工程水文及水利計(jì)算-第20講

工程水文及水利計(jì)算,門寶輝可再生能源學(xué)院,提綱,第一章緒論第二章水循環(huán)及徑流形成第三章水文資料的觀測(cè)、收集與處理第四章水文統(tǒng)計(jì)基本知識(shí)第五章設(shè)計(jì)年徑流及徑流隨機(jī)模擬（分3講）第六章由流量資料推求洪水（分3講）第七章流域產(chǎn)、匯流計(jì)算（分4講）第八章由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水（分3講）第九章水文預(yù)報(bào)第十章水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算（分2講）第十一章水電站的水能計(jì)算（分2講）第十二章水庫(kù)防洪計(jì)算（分2講）,第十章目錄,第十章水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容10-2中小型水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇10-4水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算原理及調(diào)節(jié)分類10-5年調(diào)節(jié)水庫(kù)興利調(diào)節(jié)計(jì)算,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,把用來反映水庫(kù)地形特征的曲線稱為水庫(kù)特性曲線。它包括水庫(kù)水位面積關(guān)系曲線和水庫(kù)水位容積關(guān)系曲線，簡(jiǎn)稱為水庫(kù)面積曲線和水庫(kù)容積曲線，是最主要的水庫(kù)特性資料。,1、水庫(kù)特性曲線,水庫(kù)面積曲線,水庫(kù)面積曲線是指水庫(kù)蓄水位與相應(yīng)水面面積的關(guān)系曲線。,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,1、水庫(kù)特性曲線,水庫(kù)容積曲線,水庫(kù)容積曲線也稱為水庫(kù)庫(kù)容曲線。它是水庫(kù)面積曲線的積分曲線，即庫(kù)水位與累積容積的關(guān)系曲線。,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,1、水庫(kù)特性曲線,假設(shè)水庫(kù)形狀為梯形臺(tái)，則各分層間容積計(jì)算公式為：,水庫(kù)容積曲線,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,1、水庫(kù)特性曲線,前面所討論的水庫(kù)特性曲線，均建立在假定入庫(kù)流量為零時(shí)，水庫(kù)水面是水平的基礎(chǔ)上繪制的。這是蓄在水庫(kù)內(nèi)的水體為靜止(即流速為零)時(shí)，所觀察到的水靜力平衡條件下的自由水面，故稱這種庫(kù)容為靜水庫(kù)容。,如有一定入庫(kù)流量(水流有一定流速)時(shí)，則水庫(kù)水面從壩址起沿程上溯的回水曲線并非水平，越近上游，水面越上翹，直到入庫(kù)端與天然水面相交為止。靜庫(kù)容相應(yīng)的壩前水位水平線以上與洪水的實(shí)際水面線之間包含的楔形庫(kù)容稱為動(dòng)庫(kù)容。,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,1、水庫(kù)特性曲線,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,確定死水位應(yīng)考慮的主要因素是：（1）保證水庫(kù)有足夠的能發(fā)揮正常效用的使用年限(俗稱水庫(kù)壽命)，特別應(yīng)考慮部分庫(kù)容供泥沙淤積。（2）保證水電站所需要的最低水頭和自流灌溉必要的引水高程。（3）庫(kù)區(qū)航運(yùn)和漁業(yè)的要求。,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,在正常運(yùn)用條件下，水庫(kù)為了滿足設(shè)計(jì)的興利要求，在開始供水時(shí)應(yīng)蓄到的水位，稱為正常蓄水位，又稱正常高水位。,正常蓄水位到死水位之間的庫(kù)容，是水庫(kù)可用于興利徑流調(diào)節(jié)的庫(kù)容，稱為興利庫(kù)容，又稱調(diào)節(jié)庫(kù)容或有效庫(kù)容。正常蓄水位與死水位之間的深度，稱為消落深度或工作深度。,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,水庫(kù)在汛期為興利蓄水允許達(dá)到的上限水位稱為防洪限制水位，又稱為汛期限制水位，或簡(jiǎn)稱為汛限水位。,防洪限制水位或是低于正常蓄水位，或是與正常蓄水位齊平。若防洪限制水位低于正常蓄水位，則將這兩個(gè)水位之間的水庫(kù)容積稱為結(jié)合庫(kù)容，也稱共用庫(kù)容或重疊庫(kù)容。,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,水庫(kù)遇到下游防護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，壩前達(dá)到的最高水位稱為防洪高水位。,防洪高水位至防洪限制水位間的水庫(kù)容積稱為防洪庫(kù)容。,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,當(dāng)遇到大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)壩前達(dá)到的最高水位，稱為設(shè)計(jì)洪水位。,設(shè)計(jì)洪水位至防洪限制水位間的水庫(kù)容積稱為攔洪庫(kù)容或設(shè)計(jì)調(diào)洪庫(kù)容。,設(shè)計(jì)洪水位,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,當(dāng)遇到大壩校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，水庫(kù)壩前達(dá)到的最高水位，稱為校核洪水位。,校核洪水位至防洪限制水位間的水庫(kù)容積稱為調(diào)洪庫(kù)容或校核調(diào)洪庫(kù)容。,校核洪水位和調(diào)洪庫(kù)容,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,在防洪與興利部分結(jié)合的情況下，水庫(kù)總庫(kù)容為：,總庫(kù)容,2、水庫(kù)的特征水位和特征庫(kù)容,10-1水庫(kù)特性曲線、特征水位及特征庫(kù)容,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在規(guī)劃設(shè)計(jì)水資源工程時(shí)，首先要解決的是，在什么樣的來水情況下滿足不同時(shí)候的需水要求，以及滿足這種需水要求的保證程度。這就是所謂設(shè)計(jì)代表期、設(shè)計(jì)水平年和設(shè)計(jì)保證率的問題。其中設(shè)計(jì)水平年和設(shè)計(jì)保證率可概括為興利方面的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)問題。,1、設(shè)計(jì)水平年,設(shè)計(jì)水平年：是指與電力系統(tǒng)的電力負(fù)荷水平相應(yīng)的未來某一年份，并以該年的國(guó)民經(jīng)濟(jì)狀況與社會(huì)背景下的綜合用水需求作為水利水電樞紐規(guī)劃設(shè)計(jì)的依據(jù)。,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),2、設(shè)計(jì)保證率,為了避免不合理的工程投資，一般不要求在將來水庫(kù)使用期間能絕對(duì)保證正常供水，而允許水庫(kù)可適當(dāng)減少供水量。因此，必須研究各用水部門允許減少供水的可能性和合理范圍，定出多年工作期間用水部門正常工作得到保證的程度，即正常供水保證率，或簡(jiǎn)稱設(shè)計(jì)保證率。,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)保證率通常有年保證率和歷時(shí)保證率兩種形式。,年保證率指多年期間正常工作年數(shù)（即運(yùn)行年數(shù)與允許破壞年數(shù)之差）占總運(yùn)行年數(shù)的百分比，即,歷時(shí)保證率是指多年期間正常工作的歷時(shí)(日、旬或月)占總運(yùn)行歷時(shí)的百分比，即,2、設(shè)計(jì)保證率,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在規(guī)劃設(shè)計(jì)中常用的設(shè)計(jì)代表年有設(shè)計(jì)枯水年、中水年和豐水年。,設(shè)計(jì)枯水年是指與設(shè)計(jì)保證率有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的年份，即用該年的徑流資料進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算求得的成果（所需的興利庫(kù)容或所提供的調(diào)節(jié)流量）可反映設(shè)計(jì)保證率的要求。,設(shè)計(jì)代表年,3、設(shè)計(jì)代表年和代表期的選擇,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)中水年指年徑流接近于多年平均情況的年份，對(duì)該年徑流資料進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算所得的成果用于反映水利工程的多年平均效益。,設(shè)計(jì)豐水年一般選年徑流頻率相當(dāng)于1P設(shè)的年份為代表，對(duì)該年徑流資料進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算所得的成果反映豐水條件下的興利情況。,設(shè)計(jì)代表年,3、設(shè)計(jì)代表年和代表期的選擇,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)代表期是指一個(gè)長(zhǎng)達(dá)若干年的代表性時(shí)期，可用該時(shí)期徑流資料進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的成果來近似地反映長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的結(jié)果。與設(shè)計(jì)代表年類似，設(shè)計(jì)代表期也是徑流調(diào)節(jié)的一種簡(jiǎn)化法，它適用于多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。設(shè)計(jì)枯水年組及中水代表期是常采用的兩種代表期。,設(shè)計(jì)代表期,3、設(shè)計(jì)代表年和代表期的選擇,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),（1）設(shè)計(jì)枯水年組,多年調(diào)節(jié)水庫(kù)調(diào)節(jié)周期為若干年。一般情況下，由于水文資料的限制，能獲得的完整調(diào)節(jié)周期數(shù)是不多的。因此，很難通過枯水年系列頻率分析來選定設(shè)計(jì)枯水年組，通常采用扣除允許破壞年數(shù)的方法加以確定，即,設(shè)計(jì)代表期,3、設(shè)計(jì)代表年和代表期的選擇,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),（2）中水代表期,采用中水代表期進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的目的是推求水庫(kù)的多年平均效益指標(biāo)。選擇中水年組時(shí)應(yīng)考慮以下條件：,（i）代表期應(yīng)有豐、中、枯水年，至少有一個(gè)完整的調(diào)節(jié)周期；,設(shè)計(jì)代表期,3、設(shè)計(jì)代表年和代表期的選擇,10-2水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),（ii）代表期的平均流量與長(zhǎng)系列徑流資料的多年平均流量相近；,（iii）代表期的年徑流變差系數(shù)Cv與長(zhǎng)系列相近。,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,1、水庫(kù)的水量損失,水庫(kù)建成蓄水后，因改變河流天然狀況及庫(kù)內(nèi)外水力條件而引起額外的水量損失，主要包括蒸發(fā)損失和滲透損失，在寒冷地區(qū)還有可能有結(jié)冰損失。,水庫(kù)的蒸發(fā)損失,水庫(kù)蓄水后，使庫(kù)區(qū)形成廣闊水面，原有的陸面蒸發(fā)變?yōu)樗嬲舭l(fā)。由于流入水庫(kù)的徑流資料是根據(jù)建庫(kù)前壩址附近觀測(cè)資料整編得出，其中已計(jì)入陸面蒸發(fā)部分。因此，計(jì)算時(shí)段t（年、月）水庫(kù)的蒸發(fā)損失是指由陸面面積變?yōu)樗婷娣e所增加的額外蒸發(fā)量，即,水庫(kù)的滲漏損失,建庫(kù)之后，由于水庫(kù)蓄水，水位抬高，水壓力的增大改變了庫(kù)區(qū)周圍地下水的流動(dòng)狀態(tài)，因而產(chǎn)生了水庫(kù)的滲漏損失。水庫(kù)的滲漏損失主要包括下面幾個(gè)方面：,（l）通過能透水的壩身(如土壩、堆石壩等)的滲漏，以及閘門、水輪機(jī)等的漏水；（2）通過壩基及繞壩兩翼的滲漏；（3）通過庫(kù)底、庫(kù)周流向較低的透水層的滲漏。,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,1、水庫(kù)的水量損失,結(jié)冰損失,結(jié)冰損失是指嚴(yán)寒地區(qū)冬季水庫(kù)水面形成冰蓋，隨著供水期水庫(kù)水位的消落，一部分庫(kù)周的冰層將暫時(shí)滯留于庫(kù)周邊岸，而引起水庫(kù)蓄水量的臨時(shí)損失。這項(xiàng)損失一般不大，可根據(jù)結(jié)冰期庫(kù)水位變動(dòng)范圍的面積及冰層厚度估算。,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,1、水庫(kù)的水量損失,保證自流灌溉必要的引水高程,自流灌溉對(duì)引水渠首的高程有一定要求（見圖中的A點(diǎn)），這個(gè)高程（即水庫(kù)放水建筑物的下游水位）可根據(jù)灌區(qū)控制高程及引水渠的縱坡和渠道長(zhǎng)度推算而得。,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,庫(kù)區(qū)淹沒、浸沒,經(jīng)常性淹沒區(qū)域，一般指正常蓄水位以下的庫(kù)區(qū)，由于經(jīng)常被淹，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此，在此范圍內(nèi)的居民、城鎮(zhèn)、工礦企業(yè)、通信及輸電線路、交通設(shè)施等大多需搬遷、改線，土地也很少能被利用；,淹沒通常分為經(jīng)常性淹沒和臨時(shí)性淹沒兩類。,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,臨時(shí)性淹沒區(qū)域，一般指正常蓄水位以上至校核洪水位之間的區(qū)域，被淹沒機(jī)會(huì)較小，受淹時(shí)間也短暫，可根據(jù)具體情況確定哪些遷移，哪些進(jìn)行防護(hù)，區(qū)內(nèi)的土地資源大多可以合理利用。,淹沒通常分為經(jīng)常性淹沒和臨時(shí)性淹沒兩類。,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,庫(kù)區(qū)淹沒、浸沒,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,浸沒是指庫(kù)水位抬高后引起庫(kù)區(qū)周圍地區(qū)地下水位上升所帶來的危害，如可能使農(nóng)田發(fā)生次生鹽堿化，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)；可能形成局部的沼澤地，使環(huán)境衛(wèi)生條件惡化；還可能使土壤失去穩(wěn)定，引起建筑物地基的不均勻沉陷，以致發(fā)生裂縫或倒塌。,水庫(kù)周圍的浸沒范圍一般可采用正常蓄水位或一年內(nèi)持續(xù)兩個(gè)月以上的運(yùn)行水位為測(cè)算依據(jù)。,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,庫(kù)區(qū)淹沒、浸沒,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,在天然河流上筑壩建庫(kù)后，隨著庫(kù)區(qū)水位的抬高，水面加寬，水深增大，過水?dāng)嗝鏀U(kuò)大，水力坡降變緩，水流速度減小。,原河道水力特性的這種變化，降低了水流挾沙能力，也改變了原河道的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，導(dǎo)致大量泥沙在庫(kù)區(qū)逐漸沉淀淤積。這一情況說明，水庫(kù)的建造，帶來河流泥沙的淤積。,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,水庫(kù)淤積,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,泥沙淤積對(duì)水庫(kù)運(yùn)用和上下游河流產(chǎn)生的不良影響是多方面的。,淤積使水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容減少，降低水庫(kù)調(diào)節(jié)水量的能力和綜合利用的效益。壩前淤積，使電站進(jìn)水口水流含沙濃度增大，泥沙粒徑變粗，引起對(duì)過水建筑物和水輪機(jī)的磨損，影響建筑物和設(shè)備的安全和壽命。,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,水庫(kù)淤積,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,庫(kù)尾淤積體向庫(kù)區(qū)推進(jìn)的同時(shí)，也向上游延伸，即所謂“翹尾巴”，因而抬高庫(kù)尾水位，擴(kuò)大庫(kù)區(qū)的淹沒和浸沒損失。水庫(kù)下游則由于泄放清水，水流夾沙能力增大，引起對(duì)下游河床的沖刷，水位降低，甚至河槽變形。,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,水庫(kù)淤積,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,水庫(kù)泥沙淤積的類型,影響水庫(kù)淤積的因素很多，主要有水庫(kù)的入庫(kù)水流的含沙量多少及其年內(nèi)分配、庫(kù)區(qū)地形、地質(zhì)特性以及水庫(kù)的運(yùn)用方式等。從已建水庫(kù)的大量觀測(cè)資料分析，我國(guó)水庫(kù)泥沙淤積的縱向形態(tài)可分為三角洲淤積形態(tài)、錐形淤積形態(tài)、帶狀淤積形態(tài)三種基本類型：,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,（i）三角洲淤積形態(tài)。庫(kù)內(nèi)泥沙淤積體的縱剖面呈三角形形狀的稱為三角形淤積。當(dāng)河流含沙量大時(shí)，庫(kù)區(qū)開闊，庫(kù)容較大，庫(kù)水位變幅小，泥沙易于在庫(kù)尾淤積形成三角洲，并且隨著水庫(kù)淤積的發(fā)展，三角洲逐漸向壩前靠近，所以這類淤積有相當(dāng)部分的泥沙淤積是在有效庫(kù)容內(nèi)，如官?gòu)d水庫(kù)和劉家峽水庫(kù)就屬于這種類型。,水庫(kù)泥沙淤積的類型,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,（ii）錐形淤積形態(tài)。常見于多沙河流上的中小型水庫(kù)。由于庫(kù)區(qū)較短，庫(kù)容小，水深不大，底坡較陡，庫(kù)內(nèi)行近流速比較大，泥沙淤積首先靠近大壩，以后淤積逐漸向上游發(fā)展，呈錐形淤積。,水庫(kù)泥沙淤積的類型,考慮水庫(kù)泥沙淤積的需要,10-3水庫(kù)水量損失及水庫(kù)死水位選擇,2、水庫(kù)死水位的選擇,（iii）帶狀淤積形態(tài)。當(dāng)水庫(kù)來沙少，庫(kù)區(qū)狹長(zhǎng)，水位變