朱麗向，黃顯峰

（1.連云港市水利規(guī)劃辦公室，江蘇連云港，222004；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京，210098）

石梁河水庫(kù)地處江蘇連云港市，是沂沭泗東調(diào)南下的控制性工程，也是江蘇省第一大水庫(kù)。石梁河水庫(kù)還承擔(dān)著調(diào)蓄沂沭泗流域洪水、減輕魯南地區(qū)防洪壓力、保障連云港市防洪安全的重要任務(wù)，自建成以來(lái)發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。連云港市承擔(dān)著上游近8萬(wàn)km2流域面積的泄洪任務(wù)，是著名的“洪水走廊”。一方面過(guò)境水量豐沛，但基本為不可利用水量；另一方面本地淡水資源匱乏，水資源供給能力不足，城鄉(xiāng)用水大部分依靠外來(lái)水源，缺水矛盾突出。開展過(guò)境洪水資源利用、增強(qiáng)地表攔蓄能力是緩解連云港市水資源短缺和洪澇多發(fā)矛盾的戰(zhàn)略舉措，因此，對(duì)石梁河水庫(kù)洪水利用水位控制進(jìn)行研究具有重要意義。

1 基本概況

石梁河水庫(kù)位于新沭河中游，承泄新沭河上游和沂河、沭河區(qū)間來(lái)水，集水面積15 365 km2，總庫(kù)容5.31億m3。水庫(kù)興建于1958年，1970年建成水力發(fā)電站，裝機(jī)容量1 120 kW。老泄洪閘加固于2000年12月通過(guò)竣工驗(yàn)收并交付使用，新泄洪閘于2001年6月完工。水庫(kù)按重現(xiàn)期100年設(shè)計(jì)，重現(xiàn)期2 000年校核，設(shè)計(jì)洪水位26.81 m，校核洪水位27.95 m，最大泄流量10 131 m3/s。石梁河水庫(kù)以防洪為主，兼具灌溉、城市供水、水力發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合效益，防洪保護(hù)范圍2 000 km2，包括連云港市區(qū)、隴海鐵路、淮北鹽場(chǎng)、田灣核電站及東海縣和贛榆區(qū)6萬(wàn)ha農(nóng)田等重要地區(qū)和設(shè)施。另外，石梁河水庫(kù)也是連云港市區(qū)生活及工業(yè)用水的備用水源。

水庫(kù)多年平均來(lái)水量為20.77億m3，多年平均用水量為3.94億m3。1976年，大官莊閘的建成控制了石梁河水庫(kù)的上游來(lái)水。1956～1995年統(tǒng)計(jì)資料表明，石梁河水庫(kù)多年平均來(lái)水量為1.97億m3，來(lái)水量明顯減少。

2 石梁河水庫(kù)調(diào)度規(guī)則

石梁河水庫(kù)的調(diào)度充分考慮流域、水庫(kù)自身及下游三者之間的調(diào)度關(guān)系，調(diào)度規(guī)則如下：（1）當(dāng)本地未降雨而上游發(fā)生洪水時(shí)，石梁河水庫(kù)可提前預(yù)降，盡量控制下泄流量不超過(guò)3 000 m3/s，確保新沭河堤防安全；（2）當(dāng)本地與上游發(fā)生同頻率超標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，本地內(nèi)澇將非常嚴(yán)重，石梁河水庫(kù)應(yīng)根據(jù)上游來(lái)水量和天氣預(yù)報(bào)適當(dāng)控制下泄量以照顧薔薇河、磨山河排泄以及范河、市區(qū)和農(nóng)田排澇，減輕下游災(zāi)害，并盡可能采取大流量泄洪，縮短泄洪時(shí)間，與下游河道錯(cuò)峰排水，讓出河道照顧下游排除洪澇；（3）當(dāng)本地與上游發(fā)生同頻率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)洪水時(shí)，要充分利用上下游洪峰形成的時(shí)間差，實(shí)行錯(cuò)峰，充分發(fā)揮水庫(kù)調(diào)蓄功能，騰出時(shí)間給薔薇河、磨山河、范河排泄及市區(qū)和農(nóng)田排澇，減輕下游災(zāi)害，同時(shí)要充分利用洪水資源，變害為利。

水庫(kù)控制運(yùn)用分期說(shuō)明：庫(kù)水位23.5～24.0 m時(shí)，照顧下游區(qū)間匯流，控制下泄流量不超過(guò)5 000 m3/s，其中新老閘各控制不超過(guò)2 500 m3/s；庫(kù)水位24.0～26.3 m時(shí)，控泄6 000 m3/s，其中新閘為3 500m3/s，老閘為 2 500 m3/s；庫(kù)水位在 26.3～27.0 m 時(shí)，控泄 7 000 m3/s，其中新閘為4 000 m3/s，老閘為3 000 m3/s；庫(kù)水位超過(guò)27.0 m時(shí)，泄洪閘全開敞泄。

3 典型水庫(kù)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計(jì)算為基礎(chǔ)，推求各分期水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，而后按水庫(kù)運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行分期調(diào)洪演算，根據(jù)調(diào)洪演算結(jié)果確定水庫(kù)分期汛限水位。石梁河水庫(kù)建于1958年，被水利部列為第二批全國(guó)重點(diǎn)病險(xiǎn)水庫(kù)之一，此后一直壓低水位運(yùn)行，水庫(kù)原設(shè)計(jì)特征水位與現(xiàn)狀特征水位見(jiàn)表1。

1999～2001年，石梁河水庫(kù)實(shí)施了除險(xiǎn)加固工程。2008年底，新沭河治理工程正式開工，完工時(shí)沂沭泗河中下游地區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)及新沭河行洪能力將提高至重現(xiàn)期50年水平，為石梁河水庫(kù)未來(lái)恢復(fù)正常運(yùn)用創(chuàng)造了條件[1]。因此，本研究旨在將石梁河水庫(kù)興利水位恢復(fù)至原設(shè)計(jì)目標(biāo)26 m，設(shè)計(jì)洪水位與校核洪水位分別恢復(fù)至27.65 m和28.0 m，并以此為基礎(chǔ)對(duì)石梁河水庫(kù)汛限水位的分期控制進(jìn)行研究。在保障水庫(kù)防洪安全的前提下，進(jìn)一步挖掘水庫(kù)蓄水潛力，充分利用汛前和汛末過(guò)境洪水，增強(qiáng)連云港市雨洪資源利用能力。

表1 石梁河水庫(kù)不同工況特征水位表Table 1 Characteristic water levels of Shilianghe reservoir in different conditions

3.1 汛期分期

目前國(guó)內(nèi)在汛期分期方面已有一些研究成果，汛期分期屬于高維時(shí)間序列的聚類問(wèn)題，目前處理此類問(wèn)題的主要途徑包括模糊集合分析法、系統(tǒng)聚類法、分形法、變點(diǎn)分析法、動(dòng)態(tài)聚類法等[2-4]。在綜合分析石梁河水庫(kù)上游來(lái)水、本地降雨、地區(qū)氣候以及極端天氣等因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合流域及地區(qū)防洪工作實(shí)際情況，以6月1日～9月30日的汛期為研究對(duì)象，選用1980～2009年石梁河水庫(kù)汛期多年日最大流量序列作為研究系列樣本進(jìn)行分析，石梁河水庫(kù)汛期可以劃分為前汛期、主汛期及后汛期，具體見(jiàn)表2。

表2 石梁河水庫(kù)汛期分期成果表Table 2 Flood seasons divided

3.2 分期設(shè)計(jì)洪水

3.2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《石梁河水庫(kù)擴(kuò)大泄量工程竣工初步設(shè)計(jì)》，石梁河水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期100年設(shè)計(jì)，重現(xiàn)期2 000年校核。本研究分期設(shè)計(jì)洪水選用同樣標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 分期設(shè)計(jì)洪峰流量

對(duì)1980～2009年石梁河水庫(kù)入庫(kù)洪水進(jìn)行調(diào)查，按不同分期逐年選取入庫(kù)最大流量，組成洪峰流量系列，用適線法推求分期洪水頻率曲線，求得對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪峰。考慮到石梁河水庫(kù)上游來(lái)水以及流域天氣異常變化顯著，導(dǎo)致洪水出現(xiàn)的時(shí)間在多年內(nèi)存在一定偶然性，基于其提前及推后發(fā)生的可能性，采用“跨期選樣法”，即洪水選樣在分期原有時(shí)間段基礎(chǔ)上，同時(shí)向前、后各延伸5 d。石梁河水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪峰流量見(jiàn)表3。

3.2.3 分期設(shè)計(jì)洪水

選用1974年石梁河水庫(kù)典型洪水過(guò)程，按分期設(shè)計(jì)洪峰與設(shè)計(jì)洪峰的比值對(duì)其進(jìn)行放大，推求石梁河水庫(kù)前汛期和后汛期的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果見(jiàn)表3。

3.3 分期汛限水位

中華人民共和國(guó)水利部《綜合利用水庫(kù)調(diào)度通則》規(guī)定：分期防洪限制水位的確定應(yīng)根據(jù)分期設(shè)計(jì)洪水，按不低于工程安全的標(biāo)準(zhǔn)，承擔(dān)下游防洪標(biāo)準(zhǔn)和庫(kù)區(qū)安全準(zhǔn)則的原則，及相應(yīng)的泄流方式，進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算確定。水庫(kù)分期汛限水位的計(jì)算方法為：在分期設(shè)計(jì)洪水、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位已定的情況下，根據(jù)水庫(kù)調(diào)度原則進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，由此推求防洪限制水位。石梁河水庫(kù)分期設(shè)計(jì)洪水和校核洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表4和表5。

根據(jù)以上分期設(shè)計(jì)洪水與分期校核洪水調(diào)洪演算成果，各分期汛限水位見(jiàn)表6。

綜合分析比較分期設(shè)計(jì)、校核洪水調(diào)洪演算成果，石梁河水庫(kù)分期汛限水位選用兩者中的較小值并取整，以保證水庫(kù)防洪安全及其自身調(diào)度控制的方便，由此確定石梁河水庫(kù)各分期汛限水位，見(jiàn)表7。

表3 分期設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表Table 3 Calculation results of designed flood in different divided flood seasons

表4 分期設(shè)計(jì)洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果（P=1%）Table 4 Flood regulation results in different divided flood seasons with designed flood（P=1%）

表5 分期校核洪水調(diào)洪計(jì)算結(jié)果（P=0.05%）Table 5 Flood regulation results in different divided flood seasons with check flood（P=0.05%）

表6 各分期汛限水位對(duì)比表Table 6 Flood control levels in different divided flood seasons

3.4 分期汛限水位效益計(jì)算

石梁河水庫(kù)分期汛限水位效益計(jì)算原理如下：對(duì)石梁河水庫(kù)1991～2009歷年歷次棄水資料進(jìn)行調(diào)查，見(jiàn)表8，推算出汛限水位調(diào)整相對(duì)應(yīng)的蓄水庫(kù)容增量。當(dāng)各分期的棄水量小于由于汛限水位的提高而增加的庫(kù)容時(shí)，水庫(kù)可增加的蓄水量即等于棄水量；當(dāng)各分期的棄水量大于由于汛限水位的提高而增加的庫(kù)容時(shí)，增加的蓄水量等于由于汛限水位提高所增加的蓄水庫(kù)容[5]。由此，對(duì)石梁河水庫(kù)汛限水位分期控制的效益進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)表9。根據(jù)效益計(jì)算結(jié)果，采用分期汛限水位后，石梁河水庫(kù)平均每年可多蓄水11 124萬(wàn)m3。

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

4 影響分析

石梁河水庫(kù)實(shí)施分期汛限水位控制將對(duì)連云港市防洪、興利以及庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境等帶來(lái)一系列影響[6]。

4.1 連云港市防洪風(fēng)險(xiǎn)增加，但風(fēng)險(xiǎn)總體可控

石梁河水庫(kù)實(shí)施汛限水位分期控制后，前汛期及后汛期水庫(kù)防洪庫(kù)容將有所減小，雖已經(jīng)過(guò)分析論證滿足各分期防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求，但仍不能排除此期間沂沭泗流域發(fā)生大洪水的可能性，因此，石梁河水庫(kù)下游連云港市總體防洪風(fēng)險(xiǎn)增加。同時(shí)，雖然石梁河水庫(kù)主汛期防洪庫(kù)容基本未變，但水庫(kù)水位整體有所提高，由此亦造成下游連云港市防洪風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)增大。

表8 石梁河水庫(kù)歷年汛期各分期棄水量表Table 8 Water discharge of Shilianghe reservoir in the past divided flood seasons

表9 石梁河水庫(kù)分期汛限水位蓄水效益計(jì)算表Table 9 Benefit of water storage at flood control levels of Shilianghe reservoir

盡管水庫(kù)實(shí)施汛限水位分期控制后連云港市及水庫(kù)大壩防洪風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)增大，但總體仍在可控范圍內(nèi)。首先，石梁河水庫(kù)入庫(kù)洪水受上游大官莊樞紐控制，在水庫(kù)防洪壓力較大時(shí)，可發(fā)揮大官莊水利樞紐的作用，錯(cuò)峰分洪至新沂河等泄洪通道，控制石梁河水庫(kù)入庫(kù)流量，緩解石梁河水庫(kù)防汛壓力；其次，石梁河水庫(kù)下游新沭河經(jīng)過(guò)綜合整治后，流域防洪能力已達(dá)重現(xiàn)期50年水平，河道行洪能力達(dá)7 000 m3/s，解決了石梁河水庫(kù)出口不暢的問(wèn)題，水庫(kù)可在較短時(shí)間內(nèi)騰空防洪庫(kù)容，保證連云港市及水庫(kù)大壩的防洪安全。

4.2 緩解區(qū)域供水矛盾，綜合效益顯著

石梁河水庫(kù)恢復(fù)原設(shè)計(jì)水位運(yùn)行并實(shí)施汛限水位分期控制后，年均可增加蓄水量11 124萬(wàn)m3，其中非汛期年均增加蓄水量2 495萬(wàn)m3，汛期年均增加8 629萬(wàn)m3，這將大大提高連云港市洪水資源利用效率，并有效緩解周邊地區(qū)工、農(nóng)業(yè)用水矛盾突出的問(wèn)題。同時(shí)，石梁河水庫(kù)兼具水力發(fā)電功能，汛期庫(kù)水位的提高也將有助于提高水庫(kù)的發(fā)電效益。

4.3 庫(kù)區(qū)水位升高，淹沒(méi)范圍增大

石梁河水庫(kù)恢復(fù)原設(shè)計(jì)水位運(yùn)行并實(shí)施汛限水位分期控制后，正常蓄水位由24.5 m提高至26 m，同時(shí)汛限水位及設(shè)計(jì)洪水位等水庫(kù)特征水位均有所提高，由此將造成水庫(kù)水域面積以及庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍的增加，易引發(fā)水庫(kù)回遷移民再次搬遷等社會(huì)問(wèn)題，同時(shí)也將對(duì)庫(kù)區(qū)的生態(tài)、環(huán)境、局部氣候等產(chǎn)生一定的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

為推進(jìn)石梁河水庫(kù)洪水資源利用工作，連云港市應(yīng)加強(qiáng)與流域管理機(jī)構(gòu)、水庫(kù)上游地區(qū)以及庫(kù)區(qū)影響范圍內(nèi)群眾的溝通與協(xié)調(diào)工作，妥善處理各種矛盾與問(wèn)題，同時(shí)綜合運(yùn)用水庫(kù)安全監(jiān)測(cè)、洪水預(yù)警預(yù)報(bào)、洪水優(yōu)化調(diào)度等科學(xué)技術(shù)手段，提高水庫(kù)的管理水平，在保證防洪安全的前提下，逐步實(shí)施石梁河水庫(kù)的分期控制，充分發(fā)揮水庫(kù)洪水資源利用的效益。

[1]水利部淮委規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.石梁河水庫(kù)擴(kuò)大泄量工程控制運(yùn)用及調(diào)度方案[R].2001.

[2]王俊莉，高英.東風(fēng)水庫(kù)汛限水位動(dòng)態(tài)控制[J].華中電力，2006，19(6)：41-43.

[3]邵東國(guó),李瑋,劉丙軍，等.抬高水庫(kù)汛限水位的洪水資源化利用研究[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2004(9):26-29.

[4]尚志海,萬(wàn)方秋,丘世鈞.城市洪水資源化研究[J].水利經(jīng)濟(jì),2006,24(5):7-8.

[5]馮平,韓松,李健.水庫(kù)調(diào)整汛限水位的風(fēng)險(xiǎn)效益綜合分析[J].水利學(xué)報(bào),2006(4):451-456.

[6]張改紅,周惠成,王本德,鄭德鳳.水庫(kù)汛限水位實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制研究及風(fēng)險(xiǎn)分析[J].水利發(fā)電學(xué)報(bào),2009(2):51-55.