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【水库兴利调节计算】概述及水库特征

时间:2017-02-24

概述

1.水库兴利调节的含义和分类

(1)基本概念

天然情况下的河川径流,有年内和年际变化,且地区分布也不均衡,因此无法满足各用水部门对水利资源利用的要求。需要通过水利工程的控制和调节,来重新分配河川径流的时空分布,以解决来用水在时间与数量上不相适应的矛盾。

径流调节:利用专门的水工建筑物如大坝、水库和渠道等,来重新分配河川径流,以适应需水过程的措施称为径流调节。

防洪调节:为减免洪水灾害,在汛期拦蓄洪水、削减洪峰的调节。

兴利调节:为满足用水部门需求的调节。水库的兴利调节,就是当来水大于用水时,水库将多余的水量蓄存起来,等来水小于用水时,再放水补充,以满足兴利部门的用水要求。水库的蓄泄随来水与用水的变化而变化。

(2)分类

水库的兴利调节可按调节周期、水库任务和供水方式等进行分类。

1)按调节周期分类

调节周期:水库由库空到库满,再到放空,循环一次所经历的时间。

按调节周期的长短,可分为日调节、周调节、年调节和多年调节。

日调节

日调节多见于发电水库,调节周期为一昼夜。它是利用水库的兴利库容将一天内的均匀来水,按用水部门的日内需水过程进行调节。对于水力发电,它的用水过程是随负荷的变化而改变的,而来水过程在一昼夜里基本上是均匀的(汛期除外),在一天24小时内,当用水小于来水时,将多余水量蓄存起来,供来水不足时使用。

周调节

周调节是的调节周期为一周。它是将周末的多余水量蓄存起来,在其他用水多的日子里放出,从而满足用水部门的需水要求。

年调节

年调节又称为季调节。年内河川径流变化很大,丰、枯水期的来水量相差甚大。径流年调节的任务就是按照用水部门的需水过程,将丰水期多余水量蓄存起来,等枯水期缺水时放出,调节周期在一年以内。

横线阴影面积表示蓄水量,竖线阴影面积表示水库补充供水量。当水库蓄满而来水仍大于用水时,将发生弃水(由泄洪设施排往下游),图中也示出了弃水期,通常称这种仅能存蓄丰水期部分多余水量的径流调节为季调节(或不完全年调节),而对能将年内全部来水量按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节,则称为完全年调节。

通常用库容系数β(β=V兴/W年)反映水库兴利调节能力,当β=8%~30%时,一般可进行年调节。当天然径流年内分配较均匀时,β=2%~8%时,即可进行年调节。年调节水库一般可同时进行周调节和日调节。

多年调节

多年调节是将丰水年多余的水量蓄存起来,用以补充枯水年或枯水年组的用水不足。这时,水库的兴利库容往往要经过若干年才能蓄满,再经若干年才能将蓄水用掉,而并非年年蓄满或放空。

根据经验,若年水量变差系数CV值较小,年内分配比较均匀,β>30%便可进行多年调节,否则,需要更大库容才能进行多年调节。多年调节水库一般可同时进行年调节。

2)按水库任务分类

单一任务径流调节,如灌溉径流调节、工业及城市生活给水径流调节、水力发电径流调节等。

综合利用径流调节,即具有两种以上任务的水库的径流调节。

3)按水库供水方式分类

固定供水,水库按固定要求供水,与供水期水库来水量和蓄水量无关,如工业及城市生活给水属这种类型的径流调节。

变动供水,水库供水随蓄水量和用户不同的要求而变动,如灌溉按农田需水要求供水;水电站按电力负荷要求供水等。

4)其他分类

反调节。下游水库按照用水部门的需水过程,对上游水库泄流的再调节。

单一水库补偿调节。水库与水库下游区间来水互相补偿,以满足有关部门用水要求的调节。

水库群补偿调节。水库间互相进行水文补偿、库容补偿、电力补偿,共同满足水利、电力系统要求的调节。

2.水库兴利调节所需的基本资料

水库的兴利调节,是通过水库的蓄泄操作使来水过程适应需水过程的要求。因此,调节计算所需的基本资料包括来水资料、用水资料和水库特性资料三种。

来水资料,即河川径流过程,是兴利调节的基本依据。由于水文现象的随机性和多边性,通常只能根据以往的径流资料来预估水库运行期间的水文情势和来水特性。即通过径流计算的分析计算方法,得到水库设计与运行中的设计来水过程。

用水资料,即兴利部门的用水要求,是兴利调节的又一依据。为了确定用水过程,需要了解与掌握用水部门的用水情况,以及当前和远景的发展计划。在用水调查的基础上,作出用水预测,得出水库设计与运行中的用水过程。

水库特性资料,主要是水库的面积、容积特性,蒸发和渗漏损失,以及淤积、淹没和浸没资料等。这些资料通常是根据库区地形资料和水文地质资料,以及淹没和浸没损失的社会调查资料来分析确定的。

上述资料的精度,直接影响着水库兴利调节计算的精度,应力求可靠和准确。并需要根据设计阶段和运行阶段的变化情况,及时进行修正和补充。

水库特性

1.水库特性曲线

反映水库库区地形特征的曲线称为水库特性曲线。它包括水库的水位面积曲线和水位容积曲线两种,也可简称为面积曲线和容积曲线。

(1)水位~面积曲线

库区内某一水位的等高线和坝轴线所包括的面积,即为该水位的水库水面面积。

在1/5000~1/50000的地形图上,采用求积仪法、网点法、图解法或数字化仪,均可量算出不同水库水位的水库水面面积,从而绘成水库的水位~面积曲线。

曲线的坡度反映了库区形状和河道纵坡的变化情况。

(2)水位~容积曲线

水位~容积曲线,是水库水位与水库容积的关系曲线。它可直接由水库~面积曲线推算绘制。两相邻等高线间的部分容积,可按下式计算:

(简化式)

(较精确式)

式中,为相邻高程间库容(m3);F上,F下为相邻两等高线各自对应的水库水面面积。Z为两相邻等高线之间的高程差(m)。

从库底逐层向上累加,便可求得每一水位对应的水库容积V=∑△Vi,从而绘出水库的水位~容积曲线。

【实例6-1】水库特征曲线的计算与绘制

水库容积的计量单位除了用m3表示外,在生产中为了能与来水的流量单位直接对应,便于调节计算,水库容积的计量单位常采用(m3/s)·Δt表示。Δt是单位时段,可取月、旬、日、时。如1m3/S*月表示1m3/S*月的流量在一个月(每月天数计为30.4天)的累积总水量,即

1m3/S*月=30.4×24×3600=2.63×106m3

应该指出,上述水库面积是假定水库的水面是水平的,相应的库容为静库容。实际上,水库水面从坝址沿程上溯形成回水曲线,直至库端与天然水面相交为止,水面上翘产生一个附加的动库容。因此,每一坝前水位对应的实际库容比静库容大。一般情况下,按静库容进行径流调节计算,精度已能满足要求。当需详细研究水库淹没、浸没等问题和梯级水库衔接情况时,应按相应设计水平年和最终稳定情况下的淤积量和淤积形态,修正库容特性曲线。

2.水库特征水位与特征库容

表示水库工程规模及运用要求的各种库水位,称为水库特征水位。

它们是根据河流的水文条件、坝址的地形地质条件和各用水部门的需水要求,通过调节计算,并从政治、技术、经济等因素进行全面综合分析论证来确定的。这些特征水位和库容各有其特定的任务和作用,体现着水库运用和正常工作的各种特定要求。

它们也是规划设计阶段,确定主要水工建筑物尺寸(如坝高和溢洪道大小),估算工程投资、效益的基本依据。

(1)死水位(Z死)与死库容(V死)

概念:在正常运用情况下,允许水库消落的最低水位,称为死水位。死水位以下的库容称为死库容或垫底库容。

作用:死库容一般用于容纳水库泥沙、抬高坝前水位和增加库内水深。正常运用情况下,死库容不参与径流调节,只有在特殊情况下,才考虑泄放其中的蓄水。

(2)正常蓄水位(Z正)与兴利库容(V兴)

概念:水库正常运用情况下,为满足设计兴利要求而在开始供水时应蓄到的高水位,称正常蓄水位。又称正常高水位或设计兴利水位。

作用:它决定水库的规模、效益和调节方式,在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库淹没损失。
位置:

当采用无闸门控制的泄洪建筑物时,它与溢洪道堰顶高程齐平。

当溢洪道有闸门控制时,它是闸门关闭时允许长期维持的最高蓄水位。理论上,它可以与闸门关闭时的门顶高程相等。实际上,由于考虑波浪的影响,它略低于门顶高程。

(3)防洪特征水位与防洪特征库容

所谓防洪特征水位和防洪特征库容,是指与水库洪水调节有关的相应水位和相应库容。它包括防洪限制水位、防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位和相应的防洪库容与调洪库容。

1)防洪限制水位,简称汛限水位。它是汛期允许兴利蓄水的上限水位,同时也是水库汛期防洪运用时的起调水位。该水位以上的库容,只有在发生洪水时,才允许作为滞蓄洪水使用。在整个汛期中,一旦入库的洪水消退,水库就应尽快泄流,使库水位再回到汛限水位。在溢洪道设闸的情况下,为了利用部分兴利库容容纳洪水,并在汛末有利于拦蓄洪水的退水量以蓄满兴利库容,汛限水位往往在正常蓄水位以下选择。汛限水位与正常蓄水位之间的库容,可兼作兴利与防洪之用,称为结合库容(也称为共用库容)(V结或V共)。

当遇下游防护对象的设计标准洪水时,水库为控制下泄流量而拦蓄洪水,这时在坝前(上游侧)达到的最高水位称防洪高水位(Z防)。它与防洪限制水位之间的库容,称为防洪库容(V防)。

2)设计洪水位(Z设)是指水库遇到枢纽的设计洪水时,水库自汛限水位对该洪水进行调节,正常泄洪设施全部打开,坝前达到的最高水位。它是水库正常运用情况下允许达到的最高水位,也是挡水建筑物稳定计算的依据。它与汛限水位之间的库容,称为拦洪库容(V,拦)。

3)校核洪水位(Z校),是指水库遇到枢纽的校核洪水时,水库自汛限水位对该洪水进行调节,正常泄洪设施与非常泄洪设施先后启用,在坝前达到的最高水位。它是水库非常运用情况下允许达到的最高库水位,是确定坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。校核洪水位与汛限水位之间的库容称为调洪库容(V调洪)。

4)总库容(V总)和有效库容(V有效)

校核洪水位以下的全部库容称为总库容。

当防洪与兴利有部分结合库容时,V总=V死+V兴+V调洪-V结合;

当防洪与兴利无结合库容时,V总=V死+V兴+V调洪。

总库容是表示水库规模的代表性指标,可作为划分水库等级、确定工程安全标准的重要依据。

水库总库容的大小是水库最主要指标。通常按此值的大小,把水库划分为下列五级。

大Ⅰ型——大于l0亿m3;

大Ⅱ型——1~10亿m3;

中型——0.1~1亿m3;

小Ⅰ型——0.01~0.1亿m3;

小Ⅱ型——小于0.01亿m3。

校核洪水位与死水位之间的库容,称为有效库容,即V有效=?V总-V死。它的作用是参与径流调节,满足兴利和防洪的要求

来源于:水利家园
质量技术部供稿



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