第三章__水库洪水调节及计算

1、第三章第三章 水库洪水调节及计算水库洪水调节及计算 水资源规划及利用 主主 讲：康银红讲：康银红 目 录 3.1 概述 3.2 水库调洪的原理 3.3 水库调洪计算的基本方法 3.4 其他情况下的水利调洪计算 3.1 概述 一、水库的调洪作用与任务一、水库的调洪作用与任务 在河流上兴建水库后，进入水库的洪水过程经水在河流上兴建水库后，进入水库的洪水过程经水 库拦蓄和阻滞作用之后，自水库泄放至下游河道的洪水库拦蓄和阻滞作用之后，自水库泄放至下游河道的洪水 过程，势必大大展平，洪峰被削减，从而达到防止或减过程，势必大大展平，洪峰被削减，从而达到防止或减 轻下游洪水灾害的目的。轻下游洪水灾害的目的。

2、 调洪任务调洪任务 滞洪滞洪 蓄洪蓄洪 当水库有下游防洪任务时，它的当水库有下游防洪任务时，它的 作用主要是削减下泄洪水流量，作用主要是削减下泄洪水流量， 使其不超过下游河床的安全泄量。使其不超过下游河床的安全泄量。 只削减下泄洪峰流量，基本上不只削减下泄洪峰流量，基本上不 减少下游洪量。减少下游洪量。 若水库是防洪与兴利相结合的综若水库是防洪与兴利相结合的综 合利用水库，则除了滞洪作用外合利用水库，则除了滞洪作用外 还起蓄洪作用。还起蓄洪作用。蓄洪既能削减下蓄洪既能削减下 泄洪峰流量，又能减少下游洪量。泄洪峰流量，又能减少下游洪量。 u有时，水库下泄的洪水与下游区间洪水或支流洪水遭遇，相有时

3、，水库下泄的洪水与下游区间洪水或支流洪水遭遇，相 叠加后其总流量会超过下游的安全泄量。这时就要求水库起叠加后其总流量会超过下游的安全泄量。这时就要求水库起 “错峰错峰”的作用，使下泄洪水不与下游洪水同时到达需要防护的作用，使下泄洪水不与下游洪水同时到达需要防护 的地区。这是的地区。这是滞洪的一种特殊情况滞洪的一种特殊情况。 u若水库不需承担下游防洪任务若水库不需承担下游防洪任务，则洪水期下泄流量可不受限，则洪水期下泄流量可不受限 制。但由于水库本身自然地对洪水有调蓄作用，洪水流量过程制。但由于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，经过水库时仍然要变形，客观上起着滞

4、洪的作用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特性、泄洪建筑物的型式和尺寸以及水库运行方式等有关。等有关。 在水库调蓄洪水的过程中，入库洪水、下泻洪水、拦蓄洪水在水库调蓄洪水的过程中，入库洪水、下泻洪水、拦蓄洪水 的库容、水库水位的变化以及泄洪建筑物型式和尺寸等之间存在的库容、水库水位的变化以及泄洪建筑物型式和尺寸等之间存在 着密切的关系。着密切的关系。 水库调洪计算的目的，水库调洪计算的目的，正是为了定量地找出它们之间的关系，正是为了定量地找出它们之间的关系

5、， 以便为决定水库的有关参数和泄洪建筑物型式、尺寸等提供依据。以便为决定水库的有关参数和泄洪建筑物型式、尺寸等提供依据。 二、防洪标准二、防洪标准 在水库调洪过程中，入库洪水的大小不同，下泄洪水、在水库调洪过程中，入库洪水的大小不同，下泄洪水、 拦蓄库容、水库水位变化等也将不同。通常，拦蓄库容、水库水位变化等也将不同。通常，入库洪水的大入库洪水的大 小要根据下游防洪要求以及大坝等水工建筑物的防洪安全要小要根据下游防洪要求以及大坝等水工建筑物的防洪安全要 求来选定。求来选定。因此，在进行水库调洪计算时，必须先确定一个因此，在进行水库调洪计算时，必须先确定一个 合理的防洪标准。合理的防洪标准。 （

6、1）若水库不需承担下游防洪任务，）若水库不需承担下游防洪任务，则应按水工建筑物本身则应按水工建筑物本身 的防洪安全要求选定防洪标准。的防洪安全要求选定防洪标准。 水工建筑物的防洪标准：水工建筑物的防洪标准： 一是正常运用情况的标准，称一是正常运用情况的标准，称设计标准设计标准，不超过这种标，不超过这种标 准的洪水（设计洪水）来临时，水库枢纽一切工作维持正常准的洪水（设计洪水）来临时，水库枢纽一切工作维持正常 状态；状态； 二是非常运用情况的标准，称二是非常运用情况的标准，称校核标准校核标准，该种标准的洪，该种标准的洪 水（校核洪水）来临时，水库枢纽的某些正常工作和次要建水（校核洪水）来临时，水

7、库枢纽的某些正常工作和次要建 筑物允许暂时受到破坏，但主要建筑物（如大坝、溢洪道等）筑物允许暂时受到破坏，但主要建筑物（如大坝、溢洪道等） 必须确保安全。必须确保安全。 （2）若水库要承担下游防洪任务，若水库要承担下游防洪任务，则除了要选定水工建筑物则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，即防护的设计标准外，还要选定下游防护对象的防洪标准，即防护 对象所应抗御的设计洪水频率。防护对象的防洪标准，应根对象所应抗御的设计洪水频率。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，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

8、防护对象和防洪工程的具体条件，并征求有关方面的意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。见。 3.2 水库调洪计算的原理 调洪计算的目的（研究课题）：调洪计算的目的（研究课题）： 一定的水库一定的水库 拟定的泄洪建筑物拟定的泄洪建筑物 防洪标准防洪标准 类型、尺寸类型、尺寸 防洪限制水位防洪限制水位 入库洪水过程入库洪水过程 下游安全泄量下游安全泄量 出库出库 洪水洪水 过程过程 最大最大 下泄下泄 流量流量 防洪防洪 特征特征 库容库容 特征特征 水位水位 水库调洪计算的任务水库调洪计算的任务 l 在规划设计阶段，在规划设计阶段，调洪计算的任务是根据水文分析计算提供的调洪计

9、算的任务是根据水文分析计算提供的 各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄流建筑物型式与尺寸方各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄流建筑物型式与尺寸方 案，遵循水库汛期控制运用规则，进行水库的蓄泄调洪计算，案，遵循水库汛期控制运用规则，进行水库的蓄泄调洪计算， 推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位与推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位与 特征库容。特征库容。 l 在水库的管理运用阶段在水库的管理运用阶段，调洪计算的任务是根据入库的洪水，调洪计算的任务是根据入库的洪水， 在泄流建筑物类型尺寸已定的情况下，通过蓄泄调节计算，来在泄流建筑物类型尺寸已定的情况下，通过蓄泄调节计

10、算，来 预报水库达到的最高库水位和最大下泄流量。预报水库达到的最高库水位和最大下泄流量。 原理：原理： u明渠非恒定流基本方程：明渠非恒定流基本方程： 通常，这个偏微分方程组难以得出精确地解析解，而是采用通常，这个偏微分方程组难以得出精确地解析解，而是采用 简化了的近似解法：瞬态法、差分法和特征线法等。其中，简化了的近似解法：瞬态法、差分法和特征线法等。其中， 普遍采用的是普遍采用的是瞬态法瞬态法。 水库调洪计算的实用公式（瞬态法）：水库调洪计算的实用公式（瞬态法）： 水量平衡方程：水量平衡方程： 蓄泄方程：蓄泄方程： 2 3 1BH Mq 溢 方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算方程或曲

11、线，可按泄洪建筑物的水力特性换算 得到。得到。 （1）堰流）堰流 H即为库水位即为库水位Z与堰顶高程之差与堰顶高程之差 （2）闸孔出流）闸孔出流 H即为库水位即为库水位Z与闸孔中心高程之差与闸孔中心高程之差 根据根据H H与与q q的关系曲线求出的关系曲线求出Z Z与与q q的关系曲线的关系曲线q=f(zq=f(z) )。由水。由水 库水位库水位z z在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积V V。 于是，最终求出下泄流量于是，最终求出下泄流量q q与库容与库容V V的关系曲线的关系曲线q=f(Vq=f(V) ) 2 1 2 HMq 洞 调洪计算

12、的调洪计算的 两种情况两种情况 下泄流量受控制下泄流量受控制 自由泄流自由泄流无闸门溢洪道泄流无闸门溢洪道泄流 闸门开度一定闸门开度一定 下泄流量受控制下泄流量受控制自由泄流自由泄流 逐时段逐时段 水量平衡方程水量平衡方程 水库蓄泄方程水库蓄泄方程 需要注意的几点：需要注意的几点： u在有闸门控制的情况下，在有闸门控制的情况下，q=f（V）不是一条曲线，而是以不）不是一条曲线，而是以不 同的闸门开度为参数的一组曲线。同的闸门开度为参数的一组曲线。 u在承担下游防洪任务的情况下，当要求保持在承担下游防洪任务的情况下，当要求保持q不大于下游允不大于下游允 许的最大安全泄量许的最大安全泄量q安时，就

13、要利用闸门控制安时，就要利用闸门控制q。 u当泄洪建筑物虽设有闸门，但泄洪是将闸门全开，此时实际当泄洪建筑物虽设有闸门，但泄洪是将闸门全开，此时实际 上与无闸门控制的情况相同。上与无闸门控制的情况相同。 3.3 水库调洪计算的基本方法 一、列表试算法一、列表试算法 在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标 准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法，准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法， 去推求设计洪水流量过程线。去推求设计洪水流量过程线。 已知：已知：入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量 水库汛期防洪限

14、制水位水库汛期防洪限制水位 泄洪建筑物的型式和尺寸泄洪建筑物的型式和尺寸 推求：推求：下泄洪水过程线下泄洪水过程线 拦蓄洪水的库容和水库水位的变化拦蓄洪水的库容和水库水位的变化 计算步骤计算步骤 （1）由已知的水库水位容积关系曲线由已知的水库水位容积关系曲线V=f (Z)和泄流建筑物方和泄流建筑物方 案，用水力学公式求出下泄流量与库容的关系曲线案，用水力学公式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选取合适的计算时段t，以秒为计算单位；，以秒为计算单位； （3）决定开始计算的时刻和此时刻的决定开始计算的时刻和此时刻的V1、q1值，然后列表计值，然后列表计 算。计算过

15、程中，对每一计算时段的算。计算过程中，对每一计算时段的V2、q2值都要进行试值都要进行试 算；先假定一个算；先假定一个q2值，根据水量平衡方程求出值，根据水量平衡方程求出V2,然后按此然后按此 V2值在值在qV曲线上查出曲线上查出q2值，若与假定的值，若与假定的q2不相等，则要不相等，则要 重新假定一个重新假定一个q2值，重复上述试算过程，直至两者相等或很值，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接近为止。这样多次演算求得的q2、V2值就是下一时段的值就是下一时段的 q1、V1值，可依据此值进行下一时段的试算。值，可依据此值进行下一时段的试算。 （4）将计算结果绘制成

16、曲线，供查阅。将计算结果绘制成曲线，供查阅。 二、水库调洪计算的半图解法二、水库调洪计算的半图解法 水量平衡方程水量平衡方程 2t V 2 ( 2211 1 qq t V qQ ） 2t V 2 ( 2 221121 qq t VQQ ） ) 2 (q q t V 三、简化三角形法三、简化三角形法 T m Q 2 1 W u在小流域、小型水库缺乏资在小流域、小型水库缺乏资 料且水库只有无闸门溢洪道的料且水库只有无闸门溢洪道的 情况下，设想将入库与出库流情况下，设想将入库与出库流 量过程都简化为三角形时，则量过程都简化为三角形时，则 入库洪水总量为入库洪水总量为 当水库起调水位在堰顶高程时当水库

17、起调水位在堰顶高程时 水库的最大下泄流量为水库的最大下泄流量为 )1 (q W V Q m mm 调洪演算简化三角形法调洪演算简化三角形法 3.4 其他情况下的水库调洪计算 无闸门控制无闸门控制q q 有闸门控制有闸门控制q q 最基本的情况（下游无防洪任务、最基本的情况（下游无防洪任务、 无错峰要求）无错峰要求） 基本原理和方法与无闸门类似，要按基本原理和方法与无闸门类似，要按 水库运行需要随时调整闸门的开度。水库运行需要随时调整闸门的开度。 在不同的闸门开度、水库水位、下游在不同的闸门开度、水库水位、下游 淹没等情况下，泄流公式中的系数也淹没等情况下，泄流公式中的系数也 会不同。采用列表试

18、算法较为方便会不同。采用列表试算法较为方便 （a）下游有防洪要求的情况）下游有防洪要求的情况 u当下游有防洪要求时，最大下泄流当下游有防洪要求时，最大下泄流 量量q qmax max不能超过下游允许的安全泄量 不能超过下游允许的安全泄量q q 安。在安。在t1t1时刻以前，时刻以前，Q Q小于闸门全开时小于闸门全开时 的下泄流量，应以闸门控制，使的下泄流量，应以闸门控制，使q=Qq=Q。 闸门随着闸门随着Q Q的加大而逐渐开大，直到的加大而逐渐开大，直到t1t1 时闸门全部打开。从时闸门全部打开。从t1t1时刻开始，时刻开始，Q Q已已 大于闸门全开自由溢流的大于闸门全开自由溢流的q q值，库

19、水位值，库水位 逐渐上升。至逐渐上升。至t2t2时刻时刻q q达到达到q q安，于是安，于是 用闸门控制，使用闸门控制，使 ，水库水位继，水库水位继 续上升，闸门逐渐关小。至续上升，闸门逐渐关小。至t3t3时刻，时刻，Q Q 降落至重新等于降落至重新等于q q，水库水位达到最高，水库水位达到最高， 闸门也不再关小。闸门也不再关小。t3t3时刻以后是水库时刻以后是水库 的泄水过程，水库水位逐渐回降。的泄水过程，水库水位逐渐回降。 （b）水工建筑物防洪标准大于下游防洪标准的情况）水工建筑物防洪标准大于下游防洪标准的情况 u当下游有防洪要求，但防洪标当下游有防洪要求，但防洪标 准小于水工建筑物的防洪

20、标准时，准小于水工建筑物的防洪标准时， 在在t3t3时刻以前，情况和（时刻以前，情况和（a a）类）类 似，即在似，即在t2t3t2t3间用闸门控制间用闸门控制q q使使 不大于不大于q q安，以满足下游防洪要安，以满足下游防洪要 求。至求。至t3t3时刻，为下游防洪而设时刻，为下游防洪而设 的库容（图中竖明影线）已经蓄的库容（图中竖明影线）已经蓄 满，而入库洪水仍然较大，这说满，而入库洪水仍然较大，这说 明入库洪水已超过了下游防洪标明入库洪水已超过了下游防洪标 准。为了保证水工建筑物的安全，准。为了保证水工建筑物的安全， 不再控制不再控制q q，而是将闸门全部打，而是将闸门全部打 开自由溢流。至开自由溢流。至t4t4时刻，库水位时刻，库水位 达到最高，达到最高，q q达到最大值。达到最大值。 （c）水库下泄洪水要与下游区间洪水错峰的情况）水库下泄洪水要与下游区间洪水错峰的情况 u当