第3章 水库洪水调节2011

第四章水库洪水调节计算•第一节水库调洪的任务和防洪标准•第二节水库调洪计算原理•第三节水库防洪列表计算•第四节水库防洪半图解法•第五节无闸门情况下的水库调洪•第六节有闸门情况下的水库调洪洪水会造成哪些危害?冲垮河堤洪水会造成哪些危害?淹没农田与村庄洪水会造成哪些危害?破坏交通等公共设施洪水会造成哪些危害?造成人畜伤亡对沿岸城市构成巨大威胁洪水会造成哪些危害?抗洪抢险——加固大堤防御洪水灾害第一节水库调洪的任务和防洪标准•一.我国基本情况及治理•二.水库的调洪计算任务•三.防洪标准一.我国基本情况及治理1、我国洪灾基本情况我国是洪水灾害严重的国家。据记载：•自公元前206年-公元1949年，共发生洪灾1092次，平均每两年就发生一次水灾。•1949-1988年间，平均每年受灾面积达1.2亿亩，成灾0.8亿亩，主要江河都发生过较大洪水。进入九十年代，随着经济的高速发展，洪水损失呈加速上升之态势；•1990年的洪水直接经济损失为239.0亿元，1994、1995年为1796.6亿元、1653.3亿元，连续两年突破千亿元；•1998年由于长江、松花江、嫩江流域遭遇历史罕见洪水，全年洪水直接经济损失高达2642.0亿元，洪水灾害对我国国民经济的可持续发展构成了严重威胁。1981-四川199198长江特大洪水‘98’洪水长江嫩江松花江江江（）洪湖太湖洞庭湖湖湖（）（）太小•长江流域发生了仅次于1954年的全流域型大洪水。嫩江流域、松花江干流发生了超过历史实测记录的特大洪水。长江九江大堤发生决口。全国800多万人参加了抗洪抢修，调用抢险物料总价值130多亿元。抗洪抢险期间形成了“万众一心、众志成城、不怕困难、顽强拼搏、坚韧不拔、敢于胜利”的伟大抗洪精神长江水灾汉初至清末近2100年水灾214次，平均10年一次大洪水年份宜昌站流量损失17888.6万沙市以上溃22处；18609.25万受淹3万多KM2；187010.5万受淹3万多KM2；19316.46万亡14.5万；19355.69万亡14.2万；19495.79万亡5699；19546.61万亡33169；19986.33万亡1432人，淹没耕地358.6万亩，受灾人口231.6万•2.治理措施：（1）对于自然因素，须通过各种工程措施进行抵御。如兴修堤防、整治河道、兴建水库及分洪滞洪工程、开挖新河和水土保持等。（2）对于人为因素，需要在防洪的指导思想上来个转变和发展。国内外已先后逐渐采取的工程措施和非工程措施想结合抗御洪水的办法即是此防洪思想和策略的发展，比较有效防洪措施简介防洪措施工程措施非工程措施修筑堤防河道整治开辟分洪道和分蓄洪工程水库拦洪水土保持洪泛区管理建立洪水预报和洪水警报系统洪水保险疏浚河道兴修堤防修建水库分洪区分洪水土保持工程•3.水库的调洪作用•在于对入库洪水的滞蓄。使出库洪水过程变平缓，洪水历时延长，洪峰流量减小。而影响水库洪水调节的因素主要是入库洪水、泄流建筑物型式与尺寸、以及汛期水库的控制运用方式和下游的防洪要求。若泄流建筑物尺寸减小，同一库水位的下泄量也将减小，所需调洪库容则将加大。反之，则正好相反。因此，入库洪水、泄流建筑物类型与尺寸、调洪方式和调洪库容之间是相互关联、相互影响的。•水库防洪调节计算，就是要定量地分析计算它们之间的关系。二水库调洪的任务任务：在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下，根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水或已知的设计入库洪水过程线，水库特性曲线、拟定的泄洪建筑物的形式和尺寸、调洪方式等，通过计算，推求出水库的出流过程、最大下泄流量、特征库容和相应的特征洪水位。作用：拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，使下泄流量能安全通过下游河道。水库调节洪水示意图Q～tZ～tq～t库水位Z流量Qq(a)V蓄无闸门情形一无闸门情形二有闸门情形一有闸门情形二•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，进行水库的蓄泄调节计算，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。三、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。水工建筑物的防洪标准：（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。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。•根据水利电力部颁发的SDJ12-78规范规定，水利水电枢纽工程本身的防洪要求，按其工程规模、效益和在国民经济中的重要性划分为五等，等别按下表规定确定•水利水电枢纽工程的枢纽建筑物的级别由其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五等，按下表规定确定•设计永久性水工建筑物所采用的洪水标准，分为正常运用（设计）和非常运用（校核）两种情况，根据建筑物级别按表4，表5，表6选定。永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水标准水电站厂房正常运用洪水标准和非常运用洪水标准永久性挡水和泄水建筑物非常运用洪水标准第二节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•一.洪水调节计算原理•1.水库调洪计算的直接目的，在于求出水库逐时段的蓄水、泄水变化过程，从而获得调节该次洪水后的水库最高洪水位和最大下泄流量，一供进一步防洪计算分析之用。•2.水库调洪演算要遇到两种情况：一种为下泄流量受到控制的调洪演算，其控制调节方式由水库防洪运行规则决定。这只有在有闸门控制的泄洪设备条件下才存在。另一种情况为自由泄洪条件下的调洪演算，无闸门溢洪道泄流、或设闸门开启程度一定的条件下泄流属此种情况。基本原理：水库水量平衡方程在某一时段内，入库水量减去出库水量，应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡方程为：22Vq、Q、q(m3/s)t(min)Q~tq~tqmaxQiQi+1qiqi+1V2-V1titi+1△t12212122VVtqqtQQ水量平衡方程tQ~11Vq、t水库水量平衡示意图一个方程两个未知数没有办法求解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•根据公式可换算求得水库水位Z与泄流量q的关系q=f1(Z)，如下图中的Z~q曲线。进而由库容曲线换算求得水库蓄水量V与q的关系q=f(V)。•目前常用的调洪计算方法主要有列表式算法和半图解法。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。第三节水库调洪计算列表试算法•水利规划中，常需要根据水工建筑物的设计标准或下游的防洪标准，按水文学中介绍的方法去推求设计洪水流量过程线。对于调洪计算来说，入库洪水流量过程线及下游所允许的水库最大泄流量都是已知的。并且对于初步拟定的方案，汛限水位及泄洪建筑物的样式尺寸也是确定的。•调洪计算就是在这些已知条件下，推求泄洪的过程线、拦蓄洪水库容和水库水位变化过程线。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一、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。2.列表式算法计算原理求解思路：假定2q2V,2q方程（1）方程（2）,2?2qq是输出结果否[例]某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸门，堰顶高程为36.0m。水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制q使其等于Q，水库保持在汛期防洪限制水位(38.0m)。当Q继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，q随z的升高而加大，流态为自由泄流，qmax也不限制，与无闸门控制情况相同。水库容积特性V＝f(z)、根据泄洪建筑物型式和尺寸算出的水位与下泄流量关系曲线q＝f(z)见表2。求百年一遇洪水流量过程中，某水库的下泄流量过程、库水位变化情况、最大下泄流量、水库达到的最高水位及发生的相应时刻。3.3列表试算法实例水位Z(m)36.036.537.037.538.038.539.039.540.040.541.0库容V(m3)4330480053105860645070807760854094201025011200下泄流量q(m3/s)022.555.0105.0173.9267.2378.3501.9638.9786.1946.0表某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线(闸门全开)返回例题0510152025165.0170.0175.0180.0水库水位(m)库容(亿m3)水库水位与库容曲线返回分析37.038.039.040.00.500.590.650.710.780.850.941.03水库容积V(108m3)水库水位Z(m)02004006008001000下泄流量q(m3/s)V=f(Z)q=f(Z)图3-2某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线从第18h起，Q开始大于173.9m3/s，水库开始蓄水。因此，以第18h为起调时刻，此时初始的q1为173.9m3/s，而初始的V1为6450×104m3。然后，按式(3-2)进行计算。相应数据列入表中。数字下有横线者为初始已知值。表3-3调洪计算列表试算法时间t(h)入库洪水流量Q(m3/s)时段平均入库流量Q(m3/s)下泄流量q(m3/s)时段平均下泄流量q(m3/s)时段内水库存水量变化ΔV(万m3)水库存水量V(万m3)水库水位z(m)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)181742575951385168512801005830685535410325173.9180.5224.5343.5