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0,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)