青島市大沽河梯級攔河閘壩可利用水量調(diào)算及效益分析

張祖山 李磊 于新好

青島市大沽河梯級攔河閘壩可利用水量調(diào)算及效益分析

張祖山 李磊 于新好

青島市淡水資源嚴(yán)重短缺，新的水資源的開發(fā)和利用方式將成為水利工作的重點(diǎn)。除了對傳統(tǒng)的地表水、地下水水資源進(jìn)行開發(fā)使用外，雨洪的開發(fā)利用是解決青島市水資源危機(jī)的重要方式和途徑。1997年起，青島市水利局先后在大沽河干流修建攔河閘壩11處，大沽河干流攔河閘壩總蓄水面積1866.1萬m2，總攔水能力為2787.9萬m3，橡膠壩的建設(shè)為青島市創(chuàng)造了極為有利的水源條件，那么大沽河階梯橡膠壩建立起來以后，總的洪水可利用量的多少將對沿途各縣市的防汛抗旱、水資源保護(hù)、植物生態(tài)保護(hù)等方面產(chǎn)生重要影響。

一、梯級閘壩洪水可利用量調(diào)算

大沽河干流共有11處攔河閘壩，調(diào)算時(shí)自上而下調(diào)算，先調(diào)算龍虎山和江家莊橡膠壩，上游來水中的可利用水量大于橡膠壩的庫容時(shí)的多余水量作為棄水變成下游橡膠壩的上游來水，上游橡膠壩棄水加區(qū)間來水后的可利用水量大于橡膠壩的庫容的多余部分又作為棄水再變成下游橡膠壩的上游來水，以此類推。

采用大沽河流域內(nèi)雨量站1956～2010年同步系列進(jìn)行流域降雨特征分析。經(jīng)適線分析求得不同頻率年降雨量，計(jì)算結(jié)果見表1，頻率分析曲線見圖1。

表1　大沽河區(qū)不同設(shè)計(jì)頻率降雨量成果表

圖1　大沽河區(qū)年降雨量頻率分析曲線圖

二、降雨與徑流關(guān)系規(guī)律研究

通過分析大沽河區(qū)降雨與區(qū)域內(nèi)南村水文站年徑流的相關(guān)關(guān)系，研究大沽河流域降雨徑流關(guān)系規(guī)律。繪制大沽河區(qū)1956～2009年降雨量與南村站年徑流深變化圖2。從圖中可以看出，大沽河區(qū)年降雨量與南村站流域年徑流深變化過程相似，兩者相關(guān)性較好。分析兩者的相關(guān)系數(shù)，見表2。

表2　大沽河區(qū)降雨量與南村站流域徑流深比較表

圖2　大沽河區(qū)年降雨量、南村站流域徑流深過程線圖

從以上可以看出，大沽河區(qū)降雨量與南村站徑流深變化規(guī)律基本一致，極值出現(xiàn)時(shí)間相同，兩者具有較好的相關(guān)性。

三、典型年各斷面徑流量計(jì)算

大沽河干流攔河閘壩增加了地表水?dāng)r蓄量，減少了大沽河入海水量，增加了雨洪水可利用量。根據(jù)相應(yīng)典型年的來水情況和22座攔河閘壩的庫容以及引調(diào)水情況進(jìn)行大沽河干流現(xiàn)狀及綜合治理后雨洪水可利用量調(diào)算。

由于大沽河流域降雨量與徑流量相關(guān)性較好，可根據(jù)降雨量選擇典型年作為徑流量的不同設(shè)計(jì)頻率的代表年份。根據(jù)典型年各水文站徑流量資料，計(jì)算各個斷面以上流域天然徑流量。計(jì)算方法如下：

式中：W斷面：斷面年徑流量；W控：控制站年徑流量；W未控：未控區(qū)年徑流量。

控制站年徑流量通過還原、修正計(jì)算求得。未控區(qū)年徑流量采用徑流系數(shù)法，即借用控制站的年徑流系數(shù)及未控區(qū)的年降水量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：α控：控制站年徑流系數(shù)；P未控：未控區(qū)面平均年降水量。

其中流域面積中已扣除流域內(nèi)大中型水庫控制面積。

流域內(nèi)有南村、閘子、嵐西頭等水文站，根據(jù)以上計(jì)算方法，借用水文站天然徑流資料，分別計(jì)算各攔河閘斷面以上、大中型水庫以下區(qū)間的P=25%、P=50%、P=75%以及多年均值的年徑流量。根據(jù)大沽河區(qū)1956～2009年降雨頻率分析結(jié)果，選取2008年、1993年、1992年作為P=25%、P=50%和P=75%的典型年，多年平均采用1980年至2009年平均成果。表3為大沽河治理后各攔河閘壩樁號及匯流面積表。

表3　大沽河治理后各攔河閘壩樁號及匯流面積表

表4　大沽河干流各典型年可用水量調(diào)算成果表單位：萬m3

四、大沽河干流可利用水量調(diào)算

根據(jù)相應(yīng)典型年的來水情況和22座攔河閘壩的庫容以及引調(diào)水情況調(diào)算。考慮防洪安全的需要，汛期前需要放空庫容，6月初庫容為死庫容，自死庫容起調(diào)。從上游至下逐級調(diào)算。

其中：Q棄：當(dāng)前橡膠壩棄水量；Q上棄：上游橡膠壩棄水量；Q區(qū)間：上游區(qū)間來水；Q引：當(dāng)前橡膠壩引調(diào)水量；V0：時(shí)段初橡膠壩庫容；V1：時(shí)段末橡膠壩庫容。

大沽河干流水資源可利用量為全年引調(diào)水量加攔河閘庫容增加量：

經(jīng)過逐級調(diào)算，新建11座攔河閘和引水工程前后，各典型年可引水量、庫容增加量和入海水量情況見表4，由計(jì)算結(jié)果可知，大沽河干流現(xiàn)狀攔蓄25%頻率豐水年雨洪水可利用量為10509萬m3，平水年可利用水量8321萬m3，大沽河綜合治理工程后，25%頻率豐水年雨洪水可利用量為22341萬m3，平水年可利用水量將增加到19447萬m3。

五、大沽河攔河閘壩雨洪水利用效益分析

大沽河干流攔河閘壩和水源地的興建，對緩解青島市城市供水的緊張狀況，確保社會安定起到了巨大作用。大沽河梯級攔河閘壩洪水資源利用的研究與實(shí)踐表明，通過科學(xué)地采取工程措施或非工程措施，可以在不增加防洪風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，提高洪水資源的利用率，取得顯著的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境和社會效益。

1.水資源效益

大沽河干流梯級攔河閘壩最重要的功能是調(diào)蓄水資源，通過修建攔河閘壩攔蓄了汛期流失、甚至可能導(dǎo)致洪澇災(zāi)害的雨洪資源，減少雨洪水入海水量，有效增加水資源可利用量，打破了因缺水而制約產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。到目前，大沽河水源地建成投產(chǎn)已有24年，其供水能力仍占全市總供水能力的36%以上，大沽河現(xiàn)狀地表水供水量2.48億m3，地下水供水量2.08億m3。通過實(shí)施水源調(diào)配，增加供水量0.68億m3，總供水量達(dá)到5.24億m3，對促進(jìn)青島市的改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著巨大作用。由大沽河干流水資源可利用調(diào)算結(jié)果可知，大沽河干流現(xiàn)狀攔蓄25%頻率豐水年雨洪水可利用量為10509萬m3，平水年可利用水量8321萬m3，大沽河綜合治理工程后，25%頻率豐水年雨洪水可利用量為22341萬m3，平水年可利用水量將增加到19447萬m3。水資源可利用量的增加，促進(jìn)了青島市工農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)和增收，保證了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的長期穩(wěn)定發(fā)展，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2.生態(tài)、環(huán)境效益

大沽河梯級攔河閘壩工程的實(shí)施，營造了周圍良好的小氣候，可降低城區(qū)環(huán)境污染負(fù)荷10%～15%，調(diào)節(jié)溫度1～2℃，同時(shí)吸收大量的二氧化碳。在充分發(fā)揮大沽河水量調(diào)節(jié)閥功能的同時(shí)，也使大沽河形成“下看是水庫、上看是瀑布”的生態(tài)景觀，尤其是在大沽河綜合治理后，大沽河河道水面面積將由目前的21km2增加到40km2，形成百公里首尾相連的連續(xù)水面。

大沽河現(xiàn)狀攔河閘壩對涵養(yǎng)當(dāng)?shù)氐叵滤鸬搅孙@著的作用，2010年增加地下水補(bǔ)給量859萬m3，大沽河綜合治理后攔河閘壩平水年可增加地下水補(bǔ)給量2300萬m3，有效地遏制了城區(qū)地面下沉現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生

（作者單位：青島市水文局266071）