大汶河流域洪水資源實時調度研究

趙洪麗 張立民 張 濤

(1.山東省調水工程運行維護中心，山東 濟南 250013；2.山東省調水工程運行維護中心昌邑管理站，山東 濰坊 261300；3.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250013)

山東省屬于資源型缺水省份，全省水資源人均占有量不到全國平均水平的1/6，僅為世界平均水平的1/24。降水時空分布不均，汛期降水量占全年的70%以上，部分河道存在汛期棄水較大而難以利用的局面。如魯北地區屬水資源嚴重短缺地區，在南水北調供水范圍內地表水資源量為12.19億m3，地下水資源量為26.88億m3，用水量為49.03億m3，需水量為51.74億m3，水資源承載能力不足成為制約經濟社會可持續發展的瓶頸。因此，需要進一步挖掘當地雨洪資源利用潛力，提高供水能力，以保障地區經濟社會可持續發展。

國內外雨洪資源的利用歷史均較早，但雨洪資源利用的理論體系尚不成熟，雨洪利用技術尚不完善。目前對水庫洪水資源利用研究較多，主要是優化調整汛限水位[1-2]，或對水庫群進行聯合優化調度[3]，對河道洪水資源利用研究較少。本文通過對大汶河典型洪水進行分析，利用東平湖進行短歷時洪水實時調度，并利用南水北調東線一期工程膠東干線和魯北干線外調洪水資源，減輕黃河防汛壓力，有效利用大汶河洪水資源，緩解地區水資源短缺危機。

1 大汶河基本情況

大汶河流域位于黃河下游，北以泰山山脈和小清河為界，東以魯山、南以蒙山及其余脈和淮河流域為界，西以黃河為界，西南與濟寧市接壤。大汶河是黃河下游的較大支流之一。大汶河又名汶水，簡稱汶河，發源于萊蕪市松崮山南麓的沙崖子村，自東向西流經萊蕪、新泰、泰安、肥城、寧陽、汶上、東平等縣市。大汶口以上分南、北兩支，為上游，以北支牟汶河為主流。全長為208km，在東平縣馬口注入東平湖，自然落差為362m，總流域面積為9069km2。

東平湖是大汶河流域內的主要湖泊，位于大汶河下游東平縣西部魯中山區向平原過渡的邊緣地帶，是我國東部典型的淺水型湖泊。湖區總面積為627km2，其中老湖區面積為209km2，新湖區面積為418km2。水位為45.00m(東平湖采用大沽高程)時，相應總庫容為33.54億m3，其中新湖區庫容為23.67億m3，老湖區庫容為9.87億m3。老湖區與大汶河相通，湖區內常年有水。東平湖面積庫容示意圖見圖1。

圖1 東平湖面積庫容示意圖

2 徑流洪水特點

2.1 徑流量

東平湖水源補充主要是大汶河來水，根據大汶河入湖控制站——戴村壩水文站1956—2015年多年實測水文資料統計，多年平均來水量為9.92億m3，其中7—10月的汛期平均來水量為8.38億m3，占年來水量的84.5%。大汶河年際間來水極不均勻，年最大來水量為1964年的60.73億m3，最小來水量為0，發生在1989年。東平湖作為黃河、大汶河的調蓄湖泊，大部分年份都要向黃河棄水，其中20世紀70年代、80年代、90年代年均入黃徑流量分別為8.47億m3、2.93億m3、6.17億m3，2000—2015年年均入黃徑流量為8.77億m3，在當地屬于水資源相對豐富的地區[4]。

2.2 場次洪水特點

統計大汶河控制站戴村壩水文站場次洪水的洪水歷時、洪峰等特征參數。戴村壩1964—2015年較大洪水26場次，洪水歷時一般在4～12天，平均為7.8天，起始流量平均為124m3/s，結束流量平均為208m3/s。洪水歷時大于5天的場次有17場，占總洪水場次的比例為81.0%。

根據大汶河洪水歷時，洪水期間調水天數宜取 5～10天；當洪水期較短時，可利用東平湖調蓄洪水，延長調水時間，一次調水時長取5～15天。對大汶河戴村壩1956—2015年最大7日洪量進行理論頻率曲線擬合，選用P-Ⅲ型理論頻率曲線，適線結果見圖2。大汶河最大7日洪量均值為2.44億m3，最大72h洪量均值為1.63億m3，可見，大汶河具有一定的洪水資源利用潛力。

圖2 大汶河戴村壩7日洪量頻率曲線擬合

2.3 東平湖控制運用情況

根據東平湖防洪調度方案，東平湖汛期為7—10月，老湖區7—8月汛期限制水位42.0m，9—10月汛期限制水位43.0m，警戒水位43.0m。統計東平湖多年年平均水位及汛期平均水位，其中，1960—1989年汛期平均水位為40.39m。1990年以后，湖水位提高明顯，1990—2015年汛期平均水位為41.47m，104個月中有91個月月均水位高于40.5m，比例為87.5%，有98個月月均水位低于42.5m，比例為94.2%，相比1960—1989年平均汛期水位抬高1.08m，主要與東平湖防洪治理工程、東平湖滯洪區治理工程、東平湖分洪工程等流域水利工程建設及湖區工程調度運用管理有關。

3 大汶河洪水調算

3.1 洪水資源利用原則

結合東平湖防洪調度方案，考慮大汶河補充東平湖水量，根據東平湖水位、大汶河洪水及流域工程調蓄情況，利用南水北調東線一期工程膠東輸水干線和魯北輸水干線實施相機調水，充分利用大汶河洪水資源，擬定如下洪水資源調水原則：

a.調水水量為汛期洪水資源，根據東平湖蓄水、養殖及觀光旅游等功能，在東平湖水位高于40.5m時，在汛期洪水期間可啟用調水；東平湖水位達到43.0m時，考慮建筑物防洪安全，應對抗洪搶險，不宜啟用調水。汛期調水期間需滿足河道下泄生態基流[5]。

b.調水期間盡量不降低該場洪水來臨前的湖水位。當洪水歷時較短時，受調水能力限制，可考慮利用東平湖調蓄洪水，延長調水時間。結合氣象預報，當預報大汶河來水量較大時，可對東平湖進行預泄，一方面適當騰空庫容，加大防洪庫容；另一方面，將預泄洪水調往魯北地區，加大調水量，減少棄水損失。

借用南水北調山東段輸水渠向膠東、魯北地區輸送東平湖大汶河洪水資源，并避免與南水北調輸送長江水時間沖突。南水北調東線工程確定的調水時間原則上避開汛期，因此，調用東平湖大汶河洪水資源的調水時間，與南水北調輸送長江水時間不存在時間沖突。南水北調東線一期工程魯北段、膠東段設計流量均為50m3/s，總設計調水流量為100m3/s。

3.2 場次洪水選取

場次洪水選取時，通過對東平湖以上大汶河流域實測暴雨、洪水資料進行分析，選取雨洪對應關系較好、流域內降雨分布較為均勻的場次洪水。首先從歷年洪水過程中，滑動選取年最大7日洪量，然后對歷年最大7日洪量系列進行頻率分析，選取洪水頻率10%、25%、50%、75%的場次洪水作為典型洪水。豐水年場次洪水為200108、偏豐年場次洪水為200408、平水年場次洪水為200507。洪水起始調算水位為東平湖汛期限制水位，汛限水位為42.00m，警戒水位為43.00m，東平湖典型年洪水調算參數見表1。

表1 東平湖典型洪水調算基本參數

3.3 調度方式

調水方式一：棄水調水。調水水量全部來源于東平湖棄水，不影響東平湖自身的洪水調節。當東平湖需要棄水時，同時開啟調水，東平湖出流包括泄流及調水流量。東平湖總出流按泄流能力控制。

調水方式二：考慮洪水預見期預泄調水。調水水量包括部分棄水及水庫蓄存水量，影響東平湖自身的洪水調節。當洪水上漲時，則開啟調水，調水流量按入湖洪水流量控制(不超過設計調水流量)，東平湖出流包括泄流及調水流量。其中泄流按泄流能力控制。

短歷時洪水調算規則。以湖水位為判斷條件，具體規則如下：當洪水位未超過汛限水位時，不泄流；當達到汛限水位時，洪水水量來多少泄多少，維持在汛限水位；當水位繼續上漲時，則啟用泄洪閘，控制下泄，啟用傍口閘及陳山口閘，按傍口閘一級泄流能力450m3/s控泄；當水位超過警戒水位時，啟用傍口閘及陳山口閘，按陳山口閘二級泄流能力1200m3/s控泄。

3.4 調算結果

本次東平湖大汶河洪水資源利用，原則上對汛期洪水資源進行利用。由于洪水歷時通常較短，本次對東平湖典型洪水根據防洪規則進行短歷時洪水調算，分析場次洪水下的實時調水過程、調水量等。典型年洪水調算結果見表2、表3。

表2 東平湖典型年洪水調算結果(方式一)

表3 東平湖典型年洪水調算結果(方式二)

圖3 200507號洪水流量及調算泄流、水位過程(方式一)

圖4 200507號洪水流量及泄流、水位過程(方式二)

兩種調度方式下的洪水過程、湖水位、泄流過程見圖3、圖4。調度方式一棄水階段調水調算結果：平水年200507場次洪水，起調水位為41.40m，棄水量為7763萬m3，最大泄流為450m3/s，調水時間為5天，調水量為4320萬m3。調度方式二棄水階段調水調算結果：平水年200507場次洪水，起調水位為41.40m，棄水量為6802萬m3，最大泄流為450m3/s，調水時間為6.8天，調水量為5281萬m3。

兩種調水方式，末時水位均不高于汛限水位；當起調水位低于汛限水位時，則末時調算水位均高于該起調水位。由調算結果可以看出，隨著預見期加大，可延長調水時長，從而加大調水量，同時有利于減少東平湖下泄流量，減少防洪壓力。

4 結 語

大汶河具有一定的洪水資源利用潛力，通過東平湖調蓄，并利用南水北調東線一期工程膠東輸水干線和魯北小運河輸水干線外調洪水資源，可有效利用大汶河洪水資源，緩解膠東、魯北地區水資源短缺危機。由于大汶河洪水通常歷時較短，建議結合現代化水雨情監測系統、洪水預報調度系統進行實時精準調度，以安全高效利用洪水資源。