小型水库汛限水位调整风险与效益分析

刘丽丽，刘 伟，尹 红

（1.平阴县水务局，山东 济南 250400；2.济南市平阴田山电灌管理处，山东 济南 250400）

小型水库汛限水位调整风险与效益分析

刘丽丽1，刘 伟2，尹 红1

（1.平阴县水务局，山东 济南 250400；2.济南市平阴田山电灌管理处，山东 济南 250400）

以东阿水库为例，对水库的汛限水位进行调整、分析，协调水库运行中兴利与防洪之间的矛盾关系，在保障水库安全的前提下，抬高东阿水库汛限水位，可增加水库蓄水量，从而带来更大的灌溉效益、经济效益、生态效益等。通过对抬高水库汛限水位后所带来的风险和效益进行系统分析，合理确定东阿水库汛限水位调整方案，并期望通过对东阿水库汛限水位的调整研究为如何调度小型水库最大可能利用洪水资源提供一些有益探索。

小型水库；汛限水位；风险分析；效益

东阿水库流域面积135.8km2，建于1956年，1957年完成，总库容502万m3，调洪库容228.8万m3，防洪库容169.3万m3，兴利库容314.2万m3，死库容115.4万m3。校核洪水位51.97m，设计洪水位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。水库工程枢纽由大坝、溢洪道、放水洞等组成。东阿水库上游有水库14座，总库容971.06万m3，调洪库容374.18万m3，防洪库容296.17万m3，兴利库容481.73万m3，死库容115.15万m3。东阿水库上游共有塘坝29座，总库容154.4万m3。这些水利工程调节径流，削减洪峰，一方面减少了洪涝灾害，另一方面为山区农业生产提供了灌溉水源。东阿水库下游无水库、塘坝等水利工程，下游河道20年一遇泄量为677.41m3/s，50年一遇泄量为788.41m3/s。

东阿水库在2010年进行除险加固时，溢洪道由原来的溢流堰变为3孔溢洪闸，并建设了溢洪闸闸室，实现了水库的综合控制运用。自水库除险加固完成后，水库一直控制在汛限水位49.00m以下的工况条件下运行，虽保障了大坝安全，但不利于对地表水资源的充分利用。

1 汛限水位调整后风险分析

在水库的设计、运行过程中，存在着太多的不确定因素，如水文、水力的不确定性，数据的不确定性、计算的不确定性等。这些不确定因素的存在，给水库运行带来一定的风险，因此在确定水库汛限水位时，首先要对调整汛限水位带来的风险进行研究、分析。

当水库汛限水位调整后，会给水库本身、下游河道及上游回水淹没带来风险，本次风险分析拟按如下方案进行：

1）当P=5%时，汛限水位拟分别提高0.5m，1.0m，1.5m后对大坝本身、上游及下游带来的风险进行分析计算；

2）当P=2%时，汛限水位拟分别提高0.5m，1.0m，1.5m后对大坝本身、上游及下游带来的风险进行分析计算；

1.1 对大坝本身的风险分析

1）P=5%时汛限水位抬高0.5m，即Z限=49.5m当Z限=49.5m时，若闸门全部打开，水库为自由泄流，根据泄流公式求得q49.5泄=235.8m3/s；

当Q＜235.8m3/s时，通过控制闸门开启度，使q泄=Q入。

当Q入大于汛限水位49.5m闸门全开时的溢洪道泄量，水库泄流由控制泄流转为自由泄流。参考济南市水文水资源勘测局2007年编制的《济南市东阿水库防洪复核报告》所计算的东阿水库受上游水库调蓄影响的各设计频率洪水流量，根据水量平衡方程逐时段调算水库下泄流量及蓄水变化过程。

当无闸控制时，计算并绘制q～V/△t+q/2辅助曲线。

为提高图解精度，计算中V值取溢洪道堰顶以上的库容。计算时段取△t=1h。

利用半图解法调洪计算过程如表1所示。

表1 半图解法调洪计算表（△t=1h）

由表1知，当Q>q限时，qm泄=450.00m3/s。

由自由泄流公式推出H0=5.39m。

则当汛限水位为49.5m时，库前水位Z=51.39m。

根据济南市水利建筑勘测设计研究院2009年《济南市平阴县东阿水库除险加固工程设计报告》中坝顶超高计算，P=5%时，平均波高为0.354m，周期为2.641s，波长为10.861m，壅水高为0.015m，累积概率的爬高为1.19m，坝顶安全超高为1.715m，坝顶设计高程为53.105m。

综上，当P=5%时，汛限水位抬高0.5m，设计洪水位增加0.2m，考虑坝顶安全超高后，坝顶设计高程需达到53.015m，与现状坝顶高程53.5m相比较，满足防洪安全需要，因此当P=5%时，汛限水位抬高0.5m对大坝本身无影响。

2）同理计算得出，P=5%及P=2%时大坝本身风险分析如表2示。

表2 P=5%及P=2%时大坝本身风险分析

1.2 对水库上游的风险分析

当汛限水位抬高后，坝上淹没范围随之增加，具体如表3示。

表3 P=5%及P=2%时水库上游风险分析

1.3 对水库下游的风险分析

根据济南市水利建筑勘测设计研究院2009年计算成果，东阿水库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年一遇时水库下游风险分析如表4示。

表4 P=5%及P=2%时水库下游风险分析

2 汛限水位抬高后效益分析

当东阿水库汛限水位进行调整后，水库坝前水位、兴利库容等发生一系列变化，在给水库及上下游带来风险的同时，也因蓄水量的增加带来一定效益，具体分析如下：

2.1 防洪减灾效益

东阿水库下游有东阿镇政府驻地及福胶集团等多家企业，下游有庞庄等16个村庄，1.6万多人，1200hm2耕地，水库拦蓄洪峰，安全下泄洪水可保障以上单位及人员的生命财产安全，因此东阿水库担负着重要的防洪任务。当东阿水库的汛限水位抬高后，兴利库容增加，防洪库容减少，但基于现在的洪水预报技术提高，可以通过优化调度方案，提前泄洪，错峰调洪，在保障水库大坝及下游防洪安全的基础上，最大限度地发挥水库的防洪减灾效益，做到汛期不受灾，旱季不缺水。

2.2 经济效益

据调查，东阿水库主要供给周边及下游衙前、庞庄等20多个村庄，约计1333.3hm2耕地灌溉使用，是当地重要的灌溉水源。同时，东阿水库上游来水除暴雨山洪水外，还有许多泉群汇流补给，来水水源可靠、稳定，水质优良，矿物质丰富，非常适合发展水产养殖产业。

2.3 社会效益

东阿水库位置优越，周边有南坛、衙前等10个村庄，2万多人。周边居民祖祖辈辈依靠水库生活，除通过水库引水灌溉外还捕鱼、洗衣等，特别是东阿水库经过2010年除险加固后，大坝坝坡整修平整、美观，修建的下坡台阶，更方便群众亲水、休闲娱乐等，并且国道220穿水库而过，当水库汛限水位抬高，水库水面面积增大，加之水库两岸垂柳绿影成荫，一度成为东阿镇特色风景地，许多县城居民也因水库环境优美慕名前来游玩。因此在保障水库及下游安全的前提下，适当抬高汛限水位，具有显著的社会效益。

2.4 生态效益

当水库汛限水位抬高后水面面积增加，水面蒸发量也随之增加，不仅美化了库区环境还可以调节局部小气候，增加空气湿润度，对于水库周边及沿河环境改善发挥更大作用，生态效益更为显著。

3 汛限水位调整方案优化及实施建议

3.1 方案优化

通过对东阿水库汛限水位分别抬高0.5m、1.0m、1.5m后带来的风险和效益进行对比分析，当水库汛限水位抬高1.5m后，水库大坝现状坝顶高程不再满足防洪要求，因此汛限水位抬高1.5m方案不可取。当水库汛限水位抬高0.5m及1.0m时，虽然带来的风险比当前现状汛限水位存在风险增加，但水库大坝、上游两岸以及水库下游河道均满足防洪要求，不会造成灾害损失，并且汛限水位抬高1.0m比抬高0.5m所带来的防洪减灾效益、经济效益、社会效益及生态效益都更高，因此认为东阿水库汛限水位抬高1.0m，即Z限=50.0m是最优方案。

3.2 实施建议

本文通过对东阿水库汛限水位调整后带来的风险和效益进行分析、对比，确定当前汛限水位抬高1.0m即Z限=50.0m时既可保证水库大坝本身、下游河道以及上游回水淹没区安全，也可以提高蓄水位，增加蓄水量，从而带来更高的灌溉效益、经济效益、社会效益、生态效益等，因此建议在实际工作中可在加强洪水调度的情况下，适当提高水库运行水位。具体调度过程建议如下：

当不考虑洪水预报，以库水位作为设计洪水的判别条件时，汛期的控制运用方式是自由泄流与控制固定泄流相结合，并以库水位作为改变泄流量的依据。即当洪水入库时，库水位为Z汛。在调洪初始阶段，为保证一定的兴利蓄水，闸门渐开，控制泄流，使q=Q，保持库水位不变。直到入流量Q大于汛限水位所相应的闸门全开时的泄流q汛时，库水位开始上升。此后，闸门已全开，转为自由泄流。至泄流达到下游安全泄流q允时，再渐关闸门，控制固定泄流，即q=q允，以保证下游防洪。在q=q允的一段时间内，由于Q持续大于q，库水位不断上升。

如果入库洪水的标准超过了下游防洪标准，水库的控制运用过程，在库水位达到防洪高水位之前，与上述过程完全相同。控制q=q允的时间，是在库水位达到防洪高水位Z防时止。当库水位达到Z防，后续入库流量Q仍大于q允，或库水位仍继续上涨时，说明该次洪水超过了下游防洪标准，不能再保护下游，而应主要保障大坝本身安全，故又一次闸门全开，转入自由泄流。

以上是水库在汛期运行时一次洪水调度的全过程，在实际应用时应结合上游来水监测预警设施，密切关注雨水情变化趋势，进一步细化调度运行方案，安排专人值守，切实发挥水库调蓄作用。

4 结 语

本文对汛限水位抬高后的风险进行分析时没有考虑水、雨、工情及气象预报等可利用的预报信息，属于静态控制，但随着水文预报技术的发展成熟，对水库汛限水位实行动态控制，更有利于洪水资源的充分利用。即依据不同信息与方法推算出汛限水位取值范围，且在水库运行中可根据实时雨、水、工、汛情及气象预报的水、雨情和卫星云图、测雨雷达等可利用的预报等综合信息在汛限水位取值范围内上下调整，对汛限水位实施动态管理。

在实施预报过程中，可以根据洪水预报信息，例如根据无雨及中雨以下量级降雨预报信息，将水库汛限水位控制在取值范围的上限，既可满足防洪安全要求，又可提高洪水资源的利用率。也可以根据中到大雨及以上量级降雨预报信息及实际测报的洪水信息，将水库汛限水位控制在取值范围的下限，可在保证兴利蓄水的前提下，提高水库的防洪能力。因此，从实现水库效益最大化的角度讲，对东阿水库加强预警监测设施的配备，进而对其实行动态控制是十分必要的，有待今后进一步研究。

（责任编辑崔春梅）

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刘丽丽（1981—），女，工程师