山東臨沂岸堤水庫(kù)50年庫(kù)水位統(tǒng)計(jì)分析

胡小平,張立志,謝紅梅,殷家常,朱孟生

(1.河海大學(xué)巖土工程研究所,江蘇南京210098;2.山東臨沂岸堤水庫(kù)管理處,山東臨沂276000)

水庫(kù)在防洪興利、保障供水、水利發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用,我國(guó)是世界上年用水量最多的國(guó)家(年用水量為5198×108m3),其平均水平僅占世界的1/4,是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一,從而水資源問(wèn)題十分嚴(yán)峻。水資源緊缺的問(wèn)題已成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-5],而水位是水庫(kù)合理調(diào)度、充分發(fā)揮上述功能以及緩解水資源緊缺難題的重要依據(jù);同時(shí)由于我國(guó)很多中小水庫(kù)設(shè)計(jì)年代較早,其實(shí)際水位很多年份達(dá)不到其設(shè)計(jì)值,即汛限水位。這就導(dǎo)致在暴雨來(lái)臨時(shí)水庫(kù)為了安全不敢蓄水,之后往往又無(wú)水可蓄。確定水庫(kù)的汛限水位顯得尤為重要,而這更需要對(duì)水庫(kù)長(zhǎng)期以來(lái)的水位進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析[6-9];并且?guī)焖坏闹芷谛宰兓貙⒁鸬叵滤坏牟▌?dòng),從而影響庫(kù)區(qū)內(nèi)崩滑體的穩(wěn)定性,因此研究水庫(kù)水位的變化規(guī)律具有重要意義[10-12]。本文結(jié)合岸堤水庫(kù)1960—2009年的50 a水位資料,研究了其水位的變化趨勢(shì),這為岸堤水庫(kù)安全運(yùn)行提供了基礎(chǔ)資料。

1 岸堤水庫(kù)概況

岸堤水庫(kù)位于泰沂山南部、蒙山北麓,沂河一級(jí)支流東汶河上,壩址座落在蒙陰縣界牌鎮(zhèn)圈里村西,東汶河與梓河的交匯處,屬淮河流域沂河水系,控制流域面積1 690 km2。流域內(nèi)為沂蒙山區(qū)的中高山及丘陵地,地形高差約500 m,庫(kù)區(qū)河谷開(kāi)闊、地形平坦形成良好的蓄水盆地。流域內(nèi)有東汶河、梓河兩條干流,東汶河流域面積860 km2,較大支流18條,河長(zhǎng)50 km,流域平均寬15.23 km,河道縱坡約為1/300;梓河流域面積830 km2,河長(zhǎng)50 km,流域平均寬18.54 km,縱坡1/340,較大支流有10條,分布在蒙陰縣、沂水縣及新泰市境內(nèi)。

流域地質(zhì)在大地構(gòu)造上屬山東地帶魯中凸起斷塊區(qū),呂梁運(yùn)動(dòng)時(shí)開(kāi)始上升形成泰山穹窿、尼山穹窿兩者之間形成褶皺構(gòu)造,水庫(kù)正位于徂萊山背斜與蒙山背斜之間的新蒙向斜東南端,分布的地層有太古代泰山雜巖(片麻巖、片巖、花崗巖等),震旦紀(jì)石英砂巖,寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、石炭紀(jì)的灰?guī)r、頁(yè)巖,白堊紀(jì)蒙陰統(tǒng)的凝灰質(zhì)沙礫巖?；厮叱桃韵聫V布著第四紀(jì)沉積物,主要為坡殘積。沖積物由粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂土等組成,厚度5 m～6 m,河床中覆蓋著7 m～8 m厚的沖積層,庫(kù)區(qū)基本上為單斜構(gòu)造,巖層走向北西 300°～350°之間,傾向北東 ,傾角一般 5°～20°,本區(qū)因受東汶河地塹影響,構(gòu)造復(fù)雜,斷裂多以高角度正斷層為主,多為走向斷層,成階梯狀。

水庫(kù)流域位于溫帶季風(fēng)區(qū),多年平均降雨量為820 mm,6、7、8、9四個(gè)月的降雨量約占全年降水量的75%左右,年平均氣溫為14℃,無(wú)霜期達(dá)200 d左右。水庫(kù)控制流域面積1 690 km2,總庫(kù)容7.49×108m3,興利庫(kù)容4.51×108m3。根據(jù)《水利水電等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[13]SL252-2000岸堤水庫(kù)工程規(guī)模為大(2)型,工程等別為二等,永久性水工建筑物為2級(jí),根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[14]GB18306-2001,工程區(qū)地震設(shè)防烈度8度。水庫(kù)樞紐工程由大壩、溢洪道、輸水洞、電站等組成,是一座以防洪、灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、城市供水、工業(yè)供水、旅游等綜合利用多年調(diào)節(jié)的大型水利樞紐。該庫(kù)為百年一遇設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)洪水位177.8 m,相應(yīng)庫(kù)容5.26×108m3;萬(wàn)年一遇校核,校核洪水位 180.0 m,相應(yīng)庫(kù)容7.49×108m3。死水位 160.3 m,死庫(kù)容 0.2×108m3。正常蓄水位176.0 m,汛期限值水位173.0 m。

2 岸堤水庫(kù)各月水位的變化規(guī)律

山東臨沂岸堤水庫(kù)管理處自1960年以來(lái),在0+300水位觀測(cè)點(diǎn)對(duì)岸堤水庫(kù)水位及降雨量進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè),獲得了岸堤水庫(kù)1960—2009年完整的水位觀測(cè)資料[15]。本文在岸堤水庫(kù)50 a水位資料基礎(chǔ)上,分月統(tǒng)計(jì)水位資料。

50 a來(lái)各月份最高水位、最大水位及平均水位見(jiàn)表1、圖1。

從圖1可以看出,從1月份到5月份水庫(kù)月平均水位逐漸緩慢降低,5月份之后水位降低速度加快,到6月份達(dá)到最低點(diǎn),隨后快速增長(zhǎng),到9月份達(dá)到最高點(diǎn),隨后基本不變,略有降低。月最高水位和最低水位的變化規(guī)律與平均水位基本一致。

表1 岸堤水庫(kù)各月份水位匯總表

為分析上述水位變化的原因,本文給出了近50 a來(lái)月平均降雨量圖2,由圖2可見(jiàn),從1月開(kāi)始降雨量逐漸增加,到7月份達(dá)到最大值,隨后降雨量逐漸減小,其中6—9月為降雨集中期。5月份之前,由于降雨量較小,水庫(kù)主要承擔(dān)供水任務(wù),但為了使水庫(kù)汛期能夠發(fā)揮防洪的作用,同時(shí)防止水庫(kù)泄水量突變,逐步緩慢地降低庫(kù)水位。5月、6月份,汛期即將來(lái)臨,通過(guò)快速降低水庫(kù)水位以騰出庫(kù)容使汛期能夠容納更多水量,汛期到來(lái)時(shí),隨著降雨量的增加入庫(kù)流量增加,此時(shí)為調(diào)控下游水位,減小出庫(kù)流量,故而造成水庫(kù)水位快速增長(zhǎng)。汛期結(jié)束后,水庫(kù)防洪任務(wù)結(jié)束,水位變動(dòng)較小。

圖1 50 a月水位變化圖

圖2 水庫(kù)流域50 a各月平均降雨量分布圖

3 岸堤水庫(kù)年水位變化規(guī)律

圖3為50 a來(lái)水庫(kù)水位變化圖,由圖3可見(jiàn),水庫(kù)歷史最高水位在1974年出現(xiàn),為175.33 m,年度平均最高水位在1971出現(xiàn),為174.13 m,歷史最低水位在1960年出現(xiàn),為156.29 m。

圖4為年度總降雨量圖,由圖4可知,1970年、1974年 、1979 年、1985 年、1987年 、1990 年、2003 年為年度降雨量的極大值點(diǎn),其中,1990年降雨量最大,為1 237.25 mm。

圖3 水庫(kù)50 a水位年際變化圖

圖4 年度總降雨量圖

在此基礎(chǔ)上可以對(duì)比分析50 a來(lái)的月水位和年水位的變化情況:最高水位和月最低水位差控制在15 m的范圍內(nèi),年最高水位與年最低水位差基本控制在10 m的范圍內(nèi),兩者變化趨勢(shì)相同,但水位差不同;月平均水位變化波動(dòng)較小,基本上保持在169 m附近,水庫(kù)年平均水位變化波動(dòng)較大,其中最高水位與最低水位差將近12 m;根據(jù)1989年的岸堤水庫(kù)汛限控制水位172 m來(lái)看,月平均水位控制在172 m之內(nèi),滿(mǎn)足要求。50 a來(lái)年平均水位保持在172 m之內(nèi)的概率為92%,其余年份水位與172 m接近,認(rèn)為滿(mǎn)足要求。進(jìn)一步分析原因可以得知,其月水位變化是以50 a來(lái)的樣本進(jìn)行平均統(tǒng)計(jì)的,樣本數(shù)較多,單一自然年的樣本突變對(duì)總體結(jié)果影響不大。而其年水位變化是對(duì)50 a來(lái)的自然年進(jìn)行獨(dú)立樣本統(tǒng)計(jì)分析的,很大程度上水位變化是與該年度的降雨量以及綜合需求相關(guān)的,具有一定的隨機(jī)性,因此波動(dòng)較大。同時(shí)由于水庫(kù)的妥善運(yùn)營(yíng)和合理調(diào)度,50 a來(lái)其年最高最低水位差和與月最高最低水位差控制在較為穩(wěn)定的范圍內(nèi),其平均水位也控制在汛限水位內(nèi),達(dá)到了理想的效果。最后對(duì)比年度降雨量與水庫(kù)年度水位分布(圖5),可以發(fā)現(xiàn),降雨量極大值點(diǎn)與年度最高水位的極大值點(diǎn)較為對(duì)應(yīng),說(shuō)明岸堤水庫(kù)水位變化的主要影響因素還是降雨量。

圖5 年度降雨量及水庫(kù)年度水位分布圖

4 結(jié) 論

本文結(jié)合岸堤水庫(kù)近年來(lái)的水位、降雨量資料,分析了水位的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:

(1)近50 a來(lái),岸堤水庫(kù)歷史最高水位為175.33 m,歷史最低水位為156.29 m,多年平均水位僅為169.08 m;岸堤水庫(kù)每年6月份平均水位最低,9月份平均水位最高。

(2)岸堤水庫(kù)月平均水位變化較為和緩,年平均水位變化則具有一定隨機(jī)性;50 a來(lái)水庫(kù)水位較好的控制在了汛限水位之內(nèi),達(dá)到了防洪的目的。目前水庫(kù)能正常運(yùn)營(yíng),也說(shuō)明了設(shè)計(jì)的汛限水位的合理性,同時(shí)也從另一個(gè)角度說(shuō)明了將水位控制在汛限水位之內(nèi)是保證水庫(kù)安全運(yùn)營(yíng)的根本。

(3)水庫(kù)年水位波動(dòng)與年度降雨量波動(dòng)趨勢(shì)基本一致,其降雨量極大值點(diǎn)與年度最高水位的極大值點(diǎn)較為對(duì)應(yīng),說(shuō)明岸堤水庫(kù)水位變化主要受降雨量的影響。這種受降雨控制的變化規(guī)律,也將為以后水庫(kù)的調(diào)度提供參考,要根據(jù)降雨的預(yù)報(bào)情況及時(shí)對(duì)水庫(kù)庫(kù)容的調(diào)節(jié)提供指導(dǎo)。

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