北京市水利助理工程师复习资料总工程水文学

'《水利专业基础与实务》考试大纲前言根据《北京市人事局关于工程技术等系列中、初级职称试行专业技术资格制度有关问题的通知》（京人发 [2005]26号）及北京市人事局《关于北京市中、初级专业技术资格考试、评审工作有关问题的通知》（京人发[2005]34号）文件的要求，从2005年起，我市工程技术系列中级专业技术资格试行考评结合的评价方式。为了做好考试工作，我们编写了本大纲。本大纲既是申报人参加考试的复习备考依据，也是专业技术资格考试命题的依据。在考试知识体系及知识点的知晓程度上，本大纲从对水利专业中级专业技术资格人员应具备的学识和技能要求出发，在基本要求中提出了“掌握”、“熟悉”和“了解”共3个层次的不同要求，这3个层次的具体涵义为：掌握系指在理解准确、透彻的基础上，能熟练自如地运用并分析解决实际问题；熟悉系指能说明其要点，并解决实际问题；了解系指概略知道其原理及应用范畴。在考试内容的安排上，本大纲从对水利专业中级专业技术资格人员的工作需要和综合素质要求出发，主要考核申报人的专业基础知识、专业理论知识和相关专业知识，以及解决实际问题的能力。考试知识点不仅涵盖了专业理论知识和申报人在工作后运用这些学识所应获得和具备的实践经验与能力，还涉及参加工作后通过各种途径所应扩展的新知识，是对申报人综合素质全面的考核。命题内容在本大纲所规定的范围内,考试采取笔试、闭卷的方式。《水利专业基础与实务》考试大纲编写组二○○六年三月1-64 第一部分水文水资源一、基础知识1、掌握水文循环和水量平衡基本知识2、掌握水文学基础知识（含降雨、蒸发及入渗，流域与河系，河川径流及水文统计学的基本知识）3、掌握水文测验及水文资料整编的主要内容二、水资源分类及评价方法1、掌握水资源分类及计算方法2、掌握水资源供需平衡及预测的原理和计算方法3、掌握节约水资源的途径和措施4、熟悉工业、农业、生活、生态环境需水量的分析确定方法三、防洪1．掌握洪水要素概念及危害性2．掌握《防洪标准》（GB50201-94）中有关水利水电工程的内容3．熟悉洪水的控制与管理措施4．了解洪水调度及水库的调洪计算的基本原理与方法5、了解流域产汇流的基本概念6、了解水文预报的方法（洪水预报、枯水预报）7、了解设计洪水的主要内容和方法8、了解防洪预案编制的原则及主要内容第二部分水利工程一、基础知识1、掌握水工建筑物分类及等级划分2、了解水利工程对环境的影响3、熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度制定的方法4、熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律5、掌握灌溉排水工程类型及适用条件二、水工建筑物及灌溉工程1-64 1、掌握水坝的类型、组成、特点及适用条件，了解基本设计步骤2、掌握水闸的类型、组成、特点及适用条件，了解基本设计步骤3、熟悉桥梁的类型、特点，了解基本设计步骤4、掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用5、熟悉不同灌水方法及其技术特点6、了解排水系统类型及特点7、熟悉堤防工程的类型及设计要点第三部分水利管理一、掌握中国水法规（中华人民共和国水法、中华人民共和国环境保护法、中华人民共和国水污染防治法、中华人民共和国水土保持法、中华人民共和国防洪法等）中有关水利方面的内容二、熟悉北京市水资源基本状况和特点三、了解信息化技术在水利中的应用四、掌握不同水利工程的管理基本内容及要求五、掌握灌溉、排水管理基本内容六、熟悉节水型社会的内涵七、掌握水土保持监测的内容及方法八、熟悉水土保持生态建设项目管理程序第四部分水土保持一、基础知识1、掌握土壤侵蚀的概念、类型、特点及影响因素2、掌握土地资源类型，熟悉土地评价的程序和方法二、水土保持规划及措施1、熟悉水土保持综合调查的内容及方法2.、掌握水土保持重点防治区的划分标准及防治对策3、掌握不同水土保持综合措施的内容4、了解水土保持效益与经济评价的内容与方法5、熟悉开发建设项目水土保持方案编制内容及规范第五部分水生态环境一、掌握水体污染源的分类及特点二、掌握水体中主要污染物及其危害性1-64 三、熟悉不同水体环境质量评价的相关标准四、熟悉水环境质量评价的方法五、熟悉不同用途的水质标准六、熟悉再生水利用的标准及要求七、了解开发建设项目环境影响评价报告编制内容及规范第六部分知识产权保护一、知识产权的基本概念二、知识产权的分类三、知识产权法四、专利权的定义与分类五、商标的定义六、著作权与版权的定义七、专利权和商标的申报程序八、专利权和商标保护的时效第二章水文循环与径流形成第一节水文循环与水量平衡水文循环分类:按水文循环的规模与过程,可分为大循环和小循环。大循环或外循环：从海洋蒸发的水汽,被气流输送到大陆形成降水,其中一部分以地面和地下径流的形式从河流汇归海洋;另一部分重新蒸发返回大气。这种海陆间的水分交换过程,称为大循环或外循环。小循环或内循环：在大循环运动中,水一方面在地面和上空通过降水和蒸发进行纵向交换,另一方面通过河流在海洋和陆地之间进行横向交换。海洋从空中向大陆输送大量水汽,陆地则通过河流把水输送到海洋里。陆地也向海洋输送水汽,但与海洋向陆地输送的水汽相比,其量很少,约占海洋蒸发量的8%,所以,海洋是陆地降水的主要水汽来源。海洋上蒸发的水汽在海洋上空凝结后,以降水的形式落到海洋里,或陆地上的水经蒸发凝结又降落到陆地上,这种局部的水文循环称为小循环或内循环。前者称为海洋小循环,后者称为内陆小循环。水文循环中的各种现象如图2-1所示。1-64 图2-1水文循环示意图二、地球上的水量平衡在水文循环过程中,对任一区域、任一时段进入水量与输出水量之差额必等于其蓄水量的变化量,这就是水量平衡原理。水量平衡原理是水文学的基本原理,水量平衡法是分析研究水文现象,建立水文要素之间定性或定量关系,了解其时空变化规律等的主要方法之一。根据水量平衡原理,可列出水量平衡方程。对某一区域,有式(2-1)：I-O=△S(2-1)式中I、O--给定时段内输入、输出该1区域的总水量;△S--时段内区域蓄水量的变化量,可正可负。上式为水量平衡方程的通用式,对不同的研究对象,需具体分析其输入输出量的组成,写出相应的水量平衡方程式。研究范围、研究范围而言，整个大陆水量平衡方程式(2-2)：PC-R-EC=△SC(2-2)海洋水量平衡方程式(2,3)：P0+R-E0=△SO(2-3)式中PC、P0--大陆和海洋上的降水量;EC、E0--大陆和海洋上的蒸发量;R--流入海洋的径流量(包括地面和地下径流量)；△SC、△S0--大陆和海洋上在研究时段内蓄水量的变化量。在短时段内,△SC和△S0可正可负,但对多年平均情况,正负可以相互抵消,蓄水量的变化量趋于零。因此,对多年平均情况,有式(2-4)和式(2-5)：大陆：(2-4)海洋：(2-5)式中、--大陆和海洋多年平均降水量;1-64 、--大陆和海洋多年平均蒸发量;--多年平均流人海洋的径流量(包括地面和地下径流量)。合并式(2-4)和式(2-5),得全年平均全球水量平衡方程为式(2-6)或式(2-7)：(2-6)或(2-7)式(2-7)表明,全球多年平均降水量与多年平均蒸发量相等,为1130mm。第二节河流与流域一、河流(一)河流的形成与分段河流的形成：降落到地面的雨水,除下渗、蒸发等损失外,在重力的作用下沿着-定的方向和路径流动,这种水流称为地面径流。地面径流长期侵蚀地面,冲成沟壑,形成溪流,最后汇集成河流。河谷：河流流经的谷地称为河谷,河床或河槽：河谷底部有水流的部分称为河床或河槽。左岸、右岸：面向下游,左边的河岸称为左岸,右边的河岸称为右岸。河流是水文循环的一条主要路径。河流的形成与分段：一条河流沿水流方向,自高向低可分为河源、上游、中游、下游和河口五段。河源是河流的发源地,多为泉水、溪涧、冰川、湖泊或沼泽等。上游紧接河源,多处于深山峡谷中,坡陡流急,河谷下切强烈,常有急滩或瀑布。中游河段坡度渐缓,河槽变宽,两岸常有滩地,冲淤变化不明显,河床较稳定。下游是河流的最下段,一般处于平原区,河槽宽阔,河床坡度和流速都较小,淤积明显,浅滩和河湾较多。河口是河流的终点,即河流注入海洋或内陆湖泊的地方。(二)河流基本特征1.河流的长度1-64 自河源沿主河道至河口的距离称为河流长度,简称河长,以km汁。可在适当比例尺的地形图上量的。2.河流断面河流断面有横断面和纵断面。垂直于水流方向的断面称为横断面,简称断面,其一般形状如图2-2所示。断面内自由水面高出某一水准基面的高程称为水位。枯水期水流所占部分为基本河床,或称为主槽,洪水泛滥所及部分为洪水河床,或称为滩地。河流中沿水流方向各断面最大水深点的连线称为中泓线,沿中泓线的断面称为河流的纵断面。河流纵断面能反映河床的沿程变化。3.河道纵比降图2-3河道纵断面示意图任意河段两端(水面或河底)的高差△h称为落差,单位河长的落差称为河道纵比降,简称比降,用小数或千分数表示。一、水系及河流地貌定律1-64 三、流域(一)流域流域：汇集地面水和地下水的区域称为流域,也就是分水线包围的区域。分水线有地面、地下之分。闭合流域：当地面分水线与地下分水线相重合,称为闭合流域,否则为不闭合流域,如图2-5所示。在实际工作中,除有石灰岩溶洞等特殊的地质情况外,对于一般流域,当对所论问题无太大影响时,多按闭合流域考虑。流域是指汇集于一条河流的集水区域。分水岭是流域汇水的分界线。沿流域分水岭的界面在向上向下与顶面和底面包围成一个水文系统(图1-2)。图2-5地面分水线与地下分水线示意图流域是相对于某一出口断面的,当不指明断面时,流域即指对河口断面以上区域。(二)流域基本特征1.流域面积流域分水线包围区域的平面投影面积,称为流域面积,记为F,以km2计。可在适当比例尺的地形图上勾绘出流域分水线,量出其流域面积。2.河网密度流域内河流干支流总长度与流域面积的比值称为河网密度,以Km/km2计。3.流域的长度和平均宽度1-64 流域长度就是流域轴长。以流域出口为中心向河源方向作一组不同半径的同心圆,在每个圆与流域分水线相交处作割线,各割线中点的连线的长度即为流域的长度,以km计。流域面积与流域长度之比称为流域平均宽度,以km计。4.流域形状系数流域平均宽度与流域长度之比称为流域形状系数。扇形流域的形状系数较大,狭长形流域则较小,所以流域形状系数在一定程度上以定量的方式反映流域的形状。5.流域的平均高度和平均坡度将流域地形图划分为100个以上的正方格,依次定出每个方格交叉点上的高程以及与等高线正交方向的坡度,取其平均值即为流域的平均高度和平均坡度。6.流域自然地理特征包括流域的地理位置、气候特征、下垫面条件等。(1)流域的地理位置。流域的地理位置以流域所处的经纬度来表示,它可以反映流域所处的气候带,说明流域距离海洋的远近,反映水文循环的强弱。(2)流域的气候特征。包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素。它们是河流形成和发展的主要影响因素,也是决定流域水文特征的重要因素。(3)流域的下垫面条件。下垫面指流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽等情况,这些要素以及上述河道特征、流域特征都反映了每一水系形成过程的具体条件,并影响径流的变化规律。第三节降水降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中降落到地面的现象,如雨、雪、霞、雹、露、霜等等,其中以雨、雪为主。降水特征用五大基本要素来表示,如降水量、降水历时、降水强度、降水面积及暴雨中心等。降水量指一定时段内降落在某一点或某一面积上的总水量,用深度表示,以mm计。如一场降水的降水量指该次降水过程的降水总量。日降水量指一日内降水总量等等。降水量一般分为7级,如表2-1。凡日降水量达到和超过50mm的降水称为暴雨。暴雨又分为暴雨、大暴雨和特大暴雨三个等级。降水历时：降水持续的时间称为降水历时,以min、h或d计。降水强度：单位时间的降水量称为降水强度或雨率,以mm/min或mm/h计。降水面积：降水笼罩的平面面积为降水面积,以km2计。暴雨中心：暴雨集中的较小的局部地区,称为暴雨中心。降水的特征不同,它所形成的洪水的特性也不同。一、降水的形成与分类水汽、上升运动和冷却凝结.1-64 (二)降水的分类降水通常按空气抬升形成动力冷却的原因分为对流雨、地形雨、锋面雨和气旋雨。1.对流雨2.地形雨图2-11地形对气流的影响示意图(a)地形抬升F(b)喇叭口地形内气流辐合;(c)马蹄形地形内气流辐合3.锋面雨锋面:两个温湿特性不同的气团相遇时,在其接触区由于性质不同来不及混合而形成一个不连续面,称为锋面。图2-12锋面类型示意图第四节土壤水、下渗与地下水1-64 田间持水量:指土壤中所能保持的最大毛管悬着水量。当土壤含水量超过这一限度时,多余的水分不能被土壤所保持,将以自由重力水的形式向下渗透。田间持水量是划分土壤持水量与向下渗透水量的重要依据,对水文学有重要意义。饱和含水量:指土壤中所有孔隙都被水充满时的土壤含水量,它取决于土壤孔隙的大小。介于田间持水量到饱和含水量之间的水量,就是在重力作用下向下运动的自由重力水分。下渗是指降落到地面上的雨水从地表渗入土壤内的运动过程。下渗不仅直接决定地面径流量的大小,同时也影响土壤水分的增长,以及表层流与地下径流的形成。因此,分析下渗的物理过程和规律,对认识径流形成的物理机制有重要的意义。(二)下渗率和下渗能力下渗率或下渗强度：单位时间内渗入单位面积土壤中的水量称为下渗率或下渗强度,记为f,以mm/min或mm/h计。下渗能力：在充分供水条件下的下渗率则称为下渗能力。通常用下渗率或下渗能力随时间的变化过程来定量描述土壤下渗规律,如图2-27所示的下渗能力随时间的变化过程线,称为下渗能力曲线,简称下渗曲线,并以f（t）~t表示,第五节蒸发蒸散发:是水文循环中自降水到达地面后由液态或固态转化为水汽返回大气的阶段。蒸散发在水量平衡研究和水利工程规划中是不可忽视的影响因素。蒸散发类型:水面蒸发:蒸发面为水面时称为水面蒸发;植物散发蒸发面是植物茎叶则称为植物散发;土壤蒸发:蒸发面为土壤表面时称为土壤蒸发;陆面蒸发:因为植物是生长在土壤中,植物散发与植物所生长的土壤上的蒸发总是同时存在的,通常将二者合称为陆面蒸发实际的蒸发量:从水面跃出的水分子量与返回蒸发面的水分子量之差值,就是实际的蒸发量，蒸发量用相应于水面上的水层深度来度量,记为E,以mm计。(二)水面蒸发观测水面蒸发是在充分供水条件下的蒸发。确定水面蒸发量的大小,通常有两种途径:器测法和间接计算法。第六节径流径流:是指降水所形成的,沿着流域地面和地下向河川、湖泊、水库、洼地等流动的水流。地面径流,或地表径流:沿着地面流动的水流称为地面径流,或地表径流;地下径流:沿土壤岩石孔隙流动的水流称为地下径流;一、径流的形成过程径流形成过程:流域内,自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程,称为径流形成过程。径流的形成是相当复杂的过程,为便于分析一般把它概括为产流过程和汇流过程两个阶段。1-64 （一）产流过程降落到流域内的雨水,一部分会损失掉,剩下的部分形成径流。净雨:降雨扣除损失后的雨量称为净雨。显然,净雨和它形成的径流在数量上是相等的,但二者的过程却完全不同,净雨是径流的来源,而径流则是净雨汇流的结果;净雨在降雨结束时就停止了,而径流却要延长很长时间。产流过程:我们把降雨扣除损失成为净雨的过程称为产流过程,净雨量也称为产流量。降雨不能产生径流的那部分降雨量称为损失量。在前期十分干旱情况下,降雨产流过程中的损失量称为最大损失量,记为IM。流域的损失过程,如图2-34所示。实测的总径流过程划分为地面径流和地下径流,净雨也只划分为地面净雨和地下净雨。表层流与地面径流的性质相近,通常把它归并到地面径流中,表层流净雨也自然地归入地面净雨中。流域产流过程又称为流域蓄渗过程。在这一阶段,流域对降雨进行了一次再分配。(二)汇流过程净雨沿坡面从地面和地下汇入河网,然后再沿着河网汇集到流域出口断面,这一完整的过程称为流域汇流过程。前者称为坡地汇流,后者称为河网汇流。2.河网汇流过程河网汇流过程:各种成分径流经坡地汇流注入河网,从支流到干流,从上游向下游,最后流出流域出口断面,这个过程称为河网汇流或河槽集流过程。河槽调蓄作用:坡地水流进入河网后,使河槽水量增加,水位升高,这就是河流洪水的涨水阶段。在涨水段,由于河槽贮蓄一部分水量,所以对任一河段,下断面流量总小于上断面流量。随降雨和坡地漫流量的逐渐减少直至完全停止,河槽水量减少,水位降低,这就是退水阶段。这种现象称为河槽调蓄作用。1-64 水文中常用的流量还有:日平均流量、月平均流量、年平均流量、多年平均流量及指定时段的平均流量。2.径流量径流量指时段T内通过河流某一断面的总水量,记为W,以m3、万m3或亿m3计,有时也用时段平均流量与时段的乘积为单位,如(m3/s)·d、(m3/s)·M等。3.径流深将径流量平铺在整个流域面积上所得的水层深度,记为R,以mm计。按式(2-32)计算:(2-32)式中W--时段T内径流量,d;--计算时段内平均流量,m3/s;T--计算时段,s;F--流域面积,km2。4.径流模数流域出口断面流量与流域面积之比值称为径流模数,记为M,以L/(s-km)计。按式(2-33)计算:(2-33)5.径流系数某一时段的径流深R与相应时段内流域平均降雨深度P之比值称为径流系数,记为α。按式(2-34)计算:(2-34)因R0，表明此时下泄流量是用水部门引用流量q兴。稍后，入流渐增，库水位随之增高，溢洪道开始泄流，且随库水位增高而增加。库水位增长阶段入库流量大于出库流量，水库蓄纳1-64 图3-1水库洪水调节示意图洪水，直到入库流量等于出库流量时，水库出现最高洪水位和最大下泄流量qmax。此后，入库流量开始小于出库流量，库水位亦随之下降，直到回落至堰顶高程，堰顶高程以上蓄滞的洪水亦逐渐泄放出库。这种调洪过程表明水库对天然洪水起到了蓄滞作用。当洪水开始进入水库时，若水库水位（起调水位）处于堰顶高程以下，则必须先充蓄此水库水位与堰顶高程间的这部分库容后溢洪道才开始泄流，其后的调节过程与上一种情况相同。这种情况比前一种情况的水库最高洪水位要低，最大下泄流量要小，取得的抗洪效果更佳。其堰顶以下部分库容起了蓄存洪水的作用，所蓄水量不在该次调洪过程中从溢洪道排出，而成为了兴利用水。堰顶以上库容亦起阻滞洪水的作用，所蓄之水在该次调洪过程中排出。这种情况的调洪效果是由水库的蓄洪和滞洪两种作用产生出来的。不难想像，如果大洪水发生前因干旱水库的蓄水位已经很低，则所遭遇的洪水很可能排泄很少，大部分洪水就成了兴利用水的水源，洪水也当然不致成灾。在大多数情况下，水库都采用设置控制闸门的泄洪设备，使其泄洪过程受到控制。在这种情况下，水库的抗洪效果不仅与洪水开始时水库所处的水位有关，而且还与水库的防洪运行方式有关。就一次洪水的调节作用而言，在人为控制下泄洪，可以按防洪要求进行，所以其调洪效果会十分显著地比无闸门控制情况更好。三、水库防洪标准的确定1-64 在河流上修建水库，通过其对洪水的拦洪削峰，可防止或减轻甚至消除水库下游地区的洪水灾害。但是，若遇特大洪水或调度运用不当，大坝失事也会形成远远超过天然洪水的溃坝洪水，如板桥水库1975年8月入库洪峰13100m3／s，溃坝流量竟达79000m3／s，造成了下游极大的损失。因此，防洪设计中除考虑下游防护对象的防洪要求外，更应确保大坝安全。下游防洪要求和大坝等水工建筑物本身防洪安全要求，一般通过防洪设计标准（常用洪水发生频率或重现期表示）来体现。水库自身安全标准是指设计水工建筑物所采用的洪水标准。水工建筑物的洪水标准分正常运用和非常运用两种情况。与前者相应的洪水称为设计洪水；与后者相应的洪水称为校核洪水。水工建设物的洪水标准应按水利枢纽工程的“等”及建筑物的“级”，参照中华人民共和国原水利电力部1978年颁发的《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区、丘陵区部分和平原、海滨部分）的规定，确定其相应的洪水标准。该标准根据工程的规模、效益和在国民经济中的重要性将其划分为五等；又根据水工建筑物所属的工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级。表3-1即为该标准中根据工程等别及建筑物在工程中的作用确定级别的规定。根据水工建筑物的级别，该标准中还规定了相应的洪水标准。表3-2列出了山区、丘陵区永久性水工建筑物正常运用的设计洪水和非常运用的校核洪水相应的洪水重现期。表3-1水工建筑物级别的划分工程等别永久性建筑物级别临时性建筑物级别主要建筑物次要建筑物一134二234三345四455五55表3-2永久性水工建筑物洪水标准单位：年建筑物级别12345正常运用（重现期）2000～500500～100100～5050～3030～20非常运用（重现期）土坝、堆石坝、干砌石坝1000020001000500300混凝土坝、浆砌石坝及其他建筑物50001000500300200防洪保护对象的防洪标准，应根据防护对象的重要性、历次洪水灾害及其对政治经济的影响，按照国家规定的防洪标准范围，经分析论证后，与有关部门协商选定。表3-3为中华人民共和国水利电力部1977年颁发《水利水电工程水利动能设计规范》SDJll—77关于防洪标准的有关规定。表3-3防洪保护对象防洪标准防护对象防洪标准（重现期）（单位：年）城镇工矿区农田面积（万亩）特别重要城市特别重要工矿区≥500≥100重要城市重要工矿区100～50050～1001-64 中等城市中等工矿区30～10020～50一般城镇一般工矿区≤3010～20必须指出，对于水库安全标准一般应采用入库洪水，如因资料等方面的原因而改用坝址洪水时，应估计二者的差异对水库调洪计算结果的影响。防护对象防洪标准应采用防洪保护区相应河段控制断面的设计洪水，该设计洪水由水库坝址以上流域及坝址至控制断面之间的区间两部分洪水组成，应考虑二者的不同组合类型及其对水库调洪计算结果的影响。第二节水库调洪计算的原理和方法一、水库调洪计算的任务入库洪水流经水库时，水库容积对洪水的拦蓄、滞留作用，以及泄水建筑物对出库流量的制约或控制作用，将使出库洪水过程产生变形。与入库洪水过程相比，出库洪水的洪峰流量显著减小，洪水过程历时大大延长。这种入库洪水流经水库产生的上述洪水变形，称为水库洪水调节。水库调洪计算的目的是在已拟定泄洪建筑物及已确定防洪限制水位（或其他的起调水位）的条件下，用给出的入库洪水过程、泄洪建筑物的泄洪能力曲线及库容曲线等基本资料，按规定的防洪调度规则，推求水库的泄流过程、水库水位过程及相应的最高调洪水位和最大下泄流量。若水库不承担下游防洪任务，那么水库调洪计算的任务是研究和选择能确保水工建筑物安全的调洪方式，并配合泄洪建筑物的形式、尺寸和高程的选择，最终确定水库的设计洪水位、校核洪水位、调洪库容及二种情况下相应的最大泄流量。若水库担负下游防洪任务，首先应根据下游防洪保护对象的防洪标准、下游河道安全泄量、坝址至防洪点控制断面之间的区间入流情况，配合泄洪建筑物形式和规模，合理拟定水库的泄流方式，确定水库的防洪库容及其相应的防洪高水位；其次，根据下游防洪对泄洪方式的要求，进一步拟定为保证水工建筑物安全的泄洪方式，经调洪计算，确定水库的设计洪水位与校核洪水位及相应的调洪库容。二、水库调洪计算基本公式洪水进入水库后形成的洪水波运动，其水力学性质属于明渠渐变不恒定流。常用的调洪计算方法，往往忽略库区回水水面比降对蓄水容积的影响，只按水平面的近似情况考虑水库的蓄水容积（即静库容）。水库调洪计算的基本公式是水量平衡方程式（3-1）式中：——计算时段长度（s）；——t时段初、末的入库流量（m3/s）；——t时段初、末的出库流量（m3/s）；——t时段初、末水库蓄水量（m3）。当已知水库入库洪水过程线时，均为已知；则是计算时段t开始的初始条件。于是，式中仅为未知数。必须配合水库泄流方程q=f（V）与上式联立求解1-64 的值。当水库同时为兴利用水而泄放流量时，水库泄流量应计入这部分兴利泄流量。如图3-2所示，假设暂不计及自水库取水的兴利部门泄向下游的流量，若泄洪建筑物为无闸门表面溢洪道，则下泄流量q的计算公式为:（3-2）式中：ε侧收缩系数；m流量系数；B溢洪道宽；h1堰上水头。若为孔口出流，则泄流公式为：（3-3）式中：μ孔口出流系数；ω孔口出流面积；图3-2泄洪设施示意图h2孔口中心水头。 由式（3-2）或（3-3）所反映泄流量q与泄洪建筑物水头h的函数关系可转换为泄流量q与库水位Z的关系曲线q＝f（Z）。借助于水库容积特性V＝f（Z）,可进一步求出水库下泄流量q与蓄水容积V的关系，即q＝f（V）（3-4）以图3-3水库洪水调节示意图说明如何进行一次洪水的水库调洪计算。图中Q～t为入库洪水过程线；q～t为水库调洪计算需要推求的出库流量过程线。设为计算过程的面临时段，由入库洪水资料可知时段初、末的流量的数值，Vt，qt为该时段已知的初始条件。图中阴影线的面积表示该时段水库蓄水量的增量ΔV，即ΔV=Vt+1-Vt。利用式（3-1），（3-4）可求解时段末的水库蓄水量Vt+1和相应的出库流量qt+1。前一个时段的求出后，图3-3水库洪水调节示意图其值即成为后一时段的值，使计算有可能逐时段地连续进行下去。必须指出，上述水库调洪计算中采用的泄流函数式q=f（v）是基于泄洪设施为自由溢流的条件建立的。所谓自由溢流是指泄洪设施不设闸门，或虽设有闸门，但闸门达到的开度不对水流形成制约的情况。三、水库调洪计算试算法水库调洪计算就是联解式(3-1)和(3-4)。常用的算法有试算法(迭代法)和图解法。试算法可达到对计算结果高精度的要求，但以往靠人工计算时，此法计算工作量大；图解法是为了避免繁琐的试算工作而发展起来的，它实用于人工操作，可大大减轻试算法的人工计算工作量。随着计算机科学技术的迅速发展，上述水库调洪计算的试算法很适合编制电算程序，即在计算机上进行迭代计算，不必再提倡采用图解法来完成调洪计算。在进行迭代计算时,可先假定计算时段末的出库流量的qt+1值,求出式中待定的时段末水库蓄水量的值；也可先假定的值,求出式中待定的qt+1值。最后，在迭代过程中算出满足精度的解。下述迭代算法(以先假定qt+1的值为例)的步骤可以作为编制水库调洪计算软件的程序流程。（1）初步假设计算时段末的出库流量1-64 的值，代入式(3-1)，可初步求出式中待定的时段末水库蓄水量的值。（2）利用关系，用初求的值，按插值算法求出对应的出库流量q。（3）检验步骤（1）所假设的时段末的出库流量步骤（2）得到的出库流量q的相符合情况。若设定的允许误差为，，则满足计算精度要求，结束该时段计算，时段末出库流量及水库蓄水量即为计算的结果。否则，重新假设=（+q）/2，返回步骤（1）进行下一轮迭代计算。以上仅以某一计算时段为例，说明水库调洪计算的原理和方法。对于一场入库洪水的调洪计算，必须从洪水起涨开始，依时序逐时段进行。第一个计算时段（t＝1）可将起调水位（规划设计中对一定设计标准的洪水的调洪计算一般采用防洪限制水位作为起调水位）及其相应的泄水建筑物的泄流能力作为计算初始条件，即已知该时段初的出库流量q1和水库蓄水量V1，通过调洪计算求出时段末的出库流量q2和水库蓄水量V2。接着进行第二时段的调洪计算，此时q2，V2已成为第二时段的初始条件，可按同样的方法进行此时段的调洪计算。循此执行逐时段调洪计算，直到水库水位消落至防洪限制水位（或根据要求只推算到出现水库最高调洪水位）。现将具体的演算过程用一例子加以说明。某水库的泄洪建筑物形式和尺寸已定，溢洪堰设有闸门控制。水库的运行方式是在洪水来临时，先用闸门控制，使水库泄流量等于入库流量，水库保持汛期防洪限制水位（38m）不变。随着入库流量继续增大，闸门逐渐开启直至达到全部开启，水库泄流q随库水位的升高而加大，闸门全部开启后的流态为自由泄流。已知堰顶高程为36m，水库容积曲线V=f（Z），并根据泄洪建筑物形式和尺寸，算出水位和下泄量关系曲线q=f（Z），见表3-4。计算过程见表3-5。并按下列步骤计算。表3-4单位：水位Z（m），库容V（万m3），泄流量q（m3/s）Z36.36.53737.53838.53939.54040.5V43304800531058606450708077608540942010250q022.555105173.9267.2378.3501.9638.9786.1（1）将已知入库洪水流量过程线列入表中的第（1）、（2）栏，取计算时段Δt=3h=10800s；起始库水位为Z限=38.0m，在图中可查出闸门全开时相应的q=173.9m3/s。(2)在第18小时以前，入库流量Q均小于173.9m3/s，水库按q=Q泄流。水库不蓄水，无需进行调洪计算。从第18小时起，Q开始大于173.9m3/s，以第18小时为开始调洪计算的时刻，此时初始的q1即为173.9m3/s，而初始的V1为6450万m3。然后，按水量平衡方程进行计算，将计算结果列入表3-5中相应时段的各栏，并点绘在图3-4上。(3)由表3-5可见，在第36小时，水库水位Z=40.51m、水库蓄水量V=10232万m3、Q=900m3/s、q=781m3/s；而在第39小时，Z=40.51m，V=10280万m3，Q=760m3/s，q=790m3/s。按前述水库调洪原理，当qmax出现时，一定是q=Q，此时Z，V均达最大值。显然，qmax将出现在第36小时与第39小时之间，在表中并末算1-64 出。通过进一步试算，在第38小时16分钟处，可得出qmax=Q=795m3/s，Zmax=40.52m，Vmax=10290万m3。图3—4某水库调洪计算结果了解以上试算过程后，如果借助计算机将会很快得出计算结果。必须注意到前面介绍水库调洪计算时，采用了泄水建筑物泄流能力曲线来反映水库出流量与水库蓄水量的函数关系，即。工程实践中，对于存在闸门开度控制较复杂的调洪情况，可以根据防洪要求，从拟定水库泄洪方式入手，研究确定一种合理的开闸程序，包括启用闸门和变动开度的操作过程，以实现所拟定泄洪方式的泄流过程。表3-5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（m3/s）下泄流量q（m3/s）时段平均下泄流量（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）18174257173.9180.583645038.021340187653338.1595224.540024850262693338.41385343.51125271920425805839.21685522.51256301450620931439.91280677.0651331110734996540.31005757.5267369007811023240.5830785.548397607901028040.51685781.0-104426107721017640.4535751.5-23445460731994240.3410702.5-31648360674962640.11-64 325645.5-34651290617928039.9注：表中数字下有横线者为初始已知值；ΔV=（-）Δt。第三节水库调洪方式水库调洪方式是指根据水库防洪要求（包括大坝安全和下游防洪要求），对一场洪水进行防洪调度时，利用泄洪设施泄放流量的时程变化的基本形式，也常称为水库泄洪方式或水库防洪调度方式。所采用的水库调洪方式应根据泄洪建筑物的形式，是否担负下游防洪任务，以及下游防护地点洪水组成情况等方面因素来考虑和区分。对于没有下游防洪任务的水库，水库调洪的出发点是确保水工建筑物安全。对于这种水库一般是采用水库水位达到一定高程后泄洪建筑物敞泄的方式，以确保大坝不失事。对于有下游防洪任务的水库，既要考虑下游的防洪要求，又要保证大坝安全。若水库距防洪控制点很近，坝址至防洪控制点区间洪水很小，当洪水不超过下游防洪标准的洪水时，水库可按下游河道安全泄量下泄，这种泄洪方式常称为固定泄量调洪方式。当判断洪水已经超过下游防洪标准洪水时，水库应转为考虑水工建筑物安全的调洪方式。若坝址至防洪控制点有一定距离，二者之间的末控区间洪水较大，当出现洪水不超过下游防洪标准洪水时，为保证下游防洪安全，应控制水库下泄流量，使水库下泄流量与区间汇入流量之和不超过防洪控制点的河道安全泄量，这种泄洪方式常称为补偿调洪方式。此外，还有考虑洪水预报的调洪方式。一、固定泄量调洪方式固定泄量方式适用于水库坝址距防洪控制点较近，区间洪水较小可以忽略或看作常数的情况。固定泄量是指当洪水不超过下游防洪标准洪水时，水库控制下泄流量使下游河道不超过安全泄量，这种调洪方式如图3-5所示。对于图中所示的不超过下游防洪标准的入库洪水过程，图中abcd线即为按固定泄量方式调洪的水库下泄流量过程线。ab段是当入库流量小于下游河道安全泄量时，水库按入库流量下泄；bc段表示当入库流量等于或大于q安时，水库按下游河道安全泄量q安下泄，这时水库拦蓄部分洪水，至c点入库流量退至等于q安，水库达到该次洪水的调洪最高水位；cd段为水库水位消落的泄洪过程，直到水库水位消落到防洪限制水位，停止泄洪。图3-5水库固定泄量调洪方式1-64 图3-5所示的调洪方式只是一级固定泄量方式。当下游有不同重要性的防洪保护对象时，可采用分级控制泄量的调洪方式（如图3-6所示）。一般来讲，较重要的防洪保护对象往往具有相对较高的抗洪能力（如控制点可通过的河道安全流量较大），要求采用较高的防洪标准；重要性次之的防洪保护对象控制点的河道安全泄量相应较小，采用的防洪标准较低。通常可以按“大水多放，小水少放”的原则拟定水库的分级控制泄量方式。分级不宜过多，以免造成防洪调度困难。现以下游有二个不同重要性的防洪保护对象为例，将次重要防护对象相应的河道安全泄量作为第一级泄流量；更重要防护对象相应的河道安全泄量作为第二级泄流量。这种两级固定泄量的调洪方式的规则是，当发生洪水的量级末超过次要防护对象的防洪标准洪水时，水库按第一级泄流量控泄；直至根据当前水情判断，来水已超过次要防护对象的防洪标准时，水库改按第二级泄流量下泄；当为下游防洪而设的库容已经蓄满，而入库洪水依然较大时，说明入库洪水已超过了下游防洪标准洪水，应改为保证水工建筑物安全的调度方式，不再控制泄流，而将闸门全开。图3-6水库分级控制泄量调洪方式二、防洪补偿调度方式若水库坝址至下游防洪控制点之间存在较大区间面积，区间产生的洪水不能被忽视。对于这种情况，显然应考虑末控区间洪水的变化对水库泄流方式的影响。当发生洪水未超过下游防洪标准洪水时，水库应根据区间流量的大小控泄，使水库泄流量与区间洪水流量的合成流量不超过防洪控制点的河道安全泄量。这种视区间流量大小控泄的调洪方式称为防洪补偿调节。当然，实现防洪补偿调节的前提条件是水库泄流到达防洪控制点的传播时间小于（至多等于）区间洪水集流时间，否则无法获得确定水库下泄流量大小所需的相对应的区间流量信息；或者是具有精度较高的区间水文预报方案（包括产汇流预报相应水位或相应流量等），其预见期不短于水库泄流量至防洪控制点的传播时间。图3-7为水库防洪补偿调节示意图。图中QA～t为水库A的入库洪水过程线；支流水文站B的流量可代表区间流量，以Q区～t表示区间洪水过程线；防洪保护区控制点C的河道安全泄量为Q安。记水库泄流至控制点C的传播时间为tAC；B点流量Q区至控制点C的传播时间为tBC；设tBC>tAC，二者的传播时差为Δt=tBC-tAC。即是说，t时刻水库下泄qA，t与（t-Δt）时刻的区间流量Q区，（t-Δt）同时到达控制点C。根据防洪要求，为保证下游防洪保护地区的安全，当出现的洪水不超过下游防洪标准的洪水时，应使水库泄流满足下式要求qA，t+Q区，（t-Δt）≤Q安可结合图3-7的作图方法说明水库A采用防洪补偿调节方式的控泄情况。为便于反映水库下泄流量和区间流量同时到达控制点C的情况，根据上述tBC>tAC，传播时差Δt=tBC-tAC1-64 的特定条件，在图（c）中将区间流量过程线沿水平轴向右平移Δt，将Q区，（t-Δt）～t倒置于图（b）中Q安水平线之下，即得出水库A按防洪补偿调节方式控泄的下泄流量过程为abc。由图（b）可见，a点以前qA，t+Q区，（t-Δt）