《工程水文及水利计算》11第十一章 水库兴利调节计算(1)

第十一章水库兴利调节第一节水库及其特性一、水库特性曲线水库是指在河道、山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊。

水库的作用是拦蓄洪水，调节河川天然径流和集中落差。

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，其库容相差也很大，这主要是因为库区内的地形不同造成的。

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，河流的坡降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。

一般把用来反映水库地形特征的曲线称为水库特性曲线。

它包括水库水位～面积关系曲线和水库水位～容积关系曲线，简称为水库面积曲线和水库容积曲线，是最主要的水库特性资料。

（一）水库面积曲线水库面积曲线是指水库蓄水位与相应水面面积的关系曲线。

水库的水面面积随水位的变化而变化。

库区形状与河道坡度不同，水库水位与水面面积的关系也不尽相同。

面积曲线反映了水库地形的特性。

绘制水库面积曲线时，一般可根据l/10 000～l/50 00比例尺的库区地形图，用求积仪(或按比例尺数方格)计算不同等高线与坝轴线所围成的水库的面积(高程的间隔可用l，2或5 m)，然后以水位为纵座标，以水库面积为横坐标，点绘出水位～面积关系曲线，如图2－1所示。

图2－1水库面积特性曲线绘法示意（二）水库容积曲线水库容积曲线也称为水库库容曲线。

它是水库面积曲线的积分曲线，即库水位Z与累积容积V的关系曲线。

其绘制方法是：首先将水库面积曲线中的水位分层，其次，自河底向上逐层计算各相邻高程之间的容积。

0 i F 1+i F 水面面积库F (106 m 2)水库容积V (106 m 3)图 2－2 水库容积特性和面积特性1－水库面积特性; 2－水库容积特性假设水库形状为梯形台，则各分层间容积计算公式为：()2/1Z F F V i i ∆+=∆+ （2－1） 式中：V ∆——相邻高程间库容（m 3）;i F 、1+i F ——相邻两高程的水库水面面积（m 2）;Z ∆——高程间距（m ）。

或用较精确公式：3/(11Z F F F F V i i i i ∆++=∆++） （2－2） 然后自下而上按∑=∆=ni iV V 1 （2－3） 依次叠加，即可求出各水库水位对应的库容，从而绘出水库库容曲线。

水库总库容V 的大小是水库最主要指标。

通常按此值的大小，把水库划分为下列五级： 大Ⅰ型——大于 l0亿 m 3；大Ⅱ型—— l ～10亿 m 3；中 型——0.1～l 亿 m 3；小Ⅰ型——0.01～0.1亿 m 3；小Ⅱ型——小于0.01亿 m 3。

水库容积的计量单位除了用m 3表示外，在生产中为了能与来水的流量单位直接对应，便于调节计算，水库容积的计量单位常采用 (m 3/s)·Δt 表示。

Δt 是单位时段，可取月、旬、日、时。

如1月•s m 3表示 l s m 3的流量在一个月（每月天数计为30.4天）的累积总水量，即l 月•s m 3 ＝30.4×24×3600＝2.63×106 m 3前面所讨论的水库特性曲线，均建立在假定入库流量为零时，水库水面是水平的基础上绘库 水位Z （m ）制的。

这是蓄在水库内的水体为静止(即流速为零)时，所观察到的水静力平衡条件下的自由水面，故称这种库容为静水库容。

如有一定入库流量(水流有一定流速)时，则水库水面从坝址起沿程上溯的回水曲线并非水平，越近上游，水面越上翘，直到入库端与天然水面相交为止。

因此，相应于坝址上游某一水位的水库库容，实际上要比静库容大，其超出部分如图2－3中斜影线所示。

静库容相应的坝前水位水平线以上与洪水的实际水面线之间包含的楔形库容称为动库容。

以入库流量为参数的坝前水位与计入动库容的水库容积之间的关系曲线，称为动库容曲线。

一般情况下，按静库容进行径流调节计算，精度已能满足要求。

但在需详细研究水库回水淹没和浸没问题或梯级水库衔接情况时应考虑回水影响。

对于多沙河流，泥沙淤积对库容有较大影响，应按相应设计水平年和最终稳定情况下的淤积量和淤积形态修正库容曲线。

二、水库的特征水位及其相应库容表示水库工程规模及运用要求的各种库水位，称为水库特征水位。

它们是根据河流的水文条件、坝址的地形地质条件和各用水部门的需水要求，通过调节计算，并从政治、技术、经济等因素进行全面综合分析论证来确定的。

这些特征水位和库容各有其特定的任务和作用，体现着水库运用和正常工作的各种特定要求。

它们也是规划设计阶段，确定主要水工建筑物尺寸(如坝高和溢洪道大小)，估算工程投资、效益的基本依据。

这些特征水位和相应的库容，通常有下列几种，分别标在图2－3中。

（一）死水位和死库容Z。

死水位以下的水库容积水库在正常运用情况下，允许消落的最低水位，称为死水位死V。

水库正常运行时蓄水位一般不能低于死水位。

除非特殊干旱年份，为保证紧要称为死库容死用水，或其他特殊情况，如战备、地震等要求，经慎重研究，才允许临时泄放或动用死库容中的部分存水。

确定死水位应考虑的主要因素是：（1）保证水库有足够的能发挥正常效用的使用年限(俗称水库寿命)，特别应考虑部分库容供泥沙淤积。

（2）保证水电站所需要的最低水头和自流灌溉必要的引水高程。

（3）库区航运和渔业的要求。

（二）正常蓄水位和兴利库容在正常运用条件下，水库为了满足设计的兴利要求，在开始供水时应蓄到的水位，称为正Z，又称正常高水位。

正常蓄水位到死水位之间的库容，是水库可用于兴利径流调常蓄水位蓄节的库容，称为兴利库容，又称调节库容或有效库容。

正常蓄水位与死水位之间的深度，称为消落深度或工作深度。

溢洪道无闸门时，正常蓄水位就是溢洪道堰顶的高程；当溢洪道有操作闸门时，多数情况下正常蓄水位也就是闸门关闭时的门顶高程。

正常蓄水位是水库最重要的特征水位之一，它是一个重要的设计数据。

因为它直接关系到一些主要水工建筑物的尺寸、投资、淹没、综合利用效益及其他工作指标；大坝的结构设计、强度和稳定性计算，也主要以它为依据。

因此，大中型水库正常蓄水位的选择是一个重要问题，往往牵涉到技术、经济、政治、社会、环境等方面的影响，需要全面考虑，综合分析确定。

图2－3 水库特征水位及其相应库容示意图（三）防洪限制水位和结合库容水库在汛期为兴利蓄水允许达到的上限水位称为防洪限制水位，又称为汛期限制水位，或简称为汛限水位。

它是在设计条件下，水库防洪的起调水位。

该水位以上的库容可作为滞蓄洪水的容积。

当出现洪水时，才允许水库水位超过该水位。

一旦洪水消退，应尽快使水库水位回落到防洪限制水位。

兴建水库后，为了汛期安全泄洪和减少泄洪设备，常要求有一部分库容作为拦蓄洪水和削减洪峰之用。

防洪限制水位或是低于正常蓄水位，或是与正常蓄水位齐平。

若防洪限制水位低于正常蓄水位，则将这两个水位之间的水库容积称为结合库容，也称共用库容或重叠库容。

汛期它是防洪库容的一部分，汛后又可用来兴利蓄水，成为兴利库容的组成部分。

若汛期洪水有明显的季节性变化规律，经论证，对主汛期和非主汛期可分别采用不同的防洪限制水位。

（四）防洪高水位和防洪库容水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时，坝前达到的最高水位称为防洪高水位防Z 。

该水位至防洪限制水位间的水库容积称为防洪库容防V 。

（五）设计洪水位和拦洪库容当遇到大坝设计标准洪水时，水库坝前达到的最高水位，称为设计洪水位设Z 。

它至防洪限制水位间的水库容积称为拦洪库容拦V 或设计调洪库容设V 。

设计洪水位是水库的重要参数之一，它决定了设计洪水情况下的上游洪水淹没范围，它同时又与泄洪建筑物尺寸、类型有关；而泄洪设备类型(包括溢流堰、泄洪孔、泄洪隧洞)则应根据地形、地质条件和坝型、枢纽布置等特点拟定。

（六）校核洪水位和调洪库容当遇到大坝校核标准洪水时，水库坝前达到的最高水位，称为校核洪水位校Z 。

它至防洪限制水位间的水库容积称为调洪库容调V 或校核调洪库容校V 。

校核洪水位以下的全部水库容积就是水库的总库容。

设计洪水位或校核洪水位加上一定数量的风浪高值和安全超高值，就得到坝顶高程。

三、水库的水量损失水库建成蓄水后，因改变河流天然状况及库内外水力条件而引起额外的水量损失，主要包括蒸发损失和渗透损失，在寒冷地区还有可能有结冰损失。

（一）水库的蒸发损失水库蓄水后，使库区形成广阔水面，原有的陆面蒸发变为水面蒸发。

由于流入水库的径流资料是根据建库前坝址附近观测资料整编得出，其中已计入陆面蒸发部分。

因此，计算时段Δt （年、月）水库的蒸发损失是指由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量 蒸W ∆（以m 3计），即()()f F E E W --=∆库陆水蒸1000 （2－4） 式中：水E ——计算时段Δt 内库区水面蒸发强度，以水层深度（mm ）计；陆E ——计算时段Δt 内库区陆面蒸发强度，以水层深度（mm ）计；库F ——计算时段Δt 内水库平均水面面积（km 2）；f ——建库以前库区原有天然河道水面及湖泊水面面积（km 2）；1000——单位换算系数，1 mm •km 2=106/103 m 3=103 m 3。

水库水面蒸发可根据水库附近蒸发站或气象站蒸发资料折算成自然水面蒸发，即 器水E E α= （2－5） 式中：器E ——水面蒸发皿实测水面蒸发(mm)；α——水面蒸发皿折算系数，一般为0.65～0.80。

陆面蒸发，尚无较成熟的计算方法，在水库设计中常采用多年平均降雨量0h 和多年平均径流深0y 之差，作为陆面蒸发的估算值。

00y h E -=陆 （2－6） （二）渗漏损失建库之后，由于水库蓄水，水位抬高，水压力的增大改变了库区周围地下水的流动状态，因而产生了水库的渗漏损失。

水库的渗漏损失主要包括下面几个方面：（l ）通过能透水的坝身(如土坝、堆石坝等) 的渗漏，以及闸门、水轮机等的漏水；（2）通过坝基及绕坝两翼的渗漏；（3）通过库底、库周流向较低的透水层的渗漏。

一般可按渗漏理论的达西公式估算渗漏的损失量。

计算时所需的数据(如渗漏系数、渗径长度等)必须根据库区及坝址的水文地质、地形、水工建筑物的型式等条件来决定，而这些地质条件及渗流运动均较复杂，往往难以用理论计算的方法获得较好的成果。

因此，在生产实际中，常根据水文地质情况，定出一些经验性的数据，作为初步估算渗漏损失的依据。

若以一年或一月的渗漏损失相当于水库蓄水容积的一定百分数来估算时，则采用如下数值： （l ）水文地质条件优良(指库床为不渗水层，地下水面与库面接近)，0～10%/年或0～1%/月。

（2）透水性条件中等，10%～20%/年或1%～1.5%/月。

（3）水文地质条件较差，20%～40%/年或1.5%～3%/月。

在水库运行的最初几年，渗漏损失往往较大(大于上述经验数据)，因为初蓄时，为了湿润土壤及抬高地下水位需要额外损失水量。