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【水庫興利調節計算】概述及水庫特征

時間:2017-02-24

概述

1.水庫興利調節的含義和分類

(1)基本概念

天然情況下的河川徑流,有年內和年際變化,且地區分布也不均衡,因此無法滿足各用水部門對水利資源利用的要求。需要通過水利工程的控制和調節,來重新分配河川徑流的時空分布,以解決來用水在時間與數量上不相適應的矛盾。

徑流調節:利用專門的水工建筑物如大壩、水庫和渠道等,來重新分配河川徑流,以適應需水過程的措施稱為徑流調節。

防洪調節:為減免洪水災害,在汛期攔蓄洪水、削減洪峰的調節。

興利調節:為滿足用水部門需求的調節。水庫的興利調節,就是當來水大于用水時,水庫將多余的水量蓄存起來,等來水小于用水時,再放水補充,以滿足興利部門的用水要求。水庫的蓄泄隨來水與用水的變化而變化。

(2)分類

水庫的興利調節可按調節周期、水庫任務和供水方式等進行分類。

1)按調節周期分類

調節周期:水庫由庫空到庫滿,再到放空,循環一次所經歷的時間。

按調節周期的長短,可分為日調節、周調節、年調節和多年調節。

日調節

日調節多見于發電水庫,調節周期為一晝夜。它是利用水庫的興利庫容將一天內的均勻來水,按用水部門的日內需水過程進行調節。對于水力發電,它的用水過程是隨負荷的變化而改變的,而來水過程在一晝夜里基本上是均勻的(汛期除外),在一天24小時內,當用水小于來水時,將多余水量蓄存起來,供來水不足時使用。

周調節

周調節是的調節周期為一周。它是將周末的多余水量蓄存起來,在其他用水多的日子里放出,從而滿足用水部門的需水要求。

年調節

年調節又稱為季調節。年內河川徑流變化很大,豐、枯水期的來水量相差甚大。徑流年調節的任務就是按照用水部門的需水過程,將豐水期多余水量蓄存起來,等枯水期缺水時放出,調節周期在一年以內。

橫線陰影面積表示蓄水量,豎線陰影面積表示水庫補充供水量。當水庫蓄滿而來水仍大于用水時,將發生棄水(由泄洪設施排往下游),圖中也示出了棄水期,通常稱這種僅能存蓄豐水期部分多余水量的徑流調節為季調節(或不完全年調節),而對能將年內全部來水量按用水要求重新分配而不發生棄水的徑流調節,則稱為完全年調節。

通常用庫容系數β(β=V興/W年)反映水庫興利調節能力,當β=8%~30%時,一般可進行年調節。當天然徑流年內分配較均勻時,β=2%~8%時,即可進行年調節。年調節水庫一般可同時進行周調節和日調節。

多年調節

多年調節是將豐水年多余的水量蓄存起來,用以補充枯水年或枯水年組的用水不足。這時,水庫的興利庫容往往要經過若干年才能蓄滿,再經若干年才能將蓄水用掉,而并非年年蓄滿或放空。

根據經驗,若年水量變差系數CV值較小,年內分配比較均勻,β>30%便可進行多年調節,否則,需要更大庫容才能進行多年調節。多年調節水庫一般可同時進行年調節。

2)按水庫任務分類

單一任務徑流調節,如灌溉徑流調節、工業及城市生活給水徑流調節、水力發電徑流調節等。

綜合利用徑流調節,即具有兩種以上任務的水庫的徑流調節。

3)按水庫供水方式分類

固定供水,水庫按固定要求供水,與供水期水庫來水量和蓄水量無關,如工業及城市生活給水屬這種類型的徑流調節。

變動供水,水庫供水隨蓄水量和用戶不同的要求而變動,如灌溉按農田需水要求供水;水電站按電力負荷要求供水等。

4)其他分類

反調節。下游水庫按照用水部門的需水過程,對上游水庫泄流的再調節。

單一水庫補償調節。水庫與水庫下游區間來水互相補償,以滿足有關部門用水要求的調節。

水庫群補償調節。水庫間互相進行水文補償、庫容補償、電力補償,共同滿足水利、電力系統要求的調節。

2.水庫興利調節所需的基本資料

水庫的興利調節,是通過水庫的蓄泄操作使來水過程適應需水過程的要求。因此,調節計算所需的基本資料包括來水資料、用水資料和水庫特性資料三種。

來水資料,即河川徑流過程,是興利調節的基本依據。由于水文現象的隨機性和多邊性,通常只能根據以往的徑流資料來預估水庫運行期間的水文情勢和來水特性。即通過徑流計算的分析計算方法,得到水庫設計與運行中的設計來水過程。

用水資料,即興利部門的用水要求,是興利調節的又一依據。為了確定用水過程,需要了解與掌握用水部門的用水情況,以及當前和遠景的發展計劃。在用水調查的基礎上,作出用水預測,得出水庫設計與運行中的用水過程。

水庫特性資料,主要是水庫的面積、容積特性,蒸發和滲漏損失,以及淤積、淹沒和浸沒資料等。這些資料通常是根據庫區地形資料和水文地質資料,以及淹沒和浸沒損失的社會調查資料來分析確定的。

上述資料的精度,直接影響著水庫興利調節計算的精度,應力求可靠和準確。并需要根據設計階段和運行階段的變化情況,及時進行修正和補充。

水庫特性

1.水庫特性曲線

反映水庫庫區地形特征的曲線稱為水庫特性曲線。它包括水庫的水位面積曲線和水位容積曲線兩種,也可簡稱為面積曲線和容積曲線。

(1)水位~面積曲線

庫區內某一水位的等高線和壩軸線所包括的面積,即為該水位的水庫水面面積。

在1/5000~1/50000的地形圖上,采用求積儀法、網點法、圖解法或數字化儀,均可量算出不同水庫水位的水庫水面面積,從而繪成水庫的水位~面積曲線。

曲線的坡度反映了庫區形狀和河道縱坡的變化情況。

(2)水位~容積曲線

水位~容積曲線,是水庫水位與水庫容積的關系曲線。它可直接由水庫~面積曲線推算繪制。兩相鄰等高線間的部分容積,可按下式計算:

(簡化式)

(較精確式)

式中,為相鄰高程間庫容(m3);F上,F下為相鄰兩等高線各自對應的水庫水面面積。Z為兩相鄰等高線之間的高程差(m)。

從庫底逐層向上累加,便可求得每一水位對應的水庫容積V=∑△Vi,從而繪出水庫的水位~容積曲線。

【實例6-1】水庫特征曲線的計算與繪制

水庫容積的計量單位除了用m3表示外,在生產中為了能與來水的流量單位直接對應,便于調節計算,水庫容積的計量單位常采用(m3/s)·Δt表示。Δt是單位時段,可取月、旬、日、時。如1m3/S*月表示1m3/S*月的流量在一個月(每月天數計為30.4天)的累積總水量,即

1m3/S*月=30.4×24×3600=2.63×106m3

應該指出,上述水庫面積是假定水庫的水面是水平的,相應的庫容為靜庫容。實際上,水庫水面從壩址沿程上溯形成回水曲線,直至庫端與天然水面相交為止,水面上翹產生一個附加的動庫容。因此,每一壩前水位對應的實際庫容比靜庫容大。一般情況下,按靜庫容進行徑流調節計算,精度已能滿足要求。當需詳細研究水庫淹沒、浸沒等問題和梯級水庫銜接情況時,應按相應設計水平年和最終穩定情況下的淤積量和淤積形態,修正庫容特性曲線。

2.水庫特征水位與特征庫容

表示水庫工程規模及運用要求的各種庫水位,稱為水庫特征水位。

它們是根據河流的水文條件、壩址的地形地質條件和各用水部門的需水要求,通過調節計算,并從政治、技術、經濟等因素進行全面綜合分析論證來確定的。這些特征水位和庫容各有其特定的任務和作用,體現著水庫運用和正常工作的各種特定要求。

它們也是規劃設計階段,確定主要水工建筑物尺寸(如壩高和溢洪道大小),估算工程投資、效益的基本依據。

(1)死水位(Z死)與死庫容(V死)

概念:在正常運用情況下,允許水庫消落的最低水位,稱為死水位。死水位以下的庫容稱為死庫容或墊底庫容。

作用:死庫容一般用于容納水庫泥沙、抬高壩前水位和增加庫內水深。正常運用情況下,死庫容不參與徑流調節,只有在特殊情況下,才考慮泄放其中的蓄水。

(2)正常蓄水位(Z正)與興利庫容(V興)

概念:水庫正常運用情況下,為滿足設計興利要求而在開始供水時應蓄到的高水位,稱正常蓄水位。又稱正常高水位或設計興利水位。

作用:它決定水庫的規模、效益和調節方式,在很大程度上決定水工建筑物的尺寸、型式和水庫淹沒損失。
位置:

當采用無閘門控制的泄洪建筑物時,它與溢洪道堰頂高程齊平。

當溢洪道有閘門控制時,它是閘門關閉時允許長期維持的最高蓄水位。理論上,它可以與閘門關閉時的門頂高程相等。實際上,由于考慮波浪的影響,它略低于門頂高程。

(3)防洪特征水位與防洪特征庫容

所謂防洪特征水位和防洪特征庫容,是指與水庫洪水調節有關的相應水位和相應庫容。它包括防洪限制水位、防洪高水位、設計洪水位、校核洪水位和相應的防洪庫容與調洪庫容。

1)防洪限制水位,簡稱汛限水位。它是汛期允許興利蓄水的上限水位,同時也是水庫汛期防洪運用時的起調水位。該水位以上的庫容,只有在發生洪水時,才允許作為滯蓄洪水使用。在整個汛期中,一旦入庫的洪水消退,水庫就應盡快泄流,使庫水位再回到汛限水位。在溢洪道設閘的情況下,為了利用部分興利庫容容納洪水,并在汛末有利于攔蓄洪水的退水量以蓄滿興利庫容,汛限水位往往在正常蓄水位以下選擇。汛限水位與正常蓄水位之間的庫容,可兼作興利與防洪之用,稱為結合庫容(也稱為共用庫容)(V結或V共)。

當遇下游防護對象的設計標準洪水時,水庫為控制下泄流量而攔蓄洪水,這時在壩前(上游側)達到的最高水位稱防洪高水位(Z防)。它與防洪限制水位之間的庫容,稱為防洪庫容(V防)。

2)設計洪水位(Z設)是指水庫遇到樞紐的設計洪水時,水庫自汛限水位對該洪水進行調節,正常泄洪設施全部打開,壩前達到的最高水位。它是水庫正常運用情況下允許達到的最高水位,也是擋水建筑物穩定計算的依據。它與汛限水位之間的庫容,稱為攔洪庫容(V,攔)。

3)校核洪水位(Z校),是指水庫遇到樞紐的校核洪水時,水庫自汛限水位對該洪水進行調節,正常泄洪設施與非常泄洪設施先后啟用,在壩前達到的最高水位。它是水庫非常運用情況下允許達到的最高庫水位,是確定壩頂高程及進行大壩安全校核的主要依據。校核洪水位與汛限水位之間的庫容稱為調洪庫容(V調洪)。

4)總庫容(V總)和有效庫容(V有效)

校核洪水位以下的全部庫容稱為總庫容。

當防洪與興利有部分結合庫容時,V總=V死+V興+V調洪-V結合;

當防洪與興利無結合庫容時,V總=V死+V興+V調洪。

總庫容是表示水庫規模的代表性指標,可作為劃分水庫等級、確定工程安全標準的重要依據。

水庫總庫容的大小是水庫最主要指標。通常按此值的大小,把水庫劃分為下列五級。

大Ⅰ型——大于l0億m3;

大Ⅱ型——1~10億m3;

中型——0.1~1億m3;

?、裥汀?.01~0.1億m3;

?、蛐汀∮?.01億m3。

校核洪水位與死水位之間的庫容,稱為有效庫容,即V有效=?V總-V死。它的作用是參與徑流調節,滿足興利和防洪的要求

來源于:水利家園
質量技術部供稿



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