水库洪水调节基本原理

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,水库,洪水调节计算,第一节 水库调洪,的任务,第二节 水库调洪计算原理,第三节 水库防洪列表计算,第四节 水库防洪半图解法,洪水,会造成哪些危害,?,冲垮河堤,洪水,会造成哪些危害,?,淹没农田与村庄,洪水,会造成哪些危害,?,破坏交通等公共设施,洪水,会造成哪些危害,?,造成人畜伤亡,对沿岸城市构成巨大威胁,洪水,会造成哪些危害,?,抗洪抢险,加固大堤,防御洪水灾害,第一节 水库调洪,的任务,一,.,我国基本情况及治理,二,.,水库的调洪计算任务,一,.,我国基本情况及治理,1,、我国洪灾基本情况,我国是洪水灾害严重的国家。据记载：,自公元前,206,年,-,公元,1949,年，共发生洪灾,1092,次，平均每两年就发生一次水灾。,1949-1988,年间，平均每年受灾面积达,1.2,亿亩，成灾,0.8,亿亩，主要江河都发生过较大洪水。进入九十年代，随着经济的高速发展，洪水损失呈加速上升之态势；,1990,年的洪水直接经济损失为,239.0,亿元，,1994,、,1995,年为,1796.6,亿元、,1653.3,亿元，连续两年突破千亿元；,1998,年由于长江、松花江、嫩江流域遭遇历史罕见洪水，全年洪水直接经济损失高达,2642.0,亿元，洪水灾害对我国国民经济的可持续发展构成了严重威胁。,75.8,洪水,98,洪水,长江流域发生了仅次于,1954,年的全流域型大洪水。嫩江流域、松花江干流发生了超过历史实测记录的特大洪水。长江九江大堤发生决口。全国,800,多万人参加了抗洪抢修，调用抢险物料总价值,130,多亿元。抗洪抢险期间形成了“万众一心、众志成城、不怕困难、顽强拼搏、坚韧不拔、敢于胜利”的伟大抗洪精神,长江水灾,汉初至清末近,2100,年 水灾,214,次，平均,10,年一次,大洪水年份 宜昌站流量 损失,1788 8.6,万,沙市以上溃,22,处；,1860 9.25,万,受淹,3,万多,KM,2,；,1870 10.5,万,受淹,3,万多,KM,2,；,1931 6.46,万 亡,14.5,万；,1935 5.69,万 亡,14.2,万；,1949 5.79,万 亡,5699,；,1954 6.61,万 亡,33169,；,1998,6.33,万 亡,1432,人,，,淹没耕地,358.6,万亩，受灾人口,231.6,万,2.,治理措施,：,（,1,）对于,自然因素,，须通过各种,工程措施,进行抵御。如兴修堤防、整治河道、兴建水库及分洪滞洪工程、开挖新河和水土保持等。,（,2,）对于,人为因素,，需要在防洪的指导思想上来个转变和发展。国内外已先后逐渐采取的工程措施和非工程措施想结合抗御洪水的办法即是此防洪思想和策略的发展，比较有效,防洪措施简介,防洪措施,工程措施,非工程措施,修筑堤防,河道整治,开辟分洪道和分蓄洪工程,水库拦洪,水土保持,洪泛区管理,建立洪水预报和洪水警报系统,洪水保险,疏浚河道,兴修堤防,修建水库,分洪区分洪,水土保持工程,二 水库调洪的任务,任务,：在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下，根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水或已知的设计入库洪水过程线，水库特性曲线、拟定的泄洪建筑物的形式和尺寸、调洪方式等，通过计算，推求出水库的出流过程、最大下泄流量、特征库容和相应的特征洪水位。,作用：,拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，使下泄流量能安全通过下游河道。,水库调节洪水示意图,Q,t,Z,t,q,t,库水位,Z,流量,Q,q,(a),V,蓄,无闸门情形一,无闸门情形二,有闸门情形一,有闸门情形二,第二节 水库调洪计算的原理,调洪计算的目的（研究课题）：,一定的水库,拟定的泄洪建筑物,防洪标准,类型、尺寸,防洪限制水位,入库洪水过程,下游安全泄量,出库,洪水,过程,最大,下泄,流量,防洪,特征,库容,特征,水位,一,.,洪水调节计算原理,1.,水库调洪计算的,直接目的,，在于求出水库逐时段的蓄水、泄水变化过程，从而获得调节该次洪水后的水库最高洪水位和最大下泄流量，供进一步防洪计算分析之用。,2.,水库调洪演算要遇到,两种情况,：,一种,为下泄流量受到控制的调洪演算，其控制调节方式由水库防洪运行规则决定。这只有在有闸门控制的泄洪设备条件下才存在。,另一种,情况为自由泄洪条件下的调洪演算，无闸门溢洪道泄流、或设闸门开启程度一定的条件下泄流属此种情况。,基本原理：,水库水量平衡方程,在某一时段内，入库水量减去出库水量，应等于该时段内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡方程为：,Q,、,q(m,3,/s),t (min),Qt,qt,q,max,Q,i,Q,i+1,q,i,q,i+1,V,2,-V,1,t,i,t,i+1,t,水量平衡方程,水库水量平衡示意图,一个方程两个未知数没有办法求解,水库调洪计算的实用公式（瞬态法）：,水量平衡方程：,蓄泄方程：,方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算得到。,（,1,）堰流,H,即为库水位,Z,与堰顶高程之差,（,2,）泄洪洞,H,即为库水位,Z,与闸孔中心高程之差,根据,H,与,q,的关系曲线求出,Z,与,q,的关系曲线,q=,f(z,),。由水库水位,z,在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积,V,。于是，最终求出下泄流量,q,与库容,V,的关系曲线,q=,f(V,),第三节 水库调洪计算列表试算法,水利规划中，常需要根据水工建筑物的设计标准或下游的防洪标准，按水文学中介绍的方法去推求设计洪水流量过程线。对于调洪计算来说，入库洪水流量过程线及下游所允许的水库最大泄流量都是已知的。并且对于初步拟定的方案，汛限水位及泄洪建筑物的样式尺寸也是确定的。,调洪计算就是在这些已知条件下，推求泄洪的过程线、拦蓄洪水库容和水库水位变化过程线。,列表试算法,在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法，去推求设计洪水流量过程线。,已知：,入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量,水库汛期防洪限制水位,泄洪建筑物的型式和尺寸,推求：,下泄洪水过程线,拦蓄洪水的库容和水库水位的变化,一、计算步骤,（,1,）,由已知的水库水位容积关系曲线,V=f (Z),和泄流建筑物方案，用水力学公式求出下泄流量与库容的关系曲线,q=,f(V,),；,（,2,）,选取合适的计算时段,t,，以秒为计算单位；,（,3,）,决定开始计算的时刻和此时刻的,V1,、,q1,值，然后列表计算。,（,4,）,计算过程中，对每一计算时段的,V2,、,q2,值都要进行试算；先假定一个,q2,值，根据水量平衡方程求出,V2,然后按此,V2,值在,qV,曲线上查出,q2,值，若与假定的,q2,不相等，则要重新假定一个,q2,值，重复上述试算过程，直至两者相等或很接近为止。,（,5,）,这样多次演算求得的,q2,、,V2,值就是下一时段的,q1,、,V1,值，可依据此值进行下一时段的试算。,（,6,）,将计算结果绘制成曲线，供查阅。,（,7,）,最,后算出,q,max,，,V,max,，,Z,max,。,2.,列表式算法计算原理,求解思路：,假定,方程（,1,）,方程（,2,）,是,输出结果,否,例,某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸门，堰顶高程为,36.0m,。,水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制,q,使其等于,Q,，水库保持在汛期防洪限制水位,(38.0m),。,当,Q,继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，,q,随,z,的升高而加大，流态为自由泄流，,q,max,也不限制，与无闸门控制情况相同。,水库容积特性,V,f(z,),、根据泄洪建筑物型式和尺寸算出的水位与下泄流量关系曲线,q,f(,z,),见,表,2,。,求水库的下泄流量过程、库水位变化情况、最大下泄流量、水库达到的最高水位及发生的相应时刻。,3.3,列表试算法,实例,水位,Z(m,),36.0,36.5,37.0,37.5,38.0,38.5,39.0,39.5,40.0,40.5,41.0,库容,V(m,3,),4330,4800,5310,5860,6450,7080,7760,8540,9420,10250,11200,下泄流量,q(m,3,/s),0,22.5,55.0,105.0,173.9,267.2,378.3,501.9,638.9,786.1,946.0,表,某水库,V=,f(Z,),、,q=,f(Z,),曲线,(,闸门全开,),返回例题,返回分析,图,3-2,某水库,V=,f(Z,),、,q=,f(Z,),曲线,从第,18h,起，,Q,开始大于,173.9m,3,/s,，水库开始蓄水。因此，以第,18h,为起调时刻，此时初始的,q,1,为,173.9m,3,/s,，而初始的,V,1,为,645010,4,m,3,。,然后，按式,(3-2),进行计算。相应数据列入,表,中。数字下有横线者为初始已知值。,表,3-3,调洪计算列表试算法,时间,t(h,),入库洪水流量,Q(m,3,/s),时段平均入库流量,Q(m,3,/s),下泄流量,q(m,3,/s),时段平均下泄流量,q(m,3,/s),时段内水库存水量变化,V(,万,m,3,),水库存水量,V(,万,m,3,),水库水位,z(m,),(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),18,174,257,595,1385,1685,1280,1005,830,685,535,410,325,173.9,180.5,224.5,343.5,522.5,677,757.5,785.5,781,751.5,702.5,645.5,83,400,1125,1256,651,267,48,-104,-234,-316,-346,6450,38.0,21,340,187,6533,38.1,24,850,262,6933,38.4,27,1920,425,8058,39.2,30,1450,620,9314,39.9,33,1110,734,9965,40.3,36,900,781,10232,40.5,39,760,790,10280,40.51,42,610,772,10176,40.4,45,460,731,9942,40.3,48,360,674,9626,40.1,51,290,617,9280,39.9,第一个计算时段第,18-21h,，,q,1,173.9m,3,/s,，,V,1,=645010,4,m,3,，,Q,1,174m,3,/s,，,Q,2,340m,3,/s,。对,q,2,、,v,2,要进行试算，试算过程。,第一时段（第,1821,小时）的试算过程,时间,t,（,h),Q,(m,3,/s),Z,(m),V,(,万,m,3,),q,(m,3,/s),Q,均,(m,3,/s),q,均,(m,3,/s),V,(,万,m,3,),V,2,(,万,m,3,),q,2,(m,3,/s),Z,2,(m),18,173.9,38,6450,173.9,257,211,192.6,180.5,50,70,83,6450,21,340,38.4,6950,248,6500,180,38.04,38.2,6690,211,6520,182,38.06,38.1,6530,187,6533,187,38.1,入库洪水过程线,入库流量,Q(m,3,/s),下泄流量,q(m,3,/s),2000,1500,1000,500,0,41,40,39,38,0 10 20 30 40 50,时间,t(h,),0 10 20 30 40 50,时间,t(h,),q,max,Z,max,V,蓄,下泄洪水过程线,水库水位过程线,在第,36h,，,Z,40.5m,，,V,10 23210,4,m,3,，,Q,=900m,3,/s,，,q,78lm,3,/s,；,而在第,39h,，,Z,=40.51m,，,V,=l 0280l0,4,m,3,Q,=760,4,m,3,q,=790m,3,/s,。,按前述水库调洪的原理，当,q,max,出现时，一定是,q,Q,，此时,Z,、,V,均达最大值。,显然，,q,max,将出现在第,36h,与第,39h,之间，在表,3-4,中并未算出。通过进一步试算，在第,38h16min,处，可得出,q,max,Q,795m,3,/s,，,Z,max,=40.52m,，,V,max,1029010,4,m,3,。,也可通过图解近似定出相应值。,水库调洪计算的列表试算法,第四节 水库调洪半图解法,双,辅助线法,（参看课本,p163),单辅助线法,（一）调洪演算双辅助线法,双辅助线法：先将式（,3-1,）改写成,式中,式中左端各项为已知值，可制作,关系曲线（见下图），以此作为辅助曲线，便可避免调洪演算中的试算，而可按下图箭头所示方法进行演算,*,51,半图解法中必需的两根辅助线,水位,下泄流量关系曲线,本方法属于半图解法中的双辅助线法。,Z,Z,Z(m,),A,B,C,A,B,C,半图解法的计算步骤,(1),：,(1),根据已知的入库洪水流量过程线、水库水位容积关系曲线、汛期防洪限制水位、计算时段,t,等，确定调洪计算的起始时段，并划分各计算时段。算出各时段的平均入库流量 ，并定出第一时段初始的,Z,1,、,q,1,、,V,1,值。,A,B,C,A,B,C,半图解法的计算步骤,(2),：,(2),在,图,3-4,的水位坐标轴上量取第一时段的,Z,1,，得,a,点,。作水平线,ac,交曲线,A,于,b,点，并,使,bc,=,。,因曲线,A,是（,V,/,t,-,q,/2)=,f,1,(z,），,a,点代表,Z,1,，,ab,=(,V,1,/,t,-,q,1,/2),，,ac,= + (,V,1,/t-,q,1,/2),，按式,(3-5),，即等于（,V,2,/t+,q,2,/2,）。,(3),从,c,点作垂线交曲线,B,于,d,点，过,d,点作水平线,de,交水位坐标轴于,e,，显然,de=ac,=,（,V,2,/,t,+,q,2,/2,）。因曲线,B,是 （,V,/,t,-,q,/2)=,f,2,(Z,），,d,点在曲线,B,上，,e,就应代表,Z,2,，从,e,点可读出,Z,2,值,。,半图解法的计算步骤,(3),A,B,C,A,B,C,半图解法的计算步骤,(4),A,B,C,A,B,C,(4) de,交曲线,C,于,f,点，过,f,点作垂线交,q,坐标轴于,g,点。因曲线,C,是,q=f,3,(Z),e,代表,Z,2,而,ef,是,q,2,，即从,g,点可以读出,q,2,的值。,半图解法的计算步骤,:,(5),根据,Z,2,值，利用水库水位容积关系曲线可求出,V,2,的值,。,(6),将,e,点所代表的,Z,值作为第二时段的,Z,1,，按上述方法依次进行图解计算，又可求出第二时段的,Z,2,、,Q,2,、,V,2,值。按逐时段进行计算，将结果列表，即完成全部计算。,水库调洪半图解法的实例,例,3-1,某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸门，堰顶高程为,36.0m,。水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制,q,使其等于,Q,，水库保持在汛期防洪限制水位,(38.0m),。当,Q,继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，,q,随,z,的升高而加大，流态为自由泄流，,q,max,也不限制，与无闸门控制情况相同。水库容积特性,v,f(z,),、根据泄洪建筑物型式和尺寸算出的水位与下泄流量关系曲线,q,f(,z,),。,3.3,水库调洪计算的半,图解法,例,3-2,某水库及原始资料均与,例,3-1,相同，用半图解法进行调洪计算。,水位,Z(m,),36.0,36.5,37.0,37.5,38.0,38.5,39.0,39.5,40.0,40.5,41.0,库容,V(m,3,),4330,4800,5310,5860,6450,7080,7760,8540,9420,10250,11200,下泄流量,q(m,3,/s),0,22.5,55.0,105.0,173.9,267.2,378.3,501.9,638.9,786.1,946.0,表,3-2,某水库,V=,f(Z,),、,q=,f(Z,),曲线,(,闸门全开,),解,(1),根据已知的入库洪水流量过程线、水库水位容积关系曲线、汛期防洪限制水位、计算时段等，确定调洪计算的起始时段,t,，并划分各计算时段。算出各时段的,平均入库流量,，并定出第一时段初始的,Z,1,、,q,1,、,V,1,值。,水位,Z(m,),库容,V(m,3,),下泄流量,q(m,3,/s),q/2 (m,3,/s),V/,t,(m,3,/s),V/t-q/2,(m,3,/s),V/t+q/2,(m,3,/s),(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),37.0,5300,56.7,28.35,4907,4879,4936,37.5,5870,100.3,50.15,5435,5385,5485,38.0,6450,173.9,86.95,5972,5885,6059,38.5,7080,267.2,133.60,6556,6422,6689,39.0,7760,378.3,189.15,7185,6996,7374,39.5,8540,501.9,250.95,7907,7656,8158,40.0,9420,638.9,319.45,8722,8403,9042,40.5,10250,786.1,393.05,9491,9098,9884,41.0,11200,946.0,473.00,10370,9897,10843,表,3-5,曲线,（,V/t-q,/2)=f,1,(z,）,和,(V/t+q/2)=f,2,(Z),的计算,g,q,2,Z,2,e f d,Z,1,b c,a,下泄流量,q(m,3,/s),时间,t(h,),入库洪水流量,Q(m,3,/s),时段平均入库流量,Q(m,3,/s),水库水位,Z,1,(m),V,1,/,t-q,1,/2,(m,3,/s),V,2,/,t+q,2,/2,(m,3,/s),下泄流量,q,(m,3,/s),水库水位,Z,2,(m),(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),18,174,257,38.0,5885,6142,173.9,38.1,21,340,595,38.1,5965,6560,188,38.4,24,850,1385,38.4,6320,7705,248,39.2,27,1920,1685,39.2,7260,8945,430,40.0,30,1450,1280,40.0,8280,9560,620,40.3,33,1110,1005,40.3,8800,9802,725,40.4,36,900,830,40.4,9000,9805,770,40.5,39,760,685,40.5,9040,9830,776,40.4,42,610,535,40.4,8920,9725,758,40.2,45,460,410,40.2,8720,9455,708,40.1,48,360,325,40.1,8460,9130,656,39.9,51,290,39.9,8785,596,表,3-6,调洪计算半图解法,(,双辅助线法）,表,调洪计算列表试算法,时间,t(h,),入库洪水流量,Q(m,3,/s),时段平均入库流量,Q(m,3,/s),下泄流量,q(m,3,/s),时段平均下泄流量,q(m,3,/s),时段内水库存水量变化,V(,万,m,3,),水库存水量,V(,万,m,3,),水库水位,z(m,),(1),(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),18,174,257,173.9,180.5,83,6450,38.0,21,340,595,187,224.5,400,6533,38.1,24,850,1385,262,343.5,1125,6933,38.4,27,1920,1685,425,522.5,1256,8058,39.2,30,1450,1280,620,677,651,9314,39.9,33,1110,1005,734,757.5,267,9965,40.3,36,900,830,781,785.5,48,10232,40.5,39,760,685,790,781,-104,10280,40.51,42,610,535,772,751.5,-234,10176,40.4,45,460,410,731,702.5,-316,9942,40.3,48,360,325,674,645.5,-346,9626,40.1,51,290,617,9280,39.9,时间,t(h,),18,21,24,27,30,33,36,39,42,45,48,51,水库水位,z(m,),38,38.1,38.4,39.2,40,40.3,40.5,40.5,40.4,40.3,40.1,39.9,水库水位,z1(m),38,38.1,38.4,39.2,40,40.3,40.4,40.5,40.4,40.2,40.1,39.9,调洪计算列表试算法与半图解法的对比,半图解法,列表试算法,对比表明，两种方法的结果非常相近，但半图解法的计算手续简便迅速，更便于采纳。,利用辅助线在图上求解。,Z,1,a,b,c,d,f,g,q,2,e,Z,2,),/,(,2,),/,(,2,),/,(,3,3,3,s,m,q,t,V,s,m,q,t,V,s,m,Q,+,D,-,D,下泄流量,q,（,m,3,/s,）,0,Z(m,),二、单辅助曲线法,原理：,双辅助曲线,单辅助曲线,单辅助线法求解示意图,q(m,3,/s),q,1,q,2,(m,3,/s),A,B,C,D,E,F,