 将上述三方面核算结果全面分析比较，最终确定汛限水位。 2 5 汛中允许超蓄水位和预泄水位计算 2 5 1 汛中允许超蓄水位的计算 ( 1 ) 允许超蓄水位确定的前提条件 提出超蓄水位指标基于以下两点原因： 根据山东的降雨特点，汛中洪水的主要成因是7 月份的气旋和8 月份发生的 台风，历史暴雨资料说明，同一地域每年一般出现一次较大暴雨，尤其是特大暴雨， 在同一地域一年内发生一次，不是在7 月，就在8 月，或者7 、8 两月都不发生。 为了提高汛末蓄满的机率，不失时机地拦蓄峰后尾水，并增加调度的灵活性。 因此，在汛中限制水位和汛末蓄水位两级控制指标之间增设一级机动水位，即允 许超蓄水位，其实施地的前提条件是当7 月份已出现较大暴雨后，允许8 月初按超蓄 水位控制蓄水。 ( 2 ) 超蓄水位计算方法 根据前述超蓄水位的确定原则，采用8 月1 6 日至9 月3 0 日期间的来水量计 算水库实际可蓄存水量，方法同按兴利蓄水要求核算汛中限制水位所述，来水量保证 率仍取5 0 或7 5 ，由汛末蓄水库容扣减8 月1 6 日至9 月3 0 日期间实际可蓄存水量 后，查库容曲线得相应水位作为允许超蓄水位。 当汛中限制水位与汛末蓄水位相差不足一米时，可参考按7 5 保证率计算所得的 汛中限制水位选定( 计算来水量的时段为8 月1f i a 9 月3 0 日) ，或者按预蓄( 泄) 水位酌定a 第。章山东销水痒汛中磴靓水位核算力法 2 5 2 预泄水位的计算 ( 1 ) 预泄水位确定的前提条件 洪水预见期较长的水库，可以用预泄库容推算预泄水位作为允许超蓄水位，预泄 库容，即在洪水入库前，水库提前开闸按下游安全所允许的流量控泄，泄水量的大小 出洪水预见期长短，水库泄流能力和下游允许的最小安全流量确定。因此，采取预蓄 ( 泄) 水位必需具备洪水预报条件，有可靠的报汛手段。 ( 2 ) 预泄库容确定的方法是： 确定洪水的预见期。因目前尚不能作出定量准确的降雨预报，故取暴雨开始 至流域全面汇流的时间作为洪水预见期。 确定预泄流量。鉴于开始降雨时难以准确制定此次降雨来水量的大小，为避 免造成下游洪灾损失和过量泄水，可以不淹下游耕地，不造成下游损失的最小安全流 量作为预泄流量控制下泄。 预泄库容的计算式为： v u = v s + 0 3 6 q 。t u 式中：v s 一一一一汛中限制水位的相应库容( i 0 4 m 3 ) ； v u q u l u 预蓄库容( 1 0 4 m 3 ) 预泄流量( m 3 s ) ； 洪水预见期( h ) 。 据v u 从水位库容曲线查得相应的水位，即预蓄( 泄) 水位。 劈三章山东籀暴雨的i 要或函聂特点 第三章暴雨成因及主要特点 3 1 山东省降水特点 山东省位于1 1 4 。3 6 e 1 2 2 。4 3 e 、3 4 。2 5 n 3 8 。2 3 7 n 之间，东i 临太平 洋，西连亚欧大陆，处于青藏高原东侧，受海洋和大陆的影响，季风气候显著，属暖 温带大陆性季风气候，其特点是冬季寒冷干燥，盛行偏北风；夏季湿热多雨，盛行偏 南风。省境内地形复杂多样，气候差异较大。 3 1 1 年平均降水量的分布 省内各地年平均降水量多介于5 5 0 8 2 0 m m 之间，全省年平均约为6 8 0 r a m ，与同纬 度内陆省份相比为降水较丰富的省份。其分布规律是：南部多于北部，东南沿t 多。 西北内陆。等雨量线多成西南一东北走向。鲁中山地的东南部、鲁南平原至东南沿海 和半岛的东南部年降水量在7 0 0 r a m 以上，其中临沂、枣庄及日照一带在8 0 0 r a m 以卜， 鲁西北平原西部、鲁北平原北部在6 0 0 r i 皿以下，其余地区介于6 0 0 7 0 0 m m 之间。 全省年降水量分布的区域差异明显，大致可分为三个不同的地区： 第一，胶莱河以东的半岛丘陵地区。雨量较丰富，各地降水量大都在6 5 0 8 0 0 m m 之间，半岛东南沿海地区超过8 0 0 r a m ，由东南向西北逐渐减少。 第二，黄河、小清河以北地区。年平均降水量在6 0 0 r i o n 以下，低于全省平均值， 是全省最低降水量区。 第三，鲁中山地和沭东丘陵区。年降水量丰富，但地区差异明显，从东南向哥”。 由8 0 0 r a m 以上降为7 0 0 r a m 左右。 3 1 2 降水的年内分配 山东省降水的年内分配很不均匀，各月、各季差异很大。 冬季( 1 2 2 月) ，是各地降水量最稀少的季节，降水量一般在1 5 5 0 m m ，平均为 2 6 r a m 左右，约占全年降水量的3 9 。分布规律是：由东南向西北递减，半岛东北部 因受海洋影响显著，为全省冬季降水最多的地区。 春季( 3 5 月) ，降水逐渐增多，整个春季降水量平均在7 0 1 2 0 n 1 i i l 之间，占全年 第兰章山尔省暴确的主要娃因及特点 降水的1 0 7 1 7 1 。由于气温升高，蒸发强烈，降水量远低于蒸发量，大部分地区 春旱严重。春季降水分布区域差异较明显，由东南向西北递减，鲁东南和半岛丘陵的 东南沿海雨量最多超过l o o m m ，鲁北平原北部不足7 0 m m 。其余大部分地区在7 0 l o o m m 之间。 夏季( 6 8 月) ，夏季风带来了大量水汽，成为全年中降水量最多最集中的季节。 各地降水量大部分地区在3 0 0 6 0 0 m m 之间，平均降水量为4 4 0 m m ，占年降水量的6 5 左右，远高于冬、春、秋三季雨量的总和。鲁东南和半岛的东南沿海一带降水最丰 富，雨量都在5 0 0 m m 以上，临沭、枣庄高达5 6 0 m m 。向北、向西雨量减少，半岛东北 部和聊城地区降至4 0 0 m m 以下。 秋季( 9 1 1 月) ，既是气温迅速降低的季节，也是降水不断减少的季节，全省各 地降水量在8 0 2 0 0 m m 之间，平均降水1 2 0 m m ，占年降水量的1 7 7 o ，略高于春季。 其分布趋势是鲁东丘陵东南部和鲁中南山地南部降水量最多，向西北递减，鲁北平原 降水最少。 3 1 3 降水量的年际变化 由于高空西风带和冬、夏季风的活动情况每年都不完全相同，所以历年降水量变 异很大。从历年平均绝对变率看，全省各地都在l o o m m 以上，济南达1 4 8 m m ；历年降 水量的相对变率多在1 5 2 5 。半岛东部的文登、鲁南的l 临、郯、苍一带，及益都、 兖州等地为最小，约在1 5 以下：半岛南部沿海、鲁西北及济南地区为最大，在2 5 以上，其中济南高逾3 0 。 3 2 山东省暴雨的主要成因 山东省暴雨的主要成因以台风、台风倒槽和东风波为最多，其次为西南涡和西北 涡形成的气旋雨。在各类天气系统中以台风出现暴雨的机率和强度最大，台风通常是 一种强风和暴雨交加的天气现象。当起源于菲律宾以东大洋面上的台风，经福建、浙 江、江苏沿海登陆北上，或沿黄海西岸经山东半岛北上时，在鲁南、东南沿海和山东 半岛地区常形成大风与暴雨天气，既可带来丰沛的降水以补充水资源，又可造成不同 程度的风雨灾害。 据1 9 6 1