山东临沂岸堤水库50年库水位统计分析

2013-02-27胡小平张立志谢红梅殷家常朱孟生

水利与建筑工程学报 2013年3期

胡小平,张立志,谢红梅,殷家常,朱孟生

(1.河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;2.山东临沂岸堤水库管理处,山东临沂276000)

水库在防洪兴利、保障供水、水利发电等方面发挥着重要作用,我国是世界上年用水量最多的国家(年用水量为5198×108m3),其平均水平仅占世界的1/4,是世界上13个贫水国之一,从而水资源问题十分严峻。水资源紧缺的问题已成为制约我国经济可持续发展的重要因素之一[1-5],而水位是水库合理调度、充分发挥上述功能以及缓解水资源紧缺难题的重要依据;同时由于我国很多中小水库设计年代较早,其实际水位很多年份达不到其设计值,即汛限水位。这就导致在暴雨来临时水库为了安全不敢蓄水,之后往往又无水可蓄。确定水库的汛限水位显得尤为重要,而这更需要对水库长期以来的水位进行有效的统计分析[6-9];并且库水位的周期性变化必将引起地下水位的波动,从而影响库区内崩滑体的稳定性,因此研究水库水位的变化规律具有重要意义[10-12]。本文结合岸堤水库1960—2009年的50 a水位资料,研究了其水位的变化趋势,这为岸堤水库安全运行提供了基础资料。

1 岸堤水库概况

岸堤水库位于泰沂山南部、蒙山北麓,沂河一级支流东汶河上,坝址座落在蒙阴县界牌镇圈里村西,东汶河与梓河的交汇处,属淮河流域沂河水系,控制流域面积1 690 km2。流域内为沂蒙山区的中高山及丘陵地,地形高差约500 m,库区河谷开阔、地形平坦形成良好的蓄水盆地。流域内有东汶河、梓河两条干流,东汶河流域面积860 km2,较大支流18条,河长50 km,流域平均宽15.23 km,河道纵坡约为1/300;梓河流域面积830 km2,河长50 km,流域平均宽18.54 km,纵坡1/340,较大支流有10条,分布在蒙阴县、沂水县及新泰市境内。

流域地质在大地构造上属山东地带鲁中凸起断块区,吕梁运动时开始上升形成泰山穹窿、尼山穹窿两者之间形成褶皱构造,水库正位于徂莱山背斜与蒙山背斜之间的新蒙向斜东南端,分布的地层有太古代泰山杂岩(片麻岩、片岩、花岗岩等),震旦纪石英砂岩,寒武纪、奥陶纪、石炭纪的灰岩、页岩,白垩纪蒙阴统的凝灰质沙砾岩。回水高程以下广布着第四纪沉积物,主要为坡残积。冲积物由粘土、粉质粘土、粉砂土等组成,厚度5 m～6 m,河床中覆盖着7 m～8 m厚的冲积层,库区基本上为单斜构造,岩层走向北西 300°～350°之间,倾向北东 ,倾角一般 5°～20°,本区因受东汶河地堑影响,构造复杂,断裂多以高角度正断层为主,多为走向断层,成阶梯状。

水库流域位于温带季风区,多年平均降雨量为820 mm,6、7、8、9四个月的降雨量约占全年降水量的75%左右,年平均气温为14℃,无霜期达200 d左右。水库控制流域面积1 690 km2,总库容7.49×108m3,兴利库容4.51×108m3。根据《水利水电等级划分及洪水标准》[13]SL252-2000岸堤水库工程规模为大(2)型,工程等别为二等,永久性水工建筑物为2级,根据《中国地震动参数区划图》[14]GB18306-2001,工程区地震设防烈度8度。水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞、电站等组成,是一座以防洪、灌溉为主,结合发电、城市供水、工业供水、旅游等综合利用多年调节的大型水利枢纽。该库为百年一遇设计,设计洪水位177.8 m,相应库容5.26×108m3;万年一遇校核,校核洪水位 180.0 m,相应库容7.49×108m3。死水位 160.3 m,死库容 0.2×108m3。正常蓄水位176.0 m,汛期限值水位173.0 m。

2 岸堤水库各月水位的变化规律

山东临沂岸堤水库管理处自1960年以来,在0+300水位观测点对岸堤水库水位及降雨量进行了连续观测,获得了岸堤水库1960—2009年完整的水位观测资料[15]。本文在岸堤水库50 a水位资料基础上,分月统计水位资料。

50 a来各月份最高水位、最大水位及平均水位见表1、图1。

从图1可以看出,从1月份到5月份水库月平均水位逐渐缓慢降低,5月份之后水位降低速度加快,到6月份达到最低点,随后快速增长,到9月份达到最高点,随后基本不变,略有降低。月最高水位和最低水位的变化规律与平均水位基本一致。

表1 岸堤水库各月份水位汇总表

为分析上述水位变化的原因,本文给出了近50 a来月平均降雨量图2,由图2可见,从1月开始降雨量逐渐增加,到7月份达到最大值,随后降雨量逐渐减小,其中6—9月为降雨集中期。5月份之前,由于降雨量较小,水库主要承担供水任务,但为了使水库汛期能够发挥防洪的作用,同时防止水库泄水量突变,逐步缓慢地降低库水位。5月、6月份,汛期即将来临,通过快速降低水库水位以腾出库容使汛期能够容纳更多水量,汛期到来时,随着降雨量的增加入库流量增加,此时为调控下游水位,减小出库流量,故而造成水库水位快速增长。汛期结束后,水库防洪任务结束,水位变动较小。

图1 50 a月水位变化图

图2 水库流域50 a各月平均降雨量分布图

3 岸堤水库年水位变化规律

图3为50 a来水库水位变化图,由图3可见,水库历史最高水位在1974年出现,为175.33 m,年度平均最高水位在1971出现,为174.13 m,历史最低水位在1960年出现,为156.29 m。

图4为年度总降雨量图,由图4可知,1970年、1974年、1979 年、1985 年、1987年、1990 年、2003 年为年度降雨量的极大值点,其中,1990年降雨量最大,为1 237.25 mm。

图3 水库50 a水位年际变化图

图4 年度总降雨量图

在此基础上可以对比分析50 a来的月水位和年水位的变化情况:最高水位和月最低水位差控制在15 m的范围内,年最高水位与年最低水位差基本控制在10 m的范围内,两者变化趋势相同,但水位差不同;月平均水位变化波动较小,基本上保持在169 m附近,水库年平均水位变化波动较大,其中最高水位与最低水位差将近12 m;根据1989年的岸堤水库汛限控制水位172 m来看,月平均水位控制在172 m之内,满足要求。50 a来年平均水位保持在172 m之内的概率为92%,其余年份水位与172 m接近,认为满足要求。进一步分析原因可以得知,其月水位变化是以50 a来的样本进行平均统计的,样本数较多,单一自然年的样本突变对总体结果影响不大。而其年水位变化是对50 a来的自然年进行独立样本统计分析的,很大程度上水位变化是与该年度的降雨量以及综合需求相关的,具有一定的随机性,因此波动较大。同时由于水库的妥善运营和合理调度,50 a来其年最高最低水位差和与月最高最低水位差控制在较为稳定的范围内,其平均水位也控制在汛限水位内,达到了理想的效果。最后对比年度降雨量与水库年度水位分布(图5),可以发现,降雨量极大值点与年度最高水位的极大值点较为对应,说明岸堤水库水位变化的主要影响因素还是降雨量。