水资源规划第4章 水库调节计算

在计算过程中，每一时段中的Q1、Q2、q1、V1均为已知。 先假定一个Z2值，由q = f（Z）曲线查出一个q2值，将q2值代 入式（4-1）求出V2值，按此V2值在V = f（Z）曲线上查出Z2’ 值，将Z2’与假定的Z2值相比较。若两者相差较大，则要重新 假定一个Z2值，重复上述试算过程，直至两者相等或很接近为 止。这样多次演算求得的Z2、q2、V2值就是下一时段的Z1、V1 、q1值，可依据此值进行下一时段的试算。
利用闸门控制下泄流量q时，调洪计算的基本原 理和方法与不用闸门控制时类似，所不同的是因为水 库运行方式有多种多样，需要随时调整闸门的开度。
利用闸门控制q时的调洪计算，以采用列表试算法 较为方便。
一、考虑下游防洪要求的情况
下游有防洪要求，且最大下泄流量 不能超过下游允许的安全泄量的情况
1. t1前，q=Q， Z↑，q↑ ； 2. t2时 Q=q汛限， 闸门 逐渐
改进法： 假定Δt’，查出Q2’, 直接令q2’= Q2’, 计算Δv’ , 求v2’，查 q2’，如果与假定的一致，则试算结束。否则，重新假定Δt’。
例题
Z 117 118 119 120 121 122 123 124 125 V 1710 1795 1890 1990 2100 2200 2310 2415 2520
瞬态法将圣维南方程组式进行简化而得出基本公式，再结 合水库的特有条件对基本公式进一步简化，则得专用于水库 调洪计算的实用公式如下:
Q
q
1 2
(Q1
Q2 )
1 2
( q1
q2 )
V2 V1 t
V t
（4-1）
下泄流量q应是泄洪建筑物泄流水头H的函数，而当泄洪建 筑物的型式、尺寸等已定时
q = f（H）＝AHB
防护对象的防洪标准，应根据防护对象的重要性、历次洪 灾情况及对政治、经济的影响，结合防护对象和防洪工程的 具体条件，并征求有关方面的意见，参照表4-1选用。
请注意以下几点： （1）当防护区内有两种以上的防护对象，又不能分别 进行防护时，该防护区的防洪标准，应按防护区和主要防 护对象两者要求的防洪标准中较高者确定； （2）对于影响公共防洪安全的防护对象，应按自身和 公共防洪安全两者要求的防洪标准中较高者确定； （3）兼有防洪作用的路基、围墙等建筑物、构筑物， 其防洪标准应按防护区和该建筑物、构筑物的防洪标准中 较高者确定。
关小; 3. t2~t3 间 用 闸 门 控 制 q 使
q=q安，以满足下游防洪 要求; 4. 至t3时，Z=Zmax。
下游有防洪要求，但防洪标准小于水工建筑物设计标准 1. t1前，q=Q， Z↑，q↑ ； 2. t2时Q=q汛限，闸门逐渐关小; 3. t2~t3间用闸门控制q使q=q安， 以满足下游防洪要求;
600 1380 1850 2400 3250 2600 2800 4500 7000 9250 4000 2301.8333 1700 1150 850
Zmax
Z限
t1
t2
第四节 水库调洪计算的半图解法
列表试算法工作量较大，所以人们比较喜欢用半 图解法。
将式（4-1）改写为:
Q (V1 q1 ) (V2 q2 ) t 2 t 2
（4）遭受洪灾或失事后损失巨大、影响十分严重的防 护对象，可采用高于规定的标准规定的防洪标准。
（5）遭受洪灾或失事后损失及影响均较小或使用期限 较短及临时性的防护对象，可采用低于规定的标准规定的 防洪标准。
（6）防洪标准一时难以实现时，经报行业主管部门批 准，可分期实施，逐步达到。
第二节 水库调洪计算的原理
二、防洪标准 当水库不承担下游防洪任务时，按水库工程水工建筑物 防洪标准，选定合适的设计洪水和校核洪水的流量过程线， 作为水库调洪计算的原始资料。 当水库要承担下游防洪任务时，除了要选定水工建筑物 的设计标准外，还要选定下游防护对象的防洪标准。防护对 象的防洪标准应以防御的洪水或潮水的重现期表示。对特别 重要的防护对象，可采用可能最大洪水表示。
● 无闸门 ● 有闸门
二、防洪标准 防洪标准是各种防洪保护对象或水利工程本身要求达到 的防御洪水的标准。通常以频率法计算的某一重现期的设计 洪水为防洪标准，或以某一实际洪水(或将其适当放大)作为 防洪标准。 在实际发生的洪水小于防洪标准的洪水时，通过合理运 用防洪工程，应能保证保护对象或水利工程本身的防洪安全。
第四章 水库洪水调节计算
第四章 水库洪水调节计算
第一节 水库调洪的任务与防洪标准 第二节 水库调洪计算的原理 第三节 水库调洪计算的列表试算法 第四节 水库调洪计算的半图解法 第五节 其他情况下的水库调洪计算
第一节 水库调洪的任务与防洪标准
一、水库的调洪作用与任务 1. 当水库有下游防洪任务时
它的作用主要是削减下泄洪水的流量，使其不超过下游河 床的安全泄量。水库的任务主要是滞洪。 （1）若水库无兴利调节任务，则水库的任务只是滞洪； （2）“错峰”作用； （3）若水库是防洪与兴利相结合的综合利用水库，则除了滞 洪作用外还起蓄洪作用。
Z 117 118 119 120 121 122 123 124 125 q 1380 1700 2060 2470 2890 3350 3830 4330 4830
t 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 Q 600 1850 2400 3250 2600 2800 4500 7000 9250 4000 1700 1150 850
可求出：q = f（Z）。
进而求出：
q = f（V）
（4-2）
不论水库是否承担下游防洪任务，也不论是否有闸门控 制，调洪计算基本公式都是上述两式。
利用式（4-1）和式（4-2）进行调洪计算定具体方法有 很多种，目前我国常用的是：列表试算法和半图解法。
第三节 水库调洪计算的列表试算法
对调洪计算来说，入库洪水过程及下游允许水库下泄 的最大流量均是已知的；并且，要对水库汛期防洪限制水 位以及泄洪建筑物型式和尺寸拟定几个比较方案，因此对 每一个方案来说，它们也都是已知的。
库容V (106m3)
1710 1710 1710.947076 1718.795147 1733.739817 1749.147504 1761.55964 1783.532641 1826.853973 1893.56934 1941.649215 1948.546084 1947.705191 1938.495475 1925.194342
已知水库容积特性V = f（Z），并根据泄洪建筑物型式和 尺寸，算出水位和下泄流量关系曲线q = f（Z），见表4-2和 图4-3。堰顶高程为36.0 m。
qmax 的试算
v1、z1 、Q1 、 q1 已知 基本方法： 假定Δt’,查出Q2’, 试算求出z2’、q2’，如果有q2’= Q2’, 则试算正确。否则，重新假定Δt’。
4. 至 t3时 ， Z=Z防 ， 因 确 保 水 工建筑物的安全，不再控制 q，而是将闭门全部打开自 由溢流;
5. t4时刻，Zmax，qmax。
二、考虑洪水预报的情况
这就是人们常说的水库防洪预报调度问题。与无预报 情况相比，由洪水预报对来临的洪水可获得更多的了解（信 息），即改善了对来临洪水的预估。如对有降雨径流预报方 案的情况，当获得水库流域降雨信息后，就可以知道相应的 入库洪水过程，由此可判断已发生了多大量级的洪水，泄流 量的控制过程（即调洪演算）则可按相应量级标准安排，经 一个时段后，降雨信息增加，泄流量过程又需作出新的安排。 如此递推，由于降雨随时间递增而变化，每个时段初作出的 泄量过程安排仅被执行了一个面临的时段，随后，又被下一 时段出现的新的情况所替代。如此继续，直至该次洪水调节 过程结束。
（4-5）
（V／Δt-q／2）= f1（Z） （V／Δt+q／2）= f2（Z）
q= f3（Z）
计算步骤：
（1）定出z1, q1, v1；
（2）根据z1，做水平线交A曲线于b,延长 的长度为（V2／Δt+q2／2）;
,得c点，ac
（3）过c作垂线，交曲线B于d,做水平线交坐标轴于e,得
到z2 ；
洪水在水库中行进时，水库沿程的水位、流量、过水 断面、流速等均随时间而变化，其流态属于明渠非恒定流， 可用圣维南方程组表达。
连续方程
Q 0
t s
运动方程
Z 1 v v v Q 2 s g t g s K 2
通常，这个偏微分方程组难以得出精确的分析解，而
是采用简化了的近似解法：瞬态法、差分法和特征线法等。
逐时段依次试算的结果即为调洪计算的成果。
【例4-1】某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸 门。水库的运用方式是：在洪水来临时，先用闸门控制q使等 于Q，水库保持汛期防洪限制水位（38.0 m）不变；当 Q继续 加大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，q随z的升高而 加大，流态为自由泄流，qmax也不限制，情况与无闸门控制一 样。
汛期限制水位为117.0m
序号
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
时刻t (h)
0 1.872
3 6 9 12 15 18 21 24 27 29.215 30 33 36
水位Z (m)
117 117 117.0111421 117.1034723 117.279292 117.4605589 117.606584 117.8650899 118.335305 119.0356934 119.5164922 119.5854608 119.5770519 119.4849547 119.3519434
二、考虑洪水预报的情况
1. t1前，根据预报信息预泄洪 水，随着库水位的下降而逐 渐开大闸门。
2. t1~t3间，为了不使q>q安，随 着库水位上升适当关小闸门。
(在t1~t2时刻水库仅将预泄的库 容 回 蓄 满 ， t2 时 刻 以 后 ， 水 库 才从汛期防洪限制水位起蓄 洪。)
（4）查出q2 ；
（5）查出v2 ；
（6）重复以上过程，进行第二时段的计算。
【例4-2】某水库及原始资料均与[例4-1]相同，用半图 解法进行调洪计算。
第五节 其他情况下的水库调洪计算
前面介绍的是不考虑下游防洪要求、洪水预报和 “错峰”的调洪计算原理与方法。在工程实际中往往 会需要考虑上述这些复杂的情况，需要根据不同的运 用方式，通过闸门的不同启闭过程控制下泄流量。
下泄流量q (m3/s)
入库流量Q (m3/s)
600 1380 1383.552 1413.101463 1469.367143 1527.357428 1574.098839 1656.826881 1820.704364 2074.59804 2271.721293 2301.8333 2296.631846 2258.871285 2204.301445
调洪计算就是在这些初始的已知条件下，推求下泄洪 水过程线、拦蓄洪水的库容和水库水位的变化。
在水库运用中，调洪计算的已知条件和要求的结果， 基本上也与上述类似。
列表试算法步骤大体如下： （1）根据已知的水库水位容积关系曲线V = f（Z）和泄 洪建筑物方案，用水力学公式［本节为式（4-3）］求出下 泄流量与库容的关系曲线q = f（V）。 （2）选取合适的计算时段，以秒为计算单位。 （3）决定开始计算的时刻和此时刻的V1、q1值，然后列 表计算，计算过程中，对每一计算时段的V2、q2值都要进行 试算。 （系数，与建筑物型式和尺寸、闸孔开度以及淹没系数 等有关；
B—系数，对于堰流，B一般等于3/2；对于闸孔出流，一 般等于1/2。
常用泄流水头H与下泄流量q定关系曲线来表示；根据水 力学公式，可求出H与q的关系。
堰流：H即为库水位Z与堰顶高程之差；
闸孔出流：H即为库水位Z与闸孔中心高程之差。
湖泊、洼地也能对洪水起调蓄作用，与水库滞洪蓄洪类似。
2. 水库不需承担下游防洪任务 洪水期下泄流量不受限制，但水库本身自然地对洪水
有调蓄作用，洪水流量过程经过水库时仍然要变形，客观 上起着滞洪的作用。
洪水流量过程线经过水库时的具体变化情况，与水库的 容积特性、泄洪建筑物的型式和尺寸以及水库运行方式等 有关。