中小型水库的兴利调节计算

第十三章中小型水库的兴利调节计算控制和调节径流的措施，称为“径流调节”。水库，是最常见的蓄水工程之一；建造水库调节河川径流，是解决来水与需水之间矛盾的一种常用的、积极的方法。第一节水库特性曲线、特征水位及特征库容1.水库特性曲线库容，既与坝高有关，又与库区内的地形有关。用来反映水库地形特性的曲线，称为“水库特性曲线”；分为“水库水位与面积关系曲线”和“水库水位与容积关系曲线”，简称“水库面积曲线”及“水库容积曲线”，它们是径流调节计算不可或缺的基本资料1)水库特性曲线面积曲线可根据库区地形图，用求积仪或数方格法，在等高线与坝轴线所围成的闭合地形图上量计不同高程的水库面积，并以水位为纵坐标，以水库面积为横坐标，点绘成水位~面积关系曲线。在平原河流及山区河流上建水库，因库盆形状及河道坡度不同，其Z~A曲线的性质也不相同——平原河流水库面积随水位增加而很快增加，面积曲线的坡度较小；山区河流水库面积随水位增加较慢，面积曲线的坡度较大。2)水库容积曲线静库容水库容积曲线，是面积曲线的积分曲线，即水位Z与累积容积（库容）V的关系曲线。分别计算各相邻高程间隔内的部分容积，自河底向上累加得相应水位的累计容积，即可绘制出水位~容积曲线。用上述方法计算的水库容积，是假定入库流量为零时，水库水面为水平的情况，称为“静水容积（简称静库容）”。静库容，能满足一般水库规划设计要求，对于大的湖泊式水库，流速甚小时，水面曲线接近水平，仅回水尾端上翘，故以静库容计算，误差不大。动库容对于大型河川式水库，回水影响甚远，在洪水调节计算及淹没计算中，因入库流量大、流速大而形成的水面面积并非水平，故不可按静库容方法计算；动水容积，除静库容外，还有一部分楔形蓄量。由这样上翘的实际水面线与坝前水位水平线所构成的容积为动水库容（即楔形蓄量），简称“动库容”。动库容曲线的绘制方法：在可能出现的洪水范围内拟定各种入库流量，对某一入库流量假定不同的坝前水位，根据水力学公式，推求出一组以入库流量为参数的水面曲线，并计算相应的库容，计算至回水末端止，然后以水位为纵坐标，以入库流量为参数，以库容为横坐标，绘制动库容曲线。2.水库的特征水位和特征库容反映水库工作状况的水位，称为特征水位特征水位及其相应库容，体现着水库利用和正常工作的各种特定要求，是规划设计阶段确定主要水工建筑物尺寸（如坝高、溢洪道宽度）及估算工程效益的基本依据这些特征水位和相应库容如下：死水位（𝐙死）和死库容（𝐕死）死水位：正常运行情况下，允许水库消落的最低水位。死水位以下的库容，为死库容死库容，一般不能动用；除非特殊干旱年份，为保证紧要供水或发电，经慎重研究，才允许临时动用死库容部分存水正常蓄水位（𝐙蓄）和兴利库容（𝐕兴）正常蓄水位：指水库在正常运行的情况下，为满足兴利部门枯水期的正常用水，在供水期开始时应蓄到的水位。正常蓄水位与死水位之间的库容，是水库实际可用于调节径流的库容，称为“兴利库容”。正常蓄水位与死水位之间的深度，称为“消落深度”。防洪限制水位（𝐙限）和结合库容（𝐕结）水库在汛期洪水未到前允许蓄水的上限水位，称为“防洪限制水位”。这个水位以上的库容，是作为滞蓄洪水的库容，只有在发生洪水时，为了滞洪，水库水位才允许超过防洪限制水位，当洪水消退时，如汛期未过，水库应尽快泄洪，使水库水位迅速回降到防洪限制水位。在进行水库设计时，通常应根据洪水特性和水文预报条件，尽可能把防洪限制水位定在正常蓄水位之下，腾出部分兴利库容以容纳洪水，并在汛末拦蓄部分洪水尾巴以蓄满兴利库容。在这种情况下，防洪限制水位与正常蓄水位之间的库容，称为“结合库容”，兼做防洪与兴利之用，以减少专门的防洪库容。这样，水库溢洪道上装设闸门是设置结合库容的必要条件。防洪高水位（𝐙防）和防洪库容（𝐕防）当水库下游有防洪要求时，下游防洪要求的设计洪水从防洪限制水位经水库调节后所达到的最高库水位，称为“防洪高水位”。它至防洪限制水位之间的库容，称为“防洪库容”。设计洪水位（𝐙设）当发生大坝设计标准洪水时，从防洪限制水位经水库调节后所达到的坝前最高水位，称为设计洪水位。校核洪水位（𝐙校）和调洪库容（𝐕调）当发生大坝校核标准设计洪水时，水库坝前所达到的最高水位，称为“校核洪水位”。它至防洪限制水位之间的库容，称为“调洪库容”。校核洪水位加上风浪高及安全超高，便是坝顶的高程。总库容在防洪与兴利部分结合的情况下，水库总库容为V总=V死+V兴−V结+V调小型水库，特别是溢洪道上不设闸门的水库，正常蓄水位与防洪限制水位相同，没有结合库容，这时总库容为V总=V死+V兴+V调第二节中小型水库设计标准为了避免不合理的耗费，一般不要求在将来水库使用的全部时间内都保证绝对正常用水；所以，确定水库规模必须有一个设计标准。我国现行的灌溉标准有以下两种——灌溉设计保证率和抗旱天数1.灌溉设计保证率灌溉设计保证率，是当前灌溉工程规划设计采用的主要标准。它的含义是，在干旱期作物缺水情况下，由灌溉设施供水抗旱的保证程度，可用灌溉用水全部得到满足的年数占计算总年数的百分数表示，即P=正常供水年数总年数+1×100%灌溉设计保证率，是规划设计中一个极其重要的指标，它反映需要工程供水的保证程度，直接影响工程规模及农业增产，因此必须慎重对待，全面考虑政治、经济和对人民生活的影响，结合灌区的水利及土壤资源情况、作物种类、气象水文条件、水量调节程度及国家对当地农业生产的规划等因素分析决定。一般对灌溉设计保证率选用的情况是：南方地区比北方地区为高；自流灌溉比提水灌溉为高；远景规划工程比近期工程为高；大型工程比小中型工程为高。对于一个具体水库的规划，往往是在灌溉面积一定的情况下，先根据上述原则确定灌溉设计保证率，然后再通过水文水利计算确定水库兴利库容。有时，为了进行方案比较及技术、经济论证，还必须做出兴利库容~灌溉面积~灌溉设计保证率三变量关系曲线图，作为选定灌溉设计保证率的参考。2.抗旱天数抗旱天数，是指依靠灌溉设施供水，可以抗御连续多少天无雨保丰收的天数。由于无雨日的天数确定，确实有一定的困难，以及这个标准还不便于与其他用水部门的保证率标准对照比较，一般大型灌区和综合利用工程的设计中较少使用。第三节水库水量损失及水库死水位选择1.水库的水量损失水库建成后，改变了天然河流的情况，形成人工湖泊，增加的蒸发损失和渗漏损失，统称为“水库水量的损失”。1)水库的蒸发损失水库的蒸发损失，是指由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量，以W蒸表示W蒸=(E水−E陆)A库×100%式中，W蒸——一年内水库的蒸发损失量，m³；E水(或E陆)——一年内水面（陆面）蒸发深度，mm；A库——水库计算面积，km²，即水库实际水面面积与建库前水面面积之差。2)水库的渗漏损失建库后，由于水位抬高，水压力增大，水苦中的蓄水通过能透水的坝身、闸门、库底及库岸四周向外渗漏，其渗漏量的大小决定于库区、坝址的地质及水文条件与施工质量。其值可根据水文地质条件，参考已建水库的实际渗漏资料，选用经验数据，作为估算渗漏损失的依据。2.水库死水位的选择在以灌溉为主的水库规划设计中，一般是先确定死水位，然后通过兴利调节计算，求得兴利库容和正常蓄水位。死水位选择时，应考虑的因素主要是：1)保证自流灌溉必要的引水高程自流灌溉，水渠首的水面高程有一定要求，这个高程（即水库放水建筑物的下游水位）可根据灌区控制高程及引水渠的纵坡和渠道长度推算而得。根据放水建筑物的型式（有压涵管或无压隧洞）进行水力学计算，推求维持放水建筑物泄放渠道流量的最小水头Hmin，加上A点高程（即水库放水建筑物的下游水位），就得到水库死水位。2)考虑水库泥沙淤积的需要在河道上筑坝形成后，水深增大，水面坡度变缓，水流流速减小，水流挟沙能力降低，导致水流中的部分悬疑质和推移质泥沙在库区内沉淀，使水库库内不断淤积。在含沙量较大的河流上修建水库调节径流，必须考虑泥沙淤积对水库效益的影响。在水土流失严重的地区兴建中小型（特别是小型）水库，如果事先没有考虑泥沙问题，后果可能导致水库因泥沙淤满而报废。第四节水库兴利调节1.水库兴利调节计算原理水库兴利调节计算，是指利用水库的调蓄作用，将河川径流洪水期（或丰水年）的多余水量蓄存起来，以提高枯水期（或枯水年）的供水量，满足各兴利部门的用水要求所进行的计算，也就是水库蓄水量变化过程的计算。水库从“放空——蓄满——放空”的循环时间，称为“调节周期”。调节计算时，将整个调节周期划分为若干个计算时段，按时段进行水量平衡计算。水库的时段水量平衡方程是：在任何一个时段内，进入水库的水量和流出水库的水量之差，等于水库在这一时段内蓄水量的变化。对于某一时段△t的水库水量平衡方程可用下式表示：∆V=(Q入−q出)∆t计算时段，可根据调节周期的长短及径流和用水变化的剧烈程度而定。根据水量平衡进行调节计算的方法，可以分为“时历法”和“数理统计法”。时历法，是根据过去按时历顺序的流量资料进行调节计算，再将调节后的调节流量、水库水位、库容的多年变化情况，绘制成相应的频率曲线，再供设计选择，也就是先调节后频率统计的方法。数理统计法，是先将流量系列进行频率统计，用统计特征值来描述径流系列的多年变化，再按照概率论原理和水量平衡进行调节计算，获得调节流量、多余、不足水量及水库蓄水等多年变化情况，以供决策，也就是先频率统计后调节计算的方法。2.径流调节的分类1)按调节周期长短分日调节河川径流在一昼夜间的变化基本上是均匀的，而某些部门的用水（如发电、灌溉等）则在白天和夜晚差异甚大。有了水库，就可把当天负荷少时的多雨水量调用到负荷多时。其调节周期为一天。年调节河川径流在丰水期和枯水期的水量相差悬殊；而用水部门如发电、灌溉等，在枯水期水量不足，丰水期过剩。这就要求在一年内进行天然径流的重新分配，这种分配称为“年调节或季调节”。其调节周期为一年。多年调节针对的是丰水年和枯水年相对于一定的河流来说，如果蓄水容积越大，它调节的周期就越长，调节径流的程度也越完善。多年调节的水库可同时进行年调节和日调剂。2)按径流利用程度来分类完全年调节将设计年内全部来水量完全按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节不完全调节仅能存蓄丰水期部分多余水量的径流调节完全调节和不完全调节，是相对的。例如，对同一水库而言，可能在一般年份能进行完全调节，而在丰水年发生弃水。第五节年调节水库兴利调节计算兴利调节计算所要解决的问题是：在来水、用水及灌溉设计保证率一定的情况下，计算所需要的兴利库容（本章介绍的内容）；或在来水、兴利库容、灌溉设计保证率已知情况下，核算水库实际供水能力（灌溉面积）；或在来水、兴利库容、供水能力（灌溉面积）已定的情况下，核算水库供水所能达到的保证率。1)逐月调节计算不计水量损失的年调节列表计算法早蓄方案与晚蓄方案的比较：早蓄方案，水库在蓄水期有余水就蓄，兴利库容蓄满后还有多余就弃水；晚蓄方案，水库在蓄水期末水库保证蓄满的前提下，有多余的水就先弃后蓄。一年中只有一个余水期和一个亏水期，称为一回运用。计入水量损失的年调节列表计算法