小型水庫汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)與效益分析

劉麗麗，劉 偉，尹 紅

（1.平陰縣水務(wù)局，山東 濟(jì)南 250400；2.濟(jì)南市平陰田山電灌管理處，山東 濟(jì)南 250400）

小型水庫汛限水位調(diào)整風(fēng)險(xiǎn)與效益分析

劉麗麗1，劉 偉2，尹 紅1

（1.平陰縣水務(wù)局，山東 濟(jì)南 250400；2.濟(jì)南市平陰田山電灌管理處，山東 濟(jì)南 250400）

以東阿水庫為例，對水庫的汛限水位進(jìn)行調(diào)整、分析，協(xié)調(diào)水庫運(yùn)行中興利與防洪之間的矛盾關(guān)系，在保障水庫安全的前提下，抬高東阿水庫汛限水位，可增加水庫蓄水量，從而帶來更大的灌溉效益、經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益等。通過對抬高水庫汛限水位后所帶來的風(fēng)險(xiǎn)和效益進(jìn)行系統(tǒng)分析，合理確定東阿水庫汛限水位調(diào)整方案，并期望通過對東阿水庫汛限水位的調(diào)整研究為如何調(diào)度小型水庫最大可能利用洪水資源提供一些有益探索。

小型水庫；汛限水位；風(fēng)險(xiǎn)分析；效益

東阿水庫流域面積135.8km2，建于1956年，1957年完成，總庫容502萬m3，調(diào)洪庫容228.8萬m3，防洪庫容169.3萬m3，興利庫容314.2萬m3，死庫容115.4萬m3。校核洪水位51.97m，設(shè)計(jì)洪水位51.19m，防洪高水位51.19m，正常蓄水位51m，防洪限制水位49m，死水位46m。水庫工程樞紐由大壩、溢洪道、放水洞等組成。東阿水庫上游有水庫14座，總庫容971.06萬m3，調(diào)洪庫容374.18萬m3，防洪庫容296.17萬m3，興利庫容481.73萬m3，死庫容115.15萬m3。東阿水庫上游共有塘壩29座，總庫容154.4萬m3。這些水利工程調(diào)節(jié)徑流，削減洪峰，一方面減少了洪澇災(zāi)害，另一方面為山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了灌溉水源。東阿水庫下游無水庫、塘壩等水利工程，下游河道20年一遇泄量為677.41m3/s，50年一遇泄量為788.41m3/s。

東阿水庫在2010年進(jìn)行除險(xiǎn)加固時(shí)，溢洪道由原來的溢流堰變?yōu)?孔溢洪閘，并建設(shè)了溢洪閘閘室，實(shí)現(xiàn)了水庫的綜合控制運(yùn)用。自水庫除險(xiǎn)加固完成后，水庫一直控制在汛限水位49.00m以下的工況條件下運(yùn)行，雖保障了大壩安全，但不利于對地表水資源的充分利用。

1 汛限水位調(diào)整后風(fēng)險(xiǎn)分析

在水庫的設(shè)計(jì)、運(yùn)行過程中，存在著太多的不確定因素，如水文、水力的不確定性，數(shù)據(jù)的不確定性、計(jì)算的不確定性等。這些不確定因素的存在，給水庫運(yùn)行帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此在確定水庫汛限水位時(shí)，首先要對調(diào)整汛限水位帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究、分析。

當(dāng)水庫汛限水位調(diào)整后，會給水庫本身、下游河道及上游回水淹沒帶來風(fēng)險(xiǎn)，本次風(fēng)險(xiǎn)分析擬按如下方案進(jìn)行：

1）當(dāng)P=5%時(shí)，汛限水位擬分別提高0.5m，1.0m，1.5m后對大壩本身、上游及下游帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析計(jì)算；

2）當(dāng)P=2%時(shí)，汛限水位擬分別提高0.5m，1.0m，1.5m后對大壩本身、上游及下游帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析計(jì)算；

1.1 對大壩本身的風(fēng)險(xiǎn)分析

1）P=5%時(shí)汛限水位抬高0.5m，即Z限=49.5m當(dāng)Z限=49.5m時(shí)，若閘門全部打開，水庫為自由泄流，根據(jù)泄流公式求得q49.5泄=235.8m3/s；

當(dāng)Q＜235.8m3/s時(shí)，通過控制閘門開啟度，使q泄=Q入。

當(dāng)Q入大于汛限水位49.5m閘門全開時(shí)的溢洪道泄量，水庫泄流由控制泄流轉(zhuǎn)為自由泄流。參考濟(jì)南市水文水資源勘測局2007年編制的《濟(jì)南市東阿水庫防洪復(fù)核報(bào)告》所計(jì)算的東阿水庫受上游水庫調(diào)蓄影響的各設(shè)計(jì)頻率洪水流量，根據(jù)水量平衡方程逐時(shí)段調(diào)算水庫下泄流量及蓄水變化過程。

當(dāng)無閘控制時(shí)，計(jì)算并繪制q～V/△t+q/2輔助曲線。

為提高圖解精度，計(jì)算中V值取溢洪道堰頂以上的庫容。計(jì)算時(shí)段取△t=1h。

利用半圖解法調(diào)洪計(jì)算過程如表1所示。

表1 半圖解法調(diào)洪計(jì)算表（△t=1h）

由表1知，當(dāng)Q>q限時(shí)，qm泄=450.00m3/s。

由自由泄流公式推出H0=5.39m。

則當(dāng)汛限水位為49.5m時(shí)，庫前水位Z=51.39m。

根據(jù)濟(jì)南市水利建筑勘測設(shè)計(jì)研究院2009年《濟(jì)南市平陰縣東阿水庫除險(xiǎn)加固工程設(shè)計(jì)報(bào)告》中壩頂超高計(jì)算，P=5%時(shí)，平均波高為0.354m，周期為2.641s，波長為10.861m，壅水高為0.015m，累積概率的爬高為1.19m，壩頂安全超高為1.715m，壩頂設(shè)計(jì)高程為53.105m。

綜上，當(dāng)P=5%時(shí)，汛限水位抬高0.5m，設(shè)計(jì)洪水位增加0.2m，考慮壩頂安全超高后，壩頂設(shè)計(jì)高程需達(dá)到53.015m，與現(xiàn)狀壩頂高程53.5m相比較，滿足防洪安全需要，因此當(dāng)P=5%時(shí)，汛限水位抬高0.5m對大壩本身無影響。

2）同理計(jì)算得出，P=5%及P=2%時(shí)大壩本身風(fēng)險(xiǎn)分析如表2示。

表2 P=5%及P=2%時(shí)大壩本身風(fēng)險(xiǎn)分析

1.2 對水庫上游的風(fēng)險(xiǎn)分析

當(dāng)汛限水位抬高后，壩上淹沒范圍隨之增加，具體如表3示。

表3 P=5%及P=2%時(shí)水庫上游風(fēng)險(xiǎn)分析

1.3 對水庫下游的風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)濟(jì)南市水利建筑勘測設(shè)計(jì)研究院2009年計(jì)算成果，東阿水庫下游浪溪河泄洪能力20年一遇677.41m3/s，50年一遇788.41m3/s。20年一遇和50年一遇時(shí)水庫下游風(fēng)險(xiǎn)分析如表4示。

表4 P=5%及P=2%時(shí)水庫下游風(fēng)險(xiǎn)分析

2 汛限水位抬高后效益分析

當(dāng)東阿水庫汛限水位進(jìn)行調(diào)整后，水庫壩前水位、興利庫容等發(fā)生一系列變化，在給水庫及上下游帶來風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，也因蓄水量的增加帶來一定效益，具體分析如下：

2.1 防洪減災(zāi)效益

東阿水庫下游有東阿鎮(zhèn)政府駐地及福膠集團(tuán)等多家企業(yè)，下游有龐莊等16個(gè)村莊，1.6萬多人，1200hm2耕地，水庫攔蓄洪峰，安全下泄洪水可保障以上單位及人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此東阿水庫擔(dān)負(fù)著重要的防洪任務(wù)。當(dāng)東阿水庫的汛限水位抬高后，興利庫容增加，防洪庫容減少，但基于現(xiàn)在的洪水預(yù)報(bào)技術(shù)提高，可以通過優(yōu)化調(diào)度方案，提前泄洪，錯峰調(diào)洪，在保障水庫大壩及下游防洪安全的基礎(chǔ)上，最大限度地發(fā)揮水庫的防洪減災(zāi)效益，做到汛期不受災(zāi)，旱季不缺水。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)調(diào)查，東阿水庫主要供給周邊及下游衙前、龐莊等20多個(gè)村莊，約計(jì)1333.3hm2耕地灌溉使用，是當(dāng)?shù)刂匾墓喔人?。同時(shí)，東阿水庫上游來水除暴雨山洪水外，還有許多泉群匯流補(bǔ)給，來水水源可靠、穩(wěn)定，水質(zhì)優(yōu)良，礦物質(zhì)豐富，非常適合發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)。

2.3 社會效益

東阿水庫位置優(yōu)越，周邊有南壇、衙前等10個(gè)村莊，2萬多人。周邊居民祖祖輩輩依靠水庫生活，除通過水庫引水灌溉外還捕魚、洗衣等，特別是東阿水庫經(jīng)過2010年除險(xiǎn)加固后，大壩壩坡整修平整、美觀，修建的下坡臺階，更方便群眾親水、休閑娛樂等，并且國道220穿水庫而過，當(dāng)水庫汛限水位抬高，水庫水面面積增大，加之水庫兩岸垂柳綠影成蔭，一度成為東阿鎮(zhèn)特色風(fēng)景地，許多縣城居民也因水庫環(huán)境優(yōu)美慕名前來游玩。因此在保障水庫及下游安全的前提下，適當(dāng)抬高汛限水位，具有顯著的社會效益。

2.4 生態(tài)效益

當(dāng)水庫汛限水位抬高后水面面積增加，水面蒸發(fā)量也隨之增加，不僅美化了庫區(qū)環(huán)境還可以調(diào)節(jié)局部小氣候，增加空氣濕潤度，對于水庫周邊及沿河環(huán)境改善發(fā)揮更大作用，生態(tài)效益更為顯著。

3 汛限水位調(diào)整方案優(yōu)化及實(shí)施建議

3.1 方案優(yōu)化

通過對東阿水庫汛限水位分別抬高0.5m、1.0m、1.5m后帶來的風(fēng)險(xiǎn)和效益進(jìn)行對比分析，當(dāng)水庫汛限水位抬高1.5m后，水庫大壩現(xiàn)狀壩頂高程不再滿足防洪要求，因此汛限水位抬高1.5m方案不可取。當(dāng)水庫汛限水位抬高0.5m及1.0m時(shí)，雖然帶來的風(fēng)險(xiǎn)比當(dāng)前現(xiàn)狀汛限水位存在風(fēng)險(xiǎn)增加，但水庫大壩、上游兩岸以及水庫下游河道均滿足防洪要求，不會造成災(zāi)害損失，并且汛限水位抬高1.0m比抬高0.5m所帶來的防洪減災(zāi)效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益及生態(tài)效益都更高，因此認(rèn)為東阿水庫汛限水位抬高1.0m，即Z限=50.0m是最優(yōu)方案。

3.2 實(shí)施建議

本文通過對東阿水庫汛限水位調(diào)整后帶來的風(fēng)險(xiǎn)和效益進(jìn)行分析、對比，確定當(dāng)前汛限水位抬高1.0m即Z限=50.0m時(shí)既可保證水庫大壩本身、下游河道以及上游回水淹沒區(qū)安全，也可以提高蓄水位，增加蓄水量，從而帶來更高的灌溉效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益等，因此建議在實(shí)際工作中可在加強(qiáng)洪水調(diào)度的情況下，適當(dāng)提高水庫運(yùn)行水位。具體調(diào)度過程建議如下：

當(dāng)不考慮洪水預(yù)報(bào)，以庫水位作為設(shè)計(jì)洪水的判別條件時(shí)，汛期的控制運(yùn)用方式是自由泄流與控制固定泄流相結(jié)合，并以庫水位作為改變泄流量的依據(jù)。即當(dāng)洪水入庫時(shí)，庫水位為Z汛。在調(diào)洪初始階段，為保證一定的興利蓄水，閘門漸開，控制泄流，使q=Q，保持庫水位不變。直到入流量Q大于汛限水位所相應(yīng)的閘門全開時(shí)的泄流q汛時(shí)，庫水位開始上升。此后，閘門已全開，轉(zhuǎn)為自由泄流。至泄流達(dá)到下游安全泄流q允時(shí)，再漸關(guān)閘門，控制固定泄流，即q=q允，以保證下游防洪。在q=q允的一段時(shí)間內(nèi)，由于Q持續(xù)大于q，庫水位不斷上升。

如果入庫洪水的標(biāo)準(zhǔn)超過了下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，水庫的控制運(yùn)用過程，在庫水位達(dá)到防洪高水位之前，與上述過程完全相同?？刂苢=q允的時(shí)間，是在庫水位達(dá)到防洪高水位Z防時(shí)止。當(dāng)庫水位達(dá)到Z防，后續(xù)入庫流量Q仍大于q允，或庫水位仍繼續(xù)上漲時(shí)，說明該次洪水超過了下游防洪標(biāo)準(zhǔn)，不能再保護(hù)下游，而應(yīng)主要保障大壩本身安全，故又一次閘門全開，轉(zhuǎn)入自由泄流。

以上是水庫在汛期運(yùn)行時(shí)一次洪水調(diào)度的全過程，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合上游來水監(jiān)測預(yù)警設(shè)施，密切關(guān)注雨水情變化趨勢，進(jìn)一步細(xì)化調(diào)度運(yùn)行方案，安排專人值守，切實(shí)發(fā)揮水庫調(diào)蓄作用。

4 結(jié) 語

本文對汛限水位抬高后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析時(shí)沒有考慮水、雨、工情及氣象預(yù)報(bào)等可利用的預(yù)報(bào)信息，屬于靜態(tài)控制，但隨著水文預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展成熟，對水庫汛限水位實(shí)行動態(tài)控制，更有利于洪水資源的充分利用。即依據(jù)不同信息與方法推算出汛限水位取值范圍，且在水庫運(yùn)行中可根據(jù)實(shí)時(shí)雨、水、工、汛情及氣象預(yù)報(bào)的水、雨情和衛(wèi)星云圖、測雨雷達(dá)等可利用的預(yù)報(bào)等綜合信息在汛限水位取值范圍內(nèi)上下調(diào)整，對汛限水位實(shí)施動態(tài)管理。

在實(shí)施預(yù)報(bào)過程中，可以根據(jù)洪水預(yù)報(bào)信息，例如根據(jù)無雨及中雨以下量級降雨預(yù)報(bào)信息，將水庫汛限水位控制在取值范圍的上限，既可滿足防洪安全要求，又可提高洪水資源的利用率。也可以根據(jù)中到大雨及以上量級降雨預(yù)報(bào)信息及實(shí)際測報(bào)的洪水信息，將水庫汛限水位控制在取值范圍的下限，可在保證興利蓄水的前提下，提高水庫的防洪能力。因此，從實(shí)現(xiàn)水庫效益最大化的角度講，對東阿水庫加強(qiáng)預(yù)警監(jiān)測設(shè)施的配備，進(jìn)而對其實(shí)行動態(tài)控制是十分必要的，有待今后進(jìn)一步研究。

（責(zé)任編輯崔春梅）

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1009-6159（2013）-11-0005-03

劉麗麗（1981—），女，工程師