水库防洪计算与调度

水库防洪计算与调度水库的调洪作用及防洪措施水库调洪计算的原理和方法水库的防洪计算水库的防洪调度1、水库的调洪作用及防洪措施1.1防洪设计标准水工建筑物的设计标准取决于建筑物的等级，并分为正常运用和非常运用两种情况。防洪设计标准拟定后，就可据此选定相应的设计洪水，以作为调洪计算的依据。根据“水利动能设计规范”和“水利水电枢纽工程等级划分及设计标准”。水库本身设计标准如表1.1所示。下游防护对象的防洪标准如表1.2所示。库容（亿m3）10以上10～11～0.10.1～0.001规模大（1）型大（2）型中型小型设计重现期（年）2000～500500～100100～5050～20校核重现期（年）10000～50005000～10001000～500500～200防护对象防洪标准城镇工矿区农田面积（万亩）重现期（年）频率（%）特别重要城市特别重要工矿区5001001重要城市重要工矿区100～50050～1002～1中等城市中等工矿区30～10020～505～2一般城市一般工矿区3010～2010～5表1.1水库本身设计标准表1.2下游防护对象的防洪标准1.2洪水的特点及防洪措施1、洪水的特点洪水一般是指河、湖、海所含水体上涨，超过常规水位的水流现象。天然河道中，某些年份由于水文气象的不利影响，使汛期（或其他季节）河中流量超过河槽的宣泄能力而泛滥两岸，即形成所谓的洪灾。洪水有下面几个特性：（1）形状、大小、持续时间的多变性。（2）是一种不稳定流运动。（3）可以是单峰或多峰、有固定出现日期或无固定出现日期。2、防洪措施国内外已逐渐采取的工程措施和非工程措施相结合抵御洪水的办法比较有效。这些措施，有些是面上的，例如水土保持、植树造林、坡地改梯田、修建谷坊塘堰等，从径流和泥沙的策源地予以控制，减少坡面冲刷和进入河槽的泥沙量，既利于防洪，又利于农业增产；有些是线上的，例如沿河修堤、疏浚河道、裁弯取直，以加大江河的泄洪能力；还有些是点上的，例如在河流的某些控制点上修建水库、开辟分洪蓄洪垦殖区或利用湖泊滞洪等。作为总体的防洪规划，应在全面分析流域情况的基础上，以某种防洪措施为主，点、线、面结合，全面规划，综合治理。一般言之，三类措施中，修建骨干水库枢纽工程，既兴利又除害、既蓄水又防洪，运用灵活，容易见效，所以常是防洪中考虑的重要措施。1.3水库的调洪作用设计水库时，为使水工建筑物和下游防护地区能抵御规定的洪水，要求水库有防洪设施，即设置一定的防洪库容和泄洪建筑物，使洪水经过调节后，安全通过大坝,还要求下泄流量不超过防护河段的允许泄量，以保证下游防护对象的安全。河道的允许泄量是指防护河段允许通过而不发生泛滥的最大流量。泄洪建筑物的类型有溢洪道、溢流堰、泄水孔和泄水隧洞等主要形式。溢洪道又分为无闸溢洪道和有闸溢洪道。不同型式的泄洪建筑物，调节入库洪水之后，下泄的流量过程线是不相同的，说明它们的调洪作用也不相同。无闸溢洪道常称作开敞式溢洪道，当库水位超过溢洪道的堰顶高程时，即自行泄流。图1.1无闸溢洪道泄流过程示意图有闸溢洪道的调洪，由于闸门操作方式不同，增加了调洪演算的复杂性。图1.2有闸溢洪道泄流过程示意图(a)闸前水位；（b）入库出库流量过程线深水式泄洪洞设于一定水深处，其水流状态属于有压出流。图1.3泄洪洞泄洪过程示意图2、水库调洪计算的原理和方法水库是控制洪水的有效工程措施，其调节洪水的作用在于拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，使下泄流量能安全通过下游河道。调洪计算的任务是在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下，根据已知的设计人库洪水过程线、水库地形特性资料、拟定的泄洪建筑物型式的尺寸、调洪方式，通过调洪计算，推求出水库出流过程、最大下泄流量、防洪库容和水库相应的最高洪水位。2.1水库调洪计算的基本方程1、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𝑄1+𝑄22∆𝑡−𝑞1+𝑞22∆𝑡=𝑉2−𝑉1（1.1）式中Q1、Q2—时段Δt始、末的入库流量，m3/s；q1、q2—时段Δt始、末的出库流量，m3/s；V1、V2—时段Δt始、末的水库蓄水量，m3；Δt—计算时段，s，其长短的选择，应以能较准确地反映洪水过程线的形状为原则。陡涨陡落的，取短些；反之，Δt取长些。2、水库蓄泄方程或水库蓄泄曲线水库通过溢洪道泄洪，其泄流量大小，在溢洪道型式、尺寸一定的情况下，取决于堰顶水头H，即q=f（H）。当水库内水面坡降较小，可视为静水面时，其泄流水头H只是库中蓄水量V的函数，即H=f（V），故下泄流量q成为蓄水量V的函数，即𝑞=𝑓𝐻𝑞=𝑓𝑉或（1.2）（1.3）2.2考虑静库容的调洪计算方法按静库容曲线进行调洪计算时，系假设水库水面为水平，采用下泄流量与蓄水量的关系q=f(V)求解。常用的方法有列表试算法和图解分析法。对于小型水利工程或工程初步设计方案比较阶段，可采用简化计算方法，例如简化三角形法。1、列表试算法此法用列表试算来联立求解水量平衡方程和动力方程，以求得水库的下泄流量过程线，其计算步骤如下：1)根据库区地形资料，绘制水库水位容积关系曲线Z～V，并根据既定的泄洪建筑物的型式和尺寸，由相应的水力学出流计算公式求得q～V曲线。2)从第一时段开始调洪，由起调水位(即汛前水位)查Z～V及q～V关系曲线得到水量平衡方程中的V1和q1；由入库洪水过程线Q(t)查得Q1、Q2；然后假设一个q2值，根据水量平衡方程算得相应的V2值，由V2在q～V曲线上查得q2，若二者相等，q2即为所求。否则，应重设q2，重复上述计算过程，直到二者相等为止。3)将上时段末的q2、V2值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即可得出水库下泄流量过程线q(t)。4)将入库洪水Q(t)和计算的q(t)两条曲线点绘在一张图上，若计算的最大下泄流量qm正好是二线的交点，说明计算的qm是正确的。否则，计算的qm有误差，应改变时段重新进行试算，直至计算的qm正好是二线的交点为止。5)由qm查q～V曲线，得最高洪水位时的总库容Vm，从中减去堰顶以下的库容，得到调洪库容V调。由Vm查Z～V曲线，得最高洪水位Z洪。显然，当入库洪水为设计标准的洪水时，求得的qm、V调、Z洪即为设计标准的最大泄流量qm，设、设计防洪库容V设和设计洪水位Z设。同理，当入库洪水为校核标准的洪水时，求得的qm、V调、Z洪即为qm，校、V校和Z设。【例1-1】某水库泄洪建筑物为无闸溢洪道，其堰顶高程与正常蓄水位齐平为ll6m，堰顶宽B=45m，堰流系数m1=1.6。该水库设有小型水电站，汛期按水轮机过水能力Q电=10m3/s引水发电。水库库容曲线和设计洪水过程线数值分别列于表1.3和表1.4中。求水库下泄流量过程线q(t)。库水位（Z）7580859095100105115125135库容（106m3）0.54.010.023.045.077.5119234401610时间（h）01224364860728496流量（m3/s）1014071027913165321510表1.3水库水位容积关系表1.4设计洪水过程线取计算时段Δt=12小时。假定洪水到来时，水位刚好保持在溢洪道堰顶，即起调水位为116m。(1)绘制Z～V曲线，按表1.3所给数据，绘制库容曲线Z～V，如图1.4所示。图1.4某水库库容曲线Z～V及蓄泄曲线q～V(2)列表计算q～V曲线，在堰顶高程ll6m之上，假设不同库水位Z[列于表1.5第(1)栏]，用它们分别减去堰顶高程ll6m，得第(2)栏所示的堰顶水头H，代人堰流公式𝑞堰=𝑚1𝐵𝐻3/2=1.6×45𝐻3/2=72𝐻3/2（1.4）从而算出各H相应的溢洪道泄流能力，加上发电流量10m3/s，得Z值相应的水库泄流能力q=q溢+q电列于第(3)栏。再由第(1)栏的Z值查图1.4中的Z～V曲线，得Z值相应的库容V，见表1.5第(4)栏。表1.5某水库q～V关系计算表库水位（Z）（1）116118120122124126堰顶水头H（m）（2）0246810泄流能力q（m3/s）（3）10214586106816382280库容V（106m3）（4）247276307340378423(3)绘制q～V曲线，由表1.5中第(3)、(4)栏对应值，绘制该水库的蓄泄曲线q～V(见图1.4)。(4)推求下泄流量过程线q(t)，按表1.6的格式逐时段进行试算。对于第一时段，按起始条件V1=247X106m3、ql=l0m3/s和已知值Q1=10m3/s、Q2=140m3/s求V2、q2。假设q2=30m3/s，由式(1.1)得𝑉2=10+1402×12×3600−10+302×12×3600+247×106=249.38×106m3依此查图1.4中的q～V曲线，得q2=20m3/s，与原假设不符，故需重设q2进行计算。再假设q2=20m3/s，由式(1.1)得𝑉2=10+1402×12×3600−10+202×12×3600+247×106=249.59×106m3再依此查q～V曲线，得q2=20m3/s，与假设相符，故q2=20m3/s和即为所求。分别填人表1.6中该时段末的第(6)、(9)栏。表1.6某水库调洪计算表(列表试算法)以第一时段所求的V2、q2作为第二时段初的V1、q1，重复第一时段的试算过程，可求得第二时段的V2=265.26×106m3、q2=105m3/s。如此继续试算下去，即得表1.6第(6)栏所示的下泄流量过程q(t)。(5)计算最大下泄流量qm，按每时段∆t=12小时，取表1.6中第(1)、(3)、(6)栏的t、Q、q值，绘出如图1.5的Q(t)和q(t)(退水段为虚线)过程线。可见以∆t=12小时逐时段试算求得的qm=240m3/s不是正好落在Q(t)线上，而是偏在它的下方，正确的qm值应比240m3/s大一些，出现时间稍晚一些，为此，可根据二曲线相交的趋势，设qm=q2=250m3/s，在图1.5上查得∆t=2小时，该时段初的V1=269.18×106m3，q1=240m3/s，Q1=279m3/s代入式（1.1）得𝑉2=279+2502−240+2502×2×3600+279.18×106=279.32×106m3图1.5某水库设计洪水过程线及下泄流量过程线1-设计洪水过程线Q(t)；2-下泄流量过程线q（t）依此在图1.4的q～V线上查得q2=250m3/s与假设的q2(即qm)相符。故q2=250m3/s即为所求，其出现时间在第38小时。以后仍采用与第4步同样的方法，对38～48小时时段进行试算，求得第48小时的q=230m3/s，图1.5中36～48小时用实线绘出的q(t)，代表该时段正确的下泄流量过程。(6)推求设计防洪库容V设和设计洪水位Z设，按qm=250m3/s从图1.4的q～V线上查得相应的总库容Vm=279.32×106m3，减去堰顶高程以下的库容即得V设=32.32×106m3；由Vm值从图1.4的Z～V线上查得Z设=118.21m。2、图解分析法(又称半图解法)本文介绍波达波夫的图解分析法，便于读者了解该类方法的性质，应用时可以根据具体情况加以采用及改换。若将式(1.1)整理移项，可写为𝑉2∆𝑡+𝑞22=𝑄𝑐𝑝+𝑉1∆𝑡−𝑞12由式(1.3)可知，V1及V2均分别为q1及q2的函数，可写出如下两个函数式：（1.5）𝜑𝑞=𝑉∆𝑡−𝑞2𝑓𝑞=𝑉∆𝑡+𝑞2和（1.6）（1.7）Qcp为时段∆t内已知的入库平均流量，因此，只要计算出式(1.5)右端的数值，就可以利用左端的函数关系确定q2，连续计算下去就可以得到每一时刻的下泄流量。在计算前可先根据既定的泄洪建筑物的型式和尺寸、库容曲线及计算时段∆t，绘出与上述式(1.6)、(1.7)两个函数式相应的辅助曲线(见图1.6)。图1.6图解分析法辅助曲线在作好上述辅助曲线后，即可按下列步骤进行图解计算。1)根据第一时段初出库流量q1在上图纵坐标轴上截取A点