水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)基本原理

1、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)造成哪些危害洪水會(huì)造成哪些危害? ? 沖垮河堤沖垮河堤 洪水會(huì)造成哪些危害洪水會(huì)造成哪些危害? ? 淹沒(méi)農(nóng)田與村莊淹沒(méi)農(nóng)田與村莊 洪水會(huì)造成哪些危害洪水會(huì)造成哪些危害? ? 破壞交通等公共設(shè)施破壞交通等公共設(shè)施 洪水會(huì)造成哪些危害洪水會(huì)造成哪些危害? ? 造成人畜傷亡造成人畜傷亡 對(duì)沿岸城市構(gòu)成巨大威脅對(duì)沿岸城市構(gòu)成巨大威脅 洪水會(huì)造成哪些危害洪水會(huì)造成哪些危害? ? 抗洪搶險(xiǎn)抗洪搶險(xiǎn)加固大堤加固大堤 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

2、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

3、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 1788 8.6 萬(wàn) 沙市以上潰沙市以上潰22處；處； 1860 9.25 萬(wàn) 受淹受淹3萬(wàn)多萬(wàn)多KM2； 1870 10.5 萬(wàn) 受淹受淹3萬(wàn)多萬(wàn)多KM2

4、； 1931 6.46萬(wàn) 亡14.5萬(wàn)； 1935 5.69萬(wàn) 亡14.2萬(wàn)； 1949 5.79萬(wàn) 亡5699； 1954 6.61萬(wàn) 亡33169 ； 1998 6.33萬(wàn) 亡1432人，淹沒(méi)耕地淹沒(méi)耕地358.6萬(wàn)畝，萬(wàn)畝， 受災(zāi)人口受災(zāi)人口231.6萬(wàn)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)介防洪措施簡(jiǎn)介 防洪措施

5、防洪措施 工程措施工程措施 非工程措施非工程措施 修筑堤防修筑堤防 河道整治河道整治 開辟分洪道和分蓄洪工程開辟分洪道和分蓄洪工程 水庫(kù)攔洪水庫(kù)攔洪 水土保持水土保持 洪泛區(qū)管理洪泛區(qū)管理 建立洪水預(yù)報(bào)和洪水警報(bào)系統(tǒng)建立洪水預(yù)報(bào)和洪水警報(bào)系統(tǒng) 洪水保險(xiǎn)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)任務(wù)：在水工建筑物或下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)：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)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)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)

6、特性曲線、擬定的泄洪建筑物的形式和尺寸、調(diào)洪特性曲線、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。下泄流量、特征庫(kù)容和相應(yīng)的特征洪水位。 作用：作用：攔蓄洪水，削減洪峰，延長(zhǎng)泄洪時(shí)間，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。使下泄流量能安全通過(guò)下游河道。 水庫(kù)調(diào)節(jié)洪水示意圖水庫(kù)調(diào)節(jié)洪水示意圖 Qt Zt qt 庫(kù) 水 位 Z 流 量 Q q (a) V蓄 無(wú)閘門情形一 無(wú)閘門情形二 有閘門情形一 有閘門情形二 第二節(jié) 水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的原理 調(diào)洪計(jì)算的目

7、的（研究課題）： 一定的水庫(kù)一定的水庫(kù) 擬定的泄洪建筑物擬定的泄洪建筑物 防洪標(biāo)準(zhǔn)防洪標(biāo)準(zhǔn) 類型、尺寸類型、尺寸 防洪限制水位防洪限制水位 入庫(kù)洪水過(guò)程入庫(kù)洪水過(guò)程 下游安全泄量下游安全泄量 出庫(kù)出庫(kù) 洪水洪水 過(guò)程過(guò)程 最大最大 下泄下泄 流量流量 防洪防洪 特征特征 庫(kù)容庫(kù)容 特征特征 水位水位 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

8、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)閘門溢洪道泄流、或設(shè)閘門開 啟程度一定的條件下泄流屬此種情況。 基本原理：基本原理：水庫(kù)水量平衡方程水庫(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)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：段內(nèi)水庫(kù)增加或減少的蓄水量。水量平衡方程為： 22 Vq 、 Q、q(m3/s) t (min) Qt qt qmaxQi Qi+1 qi qi+1 V2-V1 titi+1 t 12 2121 22 VVt qq t QQ 水量平衡方程水量平衡方程 tQ 11 Vq、 t

9、 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： 2 3 1BH Mq 溢 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)根據(jù)H H與與q q的關(guān)系曲線求出的關(guān)系曲線求出Z Z與與q q的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線q=f(z)q=f(z)。由水。由水 庫(kù)水位庫(kù)水位z 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 V。 于是，最終求出下泄流量于是，最終求出下泄流量

10、q q與庫(kù)容與庫(kù)容V V的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線q=f(V)q=f(V) 2 1 2 HMq 洞 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

11、：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qV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

12、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. 2. 列表式算法計(jì)算原理列表式算法計(jì)算原理 求解思路： 假定 2 q 2 V , 2 q 方程（1） 方程（2） , 2 ? 2 qq 是 輸出結(jié)果輸出結(jié)果 否 例例某水庫(kù)的泄洪建筑物型式和尺寸已定，設(shè)有閘某水庫(kù)的泄洪建筑物型式和尺寸已定，設(shè)有閘 門，堰頂高程為門，堰頂高程為36.0m。水庫(kù)的運(yùn)行方式是：在洪水庫(kù)的運(yùn)行方式是：在洪 水來(lái)臨時(shí)，先用閘門控制水來(lái)臨時(shí)，先用閘門控

13、制q使其等于使其等于Q，水庫(kù)保持，水庫(kù)保持 在汛期防洪限制水位在汛期防洪限制水位(38.0m)。當(dāng)當(dāng)Q繼續(xù)增大，使閘繼續(xù)增大，使閘 門達(dá)到全開，以后就不用閘門控制，門達(dá)到全開，以后就不用閘門控制，q隨隨z的升高而的升高而 加大，流態(tài)為自由泄流，加大，流態(tài)為自由泄流，qmax也不限制，與無(wú)閘門也不限制，與無(wú)閘門 控制情況相同。控制情況相同。水庫(kù)容積特性水庫(kù)容積特性Vf(z)、根據(jù)泄洪建、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)見表見表2。 求水庫(kù)的下泄流量過(guò)程、庫(kù)水位變化情況、最大下求水庫(kù)的下泄流量過(guò)程、庫(kù)水位變化情況、最大下

14、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。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。 水位水位Z(m)36.0 36.5 37.0 37.5 38.5 39.0 39.5 40.0 40.5 41.0 庫(kù)容庫(kù)容V(m3) 433048005310586070807760854094201025011200 下泄流量下泄流量 q(m3/s) 022.5 55.0 105.0 267.2 378.3 501.9 638.9 786.1 946.0 表 某水庫(kù)V=f(Z)、q=f(Z)曲線(閘門全開) 返回例題 返回分析 V=f(Z)、q=f(Z)曲線 表3-3 調(diào)洪計(jì)算列表試算法 21 121

15、2 11 32 22 VVV Qq( QQ)( qq)() tt 第一個(gè)計(jì)算時(shí)段第18-21h，q1173.9m3/s，V1=6450104m3，Q1 174m3/s，Q2340m3/s。對(duì)q2 、v2要進(jìn)行試算，試算過(guò)程。 21 1212 11 3 2 22 VVV (QQ )(qq )() tt 入庫(kù)洪水過(guò)程線 入庫(kù)流量Q(m3/s) 下泄流量q(m3/s) 2000 1500 1000 500 0 41 40 39 38 0 10 20 30 40 50 時(shí)間t(h) 0 10 20 30 40 50 時(shí)間t(h) qmax Zmax V蓄 下泄洪水過(guò)程線 水庫(kù)水位過(guò)程線 在第在第36h

16、，Z40.5m，V10 232104m3， Q=900m3/s，q78lm3/s； 而在第而在第39h，Z=40.51m，V=l 0280l04m3,Q=7604m3, q=790m3/s。 按前述水庫(kù)調(diào)洪的原理，當(dāng)按前述水庫(kù)調(diào)洪的原理，當(dāng)q max出現(xiàn)時(shí)，一定是出現(xiàn)時(shí)，一定是q Q，此時(shí)，此時(shí)Z、V均達(dá)最大值。均達(dá)最大值。 顯然，顯然，q max將出現(xiàn)在第將出現(xiàn)在第36h與第與第39h之間，在表之間，在表3-4 中并未算出。通過(guò)進(jìn)一步試算，在第中并未算出。通過(guò)進(jìn)一步試算，在第38h16min處，處， 可得出可得出qmaxQ795m3/s，Zmax=40.52m，Vmax 10290104m3

17、。 也可通過(guò)圖解近似定出相應(yīng)值。也可通過(guò)圖解近似定出相應(yīng)值。 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）改寫成 式中 式中左端各項(xiàng)為已知值，可制作 關(guān)系曲線（見下圖），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 22 2211 q t V Q q t V 時(shí)段平均入庫(kù)流量tQ 2 q t V z 2 q t V z )() 2 ( 2 Zf q t V )() 2 ( 1 Zf q t V )( 3 Zfq 水位下泄流量 關(guān)系曲線 Z Z Z(m) A B C A B C ) 5

18、3() 2 () 2 ( 2211 q t Vq t V Q Q A B C A B C (2)在圖在圖3-4的水位坐標(biāo)的水位坐標(biāo) 軸上量取第一時(shí)段的軸上量取第一時(shí)段的Z1， 得得a點(diǎn)點(diǎn)。作水平線。作水平線ac交交 曲線曲線A于于b點(diǎn)，并點(diǎn)，并 使使bc= 。 因曲線因曲線A是（是（V/t- q/2)=f1(z），），a點(diǎn)代表點(diǎn)代表 Z1，ab=(V1/t-q1/2)， ac= + (V1/t-q1/2)， 按式按式(3-5)，即等于，即等于 （V2/t+q2/2）。）。 Q Q ) 53 () 2 () 2 ( 2211 q t Vq t V Q A B C AB C A B C AB C

19、解解 Q g q2 Z2 e f d Z1 b c a ) 2 ( 11 q t V Q 22 2 Vq t 下泄流量下泄流量q(m3/s) 表表3-6 調(diào)洪計(jì)算半圖解法調(diào)洪計(jì)算半圖解法 ( (雙輔助線法）雙輔助線法） 時(shí)間時(shí)間 t(h)t(h) 入庫(kù)洪水入庫(kù)洪水 流量流量 Q(mQ(m3 3/s)/s) 時(shí)段平均入時(shí)段平均入 庫(kù)流量庫(kù)流量 Q(mQ(m3 3/s)/s) 下泄流下泄流 量量 q(mq(m3 3/s)/s) 時(shí)段平均下時(shí)段平均下 泄流量泄流量 q(mq(m3 3/s)/s) 時(shí)段內(nèi)水庫(kù)存水時(shí)段內(nèi)水庫(kù)存水 量變化量變化V(V(萬(wàn)萬(wàn)m m3 3) ) 水庫(kù)存水水庫(kù)存水 量量V(V(

20、萬(wàn)萬(wàn)m m3 3) ) 水庫(kù)水位水庫(kù)水位 z(m)z(m) (1)(1)(2)(2)(3)(3)(4)(4)(5)(5)(6)(6)(7)(7)(8)(8) 1818174174257257173.9173.9180.5180.583836450645038.0 38.0 2121340340595595187187224.5224.54004006533653338.138.1 242485085013851385262262343.5343.5112511256933693338.438.4 27271920192016851685425425522.5522.51256125680588

21、05839.239.2 303014501450128012806206206776776516519314931439.939.9 33331110111010051005734734757.5757.52672679965996540.340.3 3636900900830830781781785.5785.54848102321023240.540.5 3939760760685685790790781781-104-104102801028040.5140.51 4242610610535535772772751.5751.5-234-234101761017640.440.4 454

22、5460460410410731731702.5702.5-316-3169942994240.340.3 4848360360325325674674645.5645.5-346-3469626962640.140.1 51512902906176179280928039.939.9 時(shí)間時(shí)間 t(h)t(h) 181821212424272730303333363639394242454548485151 水庫(kù)水水庫(kù)水 位位z(m)z(m) 383838.138.138.438.439.239.2404040.340.340.540.540.540.540.440.440.340.340.

23、140.139.939.9 水庫(kù)水水庫(kù)水 位位z1(m)z1(m) 383838.138.138.438.439.239.2404040.340.340.440.440.540.540.440.440.240.240.140.139.939.9 調(diào)洪計(jì)算列表試算法與半圖解法的對(duì)比 半圖解法 列表試算 法 利利 用用 輔輔 助助 線線 在在 圖圖 上上 求求 解。解。 Z1 abc d f g q2 e Z2 )( 1 Zf )( 2 Zf )( 3 Zf )/( 2 ),/( 2 ),/( 333 sm q t V sm q t V smQ 下泄流量q（m3/s） 0 Z(m) 2 )( 1 q t V Zf 2 )( 2 q t V Zf qZf)( 3 )( 2 q t V fq 二、單輔助曲線法二、單輔助曲線法 原理：原理： )( 222 112122 q t VQQq t V )( 2 q t V fq 雙輔助曲線雙輔助曲線 1222 )( 112122 q q t VQQq t V )( 2 q t V fq 單輔助曲