水土保持工程课程(第八章小型水库

1、第八章 小型水库,本章主要讲述如下几部分：,第一节 水库基本情况概述 第二节 水库的特征曲线和特征水位 第三节 水库的死库容和死水位的确定 第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位确定 第五节 水库防洪规划和兴利管理运行,水库由挡水坝、溢洪道、放水建筑物三部分组成，通常称为水库的“三大件”。是综合利用水利资源的有效措施。,第一节 水库基本情况概述,(1) 挡水坝是横拦河道的挡水建筑物，用以拦蓄水量，抬高水位。 (2) 溢洪道是排泄洪水建筑物，当水库水位超过计划高度时，洪水就由其排出，保证大坝安全。 (3) 放水建筑物包括放水洞和放水设备两部分，库内蓄水通过放水洞送至下游灌溉渠道。,第一节 水库基本

2、情况概述,水保研究的主要对象：坝高在30m以下的小型水库,按国家规定标准： 小I型水库：库容100万1000万m3 小型水库：库容10万100万m3,1、淤地坝与小型水库的相同点和异同点。,相同点： 两者都是起到拦蓄泥沙，径流，防止水土流失，保持水土的作用。 坝体、库容结构有共同性如均包括坝主体，放水设备，集水设备等。,不同点： 对水位要求不同：淤地坝要求的水位较低。 对地质条件要求不同：淤地坝要求较低，不用考虑渗漏而小型水库要求库址边坡不漏水，无裂缝。,不同点： 对坡角、坡长要求不同：淤地坝的坡度较陡，而小型水库要求坝址比较稳定，坡度较小。 对放水建筑物要求不同：淤地坝一般采用竖井或卧管式，

3、涵洞的放水高程由淤地面积大小决定；而小型水库则采用放水洞，按“寿命”决定放水涵洞高程。并由放水洞或卧管控制放水量。 (5)坝型不同：淤地坝常采用均质土坝（给地下水和坝内积水留有出路，防止发生坝地土壤次生盐碱化。而小型水库常采用心墙坝(能够防止库水外渗),1、淤地坝与小型水库的相同点和异同点。,2、根据坡面和沟道水土保持工程的原理和功能，论述在我国山区如何利用这些工程措施发展集水高效复合农林业？,（1）坡面集水保水工程及其应用 坡面集水保水工程如水窖和涝池可以拦蓄地表径流，减少水土流失，同时也是山区抗旱灌溉农田果园和满足人畜用水的有效措施。通过坡面窑窖群和涝池工程可以充分集蓄降雨径流，为山区发展

4、集流节水高效农业提供了充足的水源。例如我国西北黄土高原地区借助窑窖群和涝池工程提出了“121”雨水集流工程；山西提出“甘露工程”等等，大力开展窑窖农业的建设。,（2）坡面集水保水果林整地工程及其应用 如鱼鳞坑、水平阶、水平沟等可以分散拦截坡面径流，增加降雨径流下渗，减少了坡面水土流失。这些集水抗旱造林果措施可以充分利用降雨径流就地叠加利用的原理，来发展山区丘陵区的高效径流林果业。,（3）田间工程及其应用 梯田工程：减少坡面坡度，减少径流量，减少坡面径流的冲刷；变连续坡面为不连续坡面，分散地表径流，避免地表径流汇聚，减少水土流失；保持水土，提高土壤肥力，增加作物产量。,（3）田间工程及其应用 集

5、流梯田工程：是坡地雨水径流资源集蓄叠加利用，发展坡地径流复合农林业科学有效的工程措施，其基本内涵是指水平梯田和自然坡地沿山坡相间布置，即上一级梯田与下一级梯田之间保留一定宽度的原山坡地，作为下一级水平梯田的主动集流区，调控坡地降雨径流的集聚和再分配，使其在一定面积内富集、叠加，充分发挥坡地集流效应，以补充水平田面内植物需水量不足；同时，集流坡面可配套种植矮杆经济作物、干果经济林和优质牧草等，不但增加经济效益，而且对下一级水平梯田具有一定聚肥改良作用，从而达到坡耕地稳产、高产之目的。,（4）沟道库坝系工程及其应用 沟道治理工程如淤地坝、谷坊、塘坝、小型水库等，可以防止沟头前进、沟床下切、沟岸扩张

6、，调节山洪洪峰流量，减少洪水泥石流灾害。同时，借助库坝工程，在一个流域内将淤地种植的生产坝；拦蓄洪水、泥沙的防洪坝；蓄水灌溉的蓄水坝，这些坝各就其位，合理配置，能蓄能排，形成以生产坝为主，拦泥、生产、防洪、灌溉相结合的坝库工程体系，可以大力发展山区丘陵区坝系农业，促进坝系经济区的农业的可持续发展。,一、库址的选择（与淤地坝坝址选择的区别？） 应从经济、安全、合理几方面考虑。应注意下列几点：,第一节 水库基本情况概述,1.地形要肚大口小：肚大指库址内地形宽广，口小指坝短。 2.有适宜的集水面积； 3.坝址和库址地质良好，基础稳固，无下陷情况； 4.库址靠近灌区且比灌区高； 5.坝址附近要有足够和

7、适用的建筑材料； 6. 附近要有适宜开挖溢洪道山垭； 7. 水库上游宜草木丰茂，因光秃的山岭易受雨冲刷，水库容易淤积，影响水库寿命，另外，淹没损失要小。,第一节 水库基本情况概述,二、水库地质调查 水库地质是决定性因素，主要调查库底是否漏水，坝基是否坚固。主要调查下列几个问题：,1. 调查库区、坝址区的岩石种类、性质及岩石的透水条件。 坚硬的岩石(如花岗岩、花岗片麻岩、石英岩、石灰岩、石英砂岩)一般坚固、致密、强度大，只要没有构造现象就不会漏水，宜于修建各种类型的坝。 半坚硬的岩石(如页岩、胶结疏松的砂岩、泥炭岩、砂质页岩)修建小型水库，一般问题不大，但对其软弱夹层必须认真处理，使坝能直接置于

8、比较完整、新鲜的岩石上。,第一节 水库基本情况概述,2. 调查库区、坝址区范围内的地质构造。 包括断层、岩层产状、节理裂隙发育程度及规律、溶洞的分布范围及规律与漏水和坝的稳固有很大关系。,3. 调查库区、坝址区的水文地质特征。包括含水层岩性、水位深度、水的化学性质、地下水的成因型，在坝基处最好没有承压或高承压水。,黏土和黄土层漏水很小，可以筑坝。砂卵石层渗漏较大，坝址最好不要选在砂卵石层很厚的地方。,第一节 水库基本情况概述,三、水库地形测量（六个方面） 坝址地形测量 坝址地形测量是为了正确设计枢纽建筑物和估算工程量。测量范围包括坝身、溢洪道及放水洞等。比例尺用1/10001/2000。对小型

9、水库可采用断面法进行：先沿坝轴线测量一横断面，再在与坝轴线垂直的方向，用皮尺测定几个桩，分别在桩处测出其横断面。然后依据断面之间的关系及高度变化情况，制成平面图，绘出地形等高线 。, 集水面积测量 集水面积是指向水库里汇集雨水径流的面积，又叫流域面积，它是估计水库蓄水量和洪水量的主要依据之一。具体方法可参考第七章“淤地坝”。,第一节 水库基本情况概述, 库容测量与计算 库容测量在于绘出水库的水位库容关系曲线，为规划设计提供依据。具体方法可参考第七章“淤地坝” 。, 建筑材料调查 建筑材料是决定坝型、工程造价、施工方法主要因素之一。据因地制宜、就地取材原则，工程中以土料用量最多，土料分类及鉴别方

10、法，可参阅土力学或土壤学有关部分。, 水文资料的搜集与调查 水文资料是水库工程规划与设计的一项关键性资料。水库来水量计算、库容确定、坝高、溢洪道设计都是根据当地的水文资料分析后决定的。,第一节 水库基本情况概述,水文资料的搜集内容包括以下3个方面：水文站、气象站、雨量站了解，可借助省、地水文手册。 1. 径流资料 当地多年平均降雨量、平均径流深、年径流系数、径流年内分配以及蒸发量，作为计算有效库容和水库调节依据。,2. 泥沙资料 搜集库区泥沙淤积资料，作为计算死库容的参考。,3洪水资料 在山溪、河沟不可能获得实测的洪水流量资料时，只有依靠洪水痕迹调查，了解历史上洪水发生的情况。,第一节 水库基

11、本情况概述, 流域覆被、淹没迁移及社会经济调查 1. 调查库区林木生长、山坡陡缓等情况，为确定年径流系数、暴雨径流系数提供资料。并了解库区内现有水土保持治理程度及其对水库库容的影响，为水库规划提供依据。 2. 调查水库库区内的田地、成材林木及其建筑物，作为计算淹没损失的依据。 3. 调查灌区原有水利设施在水库兴建后如何配合运用，以及灌水定额、灌溉次数、用水时间、灌区土壤种类、渗漏情况等。 4. 了解灌区主要农作物种类、面积、生长期、耕作制度等，了解灌区人口、劳力、车辆、工具以及建筑材料的远近、运输条件和各种材料的单价等。,第二节 水库的特征曲线和特征水位,一、水库的特征曲线 水库的特征曲线用以

12、描述水库库区地形特征，包括水库面积曲线和水库容积曲线，它是水库规划的基本资料之一。, 水库面积曲线 随着水库水位不同，水库的水面面积也不同，这个水位与水面面积的关系曲线称为水库面积曲线。 根据库区地形图相应于每一高程就有一等高线和坝轴线间围成的面积。这个面积可以用求积仪或用方格纸数方格办法求得。然后以水库水位为纵坐标，水库水面面积为横坐标，点绘水库水位与水面面积的关系曲线，即可得到水库面积曲线。,第二节 水库的特征曲线和特征水位, 水库容积曲线 水库容积曲线是表示水库各种水位与库容之间关系的。其绘制可以由水库面积曲线推算出来。由水库最低层算起，利用下式可以算出每相邻二等高线之间的水库容积。,第

13、二节 水库的特征曲线和特征水位,第二节 水库的特征曲线和特征水位,二、水库的特征水位 一般表示水库工作状况的水位有4个：,1.设计低水位(死水位) H低 保证放水建筑物泄放渠道设计流量的最低水位；同时应满足水库泥沙淤积、发电、养鱼等多方面的要求。 设计低水位以下的库容称为死库容。,第二节 水库的特征曲线和特征水位,2设计蓄水位 H设 在设计情况下，蓄水至满库时的水位称为设计蓄水位。如果采用自流溢洪道，则溢洪道底槛高程就是水库的设计蓄水位。 设计低水位以上、设计蓄水位以下所包围的库容叫兴利库容(V兴)。,3设计洪水位 H洪 在设计情况下，当水库遭遇到设计洪水溢洪时所达到的最高水位。它是设计坝高的

14、依据。设计蓄水位到设计洪水位之间的库容称为防洪库容(V防)。,第二节 水库的特征曲线和特征水位,4校核洪水位 H校 在设计情况下，当水库遭遇到比设计洪水更大的校核洪水溢洪时所达到的最高水位称为校核洪水位。设计洪水位到校核洪水位之间的库容称为超高库容(V超)。,水库的总库容为： V总 V死 + V兴 + V防 + V超 （四库容四水位） 密云水库1957年10月建成，总库容43.75亿m3。 三峡大坝：设计标准：千年一遇的洪水 校核标准：万年一遇的洪水 在小型水库中，一般将3、4合起来称为设计洪水位。,第三节 水库死库容和死水位的确定,第三节 水库死库容和死水位的确定,小型水库死库容和死水位确定

15、依据：满足以下两个方面： 一、保证水库自流灌溉；二、 满足水库淤积的要求,一、死水位保证水库自流灌溉 死水位即设计低水位主要是由灌区高程所决定。由灌溉区规划可推算出渠首设计引水高程，也就是放水建筑物的下游水位。如图所示的B点高程。然后加上泄放渠道设计流量时放水建筑物所必须的最小水头Hmin，即可得到设计低水位。,第三节 水库死库容和死水位的确定,在特枯年份的抗旱季节，往往不能按正常流量放水，只要水库有水就应尽量泄放，故设计低水位以下到放水建筑物进口底槛A点高程之间的水库库容也是可以利用的。真正的死库容是放水建筑物进口底槛高程以下的那部分无法自流的库容。,第三节 水库死库容和死水位的确定,二、

16、死库容应满足淤积的要求,以灌溉为主的水库，主要要求满足上述的条件。但对于多沙性河流，必须校核死库容能否满足泥沙淤积的要求，即在设计使用年限内，能否淤满。因此，必须计算年淤积量，一般小型水库可按下列3种方法计算年淤积量及水库使用年限。,（一）有泥沙观测资料 （二）无泥沙观测资料 （三）用坝前淤高估算,第三节 水库死库容和死水位的确定,（一）有泥沙观测资料 1年淤积量计算公式,该式仅对悬移质而言，若推移质所占比重较大，应进行专门的计算。,第三节 水库死库容和死水位的确定,2. 水库使用年限T计算公式,(二)无泥沙观测资料时 1悬移质多年平均输沙量的估算 (1)参证站水文比拟法 当水库所在河流无实测

17、资料时，可选择一个气候、土壤高、水文地质等自然地理特征相似的参证流域来估算本水库坝址以上流域的悬移质输沙量。,第三节 水库死库容和死水位的确定,(2) 经验公式法 一些地区的观测资料证明，悬移质输沙量与河床平均比降、年径流总量及侵蚀系数有关，可列出如下的经验公式：,第三节 水库死库容和死水位的确定,2推移质多年平均输沙量的估算 一般按推移质与悬移质有一定比例关系估算，即：,第三节 水库死库容和死水位的确定,3年淤积量及水库淤积年限的估算,第三节 水库死库容和死水位的确定,(三)用坝前淤高估算水库使用年限,水库泥沙淤积并不是首先在垫底库容中淤积。由于入库水流流速逐渐减小，水流挟带的大粒径泥沙(卵

18、岩、砾石)首先在库尾淤积，接着是粗沙、细沙淤积，到坝前粒径很细的泥沙也沉积下来，形成了从库尾到坝前的“淤积带”，如图所示，当坝前泥沙淤积高程达到取水口高程时，取水口已被泥沙堵塞，水库无法再发挥兴利调节作用。,第三节 水库死库容和死水位的确定,因此，坝前泥沙淤积高度决定了水库的使用年限。坝前淤积高度可采用参证站水文比拟法：,注：在设计低水位及坝前取水口以下水深已知时，可用上述诸公式求出年淤积量及使用年限。一般小型水库的淤积年限可考虑为2050年。如果所设计的死库容不能满足淤积要求，还应抬高设计低水位及取水口高程，增加死库容或坝前取水口以下水深。,第三节 水库死库容和死水位的确定,第四节 水库兴利

19、调节计算及设计蓄水位的确定,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,设计低水位选定后，可依据水库来水及用水资料进行兴利调节计算，求出兴利库容，据水库容积曲线，就可换算成设计蓄水位。,一、水库的调节性能 通过对水库的来水和用水的特性分析可知，来水和用水之间存在着不相适应性。有的反映在1年之内，如有的月份来水远远大于用水，有的月份来水小于用水，但整个年的来水量还是能满足年用水量要求；有的则不仅在年内，同时还存在于年与年之间，即丰水年的年来水量大于年用水量，而枯水年的年来水量小于年用水量。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,年调节和多年调节：为满足用水部门一定设计保证率下的用水要求，对

20、于前一种情况，只要对径流的年内变化按用水要求作重新分配便可解决，这种调节周期不超过1年的调节称为年调节；对后一种情况，不但要对径流的年内变化，而且要对年与年之间的径流变化按用水量要求进行重新分配才能解决，此时径流调节周期超过1年，称为多年调节。,如图所示：表示某水库来水W和用水M的频率曲线，二线在S点相交，S点称为完全调节点，所对应的频率为Ps。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,(1) 若来水与用水呈函数关系，当水库的设计保证率P设1Ps，则年来水量小于年用水量，要满足枯水年份的用水，仅对该枯水年的径流年调节已不符合要求，必须对径流进行多年调节。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水

21、位的确定,水库调节计算解决的问题： （1）在来水、用水及灌溉设计保证率已定的情况下，计算所需的兴利库容。 （2）在兴利库容已知时，求水库在灌溉设计保证率下的供水能力(灌溉面积)或在供水能力(灌溉面积)一定的情况下，所能达的设计保证率。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,二、水库的兴利调节计算 (一)调节计算原理 把调节周期分为若干计算时段，并按时序进行逐时段的水库水量平衡计算，则可求得水库的蓄泄过程及所需的兴利库容。对于某一时段Dt的水库水量平衡方程：,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,在具体计算时，一般是从蓄水期(来水大于用水，有余水蓄在水库里)开始作为调节计算的起点，也

22、就是说，调节计算是按调节年度进行的，所谓调节年，就是水库从蓄水期开始作为调节年度的起点，水库蓄满后又经供水期将水库放空为调节年度的终结(也是下一调节年度的开始)。这样经历的1年称为调节年，它不是按从1月1日到12月31日为1年的日历年。,计算时段Dt长短对计算精度有一定影响，年调节计算一般可取1个月为一个计算时段，在来水量或灌溉用水量变化较大时，可取半月或一旬作为一个计算时段，精度要求高，则时段就要划分短些。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,年调节水库来水和用水的配合有两种情况。 （1）水库运用一次：如图所示：图中Q一t代表来水过程，q一t代表用水过程，也就是说，水库在一个调节年度

23、内，充满一次，泄空一次。 在这种情况下，V2(图中阴影部分面积)是惟一的来水不足量，只要水库能蓄这么多水，就能保证这一年用水需要，故水库兴利库容为V2。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,（2）水库运用两次：如图所示 图中第a种情况，V1V2，V3V4，即每次的余水都超过了每次的不足水量，水库的两次运用是独立的，不互相影响，这种情况下，水库的兴利库容应取两个不足水量中的较大者，即V=V4。只要兴建兴利库容等于V4的水库，就能保证水库在两次运用中都能满足用水要求。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,（2）水库运用两次：如图所示 对于图中的第b种情况，VlV2，V3V4，显然，

24、由于V3V4，要满足V4时期的用水要求，必须事先存蓄一部分水量，也就是要存蓄V3所不能满足的那一部分水量(V4一V3)。这时候，水库的兴利库容应为VV2+V4-V3。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,(二)年调节水库 1. 计算方法(列表法) (1) 不计入损失列表计算法 是根据来水过程线和用水过程线，应用水量平衡原理，逐时段进行列表计算，计算出来水和用水的差值，即余水量和缺水量，最后根据不同的运用情况，分析出这一调节年度所需的兴利库容。,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,(2) 计入损失的列表计算法 按上述方法求出的水库兴利库容没有考虑水库损失，是一种粗略的计算方法，还需要进一步考虑水库的水量损失（包括蒸发和渗漏损失，见P262计算公式）。计入损失计算水库兴利库容时，某一时段水库水量平衡方程为：,第四节 水库兴利调节计算及设计蓄水位的确定,问题？计算时段的损失量不能事先确定，因为蒸发量和渗漏量与计算时段内的水库蓄水量及蓄水面积的大小有关。因此，要确定各时段水库损失量，必须知道水库各时段的蓄水情况。 因此，计算方法分两步：首先不考虑水量损失进行计算，近似求得各时段的蓄水情况，用各时段的水库平均蓄水量计算各时段的损失量，然后用考虑水量损失的平衡方