胡小平,張立志,謝紅梅,殷家常,朱孟生

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

水庫在防洪興利、保障供水、水利發(fā)電等方面發(fā)揮著重要作用,我國是世界上年用水量最多的國家(年用水量為5198×108m3),其平均水平僅占世界的1/4,是世界上13個貧水國之一,從而水資源問題十分嚴峻。水資源緊缺的問題已成為制約我國經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[1-5],而水位是水庫合理調(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);同時由于我國很多中小水庫設計年代較早,其實際水位很多年份達不到其設計值,即汛限水位。這就導致在暴雨來臨時水庫為了安全不敢蓄水,之后往往又無水可蓄。確定水庫的汛限水位顯得尤為重要,而這更需要對水庫長期以來的水位進行有效的統(tǒng)計分析[6-9];并且?guī)焖坏闹芷谛宰兓貙⒁鸬叵滤坏牟▌?從而影響庫區(qū)內(nèi)崩滑體的穩(wěn)定性,因此研究水庫水位的變化規(guī)律具有重要意義[10-12]。本文結合岸堤水庫1960—2009年的50 a水位資料,研究了其水位的變化趨勢,這為岸堤水庫安全運行提供了基礎資料。

1 岸堤水庫概況

岸堤水庫位于泰沂山南部、蒙山北麓,沂河一級支流東汶河上,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,庫區(qū)河谷開闊、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)。

流域地質在大地構造上屬山東地帶魯中凸起斷塊區(qū),呂梁運動時開始上升形成泰山穹窿、尼山穹窿兩者之間形成褶皺構造,水庫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),震旦紀石英砂巖,寒武紀、奧陶紀、石炭紀的灰?guī)r、頁巖,白堊紀蒙陰統(tǒng)的凝灰質沙礫巖?；厮叱桃韵聫V布著第四紀沉積物,主要為坡殘積。沖積物由粘土、粉質粘土、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,庫區(qū)基本上為單斜構造,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,構造復雜,斷裂多以高角度正斷層為主,多為走向斷層,成階梯狀。

水庫流域位于溫帶季風區(qū),多年平均降雨量為820 mm,6、7、8、9四個月的降雨量約占全年降水量的75%左右,年平均氣溫為14℃,無霜期達200 d左右。水庫控制流域面積1 690 km2,總庫容7.49×108m3,興利庫容4.51×108m3。根據(jù)《水利水電等級劃分及洪水標準》[13]SL252-2000岸堤水庫工程規(guī)模為大(2)型,工程等別為二等,永久性水工建筑物為2級,根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[14]GB18306-2001,工程區(qū)地震設防烈度8度。水庫樞紐工程由大壩、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。該庫為百年一遇設計,設計洪水位177.8 m,相應庫容5.26×108m3;萬年一遇校核,校核洪水位 180.0 m,相應庫容7.49×108m3。死水位 160.3 m,死庫容 0.2×108m3。正常蓄水位176.0 m,汛期限值水位173.0 m。

2 岸堤水庫各月水位的變化規(guī)律

山東臨沂岸堤水庫管理處自1960年以來,在0+300水位觀測點對岸堤水庫水位及降雨量進行了連續(xù)觀測,獲得了岸堤水庫1960—2009年完整的水位觀測資料[15]。本文在岸堤水庫50 a水位資料基礎上,分月統(tǒng)計水位資料。

50 a來各月份最高水位、最大水位及平均水位見表1、圖1。

從圖1可以看出,從1月份到5月份水庫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月份達到最低點,隨后快速增長,到9月份達到最高點,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來月平均降雨量圖2,由圖2可見,從1月開始降雨量逐漸增加,到7月份達到最大值,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,水庫主要承擔供水任務,但為了使水庫汛期能夠發(fā)揮防洪的作用,同時防止水庫泄水量突變,逐步緩慢地降低庫水位。5月、6月份,汛期即將來臨,通過快速降低水庫水位以騰出庫容使汛期能夠容納更多水量,汛期到來時,隨著降雨量的增加入庫流量增加,此時為調(diào)控下游水位,減小出庫流量,故而造成水庫水位快速增長。汛期結束后,水庫防洪任務結束,水位變動較小。

圖1 50 a月水位變化圖

圖2 水庫流域50 a各月平均降雨量分布圖

3 岸堤水庫年水位變化規(guī)律

圖3為50 a來水庫水位變化圖,由圖3可見,水庫歷史最高水位在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,其中,1990年降雨量最大,為1 237.25 mm。

圖3 水庫50 a水位年際變化圖

圖4 年度總降雨量圖

在此基礎上可以對比分析50 a來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),兩者變化趨勢相同,但水位差不同;月平均水位變化波動較小,基本上保持在169 m附近,水庫年平均水位變化波動較大,其中最高水位與最低水位差將近12 m;根據(jù)1989年的岸堤水庫汛限控制水位172 m來看,月平均水位控制在172 m之內(nèi),滿足要求。50 a來年平均水位保持在172 m之內(nèi)的概率為92%,其余年份水位與172 m接近,認為滿足要求。進一步分析原因可以得知,其月水位變化是以50 a來的樣本進行平均統(tǒng)計的,樣本數(shù)較多,單一自然年的樣本突變對總體結果影響不大。而其年水位變化是對50 a來的自然年進行獨立樣本統(tǒng)計分析的,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的,具有一定的隨機性,因此波動較大。同時由于水庫的妥善運營和合理調(diào)度,50 a來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),達到了理想的效果。最后對比年度降雨量與水庫年度水位分布(圖5),可以發(fā)現(xiàn),降雨量極大值點與年度最高水位的極大值點較為對應,說明岸堤水庫水位變化的主要影響因素還是降雨量。

圖5 年度降雨量及水庫年度水位分布圖

4 結 論

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

(1)近50 a來,岸堤水庫歷史最高水位為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性;50 a來水庫水位較好的控制在了汛限水位之內(nèi),達到了防洪的目的。目前水庫能正常運營,也說明了設計的汛限水位的合理性,同時也從另一個角度說明了將水位控制在汛限水位之內(nèi)是保證水庫安全運營的根本。

(3)水庫年水位波動與年度降雨量波動趨勢基本一致,其降雨量極大值點與年度最高水位的極大值點較為對應,說明岸堤水庫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,也將為以后水庫的調(diào)度提供參考,要根據(jù)降雨的預報情況及時對水庫庫容的調(diào)節(jié)提供指導。

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