水库调洪演算

水库调洪演算水库是对洪水起有效控制作用的防洪工程措施。利用水库调蓄洪水、削减洪峰，对提高江河防洪标准，减轻或避免洪水灾害起着十分重要的作用。一、水库调洪演算的目的水库的防洪作用是通过洪水变化得以实现的。入库洪水过程Q（T）经水库防洪库容的拦蓄、滞留作用以及泄洪建筑物的制约或控制作用，使出库洪水过程Q（T）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、过程历时大大延长。次洪水最高水位流量Q防洪限制水位库水位时间T时间TT1TOT3T2T4ZTQTQTQMQMV水库调洪示意图上述洪水变化，称为水库的洪水调节。为了实现水库的洪水调节，必须具备的条件是有一定的防洪库容，有一定规模的泄洪建筑物和有一个合理的调度规则。否则，水库就不能发挥防洪功效，甚至难保自身安全。水库调洪演算的目的就是，根据拟定的设计洪水过程线、泄洪建筑物的泄流能力曲线及水位库容关系等基本资料，按确定的防洪调度规则，采用适当的计算方法，求出库水位和下泄流量的变化过程线。拟定设计洪水过程线已知铜钱坝水库坝址设计洪水的一日洪量及洪峰量。接下来选用铁锁关站1964年9月24日一次洪水过程线为典型典型洪峰Q1640M3/S24小时洪量W24052亿M3，作为一日洪量（3日4时4日4时）；同倍比放大求得的设计洪水过程线其曲线如图。拟定设计洪水过程线同倍比放大推求铜钱坝洪水过程线010002000300040005000时间T（H）流量Q（M3/S）QM3/S设计（P1）校核P01次洪水最高水位流量Q防洪限制水位库水位时间T时间TT1TOT3T2T4ZTQTQTQMQMV水库调洪示意图要根据水库所承担的防洪任务，在确保大坝自身安全的前提下，考虑下游防洪保护对象、下游河道安全泄量等要求，通过调洪演算，研究和选择恰当的调洪调度方案，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和相应的防洪特征水位。时间T流量QQTQTTQTT1QT1QTQT1T水量平衡示意图必须指出，这一研究所涉及的设计洪水选择是影响大坝，乃至流域防洪安全的最重要因素，它通常对其他单项工程设计指标起控制作用。次洪水最高水位流量Q防洪限制水位库水位时间T时间TT1TOT3T2T4ZTQTQTQMQMV水库调洪示意图二、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。时间T流量QQTQTTQTT1QT1QTQT1T水量平衡示意图库容（万米）库水位水库FZ关系曲线图VFZ关系曲线5605705805906006106206306400500010000150002000025000库容万M3水位M铜钱坝水库ZV关系曲线Z上MZ下MH1M底孔流量Q1M3/SH2M表孔流量Q2M3/S总下泄量QM3/S605573063194215560000215566075749032102161024604867658609576823218216374130242151879611578443256217656239270261034613580003300219118368380390291615581733327220011051482753682761758339336122113126767576988706195851533852219114852812875003铜钱坝水库库水位下泄流量曲线计算表铜钱坝水库QFZ关系曲线图泄量Q（100米秒）库水位（米）QFZ关系曲线6156256206056101030507090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。三、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）。T1,TTQQ1,TTQQ1,TTVVT时段初、末的入库流量（M3/S）计算时段长度（S）T时段初、末的出库流量（M3/S）；T时段初、末水库蓄水量（M3）TTTTTTVVTQQTQQ1121121水库调洪计算的基本公式是水量平衡方程式（）当已知水库入库洪水过程线时，1,TTQQ均为已知；TTQV,则是计算时段T开始的初始条件。于是，式中仅11,TTQV为未知数。必须配合水库水库泄流方程QF（V）与上式联立求解11,TTQV的值。库容（万米）水库QFV关系曲线图泄量Q（米秒）QFV关系曲线水库QFZ关系曲线图泄量Q（米秒）库水位（米）QFZ关系曲线库容（万米）库水位水库FZ关系曲线图VFZ关系曲线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。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1112GHMBHQ式中侧收缩系数；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222GHQ式中孔口出流系数；孔口出流面积；H2孔口中心水头。（3）由式（2）或（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QF（Z）。借助于水库容积特性VF（Z）,可进一步求出水库下泄流量Q与蓄水容积V的关系，即QF（V）（34）以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QT为入库洪水过程线；QT为水库调洪计算需要推求的出库流量过程线。T为计算为计算为计算设过程的面临时段，由入库洪水资料可知时段初、末的流量1,TTQQ的数值，VT，QT为该时段已知的初始条件。次洪水最高水位流量Q防洪限制水位库水位时间T时间TT1TOT3T2T4ZTQTQTQMQMV水库调洪示意图图中阴影线的面积表示该时段水库蓄水量的增量V，即VVT1VT。利用式（31），（34）可求解时段末的水库蓄水量VT1和相应的出库流量QT1。前一个时段的11,TTQV其值即成为后一时段的求出后，TTQV,值，使计算有可能逐时段地连续进行下去。四、水库调洪计算半图解法水库调洪演算，就是联解（）和（）两个方程将（）改写为（VT/TQT/2QQTVT1/TQT1/2（5）Q计算时段平均入流量QQTQT1/2式（5）的右端项利用式（）代入，可见右端项为Q的函数也就是说，可以事先绘制QV/TQ/2的关系曲线，即调洪演算工作曲线因式（5）的左端各项为已知数，故式（5）右端项也可求出，然后根据VT1/TQT1/2的值，通过工作曲线QV/TQ/2可查出QT1的值因第一时段的V、Q就是第二时段的V、Q，于是可重复以上步骤连续进行计算，直到求出结果以铜钱坝水库调洪演算为例初定大坝采用底孔和溢流坝联合泄流，溢流坝段堰顶高程为605M,溢流坝段总长定为75M，分成5孔，每孔净宽13米。底孔设一个,进口高程580M,孔口尺寸353M。大坝的库水位库容ZV关系曲线如图，大坝库水位流量ZQ关系曲线如图。5605705805906006106206306400500010000150002000025000库容万M3水位M铜钱坝水库ZV关系曲线铜钱坝水库QFZ关系曲线图泄量Q（100米秒）库水位（米）QFZ关系曲线6156256206056101030507090Z上MZ下MH1M底孔流量Q1M3/SH2M表孔流量Q2M3/S总下泄量QM3/S605573063194215560000215566075749032102161024604867658609576823218216374130242151879611578443256217656239270261034613580003300219118368380390291615581733327220011051482753682761758339336122113126767576988706195851533852219114852812875003铜钱坝水库库水位下泄流量曲线计算表表中各流量分别由下列公式确定底孔11112QGH其中流量系数1取用082。为上下游水位差。1H322222QBGH表孔2取用049，2605HZ上605为溢流坝堰顶高程。取13600T小时秒根据上面B75M计算的库水位下泄流量曲线，即可计算相应工作曲线计算步骤见表工作曲线见图Z上MV万M3QM3/SQ/2M3/SV/TM3/SV/TQ/2M3/S605634990215561077817638611774639607724490676583382920124722046301609813990151879759402261083233702361192235626103413051725621002692617613104958839029119514629155223110668615117682053682726841432689443537358617130405269887034943536223673971802619143128487500343750239757894413290QV/TQ/2工作曲线计算表01000200030004000500060007000800090001000001000020000300004000050000V/TQ/2M3/SQM3/S铜钱坝水库调洪演算工作曲线调洪演算工作曲线绘出后，先对百年一遇设计洪水进行调洪演算。起调水位为防洪限制水位605M，随着入库流量增大，泄洪底孔闸门逐渐开启以控制下泄，使泄量等于来量，库水位维持在605M不变。随后，因底孔闸门已全开而来水量仍然继续增大，故进入自由泄流情况，库水位被迫上升，由初时段的泄量1Q查查查查查工作曲线得11/2VTQ，加上1QQ值后得值，22/2VTQ再回查工作曲线得2Q以此方法计算，最后求得最大泄量为2369993/MS相应最高水位即设计洪水位为61056M。详细计算过程见表。计算过程见表见ORD文稿五、水库调洪计算试算法水库调洪计算就是联解式31和34。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。1TQ在进行迭代计算时,可先假定计算时段末的出库流量的值,求出式中待定的时段末水库蓄水量的值；1TV也可先假定的值；求出式中待定的值。最后，在迭代过程中算出满足精度的解。1TV1TQ1TQ下述迭代算法以先假定的值为例的步骤可以作为水库调洪计算的程序流程。1TQ（1）初步假设计算时段末的出库流量1TQ代入式31，可初步求出式中待定的时段末水库蓄水量1TV的值。（2）利用VFQ关系，用初求的1TV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1TQ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QQT1，若，则满足计算精度要求，结束该时段计算，时段末出库流量1TQ及水库蓄水量1TV即为计算的结果。否则，重新假设1TQ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（T1）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。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