【精品硕博论文-水利水电工程】石梁河水库分期汛限水位研究

石梁河水库分期汛限水位研究摘要洪水资源利用是缓解缺水地区水资源紧张的一个有效途径，大中型水库在利用洪水资源时，一般需对汛期限制水位进行调整。本文选择江苏省连云港市的石梁河水库为研究对象，根据其防洪调度方式及判别条件，按照水库的具体情况统筹考虑与水库调洪有关的各种因素，基于水库现状汛期分期，推求水库各分期的设计洪水，然后通过调洪演算确定石梁河水库各分期的汛限水位，并对水库实施分期汛限水位后的效益进行了分析计算。结果表明，石梁河水库采取分期汛限水位以后，在几乎不增加额外成本的情况下，年均可增加蓄水量11125万M，水库的洪水资源利用效益得到了显著的提高。关键词洪水资源利用；设计洪水；分期汛限水位；效益RESEARCHONLIMITEDWATERLEVELBYSTAGEOFSHILIANGHERESERVIORABSTRACTTHEFLOODRESOURCESUTILIZATIONISANEFFECTIVEWAYTOALLEVIATEWATERSHORTAGEONWATERDEFICIENTAREASWHENMAKINGUSEOFTHEFLOODRESOURCESONLARGEANDMEDIUMSIZEDRESERVOIRS,LIMITEDWATERLEVELDURINGFLOODSEASONISOFTENADJUSTEDTHISPAPERTOOKSHILIANGHERESERVOIROFLIANYUNGANGCITYINJIANGSUPROVINCEASTHERESEARCHCASEBASEDONTHEFLOODCONTROLSCHEDULINGANDDISCRIMINANTCONDITIONS,ACCORDINGTOTHERESERVOIRSITUATIONASAWHOLETOCONSIDERVARIOUSFACTORSRELATEDTOTHERESERVOIRFLOOD,ALLSTAGESOFDESIGNFLOODFORTHERESERVOIRWASCOMPUTEDUNDERTHECONDITIONOFTHECURRENTSITUATIONOFLIMITEDWATERLEVELBYSTAGETHENFLOODROUTINGWASCALCULATEDTODETERMINETHELIMITEDWATERLEVELFORALLSTAGESOFSHILIANGHERESERVOIRANDTHEBENEFITOFTHELIMITEDWATERLEVELBYSTAGEWASANALYZEDTHERESULTSSHOWTHATAFTERADOPTINGLIMITEDWATERLEVELBYSTAGE,AVERAGEANNUALSTORAGECAPACITYISINCREASEDBY11125MILLIONMINTHECASEOFALMOSTNOEXTRACOST,WHICHSIGNIFICANTLYIMPROVEDTHEBENEFITOFFLOODRESOURCESUTILIZATIONKEYWORDSTHEFLOODRESOURCESUTILIZATIONTHEDESIGNFLOODLIMITEDWATERLEVELBYSTAGEBENEFIT1引言随着我国社会经济的迅速发展，对地表水、地下水等水资源的开发利用已不能满足生产生活的需要1。洪水资源是具有极大开发潜力的淡水资源，一方面，淡水资源的紧缺制约了经济和社会的发展；另一方面每年在洪水泛滥时为了保护人民群众的生命财产安全又要全力以赴进行防洪排涝。这种缺水与洪涝并存的现象为我国洪水资源的开发利用提供了契机23。迄今为止，尽管国外还没有对水库分期汛限水位进行系统的研究，但有许多水库调度领域的应用实例。WILLIAMWGYEH（1985）全面回顾了水库调度中的诸多优化方法，并指出随机模拟调度的优越性4。LABADIEJ（2004）介绍了水库群的随机模拟及优化技术，并探究了神经网络及遗传算法等在水库调度中的应用5。水库分期汛限水位的研究在国内始于20世纪五六十年代，主要经历了两个阶段。第一阶段是采用现行分期设计洪水法，随后研究者对其提出了质疑。叶秉如（1995）指出，现行分期设计洪水法在计算中带有一定的经验性，并且没有对水库实行分期调度后总的防洪风险率做出定量分析6；在第二阶段中，研究者提出通过使分期设计洪水联合重现期和原设计洪水重现期相等，来确保水库分期运行后不会降低原设计的防洪标准。如肖义等（2008）运用GUMBELHOUGAARDCOPULA函数来建立分期最大洪水之间的相关性关系，得到了分期最大洪水的联合分布和联合重现期7。虽然目前有人提出要采用模糊分析法和多目标优化设计法来确定水库的分期汛限水位，但分期设计洪水法仍然是规范推荐釆用的方法8。鉴此，本文拟对石梁河水库进行分期汛限水位研究，采用分期设计洪水法来计算分期汛限水位，以期充分利用过境洪水资源。2研究资料21工程概况石梁河水库是沂沭泗东调南下的关键工程，也是江苏省第一大水库，地处东海县、赣榆县交界处，西与山东临沭相临，东距连云港市区约35KM。水库承泄新沭河上游和沂河、沭河区间来水，集水面积约15365KM2，总库容531亿M3。水库兴建于1958年，1970年建成水力发电站一座，装机七台，容量L120KW。水库按100年一遇设计，2000年一遇校核，其中设计洪水位2681M，校核洪水位2795M，最大下泄流量10131M3/S。石梁河水库承担着调蓄沂沭泗流域洪水，保证连云港市不受洪水侵袭的首要职能任务。另外，石梁河水库也是连云港市区生活及工业用水的第二水源，自建成以来发挥了巨大的综合效益。石梁河水库地理位置见图1，石梁河水库水位库容关系见图2。图1石梁河水库地理位置图FIG1GEOGRAPHICLOCATIONOFSHILIANGHERESERVIOR22石梁河水库调度规则在充分衡量流域、水库本身及下游三者之间关系的基础上，石梁河水库调度规则如下（1）在本地无降雨而上游发生洪水的情况下，石梁河水库可预先泄水，尽可能控制下泄流量不超过3000M3/S，确保新沭河堤防安全；（2）在本地和上游发生同频率超标准洪水的情况下，石梁河水库应根据上游来水量和水文预报来控制下泄量以便下游河道、市区和农田排涝，减轻下游灾害。并尽量大流量泄洪，缩短泄洪时间，与下游河道错峰，让出河道以便下游排除洪涝；（3）在本地和上游发生同频率标准内洪水的情况下，运用错峰来充分发挥水库调蓄洪水，留出时间供下游河道、市区和农田排涝，以减轻下游洪灾，同时要尽可能利用过境洪水资源水库控制运用分期说明库水位235M240M时，照顾下游区间汇流，控制下泄流量不超过5000M3/S，其中新老闸各控制不超过2500M3/S；库水位240M263M时，控制下泄量为6000M3/S，其中新闸为3500M3/S，老闸为2500M3/S；库水位263M270M，其中新闸为4000M3/S，老闸为3000M3/S；库水位超过270M时，泄洪闸全开敞泄。3分期汛限水位研究31分期汛限水位确定的方法通过分析论证，若水库上游来水具有明显季节性变化时，可通过分期设计洪水推算各分期的汛限水位9。首先依据当地气候和雨洪季节变化规律，确定汛期分期；然后根据工程的防洪标准，按照设计洪水规范要求推算分期设计洪水；接着拟定起调水位，依据各分期初选的调度方式及调度规则分别对分期设计洪水进行调洪计算；最后根据不同起调水位的调洪成果，选取一个同时满足水库及上下游各个防洪控制点和各级防洪标准的起调水位来作为分期汛限水位值10。32不同工况特征水位的确定石梁河水库于1958年建成，1992年水利部将其列入第二批全国重点病险水库中，此后一直低水位运行，水库原设计特征水位与现状特征水位见表1。表1石梁河水库不同工况特征水位表TAB1CHARACTERISTICSTAGEOFSHILINGHERESERVOIRUNDERDIFFERENTCONDITIONS汛限水位M工况正常蓄水位M设计洪水位M校核洪水位M前汛期主汛期后汛期现状24526812795245235245设计近期250远期260276528023519992001年石梁河水库实施了除险加固工程，2008年底，新沭河治理工程正式开工，完工时沂沭泗河中下游地区防洪标准及新沭河行洪能力将提高至50年一遇水平，为石梁河水库未来恢复正常运用创造了条件。因此，本文建议可将石梁河水库兴利水位恢复至原设计远期目标26M，设计洪水位与校核洪水位分别恢复至2765M、280M，并以此为基础，对石梁河水库分期汛限水位进行研究。33汛期分期汛期分期属于高维时间序列的聚类问题，目前主要通过模糊集合分析法、分形法、变点分析法、动态聚类法等来处理这类问题11。在综合分析石梁河水库上游来水、本地降雨、地区气候以及极端天气等因素的基础上，结合流域及地区防洪工作实际情况，将石梁河水库汛期划分为前汛期、主汛期及后汛期，具体见表2。表2石梁河水库汛期分期成果表TAB2RESULTSOFSHILIANGHERESERVOIRFLOODSEASONSTAGING分期前汛期主汛期后汛期时间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分期设计洪水（1）设计标准根据石梁河水库扩大泄量工程竣工初步设计，石梁河水库防洪标准为100年一遇设计，2000年一遇校核。本文分期设计洪水选用同样标准，按100年一遇设计，2000年一遇校核。（2）分期设计洪峰流量对19802009年石梁河水库入库洪水进行调查，按不同分期逐年选取入库最大流量，组成洪峰流量系列，用适线法推求分期洪水频率曲线，求得相应于设计标准的设计洪峰。考虑到石梁河水库上游来水以及流域天气的异常变化明显，使其在多年内洪水出现的时间存在一定偶然性。基于其提前及推后发生的可能性，采用“跨期选样法”，即洪水选样在分期原有时间段基础上，同时向前、后各延伸5天。石梁河水库分期设计洪峰流量见表4。（3）分期设计洪水选用1974年石梁河水库典型洪水过程，按分期设计洪峰与设计洪峰的比值对其进行放大，推求石梁河水库前汛期和后汛期的设计、校核洪水过程12，分期设计洪水成果见表3。表3分期设计洪水计算成果表TAB3RESULTSOFDIFFERENTSEASONALDESIGNFLOOD洪峰流量QP（M3/S）7日洪量WP（亿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综合利用水库调度通则规定分期防洪限制水位的确定应按不低于工程安全的标准，承担下游防洪标准和库区安全准则的原则，根据分期设计洪水进行调洪计算确定。本文中水库分期汛限水位的计算方法为在分期设计洪水、各特征水位已定的前提下，根据水库调度原则进行调洪计算，由此推求防洪限制水位。石梁河水库分期设计洪水和校核洪水调洪计算结果分别见表4和表5。表4分期设计洪水调洪计算结果（P1）TAB4RESULTSOFFLOODREGULATIONUNDERSEASONALDESIGNFLOOD分期起调水位（M）最高水位（M）最大入库流量（M3/S）最大下泄流量（M3/S）最大库容（104M3）前汛期2602276580296700050044主汛期2465276510017700050053后汛期2583276580262700050053表5分期校核洪水调洪计算结果（P005）TAB5RESULTSOFFLOODREGULATIONUNDERSEASONALCHECKFLOOD分期起调水位（M）最高水位（M）最大入库流量（M3/S）最大下泄流量（M3/S）最大库容（104M3）前汛期261428001126471013153137主汛期24522800157991013153103后汛期258728001124721013153081根据分期设计洪水与分期校核洪水调洪演算成果，各分期汛限水位见表6。表6各分期汛限水位对比表TAB6THECONTRASTOFLIMITEDWATERLEVELFORALLSTAGES频率P前汛期M主汛期M后汛期M1260224652583005261424522587综合分析比较分期设计、校核洪水调洪演算成果，石梁河水库分期汛限水位选用二者中的较小值并取整，以保证水库防洪安全及其自身调度控制的方便，由此确定石梁河水库各分期汛限水位，见表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分期汛限水位效益计算石梁河水库分期汛限水位效益计算原理如下对石梁河水库19912009历年历次弃水资料进行调查，见表8，推算出汛限水位调整相对应所的蓄水库容增量。当各分期的弃水量小于由于汛限水位的提高而增加的库容时，水库可增加的蓄水量即等于弃水量；当各分期的弃水量大于由于汛限水位的提高而增加的库容时，增加的蓄水量等于由于汛限水位提高所增加的蓄水库容13。由此，对石梁河水库汛限水位分期控制的效益进行计算，见表9。表8石梁河水库历年汛期各分期弃水量表TAB8ABANDONEDWATEROFSHILIANGHERESERVOIRFORALLSTAGESDURINGHISTORICALSEASONSV/104M3年份非汛期前汛期主汛期后汛期合计19911254616910237702905351619927100940804199394492601876082029289199435902007446261703740619953701117460239702591719960380133600137401997068003580426019981083003112051090930401999002480248200000029450294502001460266137760145022002019200019202003643003118039260768702004001257084013410200524500753046830568102006000002007190023590179504173020083590260842704184012996020090012623385016473合计5061521993280797285940639345年均弃水量26641158147791504933650表9石梁河水库分期汛限水位蓄水效益计算表TAB9BENEFITOFWATERSTORAGEINCREASEDBYSTAGINGLIMITEDWATERLEVELDURINGFLOODSEASON项目非汛期（101531）前汛期（61630）主汛期（71815）后汛期（816930）合计现汛限水位（M）245235245调整后汛限水位（M）2602452580正常蓄水位（M）245调整后正常蓄水位（M）260增加蓄水库容（104M3）100841008457618685累计增加蓄水量（104M3）47407151676993478860211368年均增加蓄水量（104M3）24957983681415111125根据效益计算结果，采用分期汛限水位后，石梁河水库平均每年可多蓄水11125万M3，其中非汛期年均增加蓄水量2495万M3，汛期年均增加8630万M3。4结论（1）石梁河水库恢复原设计水位运行并实施汛限水位分期控制后，年均可增加蓄水量11125万M3，这将大大提高连云港市洪水资源利用效率，并有效缓解其周边地区的工、农业用水矛盾突出的问题。同时，石梁河水库兼具水力发电功能，汛期库水位的提高也将有助于其提高水库的发电效益。（2）石梁河水库恢复原设计水位运行并实施汛限水位分期控制后，正常蓄水位由245M提高至26M，同时汛限水位及设计洪水位等水库特征水位均有所提高，由此将造成水库水域面积以及库区淹没范围的增加，易引发水库移民等社会