水库洪水调节基本原理课件.ppt

1、水库洪水调节计算第一节 水库调洪的任务和防洪标准第二节 水库调洪计算原理第三节 水库防洪列表计算第四节 水库防洪半图解法第五节有闸门情况下的水库调洪 洪水会造成哪些危害洪水会造成哪些危害? ?冲垮河堤冲垮河堤洪水会造成哪些危害洪水会造成哪些危害? ?淹没农田与村庄淹没农田与村庄洪水会造成哪些危害洪水会造成哪些危害? ?破坏交通等公共设施破坏交通等公共设施洪水会造成哪些危害洪水会造成哪些危害? ?造成人畜伤亡造成人畜伤亡对沿岸城市构成巨大威胁对沿岸城市构成巨大威胁洪水会造成哪些危害洪水会造成哪些危害? ?抗洪抢险抗洪抢险加固大堤加固大堤防御洪水灾害防御洪水灾害第一节 水库调洪的任务和防洪标准 一

2、.我国基本情况及治理 二.水库的调洪计算任务 三.防洪标准一.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

3、，洪水灾害对我国国民经济的可持续发展构成了严重威胁。1981-四川199198 长长 江江 特特 大大 洪洪 水水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 长江水灾长江水灾汉初至清末近汉初至清末近2100年年 水灾水灾214次，平均次，平均10年一次年一次 大洪水年份大洪水年份 宜昌站流量宜昌站流量 损失损失 1788 8.6 万万 沙市以上溃沙

4、市以上溃22处；处； 1860 9.25 万万 受淹受淹3万多万多KM2； 1870 10.5 万万 受淹受淹3万多万多KM2 ； 1931 6.46万万 亡亡14.5万；万； 1935 5.69万万 亡亡14.2万；万； 1949 5.79万万 亡亡5699； 1954 6.61万万 亡亡33169 ； 1998 6.33万万 亡亡1432人，人，淹没耕地淹没耕地358.6万亩，万亩，受灾人口受灾人口231.6万万 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

5、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简介防洪措施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开辟分洪道和分蓄洪工程开辟分洪道和分蓄洪工程水库拦洪水库拦洪水土保持水土保持洪泛区管理洪泛区管理建立洪水预报和洪水警报系统建立洪水预报和洪水警报系统洪水保险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 3. 水库的调洪作用 在于对入库洪水的滞蓄。使出库洪水过程变平缓，洪水历时延长，洪峰流量减小。而影响水库洪水调节的因素主要是入库洪水、泄流建筑物型式与尺寸、以及汛期水库

6、的控制运用方式和下游的防洪要求。若泄流建筑物尺寸减小，同一库水位的下泄量也将减小，所需调洪库容则将加大。反之，则正好相反。因此，入库洪水、泄流建筑物类型与尺寸、调洪方式和调洪库容之间是相互关联、相互影响的。 水库防洪调节计算，水库防洪调节计算，就是要定量地分析计算它们之间的关系。 二二 水库调洪的任务水库调洪的任务 任务任务：在水工建筑物或下游防护对象的防洪标：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

7、的形式和尺寸、调洪特性曲线、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。下泄流量、特征库容和相应的特征洪水位。 作用：作用：拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间，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。使下泄流量能安全通过下游河道。水库调节洪水示意图水库调节洪水示意图QtZtqt库库水水位位Z流流量量Qq(a)V蓄蓄 无闸门情形一无闸门情形一 无闸门情形二无闸门情形二 有闸门情形一有闸门情形一 有闸门情形二有闸门情形二 在规划设计阶段，调洪计算的任务是根据水文

8、分析计算提供的各种标准的设计洪水，对已经拟定的泄流建筑物型式与尺寸方案，遵循水库汛期控制运用规则，进行水库的蓄泄调节计算，推求泄流过程和最大下泄流量，并确定有关防洪的特征水位与特征库容。 在水库的管理运用阶段，调洪计算的任务：是根据入库的洪水，在泄流建筑物类型尺寸已定的情况下，通过蓄泄调节计算，来预报水库达到的最高库水位和最大下泄流量。三、防洪标准三、防洪标准 在水库调洪过程中，入库洪水的大小不同，下泄洪水、在水库调洪过程中，入库洪水的大小不同，下泄洪水、拦蓄库容、水库水位变化等也将不同。通常，入库洪水的大拦蓄库容、水库水位变化等也将不同。通常，入库洪水的大小要根据下游防洪要求以及大坝等水工建

9、筑物的防洪安全要小要根据下游防洪要求以及大坝等水工建筑物的防洪安全要求来选定。因此，在进行水库调洪计算时，必须先确定一个求来选定。因此，在进行水库调洪计算时，必须先确定一个合理的防洪标准。合理的防洪标准。 水工建筑物的防洪标准：水工建筑物的防洪标准： （1）若水库不需承担下游防洪任务，则应按水工建筑）若水库不需承担下游防洪任务，则应按水工建筑物本身的防洪安全要求选定防洪标准。物本身的防洪安全要求选定防洪标准。 一是正常运用情况的标准，称一是正常运用情况的标准，称设计标准设计标准，不超过这种，不超过这种标准的洪水（设计洪水）来临时，水库枢纽一切工作维持标准的洪水（设计洪水）来临时，水库枢纽一切工

10、作维持正常状态；正常状态； 二是非常运用情况的标准，称二是非常运用情况的标准，称校核标准校核标准，该种标准的洪，该种标准的洪水（校核洪水）来临时，水库枢纽的某些正常工作和次要水（校核洪水）来临时，水库枢纽的某些正常工作和次要建筑物允许暂时受到破坏，但主要建筑物（如大坝、溢洪建筑物允许暂时受到破坏，但主要建筑物（如大坝、溢洪道等）必须确保安全。道等）必须确保安全。（2）若水库要承担下游防洪任务，则除了要选定水工建筑物）若水库要承担下游防洪任务，则除了要选定水工建筑物的设计标准外，还要选定下游防护对象的防洪标准，即防护的设计标准外，还要选定下游防护对象的防洪标准，即防护对象所应抗御的设计洪水频率。

11、防护对象的防洪标准，应根对象所应抗御的设计洪水频率。防护对象的防洪标准，应根据防护对象的重要性、历次洪灾情况及对政治、经济的影响，据防护对象的重要性、历次洪灾情况及对政治、经济的影响，结合防护对象和防洪工程的具体条件，并征求有关方面的意结合防护对象和防洪工程的具体条件，并征求有关方面的意见。见。根据水利电力部颁发的SDJ12-78规范规定，水利水电枢纽工程本身的防洪要求，按其工程规模、效益和在国民经济中的重要性划分为五等，等别按下表规定确定水利水电枢纽工程的枢纽建筑物的级别由其所属工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五等，按下表规定确定设计永久性水工建筑物所采用的洪水标准，分为正常运用（设

12、计）和非常运用（校核）两种情况，根据建筑物级别按表4，表5，表6选定。 永久性挡水和泄水建筑物正常运用洪水标准 水电站厂房正常运用洪水标准和非常运用洪水标准 永久性挡水和泄水建筑物非常运用洪水标准第二节 水库调洪计算的原理调洪计算的目的（研究课题）：调洪计算的目的（研究课题）：一定的水库一定的水库拟定的泄洪建筑物拟定的泄洪建筑物防洪标准防洪标准类型、尺寸类型、尺寸防洪限制水位防洪限制水位入库洪水过程入库洪水过程下游安全泄量下游安全泄量出库出库洪水洪水过程过程最大最大下泄下泄流量流量防洪防洪特征特征库容库容特征特征水位水位 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

13、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：基本原理：水库水量平衡方程水库水量平衡方程 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：段内水库增加或减少的蓄水量。水量平衡方程为： 22Vq 、

14、Q、q(m3/s)t (min)Qtqt qmaxQiQi+1qiqi+1V2-V1titi+1t12212122VVtqqtQQ水量平衡方程水量平衡方程tQ 11Vq、t水库水量平衡示意图水库水量平衡示意图一个方程两个未知数没有办法求解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）：水库调洪计算的实用公式（瞬态法）：水量平衡方程：水量平衡方程：蓄泄方程：蓄泄方程： 溢洪道的泄流能力可按堰流公式计算： 2/301BHMq溢 q溢溢洪道泄流能力(m3s)； H0考虑行近流速v的堰顶水头，可近似等于堰顶水深H（m）； B溢流堰净宽（m）； M1溢流系数，其值取决于溢流堰型式； 泄洪

15、洞的泄流能力可按有压管流公式计算： 2/102HMq洞 q洞泄洪洞的泄流能力(m3s)； H0考虑行近流速v的堰顶水头，非淹没出流时，H等于库水位与洞口中心高程之差，淹没出流时，H为上下游水位之差（m）； 泄洪洞洞口的过水断面面积（m2）； M2流量系数。 231BHMq 溢 方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算得到。得到。（1）堰流）堰流H即为库水位即为库水位Z与堰顶高程之差与堰顶高程之差（2）闸孔出流）闸孔出流H即为库水位即为库水位Z与闸孔中心高程之差与闸孔中心高程之差 根据根据H H与与q q的关系曲线求出的关系曲线求出Z Z与与q q的关系曲

16、线的关系曲线q=f(z)q=f(z)。由水。由水库水位库水位z z在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积V V。于是，最终求出下泄流量于是，最终求出下泄流量q q与库容与库容V V的关系曲线的关系曲线q=f(V)q=f(V)212HMq洞 根据公式可换算求得水库水位Z与泄流量q的关系q=f1(Z)，如下图中的Zq曲线。进而由库容曲线换算求得水库蓄水量V与q的关系q=f(V)。目前常用的调洪计算方法主要有列表式算法和半图解法。 需要注意的几点：需要注意的几点：u在有闸门控制的情况下，在有闸门控制的情况下，q=f（V）不是一条曲线，而是以不）不是一

17、条曲线，而是以不同的闸门开度为参数的一组曲线。同的闸门开度为参数的一组曲线。u在承担下游防洪任务的情况下，当要求保持在承担下游防洪任务的情况下，当要求保持q不大于下游允不大于下游允许的最大安全泄量许的最大安全泄量q安时，就要利用闸门控制安时，就要利用闸门控制q。u当泄洪建筑物虽设有闸门，但泄洪是将闸门全开，此时实际当泄洪建筑物虽设有闸门，但泄洪是将闸门全开，此时实际上与无闸门控制的情况相同。上与无闸门控制的情况相同。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

18、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。 列表试算法列表试算法 在水利规划中，常需根据水工建筑物的在水利规划中，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。介绍的方法，去推求设计洪水流量过程线。已知：已知：入库洪水过程及下游允许水库下泄的最入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量大流量 水库汛期防洪限制水位水库汛期防洪限制水位 泄洪建筑物的型式和尺寸泄洪建筑物的型

19、式和尺寸推求：推求：下泄洪水过程线下泄洪水过程线 拦蓄洪水的库容和水库水位的变化拦蓄洪水的库容和水库水位的变化一、计算步骤一、计算步骤（1）由已知的水库水位容积关系曲线）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）选取合适的计算时段t，以秒为计算单位；，以秒为计算单位；（3）决定开始计算的时刻和此时刻的）决定开始计算的时刻和此时刻的V1、q1值，然后列表计算。值，然后列表计算。（4）计算过程中，对每一计算时段的）计算过程中，对每一计算时段的V

20、2、q2值都要进行试算；先值都要进行试算；先假定一个假定一个q2值，根据水量平衡方程求出值，根据水量平衡方程求出V2,然后按此然后按此V2值在值在qV曲曲线上查出线上查出q2值，若与假定的值，若与假定的q2不相等，则要重新假定一个不相等，则要重新假定一个q2值，值，重复上述试算过程，直至两者相等或很接近为止。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）这样多次演算求得的q2、V2值就是下一时段的值就是下一时段的q1、V1值，可值，可依据此值进行下一时段的试算。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。）将计算结果绘制成曲线，供查阅。（7）最最后算

21、出后算出qmax，Vmax，Zmax。2. 2. 列表式算法计算原理列表式算法计算原理求解思路：求解思路：假定假定2q2V,2q方程（方程（1）方程（方程（2）,2?2qq 是是输出结果输出结果否否例例某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸某水库的泄洪建筑物型式和尺寸已定，设有闸门，堰顶高程为门，堰顶高程为36.0m。水库的运行方式是：在洪水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制水来临时，先用闸门控制q使其等于使其等于Q，水库保持，水库保持在汛期防洪限制水位在汛期防洪限制水位(38.0m)。当当Q继续增大，使闸继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，门达到全开，以后就不用闸门控制，

22、q随随z的升高而的升高而加大，流态为自由泄流，加大，流态为自由泄流，qmax也不限制，与无闸门也不限制，与无闸门控制情况相同。控制情况相同。水库容积特性水库容积特性Vf(z)、根据泄洪建、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筑物型式和尺寸算出的水位与下泄流量关系曲线qf(z)见表见表2。求水库的下泄流量过程、库水位变化情况、最大下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。泄流量、水库达到的最高水位及发生的相应时刻。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 库容

23、库容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 表表 某水库某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线曲线(闸门全开闸门全开)返回例题返回例题返回分析返回分析V=f(Z)、q=f(Z)曲线曲线 表表3-3 调洪计算列表试算法调洪计算列表试算法211212113222VVVQq( QQ)( qq)()tt第一个计算时段第第一个计算时段第18-21h，q1173.9m3/s，V1=6450104m3，Q1174m3/s

24、，Q2340m3/s。对。对q2 、v2要进行试算，试算过程。要进行试算，试算过程。211212113 222VVV(QQ )(qq )()tt入库洪水过程线入库洪水过程线入库流量入库流量Q(m3/s)下泄流量下泄流量q(m3/s)200015001000500041403938 0 10 20 30 40 50 时间时间t(h) 0 10 20 30 40 50 时间时间t(h)qmaxZmaxV蓄蓄下泄洪水过程线下泄洪水过程线水库水位过程线水库水位过程线 在第在第36h，Z40.5m，V10 232104m3，Q=900m3/s，q78lm3/s；而在第而在第39h，Z=40.51m，V=

25、l 0280l04m3,Q=7604m3, q=790m3/s。按前述水库调洪的原理，当按前述水库调洪的原理，当q max出现时，一定是出现时，一定是qQ，此时，此时Z、V均达最大值。均达最大值。显然，显然，q max将出现在第将出现在第36h与第与第39h之间，在表之间，在表3-4中并未算出。通过进一步试算，在第中并未算出。通过进一步试算，在第38h16min处，处，可得出可得出qmaxQ795m3/s，Zmax=40.52m，Vmax10290104m3。也可通过图解近似定出相应值。也可通过图解近似定出相应值。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 水库调洪演

26、算双辅助曲线计算表仅需对下表做何改变既可求得？（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222211qtVQqtV时段平均入库流量tQ2qtVz2qtVz)()2(2ZfqtV)()2(1ZfqtV)(3Zfq水位水位下泄流量下泄流量关系曲线关系曲线ZZZ(m)ABCABC) 53()2()2(2211qtVqtVQQABCABC(2)在图在图3-4的水位坐标的水位坐标轴上量取第一时段的轴上量取第一时段的Z1，得得a点点。作水平线。作水平线ac交交曲线

27、曲线A于于b点，并点，并使使bc= 。因曲线因曲线A是（是（V/t-q/2)=f1(z），），a点代表点代表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）。）。QQ) 53 ()2()2(2211qtVqtVQABCABCABCABC 解解 Q g q2Z2 e f d Z1 b c a)2(11qtVQ222Vqt下泄流量下泄流量q(m3/s)表表3-6 调洪计算半图解法调洪计算半图解法 ( (双辅助线法）双辅助线法）时间时间t(h)t(h)入库洪水入库洪水流量流量Q(mQ(m3 3/s)/s)时段平均入时段平

28、均入库流量库流量Q(mQ(m3 3/s)/s)下泄流下泄流量量q(mq(m3 3/s)/s)时段平均下时段平均下泄流量泄流量q(mq(m3 3/s)/s)时段内水库存水时段内水库存水量变化量变化V(V(万万m m3 3) )水库存水水库存水量量V(V(万万m m3 3) )水库水位水库水位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 2121340340595595187187224.5224.5400400653

29、3653338.138.1242485085013851385262262343.5343.5112511256933693338.438.427271920192016851685425425522.5522.5125612568058805839.239.2303014501450128012806206206776776516519314931439.939.933331110111010051005734734757.5757.52672679965996540.340.33636900900830830781781785.5785.54848102321023240.540.5393

30、9760760685685790790781781-104-104102801028040.5140.514242610610535535772772751.5751.5-234-234101761017640.440.44545460460410410731731702.5702.5-316-3169942994240.340.34848360360325325674674645.5645.5-346-3469626962640.140.151512902906176179280928039.939.9时间时间t(h)t(h)181821212424272730303333363639394

31、242454548485151水库水水库水位位z(m)z(m)383838.138.138.438.439.239.2404040.340.340.540.540.540.540.440.440.340.340.140.139.939.9水库水水库水位位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 调洪计算列表试算法与半图解法的对比调洪计算列表试算法与半图解法的对比半图解法半图解法列表试算列表试算法法写出写出水库调洪计算双辅助线半图解法的求解步

32、骤。水库调洪计算双辅助线半图解法的求解步骤。利利用用辅辅助助线线在在图图上上求求解。解。Z1 abcdfgq2eZ2)(1Zf)(2Zf)(3Zf/(2),/(2),/(333smqtVsmqtVsmQ下泄流量q（m3/s）0Z(m)2)(1qtVZf2)(2qtVZfqZf)(3)(2qtVfq二、单辅助曲线法二、单辅助曲线法原理：原理：)(222112122qtVQQqtV)(2qtVfq双辅助曲线双辅助曲线1222)(112122qqtVQQqtV)(2qtVfq单辅助曲线单辅助曲线 水库调洪演算单辅助曲线计算表（二）调洪演算单辅助线法单辅助线法：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2222111qtVqQqtV时段平均入库流量tQ2qtVq单辅助线法求解示意图单辅助线法求解示意图)(2qtVfq1222)(112122qqtVQQqtV2qtV211qtVq(m3/s)q1_Qq21q(m3/s)222qtVABCDEF