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【水庫興利調節計算】概述及水庫特征

時(shí)間:2017-02-24

概述

1.水庫興利調節的含義和分類(lèi)

(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(wú)法滿(mǎn)足各用水部門(mén)對水利資源利用的要求。需要通過(guò)水利工程的控制和調節,來(lái)重新分配河川徑流的時(shí)空分布,以解決來(lái)用水在時(shí)間與數量上不相適應的矛盾。

徑流調節:利用專(zhuān)門(mén)的水工建筑物如大壩、水庫和渠道等,來(lái)重新分配河川徑流,以適應需水過(guò)程的措施稱(chēng)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(mǎn)足用水部門(mén)需求的調節。水庫的興利調節,就是當來(lái)水大于用水時(shí),水庫將多余的水量蓄存起來(lái),等來(lái)水小于用水時(shí),再放水補充,以滿(mǎn)足興利部門(mén)的用水要求。水庫的蓄泄隨來(lái)水與用水的變化而變化。

(2)分類(lèi)

水庫的興利調節可按調節周期、水庫任務(wù)和供水方式等進(jìn)行分類(lèi)。

1)按調節周期分類(lèi)

調節周期:水庫由庫空到庫滿(mǎn),再到放空,循環(huán)一次所經(jīng)歷的時(shí)間。

按調節周期的長(cháng)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(jiàn)于發(fā)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(lái)水,按用水部門(mén)的日內需水過(guò)程進(jìn)行調節。對于水力發(fā)電,它的用水過(guò)程是隨負荷的變化而改變的,而來(lái)水過(guò)程在一晝夜里基本上是均勻的(汛期除外),在一天24小時(shí)內,當用水小于來(lái)水時(shí),將多余水量蓄存起來(lái),供來(lái)水不足時(shí)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(lái),在其他用水多的日子里放出,從而滿(mǎn)足用水部門(mén)的需水要求。

年調節

年調節又稱(chēng)為季調節。年內河川徑流變化很大,豐、枯水期的來(lái)水量相差甚大。徑流年調節的任務(wù)就是按照用水部門(mén)的需水過(guò)程,將豐水期多余水量蓄存起來(lái),等枯水期缺水時(shí)放出,調節周期在一年以?xún)取?/p>

橫線(xiàn)陰影面積表示蓄水量,豎線(xiàn)陰影面積表示水庫補充供水量。當水庫蓄滿(mǎn)而來(lái)水仍大于用水時(shí),將發(fā)生棄水(由泄洪設施排往下游),圖中也示出了棄水期,通常稱(chēng)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(lái)水量按用水要求重新分配而不發(fā)生棄水的徑流調節,則稱(chēng)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(shí),一般可進(jìn)行年調節。當天然徑流年內分配較均勻時(shí),β=2%~8%時(shí),即可進(jìn)行年調節。年調節水庫一般可同時(shí)進(jìn)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(lái),用以補充枯水年或枯水年組的用水不足。這時(shí),水庫的興利庫容往往要經(jīng)過(guò)若干年才能蓄滿(mǎn),再經(jīng)若干年才能將蓄水用掉,而并非年年蓄滿(mǎn)或放空。

根據經(jīng)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(jìn)行多年調節,否則,需要更大庫容才能進(jìn)行多年調節。多年調節水庫一般可同時(shí)進(jìn)行年調節。

2)按水庫任務(wù)分類(lèi)

單一任務(wù)徑流調節,如灌溉徑流調節、工業(yè)及城市生活給水徑流調節、水力發(fā)電徑流調節等。

綜合利用徑流調節,即具有兩種以上任務(wù)的水庫的徑流調節。

3)按水庫供水方式分類(lèi)

固定供水,水庫按固定要求供水,與供水期水庫來(lái)水量和蓄水量無(wú)關(guān),如工業(yè)及城市生活給水屬這種類(lèi)型的徑流調節。

變動(dòng)供水,水庫供水隨蓄水量和用戶(hù)不同的要求而變動(dòng),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(lèi)

反調節。下游水庫按照用水部門(mén)的需水過(guò)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(lái)水互相補償,以滿(mǎn)足有關(guān)部門(mén)用水要求的調節。

水庫群補償調節。水庫間互相進(jìn)行水文補償、庫容補償、電力補償,共同滿(mǎn)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(guò)水庫的蓄泄操作使來(lái)水過(guò)程適應需水過(guò)程的要求。因此,調節計算所需的基本資料包括來(lái)水資料、用水資料和水庫特性資料三種。

來(lái)水資料,即河川徑流過(guò)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(lái)預估水庫運行期間的水文情勢和來(lái)水特性。即通過(guò)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(lái)水過(guò)程。

用水資料,即興利部門(mén)的用水要求,是興利調節的又一依據。為了確定用水過(guò)程,需要了解與掌握用水部門(mén)的用水情況,以及當前和遠景的發(fā)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(guò)程。

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

上述資料的精度,直接影響著(zhù)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(shí)進(jìn)行修正和補充。

水庫特性

1.水庫特性曲線(xiàn)

反映水庫庫區地形特征的曲線(xiàn)稱(chēng)為水庫特性曲線(xiàn)。它包括水庫的水位面積曲線(xiàn)和水位容積曲線(xiàn)兩種,也可簡(jiǎn)稱(chēng)為面積曲線(xiàn)和容積曲線(xiàn)。

(1)水位~面積曲線(xiàn)

庫區內某一水位的等高線(xiàn)和壩軸線(xiàn)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(wǎng)點(diǎn)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(xiàn)。

曲線(xiàn)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(xiàn)

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

(簡(jiǎn)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(xiàn)各自對應的水庫水面面積。Z為兩相鄰等高線(xiàn)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(xiàn)。

【實(shí)例6-1】水庫特征曲線(xiàn)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(chǎn)中為了能與來(lái)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(shí)段,可取月、旬、日、時(shí)。如1m3/S*月表示1m3/S*月的流量在一個(gè)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(shí)際上,水庫水面從壩址沿程上溯形成回水曲線(xiàn),直至庫端與天然水面相交為止,水面上翹產(chǎn)生一個(gè)附加的動(dòng)庫容。因此,每一壩前水位對應的實(shí)際庫容比靜庫容大。一般情況下,按靜庫容進(jìn)行徑流調節計算,精度已能滿(mǎn)足要求。當需詳細研究水庫淹沒(méi)、浸沒(méi)等問(wèn)題和梯級水庫銜接情況時(shí),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(tài),修正庫容特性曲線(xiàn)。

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(chēng)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(zhì)條件和各用水部門(mén)的需水要求,通過(guò)調節計算,并從政治、技術(shù)、經(jīng)濟等因素進(jìn)行全面綜合分析論證來(lái)確定的。這些特征水位和庫容各有其特定的任務(wù)和作用,體現著(zhù)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(chēng)為死水位。死水位以下的庫容稱(chēng)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(mǎn)足設計興利要求而在開(kāi)始供水時(shí)應蓄到的高水位,稱(chēng)正常蓄水位。又稱(chēng)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(méi)損失。
位置:

當采用無(wú)閘門(mén)控制的泄洪建筑物時(shí),它與溢洪道堰頂高程齊平。

當溢洪道有閘門(mén)控制時(shí),它是閘門(mén)關(guān)閉時(shí)允許長(cháng)期維持的最高蓄水位。理論上,它可以與閘門(mén)關(guān)閉時(shí)的門(mén)頂高程相等。實(shí)際上,由于考慮波浪的影響,它略低于門(mén)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(guān)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(jiǎn)稱(chēng)汛限水位。它是汛期允許興利蓄水的上限水位,同時(shí)也是水庫汛期防洪運用時(shí)的起調水位。該水位以上的庫容,只有在發(fā)生洪水時(shí),才允許作為滯蓄洪水使用。在整個(gè)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(mǎn)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(chēng)為結合庫容(也稱(chēng)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(shí),水庫為控制下泄流量而攔蓄洪水,這時(shí)在壩前(上游側)達到的最高水位稱(chēng)防洪高水位(Z防)。它與防洪限制水位之間的庫容,稱(chēng)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(shí),水庫自汛限水位對該洪水進(jìn)行調節,正常泄洪設施全部打開(kāi),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(chēng)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(shí),水庫自汛限水位對該洪水進(jìn)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(jìn)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(chēng)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(chēng)為總庫容。

當防洪與興利有部分結合庫容時(shí),V總=V死+V興+V調洪-V結合;

當防洪與興利無(wú)結合庫容時(shí),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;

小Ⅰ型——0.01~0.1億m3;

小Ⅱ型——小于0.01億m3。

校核洪水位與死水位之間的庫容,稱(chēng)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(mǎn)足興利和防洪的要求

來(lái)源于:水利家園
質(zhì)量技術(shù)部供稿



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