（水工结构工程专业论文）水库分期汛限水位确定方法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 水资源短缺是人类在2 l 世纪所面临的最大的难题之一，是一个全球性的问 题。我国是水资源相当贫乏的国家之一，水对农业和整个国民经济的发展具有 特别重要的意义。 在水库实时调度过程中，汛限水位是一十分重要、敏感的指标，它直接影 响着合理解决水库防洪与兴利之间的矛盾。因此根据工程实际要求、科学描述 水库汛期，合理确定水库汛限水位，研究汛限水位实时控制方法，建立切实可 行的水库汛限水位控制模式等，是当务之急。 水库兴利与水库防洪是一对矛盾，如汛期防洪限制水位过高，则利于兴利 而不利于防洪：反之，则利于防洪而不利于兴利。为解决这一对矛盾，本文分 析讨沦了分期设计暴雨、分期设计洪水和分期汛限水位确定方法。首先，根据 水文统计规律进行汛期的时段划分，根据实测降水量资料，利用减均值序列配 线法和序列展延技术分别求得分期设计暴雨：其次，假定设计暴雨和设计洪水 同频率，最大分期设计暴雨与年设计洪水一致，按同比放大或缩小原则，由分 期设计暴雨求得各分期设计洪水：再次，由各分期设计洪水，采用下游有防洪 任务情况下的分级固定下泄流量控制方式进行水库调度求得分期汛限水位。 目前分期设计暴雨、分期设计洪水、分期汛限水位和动态汛限水位过程线 的研究刚刚起步，其确定方法没有成熟的理论可以借鉴。关于分期设计暴雨问 题，本文给出了减均值序列配线和序列展延技术两种确定方法。关于分期设计 洪水问题，在有实测洪水资料时，可采用与分期设计暴雨同样的确定方法：在 由分期设计暴阿推求设计洪水时，本文给出了假定设计暴雨和设计洪水同频 率，最大分期设计暴雨与水库年设计洪水一致，按同比放大或缩小原则，由分 期设计暴雨求得各分期设计洪水的方法。分期汛限水位则按常规水库调度方法 由分期设计洪水推求。 关键词：分期、设计暴雨、设计洪水、汛限水位 山东大学硕士学位论文 h d e t e r m i n a t i o na n da p p l i c a t l 0 n o ft h el i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o l a b s t r a c t t h es h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sw i l lb eb e c o m eag l o b a lp r o b l e mf o r h u m a nb e i n gi n2 1 c e n t u r y c h i n ai so n eo ft h ec o u n t r i e sw h i c hw a t e r r e s o u r c e si sm u c hs h o r t ，s ow a t e rr e s o u r c e si sv e r yi m p o r t a n tt oc h i n a d u r i n gt h er e a l t i m eo p e r a t i o no fr e s e r v o i r s ，t h el i m i tw a t e rl e v e l i ss u c ha ni m p o r t a n ta n ds e n s i t i r ei n d e xt h a ti td i r e c t l ya f f e c t sh o w t or e a s o n a b l ym i t i g a t et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nf l o o dc o n t r o la n d b e n e f i t so fr e s e r v o i r s 。a n di ti sv e r yu r g e n tt od e s c r i b ef l o o ds e a s o n s o fr e s e r v o i r s ，t or e a s o n a b l yd e f i n et h el i m i tw a t e rl e v e l ，t of i n da n o p e r a b l er e a l t i m ec o n t r o lm e t h o do ft h el i m i tl e v e la n dt oe s t a b l i s h a na p p r o p r i a t ec o n t r o lm o d e lo ft h e1 i m i tl e v e l f o rr e s e r v o i r s ，w a t e rs t o r a g e f l o o dc o n t r o la r ea p a i ro fp a r a d o x i ft h e1i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o ld u r i n gf l o o ds e a s o na r e s e tt ob eh i g h ，i ti sa d v a n t a g e o u sf o rw a t e rs t o r a g ea n dd i s a d v a n t a g e o u s f o rf l o o dc o n t r o la n dv i s ev e r s a i no r d e rt or e s o l v et h i sp a r a d o x ，t h r e e c o n c e p t sa n dt h e i rd e t e r m i n i n gm e t h o d so fs t a g ed e s i g ns t o r m ，s t a g e d e s i g nf l o o da n ds t a g et h el i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o la r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t ，d i v i d et h ef l o o ds e a s o ni n t od i f f e r e n t s t a g e sa c c o r d i n gt oh y d r o l o g ys t a t i s t i ct h e o r y 。d e t e r m i n es t a g ed e s i g n s t o r mb yt h em e t h o do ff r e q u e n c y1 i n i n go rs t o c h a s t i cs e r i e se x t e n d i n g s e c o n d ，u n d e rt h et w op r e s u m e s 一o n ei st h a ts t a g ed e s i g ns t o r ma n ds t a g e d e s i g nf l o o dh a v es a m ef r e q u e n c y ，t h eo t h e ri st h a tt h el a r g e s ts t a g e d e s i g ns t o r mi st h ec o u n t e r p a r to fy e a rd e s i g nf l o o d ，d e t e r m i n es t a g e d e s i g nf l o o df r o ms t a g ed e s i g ns t o r mi nt h e1 i g h to fs a m er a t i os c a l i n g t h i r d ，u n d e rt h et y p eo fg r a d i n gf i x e dd i s c h a r g ef o rr e s e r v o i rd i s p a t c h ， d e t e r m i n es t a g et h e1 i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o lf r o ms t a g e d e s i g nf l o o d t h ea b o v ec o n c e p t sa n dd e t e r m i n i n gm e t h o d sa r e 山东大学硕士学位论文 i l l u s t r a t e di nd e t a i lb yu s i n gm e n l o ur e s e r v o i ra s a ne x a m p l e a tp r e s e n t ，t h es t u d yo ns t a g ed e s i g ns t o r m ，s t a g ed e s i g nf l o o d ， s t a g et h e1i m it e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o la n dd y n a m i cs t a g et h e l i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r o li sj u s tb e g i n n i n ga n dt h e r ei s n os u c c e s s f u lt h e o r yt or e f e rt o f o rs t a g ed e s i g ns t o r m ，t w o d e t e r m i n i n gm e t h o d s - f r e q u e n c yl i n i n ga n ds t o c h a s t i ct i m e s e r i e s e x t e n d i n ga r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r f o rs t a g ed e s i g nf l o o d ，u n d e r t h et w op r e s u m e sm e n t i o n e da b o v e ，s a m er a t i os c a l i n gm e t h o di sc h o s e n h e r et od e t e r m i n es t a g ed e s i g nf l o o df r o ms t a g ed e s i g ns t o r m f o rs t a g e t h el i m i t e dw a t e rl e v e l sf o rf l o o dc o n t r 0 1 i ti sd e t e r m i n e db yt h e c o n v e n t i o n a lr e s e r v o i rd i s p a t c hm e t h o d k e yw o r d s ：s t a g e ：d e s i g ns t o r m ；d e s i g nf l o o d ；l i m i t e dw a t e rl e v e l sf o r f l o o dc o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 皇j 盏日期：筮生：墨! 笪 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：驻导师签名：日 期：纠，j 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究目的 目前我国大部分地区特别是北方地区出现水资源危机，许多大中城市的 水资源己成为国民经济和社会发展的重要制约因素，与此同时又不断出现洪 水灾害，严重威胁了人民生命财产的安全。怎样更好地发挥水利工程( 水库) 的兴利效益与防洪功能是迫切需要解决的两大问题。按照通常的概念，对于 某一日而言，要么它属于汛期，要么它属于非汛期，即非此即彼。事实上， 汛期与非汛期不应该用某一时刻来划分，从非汛期到汛期和从汛期到非汛期 都有一个过渡过程。我们知道，汛期与非汛期的定量标志是降水量的大小， 而降水量的大小是由当地的气候条件所决定，随着气候的变化而变化。一般 来讲，一年四季中气候变化是一个渐变过程，因此，从天气系统的变化成因 来讲，降水量在一年四季中的变化应遵循一个渐变过程，也就是说描述降水 量多少的汛期与非汛期也不应该有一个明显的分界点。对于我国北方大部分 地区而言，8 月中上旬可定义为汛期。用模糊数学的语言来讲，即8 月中上旬 中任一天隶属于汛期的程度为1 o ，而元月上旬可定义为非汛期，即元月上旬 中任一天隶属于汛期的程度为零。那么对于其它时间内的某一天，例如6 月1 日，它属于汛期还是非汛期，对于北方地区而言，6 月i 曰应处于非汛期向汛 期的过渡段上，它既不完全属于非汛期，也不完全属于汛期。在一年当中汛 期与非汛期应遵循下述变化过程：非汛期一过渡段一汛期过渡段一非汛期。 在水库防洪与兴利调度中，最重要的一个问题就是如何选定汛期水库防洪限 制水位。当防洪限制水位确定的偏高时，有利于兴利而不利于安全。反之， 则有利于安全而不利于兴利。 目前水库运行时存在的问题是：从年际或年内讲，在汛期水库采用一个 ( 或儿个) 固定的汛限水位，当大暴雨发生在汛仞时，为了安全往往不敢蓄水， 而到汛木常因无大降水又蓄不满水，使水库只能满足安全保证率，但达不到 多蓄水兴利的目的，这一问题在水资源严重短缺的北方地区表现的尤为实出。 针对兴利与防洪的尖锐矛盾，为使水库在符合安全保证率的前提下最大限度 地兴利，须认真研究水库兴利与防洪的最佳结合点一汛限水位，从而为水库 最大限度地兴利与防洪的有机结合奠定理论基础。 山东大学硕士学位论文 该项成果在我国北方地区具有非常重要的推广应用价值。以山东为例， 全省人均占有水资源量仅为全国人均占有量的六分之一，水资源已成为山东 省国民经济和社会发展的制约因素，同时，防洪任务十分艰巨，每年汛期大 量弃水。全省己建成大中型水库1 6 7 座，但由于管理水平较为落后，工程兴利 与防洪的效益没有充分发挥，若该项成果在全省范围内全面推广应用，每年 约可增加兴利用水2 0 3 0 亿，同时还可充分发挥水库工程的防洪效益。 1 2 研究现状 科学技术的不断进步和人类知识经验的不断积累，为提高调度水平提供 了有力保障。一方面，由于建国以后十分重视对水文资料的积累，这些丰富 的资料使人们有机会对水资源时程分布有了更新的认识，许多水库掌握了丰 富资料后，研究发现了本流域降雨、径流分布在主汛期和后汛期的差异、规 律，提出了汛期分期提高汛限水位的方法，在保证水库工程安全的前提下， 提高水资源的利用量。另一方面，由于气象预报业务水平的不断进展，在一 些地区达到了可以实施应用的水平，大大延长了洪水预见期，为缓和防洪与 兴利矛盾提供了可能性。为此，一些水库开展了预报调度方式的研究与应用。 在近几年的调度实践中，人们已经注意到分期控制汛限水位或采用预报 调度方式，都会带来巨大的经济效益。但是，在巨大经济效益的背后暗含着 一定程度的风险。风险在于水文现象自身的不确定性，尽管人们己经掌握了 一定长度的统计资料，但是这些资料的系列相对于工程的设计标准而占，仍 是十分短暂的，以这种短暂的系列推求稀遇洪水，本身就包含有一定的风险， 而且水文现象并不存在有规律的重复性。例如，在分期洪水的研究中，即使 人们发现在某一时期之后发生大洪水的可能性很小，但这种可能性依然是存 在的，并且有可能随时发生，其风险是显然的。 随着新理论和新技术的引用，可利用信息的增加，水文与气象预报精度 的提高，有的水库逐渐利用中短期降雨预报和天气形势演变趋势等信息，实 时控制汛限水位，更进一步提高防洪兴利效益。使汛限水位控制方法由调度 规划设计阶段进入到实时控制新阶段。例如，辽宁省防汛办公室在1 9 8 5 ，1 9 8 6 ， 1 9 9 1 及1 9 9 4 年汛期，利用辽宁省气象台发布的中短期降雨预报信息及卫星云 图信息，超设计实时控制6 座大型水库汛限水位，获得防洪兴利重大效益。又 2 山东大学硕士学位论文 如，丰满水库，在1 9 9 1 年8 月中旬主汛期，根据 国发1 9 9 1 2 5 号文转发中央气 象台“关于北方大部分地区雨季己基本结束，需注意适时做好蓄水和抗旱工 作的专题报告”，国家防办决定丰满水库超原汛限水位0 5 m 运行，既安全又 增加了发电效益。 i 2 1 分期设计洪水的确定 水利工程水利计算规范规定：对于洪水具有明显季节性变化规律的 水库，经研究论证，汛期可分期调度运用，根据分期设计洪水，确定各分期 的防洪库容及相应的防洪限制水位。分期应符合气象成因和雨、洪季节变化 规律。分期设计洪水应按有关规范进行分析计算，其中主汛期直采用按年最 大法取样计算的设计洪水在我国，绝大多数河流的洪水是来源于降雨，各 个时期由于降雨的成因不同，所形成的洪水，其特征与大小也有所不同。一 些水库可根据汛期各个时期设计洪水大小的不同，分别拟定各时段的防洪库 容，分期蓄水，分期进行防洪调度，逐步抬高防洪限制水位，使原来只能用 于防洪的部分库容即可用于防洪又可用于兴利。 ( 1 ) 分期洪水起讫日期的划分 对分期洪水起讫日期的划分，水利水电工程设计洪水计算规范规定： 计算分期设计洪水时，分期即要考虑工程的设计要求，又要使起讫日期基本 符合洪水的季节性变化规律及成因特点。并解释为：工程设计施工运行时要求 有不同分期的设计洪水，为了满足工程设计方面的需要，应结合洪水特性计 算分期设计洪水。河流洪水年内季节的变化有一定的规律，而各年洪水季节 的起讫r 期又不一致，分期的历史洪水调查困难，分期洪水系列的代表性不 如年最大洪水系列的代表性好。 武鹏林等在水利计算与水库调度一书中指出，对洪水分期，首先要 对暴雨成因或暴南洪水发生的规律进行分析。一般认为，当汛期洪水的变化 有明显规律时，才可以将汛期按不同类型的洪水划分为若干个时段。如果洪 水的大小在整个汛期无明显差异，但由于下游河道的允许安全泄量在各个时 期有所不同因而能够留出不同的防洪库容，在此情况下也可认为具备分期的 条件。在实际工作中，水库形成洪水的降雨系统在时问上虽无明显分界，但 在强度上逐渐减弱，亦可进行分期，但这样做必须具备以下三个条件：第一， 山东大学硕士学位论文 具有较长的洪水资料( 5 0 年以上为好) ；第二，有大洪水调查资料；第三，除 单站资料外，还有条件对流域洪水分期进行可行性分析。 分期洪水起讫同期的划分目前常用的有成因分析法、数理统计法和模糊 分析法。成因分析法是基于暴雨的气候变化成因进行分析。数理统计法是基 于多年洪水( 暴雨) 的统计进行分析。模糊分析法是根据汛期划分的模糊性， 用模糊集理论推求不同时刻的汛期隶属度。 为了从定量的角度界定雨季和汛期的起止日期，定义一个反映旬降水量变 化的相对系数c 。作为度量指标： g = r r 式中：尺为某个站点年内某旬的多年平均降水量；袁为某个站点年内平均每 旬降水量，即将该站点的多年平均降水量均匀地分摊到年内的每个旬，各旬 应有的降水量。 当某个站点连续两旬或两旬以上的时段内，每旬的多年平均降水量大于 或等于年内平均每旬降水量，即c 。l 时，称为雨季；每旬的多年平均降水量 大于或等于年内平均每旬降水量的1 5 倍，即c 。1 5 时，称为汛期。如果某 个站点有两个雨季和两个汛期，则把出现汛期降水量最大峰值的那个时段称 为主雨季和主汛期。 ( 2 ) 分期洪水的选样 目前研究较多的选样方法主要有年最大值选样、年超大值选样和超定量 选样。年最大值选样法即在1 3 年洪水系列中每年选用该年最大值作为样本。年 超大值选样法即在n 年洪水系列中选用最大i 1 个样本，多水年可多选，少水年 可能无水入选：超定量选样法即根据规定的统计门槛值，从历年资料中选出 超过门槛值的全部统计值。 年最大值选样方法在现行全年设计洪水计算中采用年最大值选样，这种 处理方式，可以说是目前没有办法的办法。年最大值选样的优点在于其选样 系列彼此是孤立无关的，且与其发生的频率和重现期紧密结合在一起，比较 直观明了。但它每年只选取一个最大值，对于一年多场大洪水的情况无法考 虑。而在枯水年的取值又明显偏小。 4 山东大学硕士学位论文 1 1 1 年超大值选样法改进了年最大值选样的缺陷，在n 年洪水系列中选用最大 n 个样本，多水年可多选，涵盖了与样本容量相同的大洪水，但其选样系列的 独立性不如年最大值法。年超大值与年最大值选样法有相互转换关系。 对年超大值选样法，在n 个资料中，如有s 个大于或等于x 值，则x 的概率 兄= j i n 由于x 在每年的资料中可能出现为最大值，次大值，或最小值，因此 其出现的机会尼比年最大值出现的机会为大，即吃 p m 。他们二者之间 的关系可以根据概率相乘定理求得：= l - e 一尼 将上式用级数展开可以证明：当兄 z 幢 即对于指定的极限风险控制指标( 水库校核洪水位z 技或保坝水位z 保) ，在 某一调整的汛限水位z 方案下，遭遇各种频率设计洪水，其中某一频率设计 洪水的调洪最高水位z ( z ，) 等于极限风险指标z 控，则此频率就作为该汛限 水位z 。的极限风险率b 。 1 3 研究内容 水库汛限水位是为预防可能出现的洪水，确保大坝及下游安全，汛期水 库允许蓄水的上限水位。汛限水位是发挥水库功能的一个重要水位，是防洪 与兴利的结合点，因此，不仅设计时需根据水库本身保坝标准、水库下游的 防洪标准和灌溉、发电、供水等因素，经综合分析和研究论证，确定汛期限 制水位，而且实时调度中更需依据实时水、雨、工情动态控制汛期限制水位。 目前确定汛限水位的方法是，在实测序列中每年选一个最大值( 不管发生在何 月何日) ，根据该最大值序列进行频率计算推求设计暴雨( 或洪水) ，再经过产 汇流、调洪计算推求汛限水位。该汛限水位则作为整个汛期( 北方地区一般为 6 - 9 月) 的防洪限制水位。该法的基本假定是，同一量级暴雨在汛期中任一时 段发生的频率相同。事实上，暴雨是由气候条件所决定，在汛期中不同时刻 同一量级暴雨发生的频率显著不同，越靠近主汛期，其发生的频率越高。 掘此，本文以门楼水库为研究对象，在通过对门楼水库暴内洪水成因分 析，论证确定合理的暴雨洪水分期，由流域的实测降水资料分析确定分期设 计暴雨( 或分期设计洪水) ，根据洪水预报方案进行预报调度，并根掘分期洪 水和预报调度研究变动汛限水位的可行性，进而确定水库汛限水位，在保证 水库安全的附提下，增加水库的兴利效益，为缓解烟台市水资源紧缺局面发 山东大学硕士学位论文 挥更大的作用。 第二章门楼水库概况及汛限水位研究的可行性分析 2 1 门楼水库概况 门楼水库地处大沽夹河支流内夹河下游，控制流域面积1 0 7 9 k m 2 。大沽夹 河为烟台市两大河流之一，由内、外夹河组成，控制总流域面积2 2 9 6k m 。 门楼水库坝址以上流域地貌为低山丘陵区，其中山地面积占8 0 ，丘陵占2 0 9 6 。 流域内多系片麻岩，风化严重，土壤以砂壤土、壤土为主，其次为砂土。土 壤透水性较好，肥力一般，适宜温带植物生长，森林覆盖率在2 1 7 以上。 门楼水库流域上游有庵里中型水库i 座，控制流域面积1 5 0k 酽，总库容7 5 0 3 x1 0 m 3 ，兴利库容3 8 1 0 1 0 i m 3 。门楼水库至庵里水库区间有小型水库8 0 座， 其中小( 1 ) 型水库l o 座，小( 2 ) 型水库7 0 座，控制净流域面积1 9 2k m 2 ，总库 容4 4 3 9 7 x1 0 4 m 3 ，兴利库容2 8 2 7 3 1 0 4 一。 门楼水库是烟台市最大的地表蓄水工程，承担着烟台市区防洪和供水双 重任务。水库主要特性指标见表2 一l 。 表2 - 1门楼水库主要工程指标情况表 工稃地点福山区门楼镇坝型粘七心墙砂壳坝 流域面积1 0 7 9k m 2 主 坝长 1 4 4 0 m 干流坡度 0 0 0 1 7 8 坝 坝顶高拌 3 7 1 m 多年平均降雨量6 8 6 4 m最大坝高2 3 2 2 m 校核( p = o 0 1 )3 3 4 6 犁式露顶式溢洪闸 水位 设计( p = 1 )3 1 6 5 溢 堰顶高程 2 5 3 8 m 洪 ( m ) 兴利水位 3 0 6 8 闸 闸孔数 1 2 孔 死水何2 0 5 0 闸门尺寸 l o 6 m 总i 车容2 0 2 放 断面尺寸 由2 5 由2 o m 水 调洪库容o 6 6 洞 最大泄鼙3 7 8 2 1 3n 1 3 s 库容 防洪阵容( p - 1 ) o 2 l工 设计灌溉面积 1 4 9 万宙 程 ( 1 0 兴利序容i 2 6 4 设计城市供水昔 1 7 1 x 1 0 1 t d 效 北库容 o 1 0 益校核洪水时削峰 2 1 8 2 山东大学硕士学位论文 注：表中数据为1 9 9 6 年加吲设计结果。 2 2 实测水文资料 门楼水库于1 9 6 0 年“月建成蓄水，于1 9 6 0 年5 月设立水文站，自1 9 6 1 年起至今有系统连续的雨量、水位、蒸发、流量观测资料。 门楼水库流域内共有1 2 处国家雨量站，其中门楼、庙后、藏格庄( 臧家 庄) 、邓格庄、栖霞五站为常年观测站，河东村、大庄头、引家夼、罗格庄、 百佛院、邹家、金山店子七站为汛期观测站。栖霞和邹家2 处雨量站位于庵 里水库坝址以上，其它1 0 处站为门楼水库一庵里水库区间内。1 9 8 8 年，根据 门楼水库防汛的需要，门楼、庙后、大庄头、藏格庄和庵里5 处站设为t l 动 遥测雨量站。流域内各雨量站情况见图2 一l 。 2 3 暴雨洪水特性 门楼水库流域属暖温带季风型大陆性气候，四季分明。因距海较近，同 时，具有明显的海洋性气候特征，年内温差较小。 2 3 1 暴雨特性 流域暴雨洪水多发生在夏季七、八两个月，季节特征明显，降水量的年 际变化较大。根据流域内门楼、藏格庄、庙后、栖霞、邓格庄五个雨量站1 9 6 4 年至2 0 0 1 年3 8 年降雨量统计计算，流域多年平均降雨量6 8 6 4 m m ，最大年降 雨量发生在1 9 6 4 年为1 0 4 7 8 m m ；最小年降雨量发生在1 9 8 6 年为3 8 3 6 m ， 丰枯比为2 7 3 。单站年降雨量最大的栖霞站，1 9 6 7 年降雨量为1 3 8 6 4 m m ：最 小的藏格庄站，1 9 8 6 年降雨量为3 4 4 m m ，丰枯比为4 0 3 。降雨量年内分配也 不均匀，主要集中在汛期6 - _ 9 月份，多年平均汛期降雨量4 9 1 7 m ，占年降 雨量的7 1 6 ，暴雨多发生在7 8 月份，在降雨的空间分伟上，短历时降雨 的中心位置有时较为明显且随机性强。暴雨中心多发生在流域南部和西南部， 有时也发生在流域北部，如系列中的1 9 8 2 年。根据流域1 2 个雨量站3 8 年实 测降雨量计算，门楼水库流域多年平均最大2 4 h 和7 2 h 面雨量分别为9 5 6 m 和1 1 7 6 m m ，最大2 4 h 降雨量2 2 0 2 m m ，发生于1 9 8 2 年8 月2 5 同，最小2 4 h 降雨量3 8 5 m m ，发生于1 9 9 3 年6 月2 7 日。最大7 2 h 降雨量2 2 7 3 m m ，发生 于1 9 9 7 年8 月1 9 日，最小7 2 h 降雨量4 1 m m ，发生于1 9 8 9 年8 月2 5 同。门 楼水库自1 9 6 4 年以来实测到的大暴雨有2 次，分别是1 9 6 5 年7 月2 7r 和1 9 9 7 年8 月1 9r 暴雨，实测到的特大暴雨有一次，为1 9 8 2 年8 月2 5 只。受1 9 8 2 山东大学硕士学位论文 年1 3 号台风和冷空气过境的影响，流域普降了一场特大暴雨，最大点暴雨发 生在流域北部罗格庄，最大2 4 h 点雨量2 9 9 4 m m ，全流域最大2 4 h 面阿量为 2 2 0 2 m m ，水库实测入库洪峰流量为3 1 8 3 m 3 s ，3 日洪水总量1 4 1 6 5 x1 0 4 m 3 。 流域不同时段降雨情况见表2 - 2 。 图2 - 1 流域内各雨量站分布图 4 山东大学硕士学位论文 表2 - 2门楼水库1 9 6 4 - - 2 0 0 1 年不同时段年降雨量均值表 时间 2 h 3 h 6 h2 4 h7 2 h 项目 面雨耸( m )3 2 84 3 36 2 99 5 61 1 7 6 全流域 白- 分比( )3 4 34 5 36 5 81 0 01 2 3 区间 面雨量( m m ) 3 3 04 3 56 2 79 5 31 1 7 2 流域 百分比( ) 3 4 64 5 66 5 81 0 01 2 3 2 3 2 洪水特性 清洋河为典型的山溪性雨源型河流，河道流量与降水量变化规律一致， 且年内、年际变化较大。枯季流量较小，洪水集中在汛期。门楼水库坝址以 上多年平均净来水量1 4 7 8 1 0 8 m 3 ，其中汛期6 _ _ 9 月份为1 1 4 6 xi 0 w ，占 年净来水量的7 7 5 。年际变化也很大，最大的1 9 6 4 年，净来水量为4 2 9 1 0 8 一：最小的1 9 8 9 年，净来水量为0 1 6 5 1 0 8 m ，丰枯比为2 6 。门楼水库流 域地处山丘区，干流坡度较大，洪水陡涨陡落，一次洪水过程持续时间不长， 历年较大洪水历时一般在3 0 h 左右，最大也不超过7 2 h 。水库自建成有实测洪 水资料的1 9 6 1 年至2 0 0 1 年4 1 年间，入库洪水洪峰流量大于1 0 0 0 m 3 s 的洪水 有1 1 次，大于2 0 0 0 m 3 s 的洪水有3 次，其中年最大洪峰流量为3 1 8 3 m 3 s ，发 生于1 9 8 2 年。年最小洪峰流量为5 4 m s s ，发生于1 9 8 9 年。 2 4 门楼水库开展汛限水位研究的必要性和可行性 门楼水库所在流域多年平均降水量为6 8 9 3 m m ，汛期平均降水量为 4 9 3 2 m m ，其中7 8 月为3 5 2 5m i l l ，占整个汛期降水量的7 1 5 。相对降水量 雨言，来水量更为相对集中。全年平均来水量为1 6 6 9 7 4 1 0 m ，汛期平均来 水量为1 4 4 3 3 2 x1 0 4 一，而7 8 月为9 4 4 7 8 1 0 4 m 3 ，占整个汛期束水量的6 5 5 ，占全年平均来水量的5 6 6 。在1 9 6 0 2 0 0 1 水库建成运行后的4 2 年期l 日j ， 该流域总降水量( 包括年降水量、汛期降水量和7 8 月份降水量) 和总来水 量( 包括年来水量、汛期来水量和7 - 8 月份来水量) 都有不断下降的趋势。 同时也存在有明显的连丰、连桔段，对降水量而言，六十年代初期和七十年 代初期均为丰水段，而八十年代后期为枯水段。对来水量而言，六十年代初 期和七十年代初中期均为丰水段，而六十年代后期、八十年代后期和九十年 山东大学硕士学位论文 代后期存在有明显的枯水段。 分析门楼水库历年最高、最低库水位( 相应库容) 及其相应发生日期得 出，若扣除枯水年由于来水量少，用水量大，水库无法蓄水的实际情况的影 响( 例如1 9 8 9 年和1 9 9 9 年为特枯年，全年几乎没有来水) ，历年最高库水位和 最低库水位有不断增加的趋势，水库的兴利效益在不断增大。究其原因，一 方面是由于水库除险加固工程的完成为水库蓄更多的水提供了可能，另一方 面也说明对该水库的兴利要求也越来越高。近年来汛末的蓄水量较以前有明 显增加( 除1 9 8 9 年特枯年之外，因为该年没水可蓄) ，说明水库在汛期做好 防洪调度的同时，也对兴利调度越来越重视，水库的兴利作用也越来越大。 水库自建成运行以来，于2 0 0 1 年9 月8 日出现最高库水位3 0 0 6 m ，该年 汛末( 1 0 月1 只) 蓄水量为1 2 1 4 4 1 0 4 一，全年弃水6 1 9 8 x 1 0 ”m 。年最高库 水位大于2 9 o o m 的有1 4 年，而在这1 4 年中每年都有大量弃水，弃水量最小 的一年仅汛期也达到2 8 8 2 ) 1 0 4 3 。而对于l o 月1 日( 汛末) 而言，蓄水量最 大的是2 0 0 1 年，蓄水量为1 2 1 4 4 ) 1 0 4 m 3 ( 相应库水位为2 9 9 7 m ) 。蓄水量上 亿的年份有7 年，都发生在1 9 9 0 年之后。除2 0 0 1 年以外，蓄水位都没有达 到目前采用的水库兴利水位，造成大量水资源浪费。以1 9 8 2 年为例，该年最 高蓄水位在8 月2 6 臼达到2 9 8 0 m ，而1 0 月1 日( 汛末) 水库蓄水量仅为1 6 5 0 x1 0 4 一，当年弃水量为1 5 5 7 9 1 0 4 一，汛期弃水量就有1 4 8 7 6 1 0 1 m 1 。又如1 9 9 5 年，该年最高库水位在9 月2 9 日( 汛末) 达到2 9 1 4 m ，1 0 月lr 水库蓄水 量为1 0 5 4 6 1 0 4 m 3 ，接近目前采用的兴利库容，而当年仍有弃水1 0 0 2 5 1 0 4 m 3 ， 其中汛期弃水9 6 0 0 1 0 4 一。可见，该流域仍有部分水资源没有得到充分利用， 从资源角度讲进一步增加水库兴利蓄水是可行的。 目i j l ，门楼水库的除险加固工程已全部完成，下游河道的防洪标准也有 了进一步的提高，从工程方面为该水库更好的发挥其兴利效益也奠定了基础。 同时，烟台市水资源供需矛盾日趋突出，门楼水库作为城市供水的主要水源 发挥着越来越重要的作用。因此，加强对门楼水库汛限水位的研究，在保障 水库安全的前提下，尽量减少弃水，增加兴利蓄水既十分必要又完全可行。 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章流域设计暴雨计算方法研究 3 1 门楼水库汛期的划分 北方大部分地区汛期一般为6 月初n 9 月末，但主汛期一般都在7 、8 月 份内，同一量级的暴雨在主汛期发生的概率远远大于汛期中其它时期发生的 概率。随着季节的变化，降雨从6 月初开始逐渐由小变大，n 7 、8 月份中某一 时期达到最大值，之后又逐渐减小。基于季节变化的物理成因，汛期中不同 时期应有不同的设计暴雨，越靠近主汛期其值越大，反之则小。也就是说， 同一频率下的设计暴雨应该是随时间变化的一条曲线，即设计暴雨过程线。 对某流域而言，气候变化一般来讲是一个渐变过程，一年中降水量的变化 也应是一个渐变过程，因此，从理论上讲，汛期时段的划分可以以任何单位 进行划分( 如一天、一句、一月等) ，但分期过细也具有缺点。首先，在序列 较短的情况下，分期越细，各序列的代表性会受到一定的影响；其次，分期 越细，各分期的组合情况就越多，分期汛限水位就越复杂，实际操作性就越 差。门楼水库汛期的时段划分可从所在流域较大洪水( 或暴雨) 发生的统计规 律和降雨成因两方面来分析确定 门楼水库所在流域的汛期为6 月1 日至9 月3 0 日，较大洪水发生频率( 各分 期内较大洪水发生次数与整个汛期内较大洪水发生次数之比) 及发生时间见 表3 - 1 ，较大暴雨发生频率( 各分期内较大暴雨发生次数与整个汛期内较大暴 雨发生次数之比) 及发生时间见表3 - 2 。门楼水库流域内，降水的水汽主要来 自太平洋和印度洋，水汽随东南季风和西南季风进入内陆，与西北南下的冷 空气相遇，冷暖气团形成锋面是造成降雨的主要原因。强度较大的流域性降 雨多发生在6 月和7 月，局部性大暴雨多发生在8 月份，主要由台风引起。从洪 水( 或暴陶) 成因方面来讲，整个汛期可划分为前汛期、主汛期和后汛期。 表3 - 1较大洪水发生频率统计表 频率月份 叫 67 89 洪峰流窜、 5 91 7 6 5 8 8 1 7 6 q 麻1 0 0 ( 2 8 ) ( 2 4 - - 3 1 )( 2 - 2 s )( 1 “) 1 7 山东大学硕士学位论文 02 3 16 9 27 7 q 2 0 0 ( o ) ( 2 4 - - 3 1 ) ( 2 - 2 5 )( 5 ) 01 2 58 7 50 级5 0 0 ( 0 )( 3 1 )( 2 2 5 )( o ) 001 0 0 0 幺1 0 0 0 ( 0 )( o )( 2 2 5 )( o ) 注：表中括号内的数字为洪水发生日期。 表3 _ 2较大暴雨发生频率( 次数) 统计表 月6 789 发生( 旬) 率 暴蚋) 上 由 下上 由 下上中f上 由 下 量级( m ；入 1 6 0 0 ( 1 2 )2 9 3 3 ( 2 2 ) 4 9 3 3 ( 3 7 ) 5 3 3 ( 4 ) p 5 0 o1 3 31 4 6 71 0 , 6 7 | 5 3 31 3 3 31 6 0 0 1 2 i , 3 3 1 2 0 04 0 00i 3 3 l i ( 0 )( i )( 1 1 )( 8 )i ( 4 )( 1 0 )( 1 2 )l ( 1 6 )( 9 )( 3 )( 0 ) ( i ) 1 7 1 5 ( 6 ) 2 0 0 0：7 ) 6 0 0 0 ( 2 1 )2 8 6 ( 1 ) p 7 0 o1 2 ，8 61 4 2 98 5 7 1 5 7 l 5 7 1 8 5 7 3 4 2 9 1 7 1 42 8 600 lil ( o ) | ( 1 )( 5 )( 3 )i ( 2 )( 2 )( 3 )i ( 1 2 )( 6 )( 1 )( 0 ) ( 0 ) 9 0 9 ( 1 )1 8 埔( 2 )7 2 7 3 ( 8 ) o p 1 0 0 ol o1 9 0 9 ：。，b 9 o g p 皆 000 ll ( o ) ( o )f ( 1 ) ( 1 ) ( o ) ( o )( 0 ) o01 0 0 ( 2 )o p 1 5 0 。 ：。，| 0 0 ) 0o1 5 01 5 0000 il ( o ) i ( o )l ( o ) ( 0 )( o ) | ( 1 )l ( 1 ) ( 0 )( o )( 0 ) 注：表中括号内的数据为暴雨住整个汛期发生次数。 根据以上门楼水库所在流域较大洪水( 或暴雨) 发生的统计规律和降雨成 因两方面因素，门楼水库汛限水位时段划分可采用三种划分方式。即采用三 种分期，一是按旬划分，将整个汛期( 6 月1 日至9 月3 0 日) 分成1 2 个阶段；二 是按月划分，将整个汛期分成4 个阶段：三是按门楼水库所处胶东半岛气候特 点，结合其上游流域多年来实测降雨资料的统计分析，将整个汛期分为五期： 即6 月1 r 至2 0 只( 第分期一初汛期) 、6 月2 1 日至7 月2 0 1 7 ( 第二分期) 、7 f l 2 l 同至8 月l o 同( 第三分期，前主汛期) 、8 月1 1 日至3 1 日( 第四分期，后主汛期) 、 1 8 山东大学硕士学位论文 9 月1 日至3 0 日( 第五分期一末汛期) 。 本文只给出第三种分期方法即按成因分期的有关结果。 3 2 分期设计暴雨的确定 3 2 1 分期设计暴雨、分期设计洪水、分期汛限水位的基本概念 若将汛期( 如6 月1 日至9 月3 1 日) 划分成若干时段，求出各时段不同频率的 设计暴雨( 或设计洪水) ，称为分期设计暴雨( 或分期设计洪水) ，再根据下游 防洪等限制条件经水库调洪计算，便可由分期设计暴雨( 或分期设计洪水) 求 出各时段相应的汛限水位，称为分期汛限水位。 3 2 2 现方法存在的问题 通常确定设计暴雨的方法是在流域实测面平均雨量序列中，每年选一个 一定历时的最大值，根据该最大值序列进行频率计算，求出所需频率的设计 暴雨值，以此作为流域整个汛期的设计暴雨值。该法隐含的基本假定是：随 机变量x ( 大于等于某一量级的雨量) 在论域u ( 汛期) 内任一区间发生的频率相 同，h p x 在u 内服从均匀分布：年最大值序列中任一变量( 不论发生在汛期何 时) 均服从同一组参数的分布。 通过计算发现，通常在设计暴雨计算时的隐含假定是不成立的。为了合 理的确定旬设计暴雨值，需对实测数据进行处理和对设计暴雨计算方法进行 研究。 3 2 3 分期设计暴雨的计算方法 针对目i j 年设计暴雨计算方法存在的不足，同时为汛限水位研究奠定基 础，本文提出四种设计暴雨计算方法，简介如下。 方法1 ：对于各时段一日或三日最大值序列，分别计算各序列的统计参 数，再将各序列分别减去各自序列的均值，得到消除均值影响的最大值序列， 对于消除均值影响的最大值序列，用鼍表示第i 时段一r 或三日最大值序列 随机变量，由于已消除了序列均值的影响，可认为任一时段一只或三月最大 值序列随机变量均服从于其相应的某一组参数的r 分布，每年选一个最大值， 则可得到年一同或三日降雨最大值序列( 消除区间均值影响) ，利用配线法可 求得不同频率的设计暴雨值，该值加上各时段的均值，即可求得各时段不同 频率一闩或三同设计暴雨值。 1 9 山东大学硕士学位论文 方法2