大汶河流域洪水資源實(shí)時(shí)調(diào)度研究

趙洪麗 張立民 張 濤

(1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心，山東 濟(jì)南 250013；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心昌邑管理站，山東 濰坊 261300；3.山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山東 濟(jì)南 250013)

山東省屬于資源型缺水省份，全省水資源人均占有量不到全國(guó)平均水平的1/6，僅為世界平均水平的1/24。降水時(shí)空分布不均，汛期降水量占全年的70%以上，部分河道存在汛期棄水較大而難以利用的局面。如魯北地區(qū)屬水資源嚴(yán)重短缺地區(qū)，在南水北調(diào)供水范圍內(nèi)地表水資源量為12.19億m3，地下水資源量為26.88億m3，用水量為49.03億m3，需水量為51.74億m3，水資源承載能力不足成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。因此，需要進(jìn)一步挖掘當(dāng)?shù)赜旰橘Y源利用潛力，提高供水能力，以保障地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

國(guó)內(nèi)外雨洪資源的利用歷史均較早，但雨洪資源利用的理論體系尚不成熟，雨洪利用技術(shù)尚不完善。目前對(duì)水庫(kù)洪水資源利用研究較多，主要是優(yōu)化調(diào)整汛限水位[1-2]，或?qū)λ畮?kù)群進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度[3]，對(duì)河道洪水資源利用研究較少。本文通過(guò)對(duì)大汶河典型洪水進(jìn)行分析，利用東平湖進(jìn)行短歷時(shí)洪水實(shí)時(shí)調(diào)度，并利用南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程膠東干線(xiàn)和魯北干線(xiàn)外調(diào)洪水資源，減輕黃河防汛壓力，有效利用大汶河洪水資源，緩解地區(qū)水資源短缺危機(jī)。

1 大汶河基本情況

大汶河流域位于黃河下游，北以泰山山脈和小清河為界，東以魯山、南以蒙山及其余脈和淮河流域?yàn)榻?，西以黃河為界，西南與濟(jì)寧市接壤。大汶河是黃河下游的較大支流之一。大汶河又名汶水，簡(jiǎn)稱(chēng)汶河，發(fā)源于萊蕪市松崮山南麓的沙崖子村，自東向西流經(jīng)萊蕪、新泰、泰安、肥城、寧陽(yáng)、汶上、東平等縣市。大汶口以上分南、北兩支，為上游，以北支牟汶河為主流。全長(zhǎng)為208km，在東平縣馬口注入東平湖，自然落差為362m，總流域面積為9069km2。

東平湖是大汶河流域內(nèi)的主要湖泊，位于大汶河下游東平縣西部魯中山區(qū)向平原過(guò)渡的邊緣地帶，是我國(guó)東部典型的淺水型湖泊。湖區(qū)總面積為627km2，其中老湖區(qū)面積為209km2，新湖區(qū)面積為418km2。水位為45.00m(東平湖采用大沽高程)時(shí)，相應(yīng)總庫(kù)容為33.54億m3，其中新湖區(qū)庫(kù)容為23.67億m3，老湖區(qū)庫(kù)容為9.87億m3。老湖區(qū)與大汶河相通，湖區(qū)內(nèi)常年有水。東平湖面積庫(kù)容示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 東平湖面積庫(kù)容示意圖

2 徑流洪水特點(diǎn)

2.1 徑流量

東平湖水源補(bǔ)充主要是大汶河來(lái)水，根據(jù)大汶河入湖控制站——戴村壩水文站1956—2015年多年實(shí)測(cè)水文資料統(tǒng)計(jì)，多年平均來(lái)水量為9.92億m3，其中7—10月的汛期平均來(lái)水量為8.38億m3，占年來(lái)水量的84.5%。大汶河年際間來(lái)水極不均勻，年最大來(lái)水量為1964年的60.73億m3，最小來(lái)水量為0，發(fā)生在1989年。東平湖作為黃河、大汶河的調(diào)蓄湖泊，大部分年份都要向黃河棄水，其中20世紀(jì)70年代、80年代、90年代年均入黃徑流量分別為8.47億m3、2.93億m3、6.17億m3，2000—2015年年均入黃徑流量為8.77億m3，在當(dāng)?shù)貙儆谒Y源相對(duì)豐富的地區(qū)[4]。

2.2 場(chǎng)次洪水特點(diǎn)

統(tǒng)計(jì)大汶河控制站戴村壩水文站場(chǎng)次洪水的洪水歷時(shí)、洪峰等特征參數(shù)。戴村壩1964—2015年較大洪水26場(chǎng)次，洪水歷時(shí)一般在4～12天，平均為7.8天，起始流量平均為124m3/s，結(jié)束流量平均為208m3/s。洪水歷時(shí)大于5天的場(chǎng)次有17場(chǎng)，占總洪水場(chǎng)次的比例為81.0%。

根據(jù)大汶河洪水歷時(shí)，洪水期間調(diào)水天數(shù)宜取 5～10天；當(dāng)洪水期較短時(shí)，可利用東平湖調(diào)蓄洪水，延長(zhǎng)調(diào)水時(shí)間，一次調(diào)水時(shí)長(zhǎng)取5～15天。對(duì)大汶河戴村壩1956—2015年最大7日洪量進(jìn)行理論頻率曲線(xiàn)擬合，選用P-Ⅲ型理論頻率曲線(xiàn)，適線(xiàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。大汶河最大7日洪量均值為2.44億m3，最大72h洪量均值為1.63億m3，可見(jiàn)，大汶河具有一定的洪水資源利用潛力。

圖2 大汶河戴村壩7日洪量頻率曲線(xiàn)擬合

2.3 東平湖控制運(yùn)用情況

根據(jù)東平湖防洪調(diào)度方案，東平湖汛期為7—10月，老湖區(qū)7—8月汛期限制水位42.0m，9—10月汛期限制水位43.0m，警戒水位43.0m。統(tǒng)計(jì)東平湖多年年平均水位及汛期平均水位，其中，1960—1989年汛期平均水位為40.39m。1990年以后，湖水位提高明顯，1990—2015年汛期平均水位為41.47m，104個(gè)月中有91個(gè)月月均水位高于40.5m，比例為87.5%，有98個(gè)月月均水位低于42.5m，比例為94.2%，相比1960—1989年平均汛期水位抬高1.08m，主要與東平湖防洪治理工程、東平湖滯洪區(qū)治理工程、東平湖分洪工程等流域水利工程建設(shè)及湖區(qū)工程調(diào)度運(yùn)用管理有關(guān)。

3 大汶河洪水調(diào)算

3.1 洪水資源利用原則

結(jié)合東平湖防洪調(diào)度方案，考慮大汶河補(bǔ)充東平湖水量，根據(jù)東平湖水位、大汶河洪水及流域工程調(diào)蓄情況，利用南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程膠東輸水干線(xiàn)和魯北輸水干線(xiàn)實(shí)施相機(jī)調(diào)水，充分利用大汶河洪水資源，擬定如下洪水資源調(diào)水原則：

a.調(diào)水水量為汛期洪水資源，根據(jù)東平湖蓄水、養(yǎng)殖及觀光旅游等功能，在東平湖水位高于40.5m時(shí)，在汛期洪水期間可啟用調(diào)水；東平湖水位達(dá)到43.0m時(shí)，考慮建筑物防洪安全，應(yīng)對(duì)抗洪搶險(xiǎn)，不宜啟用調(diào)水。汛期調(diào)水期間需滿(mǎn)足河道下泄生態(tài)基流[5]。

b.調(diào)水期間盡量不降低該場(chǎng)洪水來(lái)臨前的湖水位。當(dāng)洪水歷時(shí)較短時(shí)，受調(diào)水能力限制，可考慮利用東平湖調(diào)蓄洪水，延長(zhǎng)調(diào)水時(shí)間。結(jié)合氣象預(yù)報(bào)，當(dāng)預(yù)報(bào)大汶河來(lái)水量較大時(shí)，可對(duì)東平湖進(jìn)行預(yù)泄，一方面適當(dāng)騰空庫(kù)容，加大防洪庫(kù)容；另一方面，將預(yù)泄洪水調(diào)往魯北地區(qū)，加大調(diào)水量，減少棄水損失。

借用南水北調(diào)山東段輸水渠向膠東、魯北地區(qū)輸送東平湖大汶河洪水資源，并避免與南水北調(diào)輸送長(zhǎng)江水時(shí)間沖突。南水北調(diào)東線(xiàn)工程確定的調(diào)水時(shí)間原則上避開(kāi)汛期，因此，調(diào)用東平湖大汶河洪水資源的調(diào)水時(shí)間，與南水北調(diào)輸送長(zhǎng)江水時(shí)間不存在時(shí)間沖突。南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程魯北段、膠東段設(shè)計(jì)流量均為50m3/s，總設(shè)計(jì)調(diào)水流量為100m3/s。

3.2 場(chǎng)次洪水選取

場(chǎng)次洪水選取時(shí)，通過(guò)對(duì)東平湖以上大汶河流域?qū)崪y(cè)暴雨、洪水資料進(jìn)行分析，選取雨洪對(duì)應(yīng)關(guān)系較好、流域內(nèi)降雨分布較為均勻的場(chǎng)次洪水。首先從歷年洪水過(guò)程中，滑動(dòng)選取年最大7日洪量，然后對(duì)歷年最大7日洪量系列進(jìn)行頻率分析，選取洪水頻率10%、25%、50%、75%的場(chǎng)次洪水作為典型洪水。豐水年場(chǎng)次洪水為200108、偏豐年場(chǎng)次洪水為200408、平水年場(chǎng)次洪水為200507。洪水起始調(diào)算水位為東平湖汛期限制水位，汛限水位為42.00m，警戒水位為43.00m，東平湖典型年洪水調(diào)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 東平湖典型洪水調(diào)算基本參數(shù)

3.3 調(diào)度方式

調(diào)水方式一：棄水調(diào)水。調(diào)水水量全部來(lái)源于東平湖棄水，不影響東平湖自身的洪水調(diào)節(jié)。當(dāng)東平湖需要棄水時(shí)，同時(shí)開(kāi)啟調(diào)水，東平湖出流包括泄流及調(diào)水流量。東平湖總出流按泄流能力控制。

調(diào)水方式二：考慮洪水預(yù)見(jiàn)期預(yù)泄調(diào)水。調(diào)水水量包括部分棄水及水庫(kù)蓄存水量，影響東平湖自身的洪水調(diào)節(jié)。當(dāng)洪水上漲時(shí)，則開(kāi)啟調(diào)水，調(diào)水流量按入湖洪水流量控制(不超過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)水流量)，東平湖出流包括泄流及調(diào)水流量。其中泄流按泄流能力控制。

短歷時(shí)洪水調(diào)算規(guī)則。以湖水位為判斷條件，具體規(guī)則如下：當(dāng)洪水位未超過(guò)汛限水位時(shí)，不泄流；當(dāng)達(dá)到汛限水位時(shí)，洪水水量來(lái)多少泄多少，維持在汛限水位；當(dāng)水位繼續(xù)上漲時(shí)，則啟用泄洪閘，控制下泄，啟用傍口閘及陳山口閘，按傍口閘一級(jí)泄流能力450m3/s控泄；當(dāng)水位超過(guò)警戒水位時(shí)，啟用傍口閘及陳山口閘，按陳山口閘二級(jí)泄流能力1200m3/s控泄。

3.4 調(diào)算結(jié)果

本次東平湖大汶河洪水資源利用，原則上對(duì)汛期洪水資源進(jìn)行利用。由于洪水歷時(shí)通常較短，本次對(duì)東平湖典型洪水根據(jù)防洪規(guī)則進(jìn)行短歷時(shí)洪水調(diào)算，分析場(chǎng)次洪水下的實(shí)時(shí)調(diào)水過(guò)程、調(diào)水量等。典型年洪水調(diào)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 東平湖典型年洪水調(diào)算結(jié)果(方式一)

表3 東平湖典型年洪水調(diào)算結(jié)果(方式二)

圖3 200507號(hào)洪水流量及調(diào)算泄流、水位過(guò)程(方式一)

圖4 200507號(hào)洪水流量及泄流、水位過(guò)程(方式二)

兩種調(diào)度方式下的洪水過(guò)程、湖水位、泄流過(guò)程見(jiàn)圖3、圖4。調(diào)度方式一棄水階段調(diào)水調(diào)算結(jié)果：平水年200507場(chǎng)次洪水，起調(diào)水位為41.40m，棄水量為7763萬(wàn)m3，最大泄流為450m3/s，調(diào)水時(shí)間為5天，調(diào)水量為4320萬(wàn)m3。調(diào)度方式二棄水階段調(diào)水調(diào)算結(jié)果：平水年200507場(chǎng)次洪水，起調(diào)水位為41.40m，棄水量為6802萬(wàn)m3，最大泄流為450m3/s，調(diào)水時(shí)間為6.8天，調(diào)水量為5281萬(wàn)m3。

兩種調(diào)水方式，末時(shí)水位均不高于汛限水位；當(dāng)起調(diào)水位低于汛限水位時(shí)，則末時(shí)調(diào)算水位均高于該起調(diào)水位。由調(diào)算結(jié)果可以看出，隨著預(yù)見(jiàn)期加大，可延長(zhǎng)調(diào)水時(shí)長(zhǎng)，從而加大調(diào)水量，同時(shí)有利于減少東平湖下泄流量，減少防洪壓力。

4 結(jié) 語(yǔ)

大汶河具有一定的洪水資源利用潛力，通過(guò)東平湖調(diào)蓄，并利用南水北調(diào)東線(xiàn)一期工程膠東輸水干線(xiàn)和魯北小運(yùn)河輸水干線(xiàn)外調(diào)洪水資源，可有效利用大汶河洪水資源，緩解膠東、魯北地區(qū)水資源短缺危機(jī)。由于大汶河洪水通常歷時(shí)較短，建議結(jié)合現(xiàn)代化水雨情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)度，以安全高效利用洪水資源。