第三章--水库洪水调节及计算

第三章水库洪水调节及计算水资源规划及利用主讲：康银红目录3.1概述3.2水库调洪的原理3.3水库调洪计算的基本方法3.4其他情况下的水利调洪计算3.1概述一、水库的调洪作用与任务在河流上兴建水库后，进入水库的洪水过程经水库拦蓄和阻滞作用之后，自水库泄放至下游河道的洪水过程，势必大大展平，洪峰被削减，从而达到防止或减轻下游洪水灾害的目的。调洪任务滞洪蓄洪当水库有下游防洪任务时，它的作用主要是削减下泄洪水流量，使其不超过下游河床的安全泄量。只削减下泄洪峰流量，基本上不减少下游洪量。若水库是防洪与兴利相结合的综合利用水库，则除了滞洪作用外还起蓄洪作用。蓄洪既能削减下泄洪峰流量，又能减少下游洪量。有时，水库下泄的洪水与下游区间洪水或支流洪水遭遇，相叠加后其总流量会超过下游的安全泄量。这时就要求水库起“错峰”的作用，使下泄洪水不与下游洪水同时到达需要防护的地区。这是滞洪的一种特殊情况。若水库不需承担下游防洪任务，则洪水期下泄流量可不受限制。但由于水库本身自然地对洪水有调蓄作用，洪水流量过程经过水库时仍然要变形，客观上起着滞洪的作用。洪水流量过程线经过水库时的具体变化情况，与水库的容积特性、泄洪建筑物的型式和尺寸以及水库运行方式等有关。在水库调蓄洪水的过程中，入库洪水、下泻洪水、拦蓄洪水的库容、水库水位的变化以及泄洪建筑物型式和尺寸等之间存在着密切的关系。水库调洪计算的目的，正是为了定量地找出它们之间的关系，以便为决定水库的有关参数和泄洪建筑物型式、尺寸等提供依据。二、防洪标准在水库调洪过程中，入库洪水的大小不同，下泄洪水、拦蓄库容、水库水位变化等也将不同。通常，入库洪水的大小要根据下游防洪要求以及大坝等水工建筑物的防洪安全要求来选定。因此，在进行水库调洪计算时，必须先确定一个合理的防洪标准。（1）若水库不需承担下游防洪任务，则应按水工建筑物本身的防洪安全要求选定防洪标准。水工建筑物的防洪标准：一是正常运用情况的标准，称设计标准，不超过这种标准的洪水（设计洪水）来临时，水库枢纽一切工作维持正常状态；二是非常运用情况的标准，称校核标准，该种标准的洪水（校核洪水）来临时，水库枢纽的某些正常工作和次要建筑物允许暂时受到破坏，但主要建筑物（如大坝、溢洪道等）必须确保安全。（2）若水库要承担下游防洪任务，则除了要选定水工建筑物的设计标准外，还要选定下游防护对象的防洪标准，即防护对象所应抗御的设计洪水频率。防护对象的防洪标准，应根据防护对象的重要性、历次洪灾情况及对政治、经济的影响，结合防护对象和防洪工程的具体条件，并征求有关方面的意见。3.2水库调洪计算的原理调洪计算的目的（研究课题）：一定的水库拟定的泄洪建筑物防洪标准类型、尺寸防洪限制水位入库洪水过程下游安全泄量出库洪水过程最大下泄流量防洪特征库容特征水位水库调洪计算的任务在规划设计阶段，调洪计算的任务是根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄流建筑物型式与尺寸方案，遵循水库汛期控制运用规则，进行水库的蓄泄调洪计算，推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位与特征库容。在水库的管理运用阶段，调洪计算的任务是根据入库的洪水，在泄流建筑物类型尺寸已定的情况下，通过蓄泄调节计算，来预报水库达到的最高库水位和最大下泄流量。原理：明渠非恒定流基本方程：通常，这个偏微分方程组难以得出精确地解析解，而是采用简化了的近似解法：瞬态法、差分法和特征线法等。其中，普遍采用的是瞬态法。水库调洪计算的实用公式（瞬态法）：水量平衡方程：蓄泄方程：231BHMq溢方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算得到。（1）堰流H即为库水位Z与堰顶高程之差（2）闸孔出流H即为库水位Z与闸孔中心高程之差根据H与q的关系曲线求出Z与q的关系曲线q=f(z)。由水库水位z在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积V。于是，最终求出下泄流量q与库容V的关系曲线q=f(V)212HMq洞调洪计算的两种情况下泄流量受控制自由泄流无闸门溢洪道泄流闸门开度一定下泄流量受控制自由泄流逐时段水量平衡方程水库蓄泄方程需要注意的几点：在有闸门控制的情况下，q=f（V）不是一条曲线，而是以不同的闸门开度为参数的一组曲线。在承担下游防洪任务的情况下，当要求保持q不大于下游允许的最大安全泄量q安时，就要利用闸门控制q。当泄洪建筑物虽设有闸门，但泄洪是将闸门全开，此时实际上与无闸门控制的情况相同。3.3水库调洪计算的基本方法一、列表试算法在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法，去推求设计洪水流量过程线。已知：入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量水库汛期防洪限制水位泄洪建筑物的型式和尺寸推求：下泄洪水过程线拦蓄洪水的库容和水库水位的变化计算步骤（1）由已知的水库水位容积关系曲线V=f(Z)和泄流建筑物方案，用水力学公式求出下泄流量与库容的关系曲线q=f(V)；（2）选取合适的计算时段△t，以秒为计算单位；（3）决定开始计算的时刻和此时刻的V1、q1值，然后列表计算。计算过程中，对每一计算时段的V2、q2值都要进行试算；先假定一个q2值，根据水量平衡方程求出V2,然后按此V2值在q~V曲线上查出q2值，若与假定的q2不相等，则要重新假定一个q2值，重复上述试算过程，直至两者相等或很接近为止。这样多次演算求得的q2、V2值就是下一时段的q1、V1值，可依据此值进行下一时段的试算。（4）将计算结果绘制成曲线，供查阅。二、水库调洪计算的半图解法水量平衡方程2tV2(22111qqtVqQ）2tV2(2221121qqtVQQ）)2(~qqtV三、简化三角形法TmQ21W在小流域、小型水库缺乏资料且水库只有无闸门溢洪道的情况下，设想将入库与出库流量过程都简化为三角形时，则入库洪水总量为当水库起调水位在堰顶高程时水库的最大下泄流量为)1(qWVQmmm调洪演算简化三角形法3.4其他情况下的水库调洪计算无闸门控制q有闸门控制q最基本的情况（下游无防洪任务、无错峰要求）基本原理和方法与无闸门类似，要按水库运行需要随时调整闸门的开度。在不同的闸门开度、水库水位、下游淹没等情况下，泄流公式中的系数也会不同。采用列表试算法较为方便（a）下游有防洪要求的情况当下游有防洪要求时，最大下泄流量qmax不能超过下游允许的安全泄量q安。在t1时刻以前，Q小于闸门全开时的下泄流量，应以闸门控制，使q=Q。闸门随着Q的加大而逐渐开大，直到t1时闸门全部打开。从t1时刻开始，Q已大于闸门全开自由溢流的q值，库水位逐渐上升。至t2时刻q达到q安，于是用闸门控制，使，水库水位继续上升，闸门逐渐关小。至t3时刻，Q降落至重新等于q，水库水位达到最高，闸门也不再关小。t3时刻以后是水库的泄水过程，水库水位逐渐回降。（b）水工建筑物防洪标准大于下游防洪标准的情况当下游有防洪要求，但防洪标准小于水工建筑物的防洪标准时，在t3时刻以前，情况和（a）类似，即在t2~t3间用闸门控制q使不大于q安，以满足下游防洪要求。至t3时刻，为下游防洪而设的库容（图中竖明影线）已经蓄满，而入库洪水仍然较大，这说明入库洪水已超过了下游防洪标准。为了保证水工建筑物的安全，不再控制q，而是将闸门全部打开自由溢流。至t4时刻，库水位达到最高，q达到最大值。（c）水库下泄洪水要与下游区间洪水错峰的情况当下游要求错峰，以免水库下泄洪水与下游区间洪水遭遇，危及下游安全时，在t2~t3时刻之间用闸门控制下泄流量q，使它与下游区间洪水叠加后仍不大于下游允许的q安值。（d）根据预报预泄洪水的情况当短期洪水预报时，在t1时刻以前根据预报信息预泄洪水，随着库水位的下降而逐渐开大闸门。在t1~t3之间，为了不使qq安，随着库水位的上升而适当关小闸门，以控制q值。在t1~t2时刻水底仅将预泄的库容回蓄满，t2时刻以后，水库才从汛期防洪限制水位起蓄洪。思考题1.水库有什么样的调洪作用？2.怎样理解水库的防洪标准？3.水库调洪计算的原理是什么？公式表达式？4.水库调洪计算的列表试算法步骤？5.如何根据水库的调洪过程线描述水库的调洪过程？6.如何根据水库的调洪过程绘制水库的调洪过程线？