水利工程管理——水库控制运用.doc

教 学 内 容板书或旁注第二章 水库控制运用第一节 概述一、任务和工作内容1、任务：就是根据水库工程承担的水利任务、河川径流情况以及国民部门的用水要求，利用水库的调蓄能力，在保证水库枢纽安全的前提下，指定合理的水库运用方案，有计划地对入水库天然径流进行控制蓄泄，最大限度的发挥水资源的综合效益。水库控制运用是水库工程运行管理的中心环节。合理的水库控制运用，还有助于工程的管理，保持工程的完整，延长水工建筑物的使用年限。1、工作内容：拟定各项水利任务的控制运用方式；编制水库调度规程、水库调度图、当年调度计划；制定面临时段（月、旬）水库蓄泄方案；进行水库水量调度运用实时操作等。二、运用指标和基本资料：（一）、水库的主要技术指标：上级批准或有关协议文件确定的校核洪水位、设计洪水位、防洪高水位、汛期限制水位、正常蓄水位、综合利用下限水位、死水位、库土地征用和迁安高程、下游防洪系统的安全标准，城市生活和工业用水量、农牧业供水量、水电厂保证出力等。（二）、基本资料：水库控制运用组织与实施的基础，必须充分重视。水库控制运用的基本资料是逐步积累的，从规划设计阶段开始，对有关的设计、施工、验收文件及竣工图纸均需收集并存档。进入运行阶段后，更要注意积累，务必把有关文件的历史资料及现状搞得十分清楚，才有助于搞好水库控制运用工作。1、自然地理和水文气象资料2、水库特性资料： （1）、水库的面积、容积特性曲线。（2）、水库各特性水位及相应库容。（3）、水库枢纽建筑物的组成、基本尺寸，以及泄水建筑物的泄流曲线等。3、水库设计标准、任务及效益情况4、水库工程的质量三、工作制度：1、汛前工作制度2、汛期工作制度3、汛后的工作制度教 学 内 容板书或旁注第二节 水库防洪运用任务：根据规划设计确定或上级主管部门核定的水库安全标准和下游防护对象的防洪标准，防洪调度方式及各防洪特征水位对入库洪水进行调蓄，保障大坝和下游防洪安全。遇超标准洪水，应力求保大坝安全并尽量减轻下游的洪水灾害。水库防洪运用的原则是：在保证大坝安全的前提下，按下游防洪需要对洪水进行调蓄；水库与下游河道堤防和分，滞洪区防洪体系联合运用，充分发挥水库的调洪作用；防洪调度方式的判别条件要简明易行，在实时调度中对各种可能影响泄洪的因素要有足够的估计；汛期防洪限制水位以上的防洪库容的调度运用，应根据各级防汛指挥部门的调度权限，实行分级调度。一、水库防洪调度图的绘制和应用作用：1）解决水库蓄洪与泄洪的矛盾，即正确处理下游防洪安全与水库防洪安全的矛盾；2）解决水库防洪安全与兴利蓄水的矛盾；1、水库防洪调度图的基本形式2、分期汛期限制水位的确定1）洪水分期（见表2-1） 表21某水库日降雨量大于50mm的次数统计表月六七八九旬上中下上中下上中下上中下次数02361189129532洪水分期初汛期主汛期尾汛期教 学 内 容板书或旁注2）推求汛期分期防洪限制水位z限，大体上有两种途径：（1）各分期采用不同的防洪设计标准。（2）各分期采用相同的防洪设计标准。【例21】某年调节水库，百年一遇设计洪水过程线资料列入表23中、栏，水位库容关系与q = f (v) 关系曲线如表22，或点绘成zq关系曲线见图22中的1线。水库溢洪道为无闸门控制的实用堰，堰宽70m，堰顶高程与正常蓄水位5998m齐平。当z允=6252m，水库溢洪道自由泄流时，试用调洪逆运算法推求相应于z允的防洪限制水位z限。表22某水库 q = f (v) 关系曲线表水库水位z（m）5998605610615620625630635640645总库容v（万m3）1296146016211800198021802378259828173000堰上水头h（m）0052102152202252302352402452下泄流q（m3/s）0465127623222564966508189991191解：（1）计算并绘制调洪辅助曲线见图23。曲线图中2线为z关系曲线，3线为z关系曲线，具体计算见工程水文学。（2）应用辅助曲线，由z允开始作调洪逆运算求z限，如表23，其计算步骤：1）若水库z允= 6252m，相应的q允=588 m3/s。因在q允时库水位最高，且入库流量等于出库流量，故应将z允填写在栏中q允与相近的时段，即（67）时段。库水位（67）时段达到z允，因此，从（67）时段末库水位为6252m开始逆运算。教 学 内 容旁注2）逆运算的公式，为水量平衡方程式 。式中v1、q1和v2、q2分别表示时段初和时段末的蓄水量和泄流量，为该时段的平均入库流量。其方法：由z允=6252m，查z 曲线，得=6318 m3/s，填在栏（67）时段；由=6318574=5744(m3/s)，得时段初的值，填在栏；由5744(m3/s)，在z曲线上查得时段初的库水位z1=6245m，填写入栏。表23某水库推求防洪限制水位的调洪逆运算表（自由泄流）p=1%时间t(h)流量q（m3/s）时段t(1h)平均流量（m3/s）（时段末）(m3/s)（时段初）(m3/s)库水位z（时段初）(m)10980162326910897881244409765492656820675645574738903631862506030574455125127(6252)624562256185432986115077034231210689605805550475040204482379034406113603059901039000119503630367034353670*598760124）依上述步骤计算至库水位上升为止。第栏中的最低水位，即为防洪限制水位z限=5987m，该值就是相应于z允=6252m，在自由泄洪情况下的z限。【例22】由例21的资料，若z允=6252m，相应于下游防洪要求的水库防洪高水位z防=6191m，下游防护对象要求按q安=50 m3/s控制泄流，当水库溢洪道分级防洪控制时，用调洪逆运算法推求分期防洪限制水位z限，并绘制防洪调度图。教 学 内 容板书或旁注解：本例属中型水库缺乏资料情况，推求分期防洪限制水位采用不同防洪设计标准的途径。汛期划分为初汛期、主汛期、尾汛期，如表21。水库设计洪水标准主汛期p=1%，初汛期、尾汛期p=2%；水库下游防洪标准为10%。当水库水位高于z防时，溢洪道自由泄流；当库水位低于z防时，溢洪道泄流控制为q安=50 m3/s。（1）推求主汛期p=1%洪水时的z限。调洪逆运算如表24，其步骤：1）从库水位z允=6252m开始向下运算，溢洪道为自由泄流，计算方法同表23。2）当库水位算至6225m时，即将接近z防=6191m，则应按下游防洪要求q安=50 m3/s控制泄流。由6252m查图23中zq曲线得q1=512 m3/s，则=+=5512+=5768 （m3/s），即下一个时段末的值，填写入栏。3）按控制泄流的水量平衡公式+=5768903+50=4915（m3/s），填入栏下一个时段末；49151068+50=3897 (m3/s)；连续运算得出栏中的最小值=2312 m3/s。4）最小库容 v2312 =23123600=832（万m3），查库容曲线得z限5828m。（2）推求初汛期、尾汛期p2入库洪水的z限。用分级防洪控制，从z允6252m开始向下调洪逆运算，其计算方法同表24，求得初、尾汛期的z限5972m。（3）绘制防洪调度图，即图22。设计洪水位6252m、防洪高水位6191m、正常蓄水位5998m为已知，初、主、尾汛期的z限为本例计算成果。以防洪调度图作为指导水库汛期防洪运用的基本依据，一般情况下，当库水位低于防洪限制水位时，按兴利要求供水不泄洪；当库水位在z限与z防之间，按下游防洪控制点的安全泄流量泄洪；当库水位高于z防时，则按第二级防洪要求，为确保水库安全，自由泄流。由于防洪调度图是在一定设计条件下制定的，它不能包括防洪调度中的许多细节情况和具体措施，故还需拟定各种频率洪水在不同库水位时，相应的蓄水、泄水、闸门开启操作程序等调度规则。教 学 内 容板书或旁注表24 某水库推求防洪限制水位的调洪逆运算表（分级控制泄流）p=1%二、水库防洪调度方式的拟定（一）下游无防洪任务的水库调度方式目标：保坝1、溢洪道上无闸门控制的调度方式。2、溢洪道上有闸门控制的调度方式。汛期限制水位高于坝顶，可提高兴利水位和初始泄量，具体方式有两种：1）、闸门能调节流量的调度方式。闸门能够逐渐开启进行调节流量，调度方式是当库水位为限制水位且洪水开始起涨时，逐渐开启闸门，控制下泄量等于入库流量，水库水位维持在汛期限制水位。当闸门开启到与汛限水位齐平时，则将闸门全部开启，水库便自由泄流，其泄流过程及库水位变化过程见图。ab段：控制下泄流量等于入库流量水位控制在汛限水位。bc段：当闸门开启到与汛限水位齐平时，闸门全部开启，自由泄流；e点以后： qq ，水位下降至汛限水位。教 学 内 容板书或旁注2）闸门一次性全开，不能逐步开启，要么全开，要么全关，遇到洪水起涨，就全开闸门泄流，但是此时开始入库的洪水流量较小，而下泄流量较大，故引起水库水位下降，泄空了一部分库容。随着库水位的降低，下泄流量相应逐渐减小，见图25。在b点之后，入库的洪水流量大于水库的下泄流量，水库水位又开始回升，先前泄空的一部分库容得到充蓄，泄流量也随之增加。（二）下游有防洪任务的水库调度方式 两种防洪标准：水库，下游防护对象。1、固定泄量（1）下游为一级防洪标准。当水库距下游防护对象很近，区间洪水较小，就可采用固定下泄流量的调度方式。固定下泄流量的大小，由下游防护对象的重要性、堤防安全情况及其抗洪能力而定。固定泄量的调度方式见图26。在调洪过程中，利用闸门控制泄量，ab段： q =q安 时，闸门逐渐开放，z不变。bc段：q=q安 时，闸门逐渐关闭，z上升。c点z最大。c点以后：z逐渐下降。教 学 内 容板书或旁注（2）下游分级调洪适用情况：各防护对象抗洪能力不同，受灾后损失大小不同调度原则：大水多泄，小水少泄。q安 分为两级，q安1 和q安2。ab段： qq安1 时，q = q，z不变，闸门逐渐开放。bc段：q=q安1 时，q = q安1，z逐渐增大，闸门逐渐关闭。c点：至c点库水位已达某一指标，说明入库洪水很大，此时可以放弃下游某些次要的防护对象，开大闸门，使泄流量q安1突变增至q安2 ；de段闸门逐渐关闭，泄流量控制在q安2 ，水库水位继续上升；若至e点，库水位又达另一指标，说明入库洪水更大， 此时考虑确保大坝安全为原则，应在e点相应的时刻全开闸门，水库泄洪设施呈自由泄流方式。采用上述调度方式，必须明确对改变下泄流量的判别条件，而且对各种频率洪水的判别条件要统一，即对大洪水过程开始的小流量部分要按小洪水调度，超过上述的各个指标后方能按大洪水调度。 2、补偿调节 应用条件：（1）当水库距防洪防护点有相当距离。（2）区间洪水不可忽略。调度方式：q区大时，水库少放水。q区小时，水库多放水。控制目标：q水库泄水 调度时对区间来水不可忽略，要充分发挥防洪库容的作用，当发生洪水时，区间洪水q区大时，水库少放水，区间洪水q区小时，水库多放水。补偿调节就是控制水库泄流量与区间流量两者的组合流量不超过下游防护点的允许泄量q安，见式22，由此式确定水库的下泄流量过程，见图27。 （22a）教 学 内 容板书或旁注第三节 水库兴利运用水库兴利运用的任务是，依据规划设计的开发目标，合理调配水量，充分发挥水库的综合利用效益。兴利运用的原则是：在制订兴利运用计划时，要首先满足城乡居民生活用水，既要保重点任务又要尽可能兼顾其他方面的要求，最大限度地综合利用水资源。要在计划用水、节约用水的基础上核定各用水部门供水量，要貫彻“一水多用”的原则，提高水的重复利用率。兴利调度方式，要根据水库调节性能和兴利各部门用水特点拟定。库内引水，要纳入水库水量的统一分配和统一调度。编制水库兴利运用计划，应包括对当年（期、月）来水的预测；协调有关各部门对水库供水的要求；拟定各时段的水库兴利运用指标；根据上述条件，制订年（期、月）的具体供水计划。一、灌溉水库年度供水计划的编制水库年度供水计划：在有预报的条件下，通常以日历年为时序，根据年初水库实际蓄水量、当年各月来水量预报值、当年各月用水量估算值，根据水库兴利调节水量平衡原理，进行顺时序调节计算，推求当年水库各月末蓄水过程线，以此作为当年计划调度线。对应的供水过程，即为水库年度供水计划。1、编制年度供水计划的依据（1）由国家颁布和上级主管部门下达的有关方针，政策，法规及意见等文件，它们是编制计划遵循的基本原则。（2）水库工程原设计文件，原设计意图。（3）本年度计划灌溉面积和作物组成，灌区历年灌溉面积增减作物组成变更情况。（4）当年长期气象，水文预报，水库集水面积内和各测站历年的降水量，蒸发量，径流量资料等。（5）水库水位一面积和水位一容积关系曲线，水库各种兴利特征水位和防洪特征水位和防洪特征水位等。（6）其他综合利用要求（如发电、航运等）教 学 内 容板书或旁注2、水库来水量的预测方法。水库来水量的预测通常是由预报的月降水量计算月径流量，常用的方法有以下几种。（1）降雨径流相关法。根据预报的各月降雨量xi，由月降雨径流相关图查地月径流深yi，从而求得各月来水量wi，计算公式为wi=01yif （23）式中：wi为月来水量，万m3；yi为月径流深，mm；f为水库集水面积，km2。（1）月径流系数法。wi=01iif （24）式中：ai为某月的月径流系数；xi为预报的月降雨量，mm；其他符号意义同上。（2）年，月降水量相似、法。3、用水量的估算以灌溉为主的水库，主要是确定灌溉用水量，灌溉用水量加上渠系输水损失，既得灌区总用水量。估算用水量的方法根据具体条件而异，通常采用的有以下几种。（1）固定灌溉制度法。假定各年同一月份的灌溉用水量为常数。适用：北方干旱少雨地区。（2）年，月降水相似法。选用过去某年的年，月降水与预报的本年，月降水相似年份的灌溉用水过程，作为本年度灌溉用水过程。但通常还要考虑当年的灌溉面积，作物组成，复种指数等情况做相应修正，然后再考虑渠系输水损失，既得当年灌区总用水过程。（3）逐月耗水定额法 w供i （25）式中：w供i为水库月供水量，万m3；0667为有mm变换成m3/亩的单位换算系数；a为降雨的田间有效利用系数；xi为田间月降水量（预报值），mm；e 为作物月耗水定额，m3亩；为渠系水有效利用系数，a为灌区总灌溉面积，亩。教 学 内 容板书或旁注4、绘制当年水库灌溉计划调度线【例23】某水库正常蓄水位为1245m，兴利库容为4450万m3；死水位为1100m，相应死库容为540万m3。按防洪要求，7月份防洪限制水位为1138m，死水位以上允许蓄水量为1000万m3，亦即7月份预留防洪库容为3450万m3（44501000）；8月份防洪限制水位为1216m，死水位以上允许蓄水量为3150万m3，预留防洪库容为1300万m3（44503150）。1983年根据长期预报和估算当年的来水量、用水量见表25中、栏，水量损失按每月40万m3计，该年年初死水位以上蓄水量为4030万m3，要求绘制水库当年计划调度线。解：现分析汛期受防洪限制水位控制时，水库蓄水变化情况，由表25可以看出：1）由已知来水、用水及水量损失资料，计算水库各月的余、亏水量，即表中栏，余水填栏，亏水填栏。2）从1月初开始顺时序调节，各月初蓄水量加当月余水量或减当月亏水量，得月末蓄水量。如1月末蓄水量=4030+30=4060万m3；4月末蓄水量=4450-720=3730万m3，依此类推。3）7月份有余水量720万m3，按7月份防洪限制水位为1138m、允许蓄水量为1000万m3分析，可把全部余水蓄入库中，此时，实际库水位在防洪限制水位以下，没有问题。4）8月份有余水量3250万m3，按8月份防洪限制水位为1216m，允许蓄水量为3150万m3考虑，余水不能全蓄，弃水量为3250（3150720）= 820（万m3）。9月份以后汛限水位升至正常蓄水位，按正常情况蓄、泄水，即遇余水加，遇亏水减，直至算到12月末。5）由水位库容曲线可查到各月末库水位，填入表中第栏，据此可绘出以日历年为时序的水库当年计划调度线，如图29。教 学 内 容板书或旁注表25 某水库1983年计划调度线计算表月份来水量（万m3）用水量（万m3）水量损失（万m3）净来水量用水量月末蓄水量（万m3）月末库水位（万m3）弃水量（万m3）备 注+17004030403012330水库蓄水40601233524004004060123353430040390水库蓄满4450124504360104040720水库放水37301229251902160402010水库放水17201202561401820401720放空至死水位01100072150139040720限制蓄至1138米72011165845001210403250820限制蓄水至1216米31501216091200104040120水库蓄水32701218510420040380水库蓄水36501226011310040270水库蓄水39201231512200040160水库蓄水408012340合计100108660480注：表中第（7）栏月末蓄水量是指死水位以上蓄水量。教 学 内 容板书或旁注二、灌溉水库兴利调度图的编制和应用适用情况：缺乏长期水文、气象预报或只有定性预报的情况下，无法采用前面的方法推求水库当年计划调度线。思路：根据过去的径流资料系列能够预估未来水文情势的假定，采用时历法兴利调节结合统计分析的方法，得出不同时间的各种兴利蓄水指示线。1、兴利调度图的形式与作用作用：1、在设计枯水年，应保证正常供水；2、在平、丰水年，尽量减少弃水；3、在高于设计保证率的特枯年份，应在充分利用水库有效蓄水的前提下，尽量减少遭受破坏的程度。形式见：图2-102、加大供水线和限制供水线的绘制思路：选取不同典型的设计枯水年蓄水过程线的上、下包线作为基本调度线。上包线称为加大供水线，下包线称为限制供水线。计算步骤如下：（1）从实测资料中，选择与设计枯水年年来水量接近的若干个枯水典型年来水过程，然后按一定的比例进行缩放，即得不同典型年内分配的设计枯水年来水过程。（2）按一定的比例将各典型年的用水过程进行缩放，得各设计代表年的用水过程。教 学 内 容板书或旁注（3）对各设计年份的来水、用水过程自供水期末的死库容开始，逆时序进行调节计算，遇亏水相加，遇余水相减，可求得各月月初的水库蓄水量。（4）将各设计年份的兴利蓄水过程线绘于同一张图上，取各年蓄水过程线的上包线即得加大供水线。【例24】某灌溉水库兴利库容v兴4400万m3，设计保证率为75%，水库有22年的径流资料，水库设计时已求出设计枯水年年径流量wp10000万m3。要求绘制水库兴利调度图。解： 在实测资料中，选择出与设计枯水年年径流量（p=75%）相近的三个典型年份，即195859年、196162年、196364年，加上原设计枯水年（196869年）共4个年份的资料。 对各典型年进行缩放，得到不同年内分配的设计代表年来水资料，见表26。 水库水量损失按每月25万m3计，采用固定用水定额法，即各年同一月份用水量相同，见表27。 对各设计代表年，按已知兴利库容和考虑损失后的用水量，进行逆时序调节计算，得到各月月初的水库蓄水量，见表27、表28。在这两张表中，各设计代表年份均从6月底死库容起算，遇亏水加、遇余水减逆时序计算到7月初。 将上述4个代表年的各年蓄水过程线绘于同一张图上，作出上包线即为加大供水线，它是这一束曲线各时段最高点的连线，概括了不同的年内分配条件下，为了正常供水应达到的最大蓄水量。因此，若水库实际蓄水量高于此线，就可以加大供水。同样，作这一束曲线的下包线，即为限制供水线，它是保证正常供水所允许的最小蓄水量，若水库实际蓄水量低于此线，就必须限制供水。由此可绘出兴利调度图，如图212。在图212中，将供水期的限制供水线调整到供水最迟发生的时间b点。教 学 内 容旁注表26 三个典型年份各月来水量计算表 单位：万m3月份195859年196162 年196364年典型年来水量设计年来水量典型年来水量设计年来水量典型年来水量设计年来水量7161301290025500234002000019000868000543004400040400430004090092000016000150001380022000209001050004000500046004800455011300024002000184019801880122000160011001010700665115001200800735500475211008004003674003803250020003803495004754300024007006406005705100080690008250680064806237019005000160034003230合计125501088810468k080092095表27 三个设计代表年逆时序调节计算表 单位：万m3月份用水量+损失量195859年196162年196364年来水量供水量月初兴利蓄水量来水量供水量月初兴利蓄水量来水量供水量月初兴利蓄水量71267412900234001072610日开始蓄水19000632630日开始蓄水81112854300431796日开始蓄水40400292797645409002977914698015160007985353751380057853692420900128852992510336040006404336046001240427094550119042810112880240048048640(44000)18401040439491880100047585(44000)1228801600128048160(44000)1010187042909665211546585(44000)128801200168046880(44000)735214541039475240544370(44000)22880800208045200(44000)3672513388943802500419653288020008804312034925313638147524053946548015240056154224064073753385057074453706252043980019639366258250121892647564801395929615618886190016986169864600142861428632301565615656教 学 内 容旁注表28 设计枯水年（196869年）调度线计算表 单位：万m3月份来水量用水量水量损失w来w用+损月初兴利蓄水量弃水量备 注+716300124242503626030907月27日开始蓄水8450001087125033879536蓄水9176007765250958534415蓄水103360311025044000蓄水111910263025097044000开始放水126502630250223043030放水15602630250232040800放水23602630250252038480放水34102630250247035960放水46507765250736533490放水58900201892501153926120放水64300186362501458614586放空至死水位合计100000939103000440003、兴利调度图的应用有了水库兴利调度图，在运行管理中，可以根据当时实际库水位落在哪一区决定应该是正常供水、加大供水或是减少供水，做到尽量减少弃水，避免供水中断。由此可见，兴利调度图是根据过去的来水、用水资料作兴利调节计算后分析归纳，然后绘出的。在水库的运行管理中，兴利调度图常与当年计划调度图一起，作为指导水库运行的依据。有条件时，应和中、短期水文气象预报结合，增加调度的可靠性，使水库兴利运用满足经济、安全的要求。教 学 内 容板书或旁注第四节 水库泥沙淤积的防治淤积的危害：1）减少库容2）扩大上游淹没和浸没范围3）下游河床演变加剧一、水库泥沙的冲淤现象和基本规律1、库区水流形态和输沙流态（1）水流形态：2种1）均匀流态的挟沙特征与一般天然河道相同，称为均匀明流输沙流态，这种流态挟带的泥沙数量沿程不变。当来沙量与水流可以挟带的沙量不一致时，就会发生沿程淤积或沿程冲刷。2）在壅水流态下，库区可以发生以下3种输沙流态：、浑水进入库区壅水段后，泥沙扩散到水流全断面，由于壅水，流速沿程递减，水流能挟带的泥沙数量也沿程递减；、入库浑水含沙较浓且细颗粒较多，则浑水进入壅水段后，不与库内清水发生全局性掺混，而潜到清水下面沿库底向下游运动，则形成所谓的异重流输沙流态；、异重流抵达坝前而不能排出库外时，异重流浑水在坝前清水水面以下滞蓄而形成浑水水库。不同的输沙流态，产生不同的淤积形态。2、库区泥沙淤积形态纵剖面形态分为：（1）三角洲淤积。这种淤积形态多见于库容相对于入库洪量较大的水库，特别是湖泊型水库。当这类水库的库水位较高且变幅较小时，挟沙水流进入回水末端以后，随着水深的沿程增加，水流流速逐渐减小，相应挟沙能力也沿程减小，泥沙就不断落淤。（2）锥体淤积。淤积体的纵剖面呈锥体形态。这种淤积形态多见于多沙河流上的中小型水库。这类水库的壅水段短，库水位变幅大，底坡大，坝不高，在进库水流含沙量较高