石梁河水库洪水资源利用水位控制初步研究

朱丽向，黄显峰

（1.连云港市水利规划办公室，江苏连云港，222004；2.河海大学水利水电学院，江苏 南京，210098）

石梁河水库地处江苏连云港市，是沂沭泗东调南下的控制性工程，也是江苏省第一大水库。石梁河水库还承担着调蓄沂沭泗流域洪水、减轻鲁南地区防洪压力、保障连云港市防洪安全的重要任务，自建成以来发挥了巨大的社会效益、经济效益和生态效益。连云港市承担着上游近8万km2流域面积的泄洪任务，是著名的“洪水走廊”。一方面过境水量丰沛，但基本为不可利用水量；另一方面本地淡水资源匮乏，水资源供给能力不足，城乡用水大部分依靠外来水源，缺水矛盾突出。开展过境洪水资源利用、增强地表拦蓄能力是缓解连云港市水资源短缺和洪涝多发矛盾的战略举措，因此，对石梁河水库洪水利用水位控制进行研究具有重要意义。

1 基本概况

石梁河水库位于新沭河中游，承泄新沭河上游和沂河、沭河区间来水，集水面积15 365 km2，总库容5.31亿m3。水库兴建于1958年，1970年建成水力发电站，装机容量1 120 kW。老泄洪闸加固于2000年12月通过竣工验收并交付使用，新泄洪闸于2001年6月完工。水库按重现期100年设计，重现期2 000年校核，设计洪水位26.81 m，校核洪水位27.95 m，最大泄流量10 131 m3/s。石梁河水库以防洪为主，兼具灌溉、城市供水、水力发电、水产养殖等综合效益，防洪保护范围2 000 km2，包括连云港市区、陇海铁路、淮北盐场、田湾核电站及东海县和赣榆区6万ha农田等重要地区和设施。另外，石梁河水库也是连云港市区生活及工业用水的备用水源。

水库多年平均来水量为20.77亿m3，多年平均用水量为3.94亿m3。1976年，大官庄闸的建成控制了石梁河水库的上游来水。1956～1995年统计资料表明，石梁河水库多年平均来水量为1.97亿m3，来水量明显减少。

2 石梁河水库调度规则

石梁河水库的调度充分考虑流域、水库自身及下游三者之间的调度关系，调度规则如下：（1）当本地未降雨而上游发生洪水时，石梁河水库可提前预降，尽量控制下泄流量不超过3 000 m3/s，确保新沭河堤防安全；（2）当本地与上游发生同频率超标准洪水时，本地内涝将非常严重，石梁河水库应根据上游来水量和天气预报适当控制下泄量以照顾蔷薇河、磨山河排泄以及范河、市区和农田排涝，减轻下游灾害，并尽可能采取大流量泄洪，缩短泄洪时间，与下游河道错峰排水，让出河道照顾下游排除洪涝；（3）当本地与上游发生同频率标准内洪水时，要充分利用上下游洪峰形成的时间差，实行错峰，充分发挥水库调蓄功能，腾出时间给蔷薇河、磨山河、范河排泄及市区和农田排涝，减轻下游灾害，同时要充分利用洪水资源，变害为利。

水库控制运用分期说明：库水位23.5～24.0 m时，照顾下游区间汇流，控制下泄流量不超过5 000 m3/s，其中新老闸各控制不超过2 500 m3/s；库水位24.0～26.3 m时，控泄6 000 m3/s，其中新闸为3 500m3/s，老闸为 2 500 m3/s；库水位在 26.3～27.0 m 时，控泄 7 000 m3/s，其中新闸为4 000 m3/s，老闸为3 000 m3/s；库水位超过27.0 m时，泄洪闸全开敞泄。

3 典型水库分期汛限水位研究

石梁河分期汛限水位研究以流域汛期分期计算为基础，推求各分期水库设计洪水过程，而后按水库运行规程进行分期调洪演算，根据调洪演算结果确定水库分期汛限水位。石梁河水库建于1958年，被水利部列为第二批全国重点病险水库之一，此后一直压低水位运行，水库原设计特征水位与现状特征水位见表1。

1999～2001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重现期50年水平，为石梁河水库未来恢复正常运用创造了条件[1]。因此，本研究旨在将石梁河水库兴利水位恢复至原设计目标26 m，设计洪水位与校核洪水位分别恢复至27.65 m和28.0 m，并以此为基础对石梁河水库汛限水位的分期控制进行研究。在保障水库防洪安全的前提下，进一步挖掘水库蓄水潜力，充分利用汛前和汛末过境洪水，增强连云港市雨洪资源利用能力。

表1 石梁河水库不同工况特征水位表Table 1 Characteristic water levels of Shilianghe reservoir in different conditions

3.1 汛期分期

目前国内在汛期分期方面已有一些研究成果，汛期分期属于高维时间序列的聚类问题，目前处理此类问题的主要途径包括模糊集合分析法、系统聚类法、分形法、变点分析法、动态聚类法等[2-4]。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，以6月1日～9月30日的汛期为研究对象，选用1980～2009年石梁河水库汛期多年日最大流量序列作为研究系列样本进行分析，石梁河水库汛期可以划分为前汛期、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Table 2 Flood seasons divided

3.2 分期设计洪水

3.2.1 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重现期100年设计，重现期2 000年校核。本研究分期设计洪水选用同样标准。

3.2.2 分期设计洪峰流量

对1980～2009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，求得对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异常变化显著，导致洪水出现的时间在多年内存在一定偶然性，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 d。石梁河水库分期设计洪峰流量见表3。

3.2.3 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洪水过程，分期设计洪水计算成果见表3。

3.3 分期汛限水位

中华人民共和国水利部《综合利用水库调度通则》规定：分期防洪限制水位的确定应根据分期设计洪水，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，及相应的泄流方式，进行调洪计算确定。水库分期汛限水位的计算方法为：在分期设计洪水、设计洪水位、校核洪水位已定的情况下，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。

根据以上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。

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两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3 分期设计洪水计算成果表Table 3 Calculation results of designed flood in different divided flood seasons

表4 分期设计洪水调洪计算结果（P=1%）Table 4 Flood regulation results in different divided flood seasons with designed flood（P=1%）

表5 分期校核洪水调洪计算结果（P=0.05%）Table 5 Flood regulation results in different divided flood seasons with check flood（P=0.05%）

表6 各分期汛限水位对比表Table 6 Flood control levels in different divided flood seasons

3.4 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1991～2009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[5]。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。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11 124万m3。

表7 各分期汛限水位成果表Table 7 Flood control levels in different divided flood seasons

4 影响分析

石梁河水库实施分期汛限水位控制将对连云港市防洪、兴利以及库区生态环境等带来一系列影响[6]。

4.1 连云港市防洪风险增加，但风险总体可控

石梁河水库实施汛限水位分期控制后，前汛期及后汛期水库防洪库容将有所减小，虽已经过分析论证满足各分期防洪标准的要求，但仍不能排除此期间沂沭泗流域发生大洪水的可能性，因此，石梁河水库下游连云港市总体防洪风险增加。同时，虽然石梁河水库主汛期防洪库容基本未变，但水库水位整体有所提高，由此亦造成下游连云港市防洪风险相对增大。

表8 石梁河水库历年汛期各分期弃水量表Table 8 Water discharge of Shilianghe reservoir in the past divided flood seasons

表9 石梁河水库分期汛限水位蓄水效益计算表Table 9 Benefit of water storage at flood control levels of Shilianghe reservoir

尽管水库实施汛限水位分期控制后连云港市及水库大坝防洪风险相对增大，但总体仍在可控范围内。首先，石梁河水库入库洪水受上游大官庄枢纽控制，在水库防洪压力较大时，可发挥大官庄水利枢纽的作用，错峰分洪至新沂河等泄洪通道，控制石梁河水库入库流量，缓解石梁河水库防汛压力；其次，石梁河水库下游新沭河经过综合整治后，流域防洪能力已达重现期50年水平，河道行洪能力达7 000 m3/s，解决了石梁河水库出口不畅的问题，水库可在较短时间内腾空防洪库容，保证连云港市及水库大坝的防洪安全。

4.2 缓解区域供水矛盾，综合效益显著

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11 124万m3，其中非汛期年均增加蓄水量2 495万m3，汛期年均增加8 629万m3，这将大大提高连云港市洪水资源利用效率，并有效缓解周边地区工、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提高水库的发电效益。

4.3 库区水位升高，淹没范围增大

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24.5 m提高至26 m，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，易引发水库回迁移民再次搬迁等社会问题，同时也将对库区的生态、环境、局部气候等产生一定的影响。

5 结语

为推进石梁河水库洪水资源利用工作，连云港市应加强与流域管理机构、水库上游地区以及库区影响范围内群众的沟通与协调工作，妥善处理各种矛盾与问题，同时综合运用水库安全监测、洪水预警预报、洪水优化调度等科学技术手段，提高水库的管理水平，在保证防洪安全的前提下，逐步实施石梁河水库的分期控制，充分发挥水库洪水资源利用的效益。

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[2]王俊莉，高英.东风水库汛限水位动态控制[J].华中电力，2006，19(6)：41-43.

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