年径流分析与计算

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第9章 年径流分析与计算
41．什么是水库的兴利调节和防洪调节？
　　天然径流在时间、空间上的分布一般不完全符合人类的需要。为了除水害，兴水利，需要采取人工措施对天然径流进行调节，称为径流调节。
　　利用水库，以兴利为目的进行的径流调节称为水库兴利调节。为调蓄洪水进行的径流调节称为水库防洪调节。
　　需注意，实现径流调节不仅可以采用水库调节一种方式。修建一些别的工程，如水土保持工程，或采取一些农业措施、林业措施等，也可实现径流调节。但在本课程中主要介绍利用水库进行兴利调节和防洪调节。
42．水库的特征水位和相应库容有哪些，各有什么意义？
　　首先应当明确，水库特征水位和相应库容这部分内容十分重要。因为，一方面水库特征水位和相应库容是水利工程专业最基础的知识，另一方面，只有透彻地理解了水库的特征水位和相应库容的有关概念，才能理解水库运行和发挥作用的机制，也才能理解和掌握进行兴利调节计算和防洪调节计算，以及进行水库参数选择的方法。
　　文字教材中的图9.3是水库特征水位和相应库容的示意图。
　　如图示，水库最低的特征水位是死水位。死水位是水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位，死水位以下的库容称为死库容。在正常运用情况下，死库容不参与径流调节。水库设置死库容，是为了容纳水库的泥沙淤积，以及满足灌溉、航运等部门对于最低水位的要求。为了环境保护的需要，也需要设置死库容。因水库只有保持一定的蓄水量，才能使水库库区沉积的有害物质得到稀释，使污染物不超过规定的标准。
　　正常运用情况下，为了满足设计的兴利要求，在设计枯水年（或设计枯水段）开始供水的时候，水库必须蓄到的水位称为正常蓄水位。正常蓄水位到死水位之间的容积，称为兴利库容。正常蓄水位与死水位之间的水层深度称为消落深度。水库蓄水达到正常蓄水位，就能够按照设计标准满足兴利的需要。正常蓄水位的高低，兴利库容的大小，反映了水库兴利调节能力的大小，同时也反映了水库工程投入和淹没损失的大小。正常蓄水位提高，兴利库容加大，水库能发挥更多、更大的综合效益，但同时水库的坝高要加高，工程投资要加大，水库造成的淹没损失也要加大。因此，必须合理地选择水库的正常蓄水位。
　　图9.3中，正常蓄水位以下为防洪限制水位。防洪限制水位是水库在汛期开始和汛期中允许兴利蓄水的上限水位。为了保持足够的库容拦蓄洪水，水库在汛期到来时和汛期当中，必须限制兴利蓄水，使水库的水位不超过防洪限制水位。只有洪水到来时，才允许在调蓄洪水的过程中使水位超过防洪限制水位。汛期水库调洪后，在一场洪水消退时，水库要迅速泄洪，使得水位尽快回降到防洪限制水位，准备迎接下一次洪水的到来。
　　在水库正常蓄水位以上，有和防洪有关的另外三个特征水位，即设计洪水位、校核洪水位和防洪高水位。
　　如前述，对于水利工程，水工建筑物本身的设计洪水包括设计标准洪水和校核标准洪水。设计洪水对应于正常运用情况，校核洪水对应于非常运用情况。发生水库大坝设计洪水时，水库在坝前蓄到的最高水位称为设计洪水位。设计洪水位和防洪限制水位之间的库容称为拦洪库容。发生大坝校核标准洪水时，水库在坝前达到的最高水位称为校核洪水位。校核洪水位和防洪限制水位之间的库容称为调洪库容。设计洪水位和校核洪水位都是确定水库坝高和进行大坝稳定计算的主要依据（确定水库坝高的具体方法将在专业课《水工建筑物》中介绍）。
　　当水库承担下游防洪任务，如水库下游有城市、工矿企业、铁路、公路、农田等防护对象时，水库应保护这些防护对象不受洪水危害。在遇到下游防护对象的防洪标准洪水时，水库需控制下泄流量，拦蓄洪水，此时水库坝前所达到的最高水位称为防洪高水位。防洪高水位与防洪限制水位之间的库容称为防洪库容。
　　对于一定标准的洪水进行调蓄，所需水库库容是一定的。因防洪限制水位是水库蓄洪水的起调水位，故防洪限制水位取得越低，调蓄洪水过程中的最高水位就会越低。对应于设计洪水，防洪限制水位降低可使水库设计洪水位、校核洪水位以及相应的水库坝高降低。而坝高降低会使整个工程的造价及淹没损失减少。故防洪限制水位应尽可能降低。但需注意，防洪限制水位的降低受到水库兴利要求的限制。因汛期结束时水是处在防洪限制水位，如汛期过后，水库所在的河流有足够的水量，不但能够满足当时用水的需要，而且能够保证水库在下一个供水期开始时回蓄到正常蓄水位，则可将防洪限制水位定在低于正常蓄水位的位置。但在有些河流上（如我国北方的一些河流），汛期结束后河流就几乎没有多余的水供水库蓄水，此时则只能把水库的正常蓄水位作为防洪限制水位了。当防洪限制水位低于正常蓄水位时，防洪限制水位到正常蓄水位之间的库容既可用于兴利，又可以用于防洪，称为共用库容或结合库容。
　　校核洪水位与死水位之间的库容称为有效库容。校核洪水位以下的库容称为总库容，总库容是划分水库等级的依据。
　　由以上介绍可知，水库的各个特征水位和相应库容是紧密地相互联系，相互影响的。为此，确定水库特征水位需反复进行工作，并需多方面进行方案比较。文字教材的第11章第5节对水库特征水位的选择作了简单介绍。
43．水库兴利调节计算的基本课题是什么，计算方法有哪几类？ （1）水库兴利调节计算基本课题
水库兴利调节计算中有4方面的因素，即来水、用水或调节流量、水库兴利库容，以及设计保证率。
进行水库工程规划设计时，来水是已知的，故归纳起来水库兴利调节计算有3类基本课题，即：
1）根据来水、用水资料以及设计保证率推求水库兴利库容；
2）根据来水资料、兴利库容以及设计保证率推求水库的调节流量；
3）根据来水资料、兴利库容和水库操作方案，推求水库运用过程。
文字教材第9章介绍了前两类课题，第12章介绍水库调度图时包含了第3类课题。
（2）水库兴利调节计算的基本方法
水库兴利调节计算的基本方法由两类：
1）时历法。时历法的已知资料和计算成果，如来水、用水、调节流量、蓄水量等均为具有时间顺序的变化的过程。时历法又分为列表法和图解法，本课程中主要介绍了时历列表法。时历列表法适用于水库兴利调节计算的各种课题，同时便于使用计算机，是当前实际使用的主要方法。文字教材的第9章第4节对兴利调节计算的时历列表法进行了介绍，并提供了例题。
2）数理统计法。数理统计法的已知条件和计算成果，都用一定频率的随机变量表示。对于数理统计法，本课程中主要介绍了运用普列什科夫线解图进行多年调节水库兴利调节计算的方法。
　　在学习水库调节兴利计算这部分内容时，可重点掌握按照设计代表年资料用时历列表法考虑水库水量损失推求年调节水库兴利库容和调节流量的计算方法。
　　需注意，对于兴利调节计算的第2类基本课题（即推求水库调节流量），其基本方法是试算法。试算法实际上是把水库兴利调节计算的第二类课题转化为第一类课题来解决。文字教材中还介绍了公式法。需注意公式法的试用条件为：a. 年调节水库；b. 水库年内一次蓄放运用。如不同时满足这两个条件，公式法的计算公式是不成立的。
44．水库防洪调节计算的基本课题是什么，计算方法有哪几种？
（1）水库防洪调节计算的基本课题
　　水库防洪调节计算即水库调洪计算，文字教材的第10章对水库调洪计算作了介绍。
　　水库具有蓄洪和滞洪作用。洪水到来时，水库水位有可能低于防洪限制水位，经过水库调蓄后，洪水的一部分水量被存蓄在水库中，使水库下游洪水洪量减少，这种作用称为蓄洪。
　　有时水库并不存蓄洪水，但因水库的水面宽和水深远比一般河道大，对洪水的调蓄作用远比一般河道强，故水库下泄的洪峰流量将减小，这种作用称为滞洪。
　　生产上需要防洪调节计算解决的课题是多种多样的。如确定水库坝高时，需先确定设计洪水位或校核洪水位。水库规划设计时需确定各种泄洪建筑物的结构和尺寸，或需进行水库坝高和泄洪建筑物的综合方案比较。对于防洪工程，还可能需对不同工程方案进行比较。对于已建成的水库，可能需要确定水库汛期运用方式、水库的防洪限制水位、以及水库非常泄洪建筑物启用的条件，等等。但以上这些课题不能够全部直接求解。
　　水库防洪调节计算直接解决的基本课题，是对于设计洪水过程，按照拟定泄洪建筑物的类型、尺寸和一定的运用方式，推求水库下泄流量过程，以及相应的库容、水位变化过程。
　　以上所说生产中的各种实际问题，可以通过求解这个基本课题得到解决。如为了进行水库坝高和泄洪建筑物的综合方案比较，可拟定若干防洪建筑物的可行方案，分别进行防洪调节计算，求出相应的水库坝高，然后在经济、社会、环境等方面综合进行方案比较，选出最好的方案。
（2）水库防洪调节计算的基本方法
文字教材的第9章第2节介绍了防洪调节计算的两种方法：
1）列表试算法
烈表示算法较为准确，并适用于计算时段改变、泄流规律变化的情况，而且便于使用计算机进行计算，故为水库防洪调节计算的基本方法。但采用手算时列表示算法计算工作量比较大。
2）半图解法
采用手算时半图解法较为简便，同时半图解法的辅助线也可用计算机绘制，但半图解法不适用于计算时段不同或泄流规律变化的情况。
45．防洪调节计算在生产实际中有哪几种常见情况？
文字教材中介绍了生产实际中常见的防洪调节计算情况：
（1）水库溢洪道无闸门控制的情况；
（2）水库泄洪建筑物有闸门控制的情况。其中又包括：1）对于下游防护对象防洪设计洪水的防洪调节计算；2）对于水库大坝设计洪水和校核洪水的防洪调节计算；3）考虑洪水预报时的防洪调节计算；4）考虑区间洪水的防洪补偿调节计算。
在以上情况中，可重点掌握水库泄洪建筑物有闸门控制，对下游防护对象防洪设计洪水及对于水库大坝设计洪水进行防洪调节计算的方法。