第8章--水库的特性

第八章水库的特性赵平前言/PREFACE教学内容：1、水库基本特征；2、水库水量损失；3、水库死水位的确定；4、水库径流调节分类。教学要求：了解水库径流调节分类，掌握水库特征水位和特征库容；掌握水库特性曲线的绘制；掌握水库死水位的确定；掌握水库水量损失计算。在河流上拦河筑坝形成人工的水体用来进行径流调节，这就是水库。一般地说，坝筑得越高，水库的容积(简称库容)就越大。但在不同的河流上，即使坝高相同，其库容也很不相同，这主要与库区内的地形有关。如库区内地形开阔，则库容较大，如为一峡谷，则库容较小。此外，河流的纵坡对库容大小也有影响，坡降小的库容较大，坡降大的库容较小。根据库区河谷形状，(水库有河道型和湖泊型两种)。水库建成后，可起防洪、供水、航运、发电、灌溉等作用。CONTENTS目录01020304水库基本特征水库水量损失水库死水位的确定水库径流调节分类PART01水库基本特征8.1水库基本特征（1）水库特性曲线水库形体特性，其定量表示主要就是水库水位面积关系和水库水位容积关系。总库容是水库最主要的一个指标，通常按总库容的大小把水库区分为下列五级:大(1)型10亿m³以上；大(2)型1.0~10亿m³；中型0.1~1亿m³；小(1)型0.01~0.1亿m³；小(2)型0.001～0.01亿m³；塘坝10万m³以下。在生产实践中为了能与来水的流量单位直接对应，便于调节计算，水库库容的计量单位常“(m³/s)·月”表示，它是1m³/s的流量在一个月中的累积总水量，即1[(m³/s)·月]=30.4×24×3600=2.63×10(m³)。水库水位越高则水库水面积越大，库容越大。不同水位有相应的水库面积和库容。因此，在设计时，必须先作出水库水位面积和水库水位库容关系曲线，这两者是最主要的水库特性资料。8.1水库基本特征（1）水库特性曲线为绘制水库水位面积和水库水位库容关系曲线，一般可根据1:10000~1:5000比例尺的地形图，用求积仪(或按比例尺数方格)求得不同高程时水库的水面面积(如果有数字化地形图，利用GIS软件可以方便地量算出水库水面面积)，然后以水位为纵坐标，以水库面积为横坐标，画出水位面积关系曲线。然后分别计算各相邻高程之间的部分容积，自河底向上累加得相应水位之下的库容，即可画出水位库容的关系曲线。相邻高程间的部分容积可按下式计算：式中:△V为相邻高程间(即相邻两条等水位线间)的容积，m³；F1、F2为相邻上、下两条等水位的水库面积，㎡；△Z为相邻上、下两条等水位的水位差，m。△V=221FF△Z(8-1)8.1水库基本特征（1）水库特性曲线较精确的公式为：水库面积和库容曲线的一般形状，如下图所示。△V=)(312211FFFF△Z(8-2)水库面积特性绘制示意水库的水位库容与水位面积曲线8.1水库基本特征（1）水库特性曲线前面讨论的面积特性曲线和容积特性曲线，均建立在假定入库流量为零时，水面是水平的基础上。这是水库内的水体静止(即流速为零)时，所观察到的水静力平衡条件下自由水面，因此，这种库容称为静水库容(简称静库容)。动库容划分示意图8.1水库基本特征（1）水库特性曲线如有一定入库流量时，水库中水流有一定流速，则水库水面从坝址起上溯，其回水曲线越近上游，水面越往上翘，直到入库端与天然水面相切为止。静水面线与动水面线之间包含的水库容积称为楔形蓄量，如右图所示。静库容与形蓄量的总和称为动库容。以入库流量为参数的坝前水位与相应动库容的关系曲线，为动库容曲线。当确定水库回水淹没和浸没的范围、或作库区洪水流量演进计算时，或当动库容数值占调洪库容的比重较大时，必须考虑动库容影响。动库容划分示意图8.1水库基本特征（1）水库特性曲线动库容曲线绘制步骤:假定一个入库流量Q1和一组坝前水位，然后根据水力学公式，求出一组以入库流量Q1为参数的水面曲线。再计算坝前至回水末端不同回水曲线以下的库容，将不同回水以下的库容相加，就可求出以入库流量Q1为参数的总的动库容曲线。假定不同的入库流量Q2、Q3、…，按上面的方法计算可求得以不同的入库流量为参数的水库动库容曲线，如右图。右图中Q入=0的曲线也就是前面所说的静库容曲线。由图上可知，坝前水位不变时，入库流量越大，则动库容总值也越大。由于动库容曲线的计算需要的资料多，比较麻烦，为了简便起见，一般的调节计算仍多采用静库容曲线。水库动库容曲线8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容在河道、山谷、低洼地修建挡水坝或堤堰，形成蓄积水量的人工湖被称为水库。水库具有拦截来水、调节径流、集中落差等功能，可以满足防洪、发电、澶溉、供水、航运、养殖、旅游、环境保护等需要，可以承担单一或综合利用任务。水库按其所在位置和形成条件，一般分为山区水库和平原水库两种类型，水库特征库容和相应的特征水位如图8-5所示。在进行水库规划设计时，首先要合理确定各种特征库容和相应的特征水位。《水利水电工程动能设计规范》规定：水库特征水位主要有正常蓄水位、死水位、防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位等。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容死水位是指水库在正常运用情况下，允许消落的最低水位。死库容也称垫底库容是指死水位以下的水库容积。死库容在一般情况下是不动用的，除非特殊干旱年份，为了满足紧要的供水或发电需要，才允许临时动用死库容内的部分存水。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容正常蓄水位是指水库在正常运用时，为满足兴利要求蓄到的最高水位，又称正常高水位或设计蓄水位。兴利库容又称调节库容或有效库容，是正常蓄水位至死水位之间的库容，是水库实际可用于调节径流的库容。正常蓄水位与死水位之间的水位差称为工作深度或消落深度。正常蓄水位，是设计水库时需确定的重要参数，它直接关系到一些主要水工建筑物的尺寸、投资、淹没、人口迁移及政治、社会、环境影响等许多方面，因此，需要经过充分的技术经济论证，全面考虑，综合分析确定。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容防洪限制水位又称汛期限制水位，是水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，一般情况下也是汛期水库下游防洪运用的起调水位。多数水库防洪限制水位低于正常蓄水位。结合库容又称重叠库容或重复库容是指正常蓄水位与防洪限制水位之间防洪库容与兴利库容结合的水库容积。该库容在汛期用于防洪，在枯季用于兴利。由此可见，所谓防洪限制水位实际上是结合库容的下边界相应的水位，以此水位作为进行下游防洪标准的设计洪水、大坝设计及校核洪水调节计算时的起始水位。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容防洪高水位是指水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时，水库按下游防洪要求放水，坝前达到的最高水位。当水库不承担下游防洪要求时，无这一水位。防洪库容是指防洪高水位至防限制水位之间的水库容积。设计洪水位是指水库遇到大坝的设计标准洪水时，坝前达到的最高水位。设计洪水位是水库正常运用情况下允许达到的最高水位。也是水工建筑物稳定计算的主要依据。拦洪库容是设计洪水位与防洪限制水位之间的水库容积。由于大坝的设计标准一般要比对象的防洪标准高，所以设计洪水位一般高于防洪高水位。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（2）水库的特征水位和相应库容校核洪水位是指水库遇到大坝的校核标准洪水时，坝前达到的最高水位。校核水容位是水库在非常运用情况下，允许临时达到的最高水位。调洪库容是指校核洪水位至防限制水位之间的水库容积。总库容是指校核洪水位以下的静库容。校核洪水位加上一定的风浪高和安全超高，就是坝顶高程。水库特征水位与特征库容示意图8.1水库基本特征（3）设计保证率由于枯水年来水相对较少，如果在枯水年也要保证兴利部门的正常用水要求，就需要有相当大的库容，显然是不经济和不合理的。因此，对于枯水年一般允许有一定的断水或减少用水。这就需要研究用水部门允许减少的供水的可能性和合理范围，定出多年多年工作期间正常用水得到保证程度，常用正常供水保证率简称设计保证率来表示。设计保证率的高低与用水部门的重要性和工程的等级有关。设计保证率越高，用水部门的正常工作受破坏的机会就越小，但所需的水库容积就越大。反之，如设计保证率越低，则库容可以较小，但正工作破坏的机会就多。保证率是对工程投资和经济效益影响很大的一个参数。8.1水库基本特征（3）设计保证率设计保证率有三种不同的衡量方法，即按保证供水的数量，按保证供水的历时，按保证供水的年数来衡量。三者都是以多年工作期中的相对百分数表示。目前，在水库的规划设计中最常用的是第三种衡量方法。例如灌溉水库、年调节以上的水电站、工业和民用供水工程等都用水库在多年工作期中能保证正常工作的相对年数表示，即无调节或日调节水电站及航运部门一般用正常工作的相对日数(历时)表示保证率，即P(%)=总年数破坏年数总年数-×100%=总年数正常工作年数×100%(8-3)P(%)=总历时破坏历时总历时-×100%=总年数正常工作年数×100%(8-4)PART02水库水量损失水库建成后，坝上形成很大水体，水库的水面积远远大于原来的河面，一部分原来是陆面蒸发的地方变成了水面蒸发，因而要考虑水库建成后所增加的水量蒸发损失。另外，由于水库水位抬高，水压力增大，水库库床渗漏随之加大，这部分渗漏量应作为水库的水量损失。8.2水库水量损失（1）蒸发损失计算蓄水工程的蒸发损失是指水库修建前后由陆面面积变成水面而增加的蒸发损失：式中：Fv—建库增加的水面面积，k㎡；E水、E陆—ΔT时段内的水面蒸发量和陆面蒸发量，mm；Em—ΔT时段蒸发皿实测水面蒸发量，mm；k——蒸发皿折算系数，以E601型蒸发皿为准，其他蒸发皿折算系数一般为0.65~0.8；H0——闭合流域多年平均降雨量，mm；R0——闭合流域多年平均径流深，mm。Q蒸=1000(E水-E陆)Fv/△TE水=kEm(8-5)E陆=H0-R0式中：Fv—建库增加的水面面积，2Km；8.2水库水量损失（1）蒸发损失计算【例题8-1】已知某水库观测资料，由980蒸发皿观测得出的年水面蒸发量较大值为1506mm，蒸发皿折算系数K=0.8，流域多年平均年降雨量=1310mm，多年平均年径流深=787mm，蒸发量的多年平均年内分配系数(百分比)列于下表，试计算水库的年蒸发损失及相应的年内分配。月份123456789101112全年月损失系数(%)3.093.826.888.5211.8014.2113.0513.309.817.614.693.21100蒸发损失(mm）表8-1某水库蒸发损失计算8.2水库水量损失（1）蒸发损失计算解：(1)陆面蒸发:E=-=1310-787=523mm；(2)水面蒸发:E水=KE测=0.8×1506=1205mm；(3)水库年蒸发损失:E水一E陆=1205-523=682mm；(4)水库各月蒸发损失:用E水一E陆=682(mm)乘以各月燕发损失系数(百分比)，计算成果填于表8-1。月份123456789101112全年月损失系数(%)3.093.826.888.5211.8014.2113.0513.309.817.614.693.21100蒸发损失(mm）212647588097899167523222682表8-1某水库蒸发损失计算8.2水库水量损失（2）渗漏损失计算水库渗漏损失包括坝基渗漏，闸门止水不严，库底渗漏等，详细的渗漏损失计算可利用渗漏理论的达西公式估算。本节介绍经验估算方法。1)损失率法Q渗=aV(8-6)式中:V——ΔT时段水库平均蓄水量；a——参漏损失系数，据水文地质条件其取值为每月0~3%。其中，参漏损失系数，据水文地质条件其取值：(1）当水文地质条件优良时(库床为不透水层，地下水面与库面接近)，按每年0~10%或每月0~1%计；(2）当水文地质条件中等时，按每年10%~20%或每月1%~1.5%计；(3）当水文地质条件较差时，按每年20%~40%或每月1.5%~3%计。8.2水库水量损失（