7.水库防洪调度解析

17.水库防洪调度27.1概述一、洪水与防洪洪水一般指由于暴雨、急剧冰雪融化等因素引起的江河水量迅速增加，水位迅猛上涨的自然现象。若洪水超过江河、湖泊、水库等水体的承受或容纳能力而泛滥成灾，则形成灾害性洪水。37.1概述我国暴雨洪水具有以下两个特点：1.洪水发生频繁据统计，我国主要河流1900~1999年100年间共发生10%~20%以上的洪水213次，平均每年超过两次，且每两年可能发生一次频率5%~10%的洪水，每三年左右可能发生一次频率5%以上较大频率的洪水。47.1概述2.洪水峰高，洪量集中我国特殊的气候条件，加上江河上中游山区集水面积广大，支流发达，汇流迅速，下游河道位于冲击平原，比降平缓，泄水不畅通，且干支流洪水极易遭遇，使得中国不少江河洪水洪峰高涨，洪量集中，大洪水和特大洪水年的洪峰流量和洪水总量往往数倍于正常年份。57.1概述防洪措施是指防止或减少洪水灾害损失的各种手段和对策。它包括工程措施和非工程措施两个方面：1.防洪工程措施防洪工程措施指为控制和抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各种工程措施。防洪工程建设须根据流域和地区防洪规划要求进行，一般是在上游兴建控制性水库，拦蓄洪水，消减洪峰；在中下游平原进行河道整治、加固堤防、开辟蓄滞洪区，调整和扩大洪水出路，使其形成一个完整的防洪工程体系。67.1概述防洪工程措施通过对洪水的蓄、滞、分、泄，起到防洪减灾的效果。这种效果包括两个方面：其一是提高江河抗御洪水的能力，即提高江河的防洪标准，从而减少洪灾出现的频率；其二是出现超防洪标准的大洪水时，虽不能避免洪灾发生，但在一定程度上减少洪灾损失。由于受自然、技术、经济等条件的限制，不可设想由防洪工程措施来实现对洪水的完全控制。77.1概述2.防洪非工程措施防洪非工程措施是指为了减少洪灾损失，采取颁布和实施法令、政策及防洪工程以外的技术手段等方面的措施。例如洪水水情测报、预报和报警，防洪调度、防汛抢险、洪水风险管理等均属于防洪的非工程措施。87.1概述二、水库防洪调度的任务、原则和内容任务：根据规划设计或防洪复核选定的水库工程洪水标准（设计标准和校核标准）和下游防洪对象的防洪标准，结合当年水库的挡水建筑物、泄洪设施和配套工程的实际情况，按照水库、下游河道堤防及分蓄洪区防洪体系联合运用原则及泄洪方式，在确保水库工程安全的前提下，通过控制水库泄流对入库洪水进行调蓄，以保障上、下游防护对象的安全，并尽可能使水库取得最大的综合效益。97.1概述为了完成上述任务，必须遵循的原则是：①在确保水库工程安全的前提下，最大限度地发挥水库对上、下游的防洪作用；②在满足第一条原则基础上，正确处理防洪与兴利的关系，尽量使防洪库容结合兴利，并力求少留调洪库容，且通过预报调度重复利用，提高水库综合效益；③力求合理核定调洪参数，使制定的调洪规则和防洪调度图既安全可靠，又切合实际；④应根据洪水预报来拟定和不断修正泄洪方式，尽量使下泄流量均匀，以减轻下游的防洪压力。107.1概述水库防洪调度的主要内容：①不定期的复核水库防洪参数（汛限水位、最高洪水位等）；②根据水库工程洪水标准及水库对下游承担的防洪任务，确定水库洪水调度方式和控制泄流的判别条件；③制定防御超标准洪水的非常措施及其使用条件；④根据原规划设计或复核修正后的规划设计，结合现状，编制水库防洪调度方案和当年度汛计划，在遭遇洪水时，据此进行实时防洪调度。包括汛期分期调度，承担下游防洪任务的分级控制泄流，以及水库群的联合防洪调度。117.1概述三、我国防洪调度管理模式1.组织机构我国国务院设立国家防汛总指挥部，负责组织领导全国的防洪工作。有防洪任务的县级以上地方政府，设立防汛指挥部，由各级人民政府的首长担任指挥。水利部所属的流域管理机构内部组成防汛办事机构，黄河、长江等跨省的重要河流设防汛总指挥部，由流域机构负责人负责。127.1概述2.责任制度防汛是一项责任重大的工作，必须建立健全各种防汛责任制度，做到有章可循，各施其职。我国防洪工作实行各级人民政府行政首长负责制，实行统一指挥，分级分部门负责；各有关部门实行防汛岗位责任制。具体包括如下：137.1概述①行政首长负责制②分级责任制③分包责任制④岗位责任制⑤技术责任制⑥值班工作制度147.2洪水调节计算原理及方法为利用水库的调蓄作用，满足防洪减灾的要求，需在兴利调节的基础上，进一步做好防洪计算，合理制定出调洪库容、设计洪水位和校核洪水位、坝高等，这便是调洪计算的中心内容。157.2洪水调节计算原理及方法一、水库调洪计算原理水库调洪计算也称为调洪演算，其一般课题是，对一定的水库和泄洪建筑物类型、尺寸、调洪方式，已知入库流量过程推求出库洪水过程、最大下泄流量和防洪特征库容、特征水位。167.2洪水调节计算原理及方法1.水库泄洪建筑物泄流能力分析在水库枢纽工程中，根据水库的具体条件，可设表面溢洪道或深水式泄洪洞，或两者兼有。泄洪建筑物在某水头下的泄流能力，是指该水头下泄洪建筑物可能通过的最大流量，是实际泄流量的上限。对于无闸溢洪道，该水头下的泄流量和泄流能力一致；对于有闸溢洪道，当闸门全开时两者也是一致的。溢洪道的泄流能力仅随水头而变化，只是在实际应用中，无闸溢洪道只能按泄流能力下泄，有闸溢洪道可以在泄流能力之内按调洪方式由闸门控制泄流。1718197.2洪水调节计算原理及方法溢洪道的泄流能力可按堰流公式计算：（8-1）式中q溢溢洪道泄流能力（m3/s）;H0堰顶水头（m）；B溢流堰净宽（m）；M1溢流系数，其值取决于溢流堰形式。3/210qMBH溢207.2洪水调节计算原理及方法泄洪洞的泄流能力可按有压管公式计算：（8-2）式中q洞泄洪洞的泄流能力（m3/s）;H0泄洪洞计算水头（m）；w泄洪洞洞口过水断面面积（m2）；M2流量系数。1/220qMwH洞217.2洪水调节计算原理及方法从（8-1）（8-2）可知，对于一定的泄洪建筑物来水，q仅为H的函数，而H又取决于库水位Z，Z又与库容V成单值函数形式，即q=f(V)。为了调洪计算上的方便，常将式（8-1）（8-2）绘制成蓄泄曲线q-V，其中q为当水库蓄水量V是对应的泄流能力。22237.2洪水调节计算原理及方法2.调洪计算基本原理溢洪道上不设闸门或虽有闸门但闸门全开的调洪是水库调洪的基本方式，因此针对该种调洪方式讨论调洪计算的基本原理（泄洪洞与溢洪道类似）。247.2洪水调节计算原理及方法水库调洪是在水量平衡和动力平衡（即水力学中的圣维兰方程）的支配下进行的。水量平衡可表示为水库的水量平衡方程，动力平衡可由水库蓄泄方程（或蓄泄曲线）来反映。从起调开始，逐时段连续求解这两个方程，即可由入库流量过程Q~t求出出库流量过程q~t，这就是水库调洪计算所遵循的基本原理。257.2洪水调节计算原理及方法12122122QQqqttVV①水库水量平衡方程在某一段时间△t内，入库流量减去出库流量，应等于该时段内水库蓄水量的变化，因此水量平衡方程为：（8-3）267.2洪水调节计算原理及方法②水库蓄泄方程或蓄泄曲线溢洪道无闸门或闸门全开时的泄流量就是溢洪道的泄流能力，对于某一水库，当泄洪建筑物的形式、尺寸一定时，泄流能力q仅取决于水库蓄水量V，因此水库蓄泄方程为：q=f(V)或q-V曲线（8-4）277.2洪水调节计算原理及方法在式（8-3）（8-4）中，仅q2、V2为未知数，故可联立求解。例如第一时段，Q1、Q2可从入库洪水过程线得知，q1、V1可由起调水位Z1查Z-V，q-V线得到，从而可联立求解出q2、V2。该时段q2、V2正是第二时段开始时的q1、V1，于是又可联立解出该时段末的q2、V2，依次类推，即可求得水库下泄流量过程线、最大下泄流量q1、调洪库容V洪和水库最高洪水位Z洪。287.2洪水调节计算原理及方法二、水库调洪计算方法试算法是一种最基础的、用途较广的水库调洪计算方法，不管溢洪道是否设闸和计算时间是否固定均可使用，其计算步骤为：①根据水位库容曲线Z-V和拟定的泄洪建筑物类型、尺寸，计算和绘制水库的蓄泄曲线q-V。②分析调洪开始时的起始条件，即起调水位和与之相应的库容、下泄流量。297.2洪水调节计算原理及方法③从调洪开始，试算各时段末的q2、V2。对于第一时段，Q1、Q2、q1、V1及△t均为已知，假设q2，可由水量平衡方程（8-3）求得V2，由V2在q-V关系曲线上又可查得q’2，若两者相等，假设的q2即为所求。否则，应重设，重复上述计算过程，直到两者相等为止。这样，求得的q2、V2，又是下一时段的q1、V1。以此类推，直到调度期末，即得所需的下泄流量过程q~t。307.2洪水调节计算原理及方法④将入库洪水过程Q~t和下泄流量过程q~t点汇在一张图上，若计算的最大下泄流量qm正好是两条线的交点，则计算的qm是正确的；否则，说明计算的qm有误差，此时应改变计算时段△t进行试算，直到计算的qm是入库洪水过程Q~t和下泄流量过程q~t的交点。317.2洪水调节计算原理及方法⑤由qm查q-V曲线，得最高洪水位的总库容Vm，从中减去堰顶以下的库容，即得到调洪库容V洪，由Vm查Z~V曲线，可得最高洪水位Z洪。显然，当入库洪水为设计标准洪水时，求得的qmV洪Z洪即为设计标准下的最大下泄流量qm设、设计调洪库容V设、设计洪水位Z设；当入库洪水位校核标准洪水时，即得到相应校核数据。32337.2洪水调节计算原理及方法【例】某水库，已知设计标准的洪水过程线Q~t如表6.3第(1)(3)栏所列。用试算法推求水库下泄流量过程、设计最大下泄流量过程、设计调洪库容和设计洪水位。计算时段取△t=12小时。3435367.2洪水调节计算原理及方法①推求该水库的蓄泄曲线q~V。该水库蓄泄曲线q~V已经给出如表6.2所示。②确定调洪的起始条件。溢洪道属于无闸门控制的情况，对设计条件，取起调水位与堰顶平齐，且等于正常蓄水位，故得该水库的起调水位为116m，与之相应的库容V1为247*106m3，下泄流量q1为发电流量q电=10m3/s。377.2洪水调节计算原理及方法③推求下泄流量过程线。对于第一时段，确定起始为条件V1=247*106m3、q1=10m3/s和已知的Q1=10m3/s、Q2=140m3/s，求V2、q2：假设q2=30m3/s，由(8-3)得依计算得到V2查q~V曲线，得q2=20m3/s，与原假设不符，故需重设q2进行计算。假设q2=20m3/s，由(8-3)得612122163101401030()123600247102222249.3810mQQqqVttV6632101401020()12360024710249.5910m22V387.2洪水调节计算原理及方法再由计算得到V2q~V曲线，得q2=20m3/s，与假设相符，故V2=247*106m3，q2=20m3/s即为所求，并分别填入表6.3(9)(6)栏。以第一时段所求V2、q2作为第二时段初的V1、q1，重复上述试算过程，又可得到第二时段V2=265.26*106m3，q2=105m3/s。依次类推连续试算下去，即得表6.3第(6)栏所示的下泄流量过程q~t。397.2洪水调节计算原理及方法④最大下泄流量qm的计算。按△t=12h不变，取表6.3中(1)(3)(6)栏的t、Q、q值，绘出如图所示Q-t及q-t（虚线为退水过程）过程线，可见以△t=12h逐时段试算求得的qm=240m3/s不是正好在Q-t及q-t交点上，而是在Q-t的偏下方，这显然是不正确的。407.2洪水调节计算原理及方法以240m3/s作为qm不正确的原因，在于第四时段仍取△t=12h太长了，因此减小计算时段进行试算。设qm=q2=Q2=250m3/s，于是在图6.5上查得△t=2h，该时段初的V1=279.18*106m3、q1=240m3/s和Q1=279m3/s，再进行水量平衡计算得：依计算得