水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)基本原理

水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)計(jì)算 第一節(jié)水庫(kù)調(diào)洪的任務(wù)第二節(jié)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算原理第三節(jié)水庫(kù)防洪列表計(jì)算第四節(jié)水庫(kù)防洪半圖解法 洪水會(huì)造成哪些危害 沖垮河堤 洪水會(huì)造成哪些危害 淹沒(méi)農(nóng)田與村莊 洪水會(huì)造成哪些危害 破壞交通等公共設(shè)施 洪水會(huì)造成哪些危害 造成人畜傷亡 對(duì)沿岸城市構(gòu)成巨大威脅 洪水會(huì)造成哪些危害 抗洪搶險(xiǎn) 加固大堤 防御洪水災(zāi)害 第一節(jié)水庫(kù)調(diào)洪的任務(wù) 一 我國(guó)基本情況及治理二 水庫(kù)的調(diào)洪計(jì)算任務(wù) 一 我國(guó)基本情況及治理 1 我國(guó)洪災(zāi)基本情況我國(guó)是洪水災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家 據(jù)記載 自公元前206年 公元1949年 共發(fā)生洪災(zāi)1092次 平均每?jī)赡昃桶l(fā)生一次水災(zāi) 1949 1988年間 平均每年受災(zāi)面積達(dá)1 2億畝 成災(zāi)0 8億畝 主要江河都發(fā)生過(guò)較大洪水 進(jìn)入九十年代 隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展 洪水損失呈加速上升之態(tài)勢(shì) 1990年的洪水直接經(jīng)濟(jì)損失為239 0億元 1994 1995年為1796 6億元 1653 3億元 連續(xù)兩年突破千億元 1998年由于長(zhǎng)江 松花江 嫩江流域遭遇歷史罕見(jiàn)洪水 全年洪水直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2642 0億元 洪水災(zāi)害對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅 75 8 洪水 98 洪水 長(zhǎng)江流域發(fā)生了僅次于1954年的全流域型大洪水 嫩江流域 松花江干流發(fā)生了超過(guò)歷史實(shí)測(cè)記錄的特大洪水 長(zhǎng)江九江大堤發(fā)生決口 全國(guó)800多萬(wàn)人參加了抗洪搶修 調(diào)用搶險(xiǎn)物料總價(jià)值130多億元 抗洪搶險(xiǎn)期間形成了 萬(wàn)眾一心 眾志成城 不怕困難 頑強(qiáng)拼搏 堅(jiān)韌不拔 敢于勝利 的偉大抗洪精神 長(zhǎng)江水災(zāi) 漢初至清末近2100年水災(zāi)214次 平均10年一次大洪水年份宜昌站流量損失17888 6萬(wàn)沙市以上潰22處 18609 25萬(wàn)受淹3萬(wàn)多KM2 187010 5萬(wàn)受淹3萬(wàn)多KM2 19316 46萬(wàn)亡14 5萬(wàn) 19355 69萬(wàn)亡14 2萬(wàn) 19495 79萬(wàn)亡5699 19546 61萬(wàn)亡33169 19986 33萬(wàn)亡1432人 淹沒(méi)耕地358 6萬(wàn)畝 受災(zāi)人口231 6萬(wàn) 2 治理措施 1 對(duì)于自然因素 須通過(guò)各種工程措施進(jìn)行抵御 如興修堤防 整治河道 興建水庫(kù)及分洪滯洪工程 開(kāi)挖新河和水土保持等 2 對(duì)于人為因素 需要在防洪的指導(dǎo)思想上來(lái)個(gè)轉(zhuǎn)變和發(fā)展 國(guó)內(nèi)外已先后逐漸采取的工程措施和非工程措施想結(jié)合抗御洪水的辦法即是此防洪思想和策略的發(fā)展 比較有效 防洪措施簡(jiǎn)介 防洪措施 工程措施 非工程措施 修筑堤防 河道整治 開(kāi)辟分洪道和分蓄洪工程 水庫(kù)攔洪 水土保持 洪泛區(qū)管理 建立洪水預(yù)報(bào)和洪水警報(bào)系統(tǒng) 洪水保險(xiǎn) 疏浚河道 興修堤防 修建水庫(kù) 分洪區(qū)分洪 水土保持工程 二水庫(kù)調(diào)洪的任務(wù) 任務(wù) 在水工建筑物或下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下 根據(jù)水文分析計(jì)算提供的各種標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)洪水或已知的設(shè)計(jì)入庫(kù)洪水過(guò)程線 水庫(kù)特性曲線 擬定的泄洪建筑物的形式和尺寸 調(diào)洪方式等 通過(guò)計(jì)算 推求出水庫(kù)的出流過(guò)程 最大下泄流量 特征庫(kù)容和相應(yīng)的特征洪水位 作用 攔蓄洪水 削減洪峰 延長(zhǎng)泄洪時(shí)間 使下泄流量能安全通過(guò)下游河道 水庫(kù)調(diào)節(jié)洪水示意圖 無(wú)閘門(mén)情形一 無(wú)閘門(mén)情形二 有閘門(mén)情形一 有閘門(mén)情形二 第二節(jié)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的原理 調(diào)洪計(jì)算的目的 研究課題 一定的水庫(kù)擬定的泄洪建筑物 防洪標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型 尺寸防洪限制水位入庫(kù)洪水過(guò)程下游安全泄量 出庫(kù)洪水過(guò)程 最大下泄流量 防洪特征庫(kù)容 特征水位 一 洪水調(diào)節(jié)計(jì)算原理1 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的直接目的 在于求出水庫(kù)逐時(shí)段的蓄水 泄水變化過(guò)程 從而獲得調(diào)節(jié)該次洪水后的水庫(kù)最高洪水位和最大下泄流量 供進(jìn)一步防洪計(jì)算分析之用 2 水庫(kù)調(diào)洪演算要遇到兩種情況 一種為下泄流量受到控制的調(diào)洪演算 其控制調(diào)節(jié)方式由水庫(kù)防洪運(yùn)行規(guī)則決定 這只有在有閘門(mén)控制的泄洪設(shè)備條件下才存在 另一種情況為自由泄洪條件下的調(diào)洪演算 無(wú)閘門(mén)溢洪道泄流 或設(shè)閘門(mén)開(kāi)啟程度一定的條件下泄流屬此種情況 基本原理 水庫(kù)水量平衡方程在某一時(shí)段內(nèi) 入庫(kù)水量減去出庫(kù)水量 應(yīng)等于該時(shí)段內(nèi)水庫(kù)增加或減少的蓄水量 水量平衡方程為 Q q m3 s t min Q t q t qmax Qi Qi 1 qi qi 1 V2 V1 ti ti 1 t 水量平衡方程 水庫(kù)水量平衡示意圖 一個(gè)方程兩個(gè)未知數(shù)沒(méi)有辦法求解 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的實(shí)用公式 瞬態(tài)法 水量平衡方程 蓄泄方程 方程或曲線 可按泄洪建筑物的水力特性換算得到 1 堰流H即為庫(kù)水位Z與堰頂高程之差 2 泄洪洞H即為庫(kù)水位Z與閘孔中心高程之差根據(jù)H與q的關(guān)系曲線求出Z與q的關(guān)系曲線q f z 由水庫(kù)水位z在水庫(kù)容積特性曲線上 求出相應(yīng)的水庫(kù)蓄水容積V 于是 最終求出下泄流量q與庫(kù)容V的關(guān)系曲線q f V 第三節(jié)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算列表試算法 水利規(guī)劃中 常需要根據(jù)水工建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或下游的防洪標(biāo)準(zhǔn) 按水文學(xué)中介紹的方法去推求設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程線 對(duì)于調(diào)洪計(jì)算來(lái)說(shuō) 入庫(kù)洪水流量過(guò)程線及下游所允許的水庫(kù)最大泄流量都是已知的 并且對(duì)于初步擬定的方案 汛限水位及泄洪建筑物的樣式尺寸也是確定的 調(diào)洪計(jì)算就是在這些已知條件下 推求泄洪的過(guò)程線 攔蓄洪水庫(kù)容和水庫(kù)水位變化過(guò)程線 列表試算法在水利規(guī)劃中 常需根據(jù)水工建筑物的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或下游防洪標(biāo)準(zhǔn) 按工程水文中所介紹的方法 去推求設(shè)計(jì)洪水流量過(guò)程線 已知 入庫(kù)洪水過(guò)程及下游允許水庫(kù)下泄的最大流量水庫(kù)汛期防洪限制水位泄洪建筑物的型式和尺寸推求 下泄洪水過(guò)程線攔蓄洪水的庫(kù)容和水庫(kù)水位的變化 一 計(jì)算步驟 1 由已知的水庫(kù)水位容積關(guān)系曲線V f Z 和泄流建筑物方案 用水力學(xué)公式求出下泄流量與庫(kù)容的關(guān)系曲線q f V 2 選取合適的計(jì)算時(shí)段 t 以秒為計(jì)算單位 3 決定開(kāi)始計(jì)算的時(shí)刻和此時(shí)刻的V1 q1值 然后列表計(jì)算 4 計(jì)算過(guò)程中 對(duì)每一計(jì)算時(shí)段的V2 q2值都要進(jìn)行試算 先假定一個(gè)q2值 根據(jù)水量平衡方程求出V2 然后按此V2值在q V曲線上查出q2值 若與假定的q2不相等 則要重新假定一個(gè)q2值 重復(fù)上述試算過(guò)程 直至兩者相等或很接近為止 5 這樣多次演算求得的q2 V2值就是下一時(shí)段的q1 V1值 可依據(jù)此值進(jìn)行下一時(shí)段的試算 6 將計(jì)算結(jié)果繪制成曲線 供查閱 7 最后算出qmax Vmax Zmax 2 列表式算法計(jì)算原理 求解思路 假定 方程 1 方程 2 是 輸出結(jié)果 否 例 某水庫(kù)的泄洪建筑物型式和尺寸已定 設(shè)有閘門(mén) 堰頂高程為36 0m 水庫(kù)的運(yùn)行方式是 在洪水來(lái)臨時(shí) 先用閘門(mén)控制q使其等于Q 水庫(kù)保持在汛期防洪限制水位 38 0m 當(dāng)Q繼續(xù)增大 使閘門(mén)達(dá)到全開(kāi) 以后就不用閘門(mén)控制 q隨z的升高而加大 流態(tài)為自由泄流 qmax也不限制 與無(wú)閘門(mén)控制情況相同 水庫(kù)容積特性V f z 根據(jù)泄洪建筑物型式和尺寸算出的水位與下泄流量關(guān)系曲線q f z 見(jiàn)表2 求水庫(kù)的下泄流量過(guò)程 庫(kù)水位變化情況 最大下泄流量 水庫(kù)達(dá)到的最高水位及發(fā)生的相應(yīng)時(shí)刻 3 3列表試算法實(shí)例 表某水庫(kù)V f Z q f Z 曲線 閘門(mén)全開(kāi) 返回例題 返回分析 圖3 2某水庫(kù)V f Z q f Z 曲線 從第18h起 Q開(kāi)始大于173 9m3 s 水庫(kù)開(kāi)始蓄水 因此 以第18h為起調(diào)時(shí)刻 此時(shí)初始的q1為173 9m3 s 而初始的V1為6450 104m3 然后 按式 3 2 進(jìn)行計(jì)算 相應(yīng)數(shù)據(jù)列入表中 數(shù)字下有橫線者為初始已知值 表3 3調(diào)洪計(jì)算列表試算法 第一個(gè)計(jì)算時(shí)段第18 21h q1 173 9m3 s V1 6450 104m3 Q1 174m3 s Q2 340m3 s 對(duì)q2 v2要進(jìn)行試算 試算過(guò)程 入庫(kù)洪水過(guò)程線 下泄洪水過(guò)程線 水庫(kù)水位過(guò)程線 在第36h Z 40 5m V 10232 104m3 Q 900m3 s q 78lm3 s 而在第39h Z 40 51m V l0280 l04m3 Q 7604m3 q 790m3 s 按前述水庫(kù)調(diào)洪的原理 當(dāng)qmax出現(xiàn)時(shí) 一定是q Q 此時(shí)Z V均達(dá)最大值 顯然 qmax將出現(xiàn)在第36h與第39h之間 在表3 4中并未算出 通過(guò)進(jìn)一步試算 在第38h16min處 可得出qmax Q 795m3 s Zmax 40 52m Vmax 10290 104m3 也可通過(guò)圖解近似定出相應(yīng)值 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的列表試算法 第四節(jié)水庫(kù)調(diào)洪半圖解法 雙輔助線法 參看課本p163 單輔助線法 一 調(diào)洪演算雙輔助線法雙輔助線法 先將式 3 1 改寫(xiě)成式中式中左端各項(xiàng)為已知值 可制作關(guān)系曲線 見(jiàn)下圖 以此作為輔助曲線 便可避免調(diào)洪演算中的試算 而可按下圖箭頭所示方法進(jìn)行演算 2020年4月20日3時(shí)33分 51 半圖解法中必需的兩根輔助線 水位 下泄流量關(guān)系曲線 本方法屬于半圖解法中的雙輔助線法 半圖解法的計(jì)算步驟 1 1 根據(jù)已知的入庫(kù)洪水流量過(guò)程線 水庫(kù)水位容積關(guān)系曲線 汛期防洪限制水位 計(jì)算時(shí)段 t等 確定調(diào)洪計(jì)算的起始時(shí)段 并劃分各計(jì)算時(shí)段 算出各時(shí)段的平均入庫(kù)流量 并定出第一時(shí)段初始的Z1 q1 V1值 半圖解法的計(jì)算步驟 2 2 在圖3 4的水位坐標(biāo)軸上量取第一時(shí)段的Z1 得a點(diǎn) 作水平線ac交曲線A于b點(diǎn) 并使bc 因曲線A是 V t q 2 f1 z a點(diǎn)代表Z1 ab V1 t q1 2 ac V1 t q1 2 按式 3 5 即等于 V2 t q2 2 3 從c點(diǎn)作垂線交曲線B于d點(diǎn) 過(guò)d點(diǎn)作水平線de交水位坐標(biāo)軸于e 顯然de ac V2 t q2 2 因曲線B是 V t q 2 f2 Z d點(diǎn)在曲線B上 e就應(yīng)代表Z2 從e點(diǎn)可讀出Z2值 半圖解法的計(jì)算步驟 3 A B C A B C 半圖解法的計(jì)算步驟 4 A B C A B C 4 de交曲線C于f點(diǎn) 過(guò)f點(diǎn)作垂線交q坐標(biāo)軸于g點(diǎn) 因曲線C是q f3 Z e代表Z2 而ef是q2 即從g點(diǎn)可以讀出q2的值 半圖解法的計(jì)算步驟 5 根據(jù)Z2值 利用水庫(kù)水位容積關(guān)系曲線可求出V2的值 6 將e點(diǎn)所代表的Z值作為第二時(shí)段的Z1 按上述方法依次進(jìn)行圖解計(jì)算 又可求出第二時(shí)段的Z2 Q2 V2值 按逐時(shí)段進(jìn)行計(jì)算 將結(jié)果列表 即完成全部計(jì)算 水庫(kù)調(diào)洪半圖解法的實(shí)例 例3 1 某水庫(kù)的泄洪建筑物型式和尺寸已定 設(shè)有閘門(mén) 堰頂高程為36 0m 水庫(kù)的運(yùn)行方式是 在洪水來(lái)臨時(shí) 先用閘門(mén)控制q使其等于Q 水庫(kù)保持在汛期防洪限制水位 38 0m 當(dāng)Q繼續(xù)增大 使閘門(mén)達(dá)到全開(kāi) 以后就不用閘門(mén)控制 q隨z的升高而加大 流態(tài)為自由泄流 qmax也不限制 與無(wú)閘門(mén)控制情況相同 水庫(kù)容積特性v f z 根據(jù)泄洪建筑物型式和尺寸算出的水位與下泄流量關(guān)系曲線q f z 3 3水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的半圖解法 例3 2 某水庫(kù)及原始資料均與 例3 1 相同 用半圖解法進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算 表3 2某水庫(kù)V f Z q f Z 曲線 閘門(mén)全開(kāi) 解