（水文学及水资源专业论文）跋山水库洪水调度及汛限水位研究.pdf

l j j 东大学硕士学位论文 摘要 山东省是我国水资源短缺最严重的省份之一，经济社会发展始终受干旱缺水的制 约，并逐渐加剧。与此同时，全省水利工程蓄水能力不足，汛期洪水资源利用程度低， 洪水资源仍具有很大的开发利用潜力，也是目前存在的主要问题。为了充分利用洪水资 源，以水库除险加固为契机，优化水库汛期调度方式，对现行水库汛限水位进行调整， 提高水库供水能力，是有效缓解山东省水资源短缺现状的现实选择和迫切要求。 本文以山东省第三大水库跋山水库为研究对象，开展水库洪水调度及汛限水位合理 确定的研究工作，具体研究内容如下： 首先，从分析论证跋山水库汛限水位调整的必要性及可行性出发，对水库汛期分期 的划分、分期设计洪水推求等方面进行研究。 其次，在对现有分期汛限水位设计中存在的问题进行分析论述的基础上，探讨了利 用概率论中独立事件的概率组合原理定义水库分期洪水调度情况下的防洪标准问题；对 水库防洪风险率的计算方法及水库汛限水位调整后的效益展开了重点分析研究。 最后，对水库预报预泄调度原理加以介绍。根据水库预泄能力，在主汛期汛限水位 的基础上，分析确定主汛期汛限水位允许上浮的水位值。提出在水库实时调度过程中， 采用汛期分期汛限水位与实时根据预泄能力调整水位相结合的汛期水位控制模式，可更 加充分的利用汛期洪水资源，最大限度的提高水库供水能力。 关键词：供水能力：分期洪水调度；分期汛期水位；预报预泄调度；预泄能力 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h a n d o n gp r o v i n c ei so n eo ft h em o s ts e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ei no u r c o u n t r y t h ee c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n th a sa l w a y sb e e nc o n s t r a i n e db yt h ed r o u g h t a n dw a t e rs h o r t a g e ，a n dg r a d u a l l yi n c r e a s e d m e a n w h i l e ，t h ec o n s e r v a n c yp r o j e c t sa c r o s st h e p r o v i n c el a c ko fs t o r a g ec a p a c i t y ，t h eu t i l i z a t i o nd e g r e eo ff l o o dr e s o u r c e si sl o w ，t h e r ei s g r e a tp o t e n t i a lf o rt h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o n f o rt h es t a t u sq u o ，g i v ef u l lp l a yt ot h e r o l eo ft h ee x i s t i n gs t o r a g er e s e r v o i r , o p t i m i z ef l o o ds c h e d u l i n ga p p r o a c ho ft h er e s e r v o i r , t a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ef l o o ds e a s o no fr e s o u r c e s ，a n dr e d u c ed i s p o s a b l ew a t er t oi n c r e a s e w a t e rs u p p l yc a p a c i t y i ti st h es t a t u sq u oa n du r g e n td e m a n df o rt h ee f f e c t i v em i t i g a t i o no f t h es t a t u so ft h er e g i o n a lw a t e rs h o r t a g e i nt h ep a p e lt h et h i r dl a r g e s tr e s e r v o i ri ns h a n d o n gp r o v i n c eb a s h a nr e s e r v o i ra st h e r e s e a r c ho b j e c t ，t oc a r r yo u tf l o o dc o n t r o lr e s e r v o i r sa n df l o o dc o n t r o ll e v e lt od e t e r m i n ea r e a s o n a b l er e s e a r c h s p e c i f i cs t u d i e sc a r r i e do u tt h ef o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，a n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o no ft h en e e da n dt h ef e a s i b i l i t yo fa d ju s t i n gt h e f l o o dc o n t r o ll e v e l t oc a r r yo u tr e s e a r c ho ft h ed i v i s i o no ft h ef l o o ds e a s o ni nt h er e s e r v o i r a n ds e a s o n a lf l o o da n ds oo n s e c o n d l y ，t h ee x i s t i n gp h a s e si nt h ed e s i g nf l o o dw a t e rl e v e lp r o b l e m so nt h eb a s i so f a n a l y s i st oe x p l o r et h eu s eo fp r o b a b i l i t yt h e o r yt h ep r o b a b i l i t yo fa ni s o l a t e di n c i d e n ti nt h e c o m b i n a t i o no ft h ep r i n c i p l eo ft h ed e f i n i t i o no ft h er e s e r v o i ri ns t a g e si nc a s eo ff l o o dc o n t r o l f l o o dc o n t r o ls t a n d a r d s ；a n dt h er a t eo fr e s e r v o i rf l o o dr i s kc a l c u l a t i o ns t e p sa n dt h er e s e r v o i r w a t e rl e v e li nf l o o d b e n e f i ta n a l y s i sa d j u s t e dt h ef o c u so fa n a l y s i sc a r r i e do u t f i n a l l y , t h ep r e d i c t i o no fr e s e r v o i rs c h e d u l i n gp r i n c i p l eo fp r e d i s c h a r g et ob ei n t r o d u c e d ， i na c c o r d a n c ew i t hp r e - d i s c h a r g ec a p a c i t yo ft h er e s e r v o i r ，i nt h em a i nf l o o ds e a s o nt h ew a t e r l e v e lo nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s t h em a i nf l o o ds e a s o nt h ew a t e rl e v e lt oa l l o wf l o o dw a t e r l e v e lf l o a tv a l u e p r o p o s e dr e a l - t i m es c h e d u l i n gi nt h ep r o c e s so ft h er e s e r v o i lt h ew a t e rl e v e l i nf l o o ds e a s o ni np h a s e sa n dr e a l - t i m ea d j u s t m e n t sb a s e do np r e - d i s c h a r g ec a p a c i t yo ft h e f l o o dw a t e rl e v e li nt h ec o m b i n a t i o nm o d eo fw a t e rl e v e lc o n t r 0 1 c a nb em o r ef u l l yu t i l i z e d r e s o u r c e si nt h ef l o o ds e a s o n ，t om a x i m i z et h ei m p r o v e m e n to fw a t e rs u p p l yc a p a c i t yo ft h e r e s e r v o i r k e y w o r d s ：w a t e rs u p p l yc a p a c i t y ；s e a s o n a lf l o o dc o n t r o l ；s e a s o n a lf l o o dc o n t r o lw a t e rl e v e l ； f o r e c a s t i n gp r e d i s c h a r g ef l o o dc o n t r o l ；p r e d i s c h a r g ec a p a c i t y i 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 他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献 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：埠 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：埤导师签名： 日飙逝p t l f 东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的意义 山东省是我国北方地区资源性缺水最严重的省份之一。据统计，全省多年平均水资 源量3 0 8 亿m 3 ，仅为全国水资源总量的1 1 。人均水资源占有量3 4 4m 3 ，仅为全国人 均占有量的1 4 7 ，为世界人均占有量的4 ，远远小于国际公认的维持一个地区经济 发展所必须的1 0 0 0m 3 的临界值，位居全国各省( 市、自治区) 倒数第三位。亩均水资 源占有量3 0 7m 3 ，也仅为全国亩均占有量的1 6 7 。全省一般年份缺水1 0 0 亿m 3 ，特 枯年份缺水1 8 0 亿m 1 l ，干旱缺水的影响范围，已经由农业扩大到整个国民经济，乃 至生态环境和社会安定，水资源短缺己成为制约山东经济社会发展的一大“瓶颈”。 与此同时，山东省洪水资源利用程度低也是目前存在的主要问题。全省多年平均降 水量6 8 0 9 m m ，折合降水总量1 0 4 0 亿m 3 ，多年平均汛期降水量5 1 7m m ，折合降水总 量7 9 1 亿m 3 。全省地表水资源量2 2 6 亿m 3 ，地下水资源量1 5 2 亿m 3 ，扣除地表、地下 水的转化重复量7 0 5 亿m 3 ，全省水资源总量为3 0 8 亿m 3 。据计算，全省水利工程多年 平均拦蓄量8 3 8 亿m 3 ，仅占地表来水量的2 7 6 ，约有7 0 的洪水资源入海或出省境， 使宝贵的水资源没有得到充分利用。 山东省水利工程总蓄水能力1 3 0 亿m 3 ，其中，大中型水库总蓄水能力约8 0 亿m 3 ， 占6 2 。因此，洪水资源利用程度低，除这些大中型水库本身存在蓄水能力有限的问题 外，多数水库汛末完不成蓄水计划，也是洪水资源不能最大限度利用的原因之一。据对 沂沭河流域9 座大型水库的统计分析，各水库汛末完成蓄水计划的水库年数只占总水库 年数的4 2 。究其原因，主要有两方面，一是平、枯水年降水量少，需水量多，水库 就是不泄洪弃水也完不成蓄水计划；二是丰水年主汛期“限蓄废泄，后汛期几乎无水 可蓄。据1 9 7 0 - - 1 9 9 1 年沂沭河流域9 座大型水库2 2 年蓄泄资料分析，先后1 1 个年份、 3 9 个水库年次出现过因“限蓄废泄而蓄水不足的情况，总“限蓄废泄水量为1 3 6 7 亿m 3r z 。 由以上统计数据可见，山东省水资源还有相当一部分没有得到充分利用，开发潜力 很大。目前，全省大中型水库的除险加固工作已经全面完成，截至到2 0 0 8 年7 月，全 省的1 1 7 9 座小型病险水库除险加固主体工程也已完工。水库除险加固后，防洪标准大 大提高，为水库多蓄水兴利、充分利用汛期洪水资源提供了可靠保证。因此，如果采用 更为科学合理的非工程措施，优化洪水调度，水库达到汛末计划蓄水量的潜力是极为可 山东大学硕士学位论文 观的。据分析，全省大中型水库不“限蓄废泄”洪水资源年约可增加蓄水量2 0 亿m 3 ， 如果能充分利用这些洪水资源，将在一定程度上缓解全省水资源短缺的紧张局面。 采用科学合理的非工程措施，优化洪水调度，提高洪水资源和水能资源利用率，发 挥水库综合利用效益，其中一个重要课题就是科学合理地设计与运用汛限水位。汛限水 位是水库洪水调度任务的基础，在制定某一控制运用方案时，应首先根据设计要求确定 水库的汛期防洪限制水位。在以往的常规调度中，为防洪安全，水库在整个汛期内都要 按设计洪水推求出防洪限制水位，所预留的防洪库容，直到汛期结束才能蓄水。因此， 汛限水位设置的不合理，是导致水库汛期“限蓄废泄”，而汛末又无水可蓄的主要原因。 为此，作为解决水库防洪与兴利突出矛盾的重要运行参数一水库汛限水位合理确定，是 在保证防洪安全的前提下，充分利用洪水资源，解决目前山东省水资源短缺现状的现实 选择和迫切要求。 汛限水位的合理确定，是水库做到防洪与抗旱并举，实现水资源优化配置的关键技 术问题。研究和论证这一问题，首先应满足三个基本前提：一是水库防洪能力必须满足 设计及校核洪水标准要求；二是水库下游河道必须满足设计的安全泄量要求；三是洪水 预报要求较高的精度和一定的预见期。在这三个前提下，合理确定汛限水位，主要有两 种途径：( 1 ) 分期洪水调度。通过对影响流域整个汛期降水的天气环境条件及天气系 统进行统计分析，可以找出各影响降水的气象要素，暴雨发生的频次及强度等由强变弱 的转折点，据此将整个汛期划分为主汛期和后汛期两个时段，以确定水库相应的汛限水 位，水库可由汛期一级控制运用改为两级控制运用，以此增加一定的兴利库容。( 2 ) 洪 水预报调度。通过研究洪水预测预报的精度和一定的预见期，并根据水库下游河道的安 全泄量条件，考虑一定的安全系数，就可以确定水库在原设计汛限水位以上的超蓄水量。 从而可以对原设计汛限水位进行合理调整，以增加兴利效益。 1 2 论文研究的目标 跋山水库为山东省第三大水库，位于淮河流域沂沭河水系沂河干流中上游，沂水县 城西北1 7 5 k m 的大伴城村北，水库大坝工程于1 9 6 0 年5 月建成，总库容5 2 9 亿m 3 ， 兴利库容2 6 7 亿m 3 ，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、水产养殖、水上旅游等综 合利用的大型水利工程。主体工程包括大坝、溢洪道、放水洞、东西砌石坝及电站等， 水库控制流域面积1 7 8 2 k m 2 ，多年平均降雨量7 3 6 m m ，多年平均来水量4 0 5 亿m 3 。跋 山水库属沂河干流上的控制性工程，是下游灌区和沂水城区居民生产生活用水的主要水 2 山东大学硕士学位论文 源地。 水库自建库以来，来水量分布极不均匀。多年平均来水量为4 0 5 亿m 3 ，最大年( 1 9 6 4 年) 来水量为1 5 7 9 亿m 3 ，是平均年份的3 9 3 倍；最小年( 1 9 8 1 年) 来水量0 2 0 亿 m 3 ，是多年平均来水量的5 ，最大年来水量是最小年来水量的7 8 倍。从纵向看，6 0 年代平均年来水量为5 7 8 亿m 3 ，7 0 年代以前年均来水量为4 0 8 亿m 3 。多年平均来水 量同逐年趋向发展相比，从年内来看，每年来水量1 2 个月间，基本集中在7 月1 5 日一8 月2 5 日4 0 天时间内，来水占8 0 。年内分布不均，给水库蓄水调水、下游用水带来了 极大困难口1 。因此，如何利用好汛期洪水资源成为提高水库供水能力的关键。 水库运行多年，整个工程由于当时施工标准低，存在诸多问题，曾多次出现严重险 情，使水库在近五十年的运行中，汛期不敢多蓄水，库水位多年维持在较低的1 7 5 m 汛 限水位以下，水库丰水年汛期始终处于“限蓄废泄”的状态，造成大量弃水，使汛期水 资源得不到充分利用，而汛末因来水减少又无水可蓄。下游灌区常常因需水期水库供水 不足，灌区多年实际灌溉面积不及有效灌溉面积的1 5 。显然按现状，供水不能满足农 业灌溉要求，水库效益、灌区效益得不到充分发挥，制约着当地国民经济的发展。 针对存在的问题，水库先后进行了4 次续建加固。其中1 9 9 8 - - 2 0 0 1 年投资1 2 9 6 0 万元进行了全面除险加固；2 0 0 2 年9 月加固主体工程完工验收；2 0 0 7 年2 月整个除 险加固工程竣工验收，并被评为优良等级。工程加固完成后，水库防洪标准由三百年一 遇提高到万年一遇，下游保护范围最高防洪标准由二十年一遇提高到五十年一遇姜- 防洪 标准的提高，为水库增蓄水量，充分利用汛期洪水资源提供了可靠保障。 为了提高水库供水能力，开发利用汛期洪水资源，改变水库长期以来主汛期“限蓄 废泄”，而汛末又无水可蓄的状态，缓解水库灌区的缺水现状。本文结合跋山水库的实 际情况，按水库加固后的设计标准，对原汛限水位进行调整。分别从分期洪水调度与洪 水预报调度两种途径，对汛限水位的合理确定进行研究。研究采用汛期分期控制水位与 根据预泄能力调整水位相结合的汛限水位控制模式。其结果为跋山水库汛期洪水实时调 度提供科学依据，同时也为山东省其他水库开展汛限水位合理确定的研究工作予以借 鉴。 1 3 水库洪水调度与汛限水位研究现状及进展 1 3 1分期洪水调度的研究现状及进展 我国大部分地区属季风气候区，多数河流的洪水由暴雨所致，暴雨特性和量级大小 山东大学硕士学位论文 在整个汛期内的不同时候有所不同。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，分期进行防汛调度，逐步抬高防洪限制水位， 使原来只能用于防洪的部分库容既可用来防洪，又可用来兴利。因此，开展水库分期洪 水调度，已成为合理确定汛限水位的重要途径。 分期洪水调度需要解决两个关键问题：一是汛期分期的划分、二是分期汛限水位的 确定。目前我国许多学者对这两个问题进行了有益的探索，其应用已取得了一定的成效。 ( 1 ) 汛期分期划分的研究现状及进展 汛期分期方法是水库汛期划分的技术手段，合理的汛期划分是实现汛限水位分期控 制的基础，是洪水资源化研究的重要组成部分。 冯尚友等人1 针对丹江口水库调度的需要对汛期划分进行了研究，主要包括两个方 面的分析：一是水文统计分析，具体分析了单站多年旬平均雨量、多年旬平均流量、七 日最大降雨量的时间分布、历年最大洪峰流量出现过程；二是气候成因分析，具体分析 了各种天气系统的变化过程。基于以上两个方面的综合分析，提出了丹江口水库汛期分 期的划分方案。 陈守煜哺1 从水文系统模糊集分析的哲学观点出发，指出传统的汛期描述方式是根据 水库所在流域的水文气象条件、历史暴雨、洪水等资料的分析，硬性规定汛期的起止时 间，这种“要么是汛期，要么不是汛期 非此即彼的汛期描述方式，严重影响了水库兴 利效益的发挥。明确提出汛期的边界不清晰，是客观存在着的模糊现象，应该用模糊集 理论加以分析。并提出了了水文成因，概率统计，模糊集分析相结合的确定汛期隶属函 度的综合性方法。 侯玉、吴伯贤等人1 用分形理论对洪峰散点序列进行了分析，发现洪峰散点序列在 一定尺度范围内表现出自相似性，初步证明洪峰散点序列是一种分形。提出了用分形理 论划分洪水分期的方法，并以雅垄江小得石站洪水分期研究为例。结果显示，用分形法 划分的洪水分期和传统的经验方法划分的洪水分期基本一致，但和传统方法相比，新方 法的优点较为客观。 刘攀、郭生练等人口1 利用变点分析理论对三峡水库汛期分期进行划分。研究包括两 方面内容：首先，结合三峡水库汛期的分期，采用宜昌站1 8 8 2 - - 2 0 0 1 年实测同流量资 料，用均值变点分析方法对汛期每同最大洪峰构成的时间序列进行分期；同时选择一定 的阈值，在假定发生概率服从二项分布的条件下，应用概率变点分析方法进行分期，最 后给出了三峡水库汛期的分期方式。其次，对均值变点分析方法和概率变点分析方法加 4 山东大学硕士学位论文 以比较，结果表明，变点分析理论应用于汛期分期中，能反映来水的基本规律，具有一 定的应用价值，但从理论上以及防洪的角度来讲，概率变点分析方法较均值变点方法更 适于水库汛期的分期计算。 高波、刘克琳等阳3 人针对水库控制流域汛期分期的实际问题，研究提出了采用多因 子、基于模糊相似矩阵的系统聚类分析方法，避免了以往研究采用单因子进行分析带来 的片面性。将该方法应用于滦河流域，选用描述流域降雨和洪水特性的6 个因子，计算 论域元素之间的相似系数，以构成模糊相似矩阵，然后通过系统聚类分析，进行了汛期 的分期分析计算。计算结果表明，该方法更具合理性。 喻婷、郭生练等人凹1 在分析了以往汛期分期划分方法的优缺点的基础上，介绍了两 种新的汛期分期方法。一种方法是矢量统计法，指出洪水的季节性分期可以依据矢量的 方向性来判断，矢量统计法是把每场洪水的发生日期看作一个矢量，根据各个矢量之间 的方向相似性来判断分割点，即作为汛期分期点。另一种方法是相对频率法，相对频率 法是根据实际需要与应用方便，按照月( 或旬) 统计时段内发生洪水的频率，通过分析 整个时段内发生频率的变化特征，得到汛期的分期方法。应用这两种方法对隔河岩水库 的汛期分期进行划分，并与其它分期划分方法进行比较，最终得到隔河岩水库综合多种 分期划分方法的分期结果。 ( 2 ) 分期汛限水位确定的研究现状与进展 分期汛限水位是指汛期不同时段采用不同的汛限水位值，它依据汛期不同时段洪水 特征的明显差别与规律，基于成因及统计分析等方法确定汛期分期，针对不同分期采用 适当的方法确定并执行各自的汛限水位方案。分期研究确定汛限水位的方法由于考虑了 汛期水文特性的规律，逐渐显示出其思想的先进性，已陆续运用到实践中。据统计，全 国约有3 0 0 座大型水库汛期实行了分期汛限水位控制运用，从而增加兴利库容约1 6 亿 m 3c i o 。目前对分期汛限水位的研究已有很多。 陈守煜n 门提出根据降雨资料进行直接模糊统计确定汛期经验相对隶属函数，采用降 半正态分布模拟汛期理论相对隶属函数，根据水库的实际运行情况，确定分布参数，以 经验相对隶属函数为依据，调整参数，由最小二乘法优化准则和估计误差，选择经验与 理论相对隶属函数的最优拟合，取两者外包线值作为水库汛期相对隶属函数的最终结 果，并将其作为权重，计算不同水库设计标准的汛限水位。 曹升乐n 2 1 则指出传统汛限水位确定方法中假定同一量级暴雨在汛期中任一时段发 生的频率相同的不合理性，指出暴雨是由气候条件所决定，在汛期中不同时刻同一量级 山东大学硕士学位论文 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。从而在对设计暴雨的计 算理论和方法进行系统研究的基础上，提出在汛期不同的时间确定各自的设计暴雨，根 据各自的设计暴雨确定其相应时间的防洪限制水位，将不同时间的防洪限制水位连线， 则得到全汛期水库防洪限制水位过程线。水库按照该过程线调度，则在汛期中任一时间 具有相同的安全保证率，且实现尽可能多的兴利。 张波子n 3 1 提出利用水库主汛期和后汛期确定的汛限水位，提出符合水库防洪标准 的过渡汛限水位的动态控制方法，利用模糊理论算出过渡期逐日汛期隶属度，使主、后 汛期间过渡期的汛限水位更具操作性，以确保水库防洪调度做“保安全，多蓄水 。 高波等口钉基于对水库汛限水位主要影响因素的系统分析，从洪水资源安全利用的 角度出发，阐明了水库汛限水位调整综合分析论证所应遵循的原则，提出了风险设计和 综合分析论证的框架和定量分析方法，详细分析了汛限水位合理调整的论证内容。从设 计洪水、预报预泄、洪水预报调度方式、上下游防洪设计标准、上游移民淹没及土地退 赔线、水库长期运行的风险和效益等多个方面对海河流域潘家口水库汛限水位的合理调 整方案进行了分析论证。 冯平等n 5 3 在分析水库调整汛限水位所涉及影响因素的基础上，构建了调整汛限水 位的综合评价指标体系，给出了各风险指标及效益指标的估算方法。综合考虑东武仕水 库提高汛限水位的防洪风险、下游地区洪灾淹没的期望损失和风险损失、及供水发电效 益等各项指标，对其在不同汛限水位方案下所带来的风险及效益进行综合评价，并引入 优选模糊理论方法对其汛限水位进行了合理调整。 殷峻暹等n 们提出汛限水位控制运用应以洪水资源利用地区的供水系统的风险分析 和经济评价为前提，以水库汛限水位控制运用成本和效益分析为基础，合理确定控制范 围，兼顾安全和高效等多年控制目标。并以大连市碧流河水库为例，根据大连市供用水 系统的风险及其变化过程，分析超蓄洪水资源的利用情况及其效益，并在对抬高水库汛 限水位造成的淹没损失分析的基础上，利用边际成本分析方法确定控制的范围。计算结 果表明，随着大连市用水量的增加，碧流河水库汛限水位可适当抬高。 1 3 2 洪水预报调度的研究现状及进展 随着水库流域水情自动测报系统的建设与稳定运行，气象信息收集与分析手段的改 进，流域洪水预报与降雨预报精度的提高，为充分利用洪水资源，使设计与实时调度思 想更接近，我国现行许多运行的水库都在不同程度上开展了洪水预报调度工作。有了洪 6 山东大学硕士学位论文 量曼! 曼曼鼍曼鼍曼鼍曼皇曼曼_ - - i ii_ i 水预报，可以在洪水到来之前，将水库的蓄水尽量下泄，腾出一部分库容，让这部分库 容与原来未被充蓄的库容共同调蓄洪水，这样可提高水库的抗洪能力，增加防洪调度的 预见性和主动性。同时利用洪水预报可以适时拦蓄洪水，尽量减少弃水，充分利用水能， 最大限度地发挥水库的综合利用效益。总之，利用预报进行防洪调度，可以使防洪与兴 利更好的结合，能做到一库多用、一水多用，充分利用水利资源。由此看来，洪水预报 调度，成为合理确定汛限水位另一有效途径。我国水库洪水预报调度从六十年代起步， 经过4 0 多年发展，已达到了一定的水平。 六、七十年代，我国水利工作者研究提出了“预蓄预泄”调度原则，即考虑入库洪 水预见期，按预报预泄的调度原则，将汛限水位上浮调整。在实际调度中，如果预报将 有洪水入库时，水库提前预泄，将水位降至原设计汛限水位。汛期水位上浮调整值的确 定除考虑水库面临时刻的雨水情、工情，入库洪水预报和降雨预报的预见期及预报精度 外，还要分析预见期内预泄能力、下游河道允许预泄流量、决策信息传递的稳定性和速 度以及闸门操作时间等。 八十年代以来，受挖掘水资源潜力的需求驱动，我国水利工作者针对提高水库蓄水 兴利做了大量的探索和研究工作，一些新理论和新技术不断引入，提出了基于入库洪水 洪峰预报、洪量预报、峰量控制、净雨预报等多种防洪调度方案，制定了相应调度规则， 相关研究成果已应用于实际水库调度运行中，在不影响原有防洪效益的前提下提高了水 库蓄水兴利效益，增加了水库可供水量，取得了较好的实效。 “7 5 8 洪水后，我国水雨情自动测报和洪水预报调度系统的连接开始起步，山东 省全省3 2 座大型水库全部安设了雨量自动遥测系统，可以及时掌握雨情，为分析入库 水量与入库洪水过程赢得了宝贵时间。潍河、大汶河、沂沭河和大估河等流域的防洪调 度研究均已取得成果。1 9 8 4 年山东省水利厅在p c 1 5 0 0 机上编制完成了水库防洪调度 辅助计算程序，1 9 9 3 年修改转换到微机上，具备单个水库及多个组合水库进行洪水预报、 预选开闸方式进行调洪演算选择调度方案等功能，基本满足实时洪水调度的要求n 引。 八十年代中期，清华大学在洪水频率分析基础上，对密云水库提高汛限水位的可行 性进行了论证，提出了按水位控制泄流的方式以及通过预报调度辅助防洪调度的方式。 可将密云水库的汛限水位从1 4 7m 提高到1 5 0 3r f l ，1 5 0 8m ，1 5 2m ，在不增加防洪风 险的前提下，相应地增加了有效库容。 八十年代末，大连理工大学研究提出了“预报调度方式及规则”控制汛限水位方法， 即研究归纳出考虑降雨径流预报( 或定性降雨预报) 的调洪规则，利用这一规则确定的 山东大学硕士学位论文 皇! 皇! ! ! 曼! ! 曼詈鼍曼! 曼! 曼! 皇! ! ! ! 曼! ! ! ! ! ! 曼i ； i i 皇曼詈鼍曼皇! ! 曼曼! 詈曼曼! 曼! 曼! 鼍曼! 曼! 曼! 曼 汛限水位能够安全调节原设计的各种频率洪水，满足水库工程及上下游设计防洪要求。 该方法已在辽宁省多座水库实施，取得了较大的经济效益。 九十年代至今，许多学者结合具体水库的实际情况，分别开展了洪水预报调度的研 究。黄圣源n 胡针对龙头滩水库建成后对龙南县城的洪水影响，分析了龙南县城遭受水 灾的原因、历史及特点，着重研究了龙头滩水库建成前后各种频率洪水的天然水面线及 水库回水曲线，提出只要龙头滩水库按照洪前预泄的洪水调度方式运行，不会对龙南县 城造成影响；李忠等人们在分析历史资料的基础上，讨论了万安水电站汛期在满足上 下游防洪要求的前提下增加发电效益的运用方案，提出了通过预泄解决汛期发电与防洪 矛盾的方法；李彭年等人汹3 通过介绍分析虎头陂水库现状及运行方式存在的不足，提 出洪前预泄洪水调度方式、确定了起调水位，计算了预泄流量，可在不增加投资，不增 加淹没的情况下增加年发电量4 l 万k w h ，增加年发电收入1 2 3 万元；卢永兰等人心妇 在分析“9 6 8 洪水特性的基础上，根据降雨径流预报，提出了岗南、黄璧庄两座水库 的联合调度预泄方案。预泄成果同实际调度情况比较，在不增加两库下泄流量的情况下， 可降低水库最高蓄水位，以减轻洪水压力；王本德等人旧1 在利用降雨预报实施预蓄预 泄调度中，提出了综合分析经济效益及防洪安全的风险性是亟待解决的课题。并针对小 概率暴雨预报资料少、预报误差引起的风险计算因难、决策人的偏好及干预描述、风险 率允许值确定困难等问题，建立了水库预蓄效益与风险控制模型；艾学山等心明根据水 库泄洪设施的特点和流域水库群的系统结构，提出了一种通用型水库群洪水补偿调度模 型。该模型基于洪水补偿调度的思想，以保证防洪控制点安全行洪、减少分洪损失为目 标，通过调整水库群拦蓄与预蓄水量的策略实现了模型的近似求解算法，实际生产应用 表明该模型具有一定的实用性：叶家俊心以大伙房水库为例，在水文预报等别是短期 洪水预报的精度及预见期满足要求的前提下，通过对水库采取预蓄预泄的操作，使水库 汛限水位得到动态控制，从而既能满足水库防洪要求，又能使洪水资源得到有效利用。 1 4 论文研究的主要内容及技术路线 1 4 1 论文研究的主要内容 本文在全面分析跋山水库汛限水位调整的必要性及可行性的基础上，从分期洪水调 度、防洪预报调度两种途径，对跋山水库汛限水位的合理确定开展研究。论文主要研究 内容概述如下： ( 1 ) 对跋山水库的流域情况及工程情况加以概况；从来水及工农业需水两方面，阐 8 山东大学硕士学位论文 曼皇! 皇曼鼍詈暑皇曼! ! ! ! ! 曼曼鼍曼詈! 曼曼曼曼鼍曼詈曼皇i i i i | ii l i 二二i 二i i l i 鼍曼曼皇曼曼曼! 皇詈! 詈! 詈詈! 鼍! ! 皇! 鼍曼曼 述了水库汛限水位调整的必要性：从水库历年运行情况及除险加固工程完成情况两方 面，论述了水库汛限水位调整的可行性。 ( 2 ) 对水库汛期分期划分的主要方法：成因分析法、数理统计法、模糊集合分析法 分别加以分析说明，简述分期设计洪水的推求方法；对跋山水库汛期分期进行划分，划 分结果为主汛期( 6 月2 0 日, - - - , 8 月1 5 日) ，后汛期( 8 月1 6 同 - - - 9 月3 0 日) ，推求水 库主汛期及后汛期的设计洪水。 ( 3 ) 阐述水库汛限水位优化设计的原理及方法，对跋山水库分期汛限水位进行优化 设计；对各分期汛限水位方案的兴利效益进行分析论证，确定出水库较为合理的分期汛 限水位方案。 ( 4 ) 对水库实时调度中的预报预泄原理加以论述；在对跋山水库进行汛期分期运用 的基础上，利用水库的预报预泄，首先计算水库主汛期允许预泄水量，即主汛期允许超 蓄水量，从而确定出水库主汛期允许上浮的水位值，作为水库主汛期汛限水位控制运用 的上限值。 1 4 2 论文研究的技术路线 为开发利用汛期洪水资源，缓解水库供水能量不足的现状。提出对跋山水库汛限水 位的合理确定开展研究。论文结合跋山水库的实际情况，运用水文学、数理统计学、模 糊集合的相关理论知识和方法，对跋山水库的暴雨洪水特征、汛期划分的规律及共设计 ， 洪水进行了分析推求。开展了分期洪水调度及洪水预报调度的研究，对其中的若干关键 问题( 分期防洪标准、分期频率推求年组合频率、汛限水位调整的兴利效益分析、水库 预泄流量及预见期的确定等) 进行探讨。论文研究的技术路线如下： ( 1 ) 分析水库汛限水位调整的必要性及可行性。 ( 2 ) 采用多种方法对水库汛期分期进行划分，综合比较后确定水库分期结果。推求 主汛期、后汛期的设计洪水。 ( 3 ) 推求出不低于水库防洪标准的汛期水位方案，计算各方案所产生的兴利效益， 对各分期汛限水位方案进行分析论证，确定较为合理的分期汛限水位方案。 ( 4 ) 根据水库预泄能力，在主汛期1 7 7 m 汛限水位的基础上，确定主汛期允许上浮 的水位值。在水库实时调度运行中，研究汛期采用分期控制水位与实时根据预泄能力调 整水位相结合的汛期洪水控制模式。 9 山东大学硕士学位论文 第二章跋山水库汛限水位调整的必要性及可行性分析 跋山水库作为沂河干流的控制性工程，是沂水城区工农业生产及居民生活的主要水 源地。长期以来，由于水库本身存在的问题和来水与用水的时间差异，致使水库现行的 汛限水位偏低，造成多年汛期“限蓄废泄”，汛后无水可蓄，需水期缺水的矛盾局面。 为充分利用汛期洪水资源，提高水库供水能力，以水库除险加固为契机，对水库现行的 汛限水位进行调整，是缓解当地缺水状况的有效途径。 本章对跋山水库的基本情况进行详细介绍；从水资源角度出发，重点分析论证了调 整水库现有汛限水位，增加可供水量的必要性及可行性。 2 1 水库基本情况概述 跋山水库为山东省第三大水库，被誉为“沂蒙母亲湖”。水库自1 9 5 9 年1 0 月动工 兴建，1 9 6 0 年5 月建成蓄水，后经1 9 6 8 年和1 9 7 7 , - - - , 1 9 7 9 年两次加高至最大坝高3 3 6 5 m ， 最大水域面积1 7 9 9 公顷，兴利库容2 6 7 亿m 3 ，总库容5 2 9 亿m 3 ，控制流域面积1 7 8 2 k m 2 。 是集防洪灌溉、水力发电、淡水养殖、旅游等综合利用的大( i i ) 型水库。 水库下游保护着山东省临沂市的沂水、沂南、河东、兰山、罗庄、郯城、苍山七县 区和江苏省的新沂、邳少h - 市人口、耕地以及兖石、陇海两条铁路，京沪、日东高速公 路，青州至新沂、日照至济南等重要公路的安全。 2 1 1 水库流域概况 ( 1 ) 流域自然地理 沂河是山东省的一条大型山洪性河流，发源于鲁山，纵横沂蒙山区，由北向南，流 经沂源，沂水、沂南、河东、兰山、罗庄、苍山、郯城等县区，由郯城县吴家道口村入 江苏省境内，全长5 7 4 k m ，流域面积1 7 3 2 5k i n 2 。主要支流有坟河、蒙河、柳青河、枋 河、谏河等。年径流量为3 5 1 亿m 3 ，河床最宽处1 5 4 0 m 。 沂河流域地理坐标北纬3 4 0 2 3 - 3 6 0 2 0 ，东经1 l7 0 2 57 l18 0 4 2 ，该流域在地貌上属 构造剥蚀堆积平原区。大地构造属鲁西断块隆起的一部分。以沂、沭断裂带之间地叠为 分界线( 包括沂水至汤头断裂、郎邵至葛沟断裂) ，界线以西，包括沂源、沂水西部，沂 南大部，蒙阴、平邑、费县、临沂西部，苍山东部及郯城西部，为沂河流域。地面隆起 以断块为主，断块呈西北向，以条带状产出，蒙阴、平邑相对下陷，形成断陷盆地。在 l o 山东大学硕士学位论文 曼曼! 皇! 皇曼! ! ! ! ! 詈! ! ! 曼! n mmm 曼m l im h ! ! ! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! 皇詈鼍! 皇! ! 曼詈曼! 曼! 曼詈! 曼曼! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼! ! ! ! ! 曼鼍鼍 断陷盆地内有中生代火山岩喷发和陆相碎屑岩沉积。新生代第三系断裂活动尤为剧烈， 形成了沂山、蒙山等山脉，奠定了沂蒙山区的现今山岳地貌。 该流域岩性比较复杂，出露有新生代第三纪紫红色砂岩，砂砾岩，中生代白垩纪火 山岩系和河湖相的砂页岩及侏罗纪砂页岩，古生代石炭，二迭纪煤系地层，奥陶纪、寒 武纪之灰岩，太古代杂岩及各时期火成岩，灰岩分布面积最大，富含岩溶水。 跋山水库位于沂河干流上，坝址在沂水县城西北1 7 5k m 的跋山脚下、沂河与支流 暖阳河汇流处。大坝西起无儿崮下的白腊顶，横跨沂河与跋山相接。库区西北与韩旺铁 矿相接，北面与大诸葛为邻。流域属阔叶状( 水库流域图见图2 1 所示) 。整个库区全 系山丘区，群山起伏，沟壑纵横。大坝呈弓形，全长1 7 8 0 m ，坝轴线为东北一西南。坝 址处河底高程约1 5 2 o m ，主河槽宽约3 0 0 m ，覆盖层厚1 0 - - - 2 0 m ，均为中粗砂夹砾石， 有上粗下细的规律。 ( 2 ) 水文气象 跋山水库所处流域为东亚季风区，为季风区大陆气候，四季分明，温差变化大，夏 季盛行东南风和西南风，天气炎热，坝区最高气温4 0 c ，冷暖空气活动较频繁，水汽较 充沛，暴雨洪水多发生在这个时期。冬季盛行东北风和西北风，水汽来源缺乏，降水量 稀少，天气寒冷且干燥，坝区最低气温2 0 。坝区最大风速为2 0 m s ，7 、8 、9 月份平 均最大风速为1 0m s 。多年平均降雨量7 3 6 毫米，年际之间降雨量变化较大，最大年降 雨量为1 5 2 2 m m ( 1 9 6 4 年) ，最小年降雨量为4 3 2m m ( 1 9 8 1 年) 。降雨量年内分配不均， 多集中在汛期( 6 9 月份) 。约占全年降水量的6 9 。汛期( 6 9 ) 多年平均降水量为 5 4 3m m 。多年平均径流量为5 9 7 7 亿m 3 。多年平均水面蒸发量1 2 1 7m m ，多年平均陆 面蒸发量5 0 0t o n i 。 水库流域内暴雨的主要气象成因是锋面、台风、气旋、切变线、低涡等。沂河为季 节性的山溪性雨洪河道，每到汛期雨量集中，洪水陡涨陡落，一次洪水过程历时较短， 峰高形尖瘦。 水库流域内有六个报汛站，其中三个水文站( 跋山、东里店、田庄) 三个雨量站( 悦 庄、红旗、辉泉) ，六个报汛站雨量权重分别为：f 日庄1 6 ，悦庄2 1 ，红旗1 1 ，辉 泉8 ，东里店3 2 ，跋山1 2 。东里店站位于跋山水库干流上游，距水库坝址3 l 千米， 田庄站位于东里店上游，两站相距4 5 k m 。洪水洪峰自东里店进入水库需5 - 9 小时，田 庄水库泄洪到达水库需1 1 1 9 小时。 ( 3 ) 水利工程基本情况 山东大学硕士学位论文 跋山水库控制流域面积1 7 8 2 k m 2 ，流域内有大型水库一座，为沂源县田庄水库，总 库容1 3 4 亿m 3 ，流域面积4 2 4 k m 2 ，占总流域面积的2 3 8 ；有中型水库一座，为沂源 县红旗水库，总库容o 1 3 亿m 3 ，流域面积2 7 4k m 2 ：小型水库4 5 座，总库容0 7 4 亿 m 3 ，控制流域面积2 3 6 7 1k m 2 。 2 1 2 水库工程概况 图2 - 1水库流域图 跋山水库属于沂河干流控制性工程，是一座以防洪灌溉为主、结合发电养殖等综合 利用的大( i i ) 型水库。水库工程级别为二等，主要建筑物为2 级，次要建筑物为3 级。 水库除险加固前，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为三百年一遇。水库除险加 固完成后，设计洪水标准为百年一遇，校核洪水标准为万年一遇。水库地震基本烈度为 7 度，设计地震烈度为7 度。水库枢纽工程包括大坝、放水洞、溢洪道、东浆砌石坝、 西浆砌石坝、电站六部分( 水库枢纽平面布置图见图2 - 2 所示) 。 大坝全长1 7 8 0 m ，主坝为亚粘土心墙砂壳坝，最大坝高3 3 6 5 m ，坝顶高程1 8 5 6 5 m ， 坝项宽7 5 0 m ，防浪墙顶高程1