年徑流分析與計算

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第9章 年徑流分析與計算
41．什么是水庫的興利調(diào)節(jié)和防洪調(diào)節(jié)？
　　天然徑流在時間、空間上的分布一般不完全符合人類的需要。為了除水害，興水利，需要采取人工措施對天然徑流進(jìn)行調(diào)節(jié)，稱為徑流調(diào)節(jié)。
　　利用水庫，以興利為目的進(jìn)行的徑流調(diào)節(jié)稱為水庫興利調(diào)節(jié)。為調(diào)蓄洪水進(jìn)行的徑流調(diào)節(jié)稱為水庫防洪調(diào)節(jié)。
　　需注意，實(shí)現(xiàn)徑流調(diào)節(jié)不僅可以采用水庫調(diào)節(jié)一種方式。修建一些別的工程，如水土保持工程，或采取一些農(nóng)業(yè)措施、林業(yè)措施等，也可實(shí)現(xiàn)徑流調(diào)節(jié)。但在本課程中主要介紹利用水庫進(jìn)行興利調(diào)節(jié)和防洪調(diào)節(jié)。
42．水庫的特征水位和相應(yīng)庫容有哪些，各有什么意義？
　　首先應(yīng)當(dāng)明確，水庫特征水位和相應(yīng)庫容這部分內(nèi)容十分重要。因為，一方面水庫特征水位和相應(yīng)庫容是水利工程專業(yè)最基礎(chǔ)的知識，另一方面，只有透徹地理解了水庫的特征水位和相應(yīng)庫容的有關(guān)概念，才能理解水庫運(yùn)行和發(fā)揮作用的機(jī)制，也才能理解和掌握進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計算和防洪調(diào)節(jié)計算，以及進(jìn)行水庫參數(shù)選擇的方法。
　　文字教材中的圖9.3是水庫特征水位和相應(yīng)庫容的示意圖。
　　如圖示，水庫最低的特征水位是死水位。死水位是水庫在正常運(yùn)用情況下，允許消落到的最低水位，死水位以下的庫容稱為死庫容。在正常運(yùn)用情況下，死庫容不參與徑流調(diào)節(jié)。水庫設(shè)置死庫容，是為了容納水庫的泥沙淤積，以及滿足灌溉、航運(yùn)等部門對于最低水位的要求。為了環(huán)境保護(hù)的需要，也需要設(shè)置死庫容。因水庫只有保持一定的蓄水量，才能使水庫庫區(qū)沉積的有害物質(zhì)得到稀釋，使污染物不超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。
　　正常運(yùn)用情況下，為了滿足設(shè)計的興利要求，在設(shè)計枯水年（或設(shè)計枯水段）開始供水的時候，水庫必須蓄到的水位稱為正常蓄水位。正常蓄水位到死水位之間的容積，稱為興利庫容。正常蓄水位與死水位之間的水層深度稱為消落深度。水庫蓄水達(dá)到正常蓄水位，就能夠按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)滿足興利的需要。正常蓄水位的高低，興利庫容的大小，反映了水庫興利調(diào)節(jié)能力的大小，同時也反映了水庫工程投入和淹沒損失的大小。正常蓄水位提高，興利庫容加大，水庫能發(fā)揮更多、更大的綜合效益，但同時水庫的壩高要加高，工程投資要加大，水庫造成的淹沒損失也要加大。因此，必須合理地選擇水庫的正常蓄水位。
　　圖9.3中，正常蓄水位以下為防洪限制水位。防洪限制水位是水庫在汛期開始和汛期中允許興利蓄水的上限水位。為了保持足夠的庫容攔蓄洪水，水庫在汛期到來時和汛期當(dāng)中，必須限制興利蓄水，使水庫的水位不超過防洪限制水位。只有洪水到來時，才允許在調(diào)蓄洪水的過程中使水位超過防洪限制水位。汛期水庫調(diào)洪后，在一場洪水消退時，水庫要迅速泄洪，使得水位盡快回降到防洪限制水位，準(zhǔn)備迎接下一次洪水的到來。
　　在水庫正常蓄水位以上，有和防洪有關(guān)的另外三個特征水位，即設(shè)計洪水位、校核洪水位和防洪高水位。
　　如前述，對于水利工程，水工建筑物本身的設(shè)計洪水包括設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水。設(shè)計洪水對應(yīng)于正常運(yùn)用情況，校核洪水對應(yīng)于非常運(yùn)用情況。發(fā)生水庫大壩設(shè)計洪水時，水庫在壩前蓄到的最高水位稱為設(shè)計洪水位。設(shè)計洪水位和防洪限制水位之間的庫容稱為攔洪庫容。發(fā)生大壩校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時，水庫在壩前達(dá)到的最高水位稱為校核洪水位。校核洪水位和防洪限制水位之間的庫容稱為調(diào)洪庫容。設(shè)計洪水位和校核洪水位都是確定水庫壩高和進(jìn)行大壩穩(wěn)定計算的主要依據(jù)（確定水庫壩高的具體方法將在專業(yè)課《水工建筑物》中介紹）。
　　當(dāng)水庫承擔(dān)下游防洪任務(wù)，如水庫下游有城市、工礦企業(yè)、鐵路、公路、農(nóng)田等防護(hù)對象時，水庫應(yīng)保護(hù)這些防護(hù)對象不受洪水危害。在遇到下游防護(hù)對象的防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水時，水庫需控制下泄流量，攔蓄洪水，此時水庫壩前所達(dá)到的最高水位稱為防洪高水位。防洪高水位與防洪限制水位之間的庫容稱為防洪庫容。
　　對于一定標(biāo)準(zhǔn)的洪水進(jìn)行調(diào)蓄，所需水庫庫容是一定的。因防洪限制水位是水庫蓄洪水的起調(diào)水位，故防洪限制水位取得越低，調(diào)蓄洪水過程中的最高水位就會越低。對應(yīng)于設(shè)計洪水，防洪限制水位降低可使水庫設(shè)計洪水位、校核洪水位以及相應(yīng)的水庫壩高降低。而壩高降低會使整個工程的造價及淹沒損失減少。故防洪限制水位應(yīng)盡可能降低。但需注意，防洪限制水位的降低受到水庫興利要求的限制。因汛期結(jié)束時水是處在防洪限制水位，如汛期過后，水庫所在的河流有足夠的水量，不但能夠滿足當(dāng)時用水的需要，而且能夠保證水庫在下一個供水期開始時回蓄到正常蓄水位，則可將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（如我國北方的一些河流），汛期結(jié)束后河流就幾乎沒有多余的水供水庫蓄水，此時則只能把水庫的正常蓄水位作為防洪限制水位了。當(dāng)防洪限制水位低于正常蓄水位時，防洪限制水位到正常蓄水位之間的庫容既可用于興利，又可以用于防洪，稱為共用庫容或結(jié)合庫容。
　　校核洪水位與死水位之間的庫容稱為有效庫容。校核洪水位以下的庫容稱為總庫容，總庫容是劃分水庫等級的依據(jù)。
　　由以上介紹可知，水庫的各個特征水位和相應(yīng)庫容是緊密地相互聯(lián)系，相互影響的。為此，確定水庫特征水位需反復(fù)進(jìn)行工作，并需多方面進(jìn)行方案比較。文字教材的第11章第5節(jié)對水庫特征水位的選擇作了簡單介紹。
43．水庫興利調(diào)節(jié)計算的基本課題是什么，計算方法有哪幾類？ （1）水庫興利調(diào)節(jié)計算基本課題
水庫興利調(diào)節(jié)計算中有4方面的因素，即來水、用水或調(diào)節(jié)流量、水庫興利庫容，以及設(shè)計保證率。
進(jìn)行水庫工程規(guī)劃設(shè)計時，來水是已知的，故歸納起來水庫興利調(diào)節(jié)計算有3類基本課題，即：
1）根據(jù)來水、用水資料以及設(shè)計保證率推求水庫興利庫容；
2）根據(jù)來水資料、興利庫容以及設(shè)計保證率推求水庫的調(diào)節(jié)流量；
3）根據(jù)來水資料、興利庫容和水庫操作方案，推求水庫運(yùn)用過程。
文字教材第9章介紹了前兩類課題，第12章介紹水庫調(diào)度圖時包含了第3類課題。
（2）水庫興利調(diào)節(jié)計算的基本方法
水庫興利調(diào)節(jié)計算的基本方法由兩類：
1）時歷法。時歷法的已知資料和計算成果，如來水、用水、調(diào)節(jié)流量、蓄水量等均為具有時間順序的變化的過程。時歷法又分為列表法和圖解法，本課程中主要介紹了時歷列表法。時歷列表法適用于水庫興利調(diào)節(jié)計算的各種課題，同時便于使用計算機(jī)，是當(dāng)前實(shí)際使用的主要方法。文字教材的第9章第4節(jié)對興利調(diào)節(jié)計算的時歷列表法進(jìn)行了介紹，并提供了例題。
2）數(shù)理統(tǒng)計法。數(shù)理統(tǒng)計法的已知條件和計算成果，都用一定頻率的隨機(jī)變量表示。對于數(shù)理統(tǒng)計法，本課程中主要介紹了運(yùn)用普列什科夫線解圖進(jìn)行多年調(diào)節(jié)水庫興利調(diào)節(jié)計算的方法。
　　在學(xué)習(xí)水庫調(diào)節(jié)興利計算這部分內(nèi)容時，可重點(diǎn)掌握按照設(shè)計代表年資料用時歷列表法考慮水庫水量損失推求年調(diào)節(jié)水庫興利庫容和調(diào)節(jié)流量的計算方法。
　　需注意，對于興利調(diào)節(jié)計算的第2類基本課題（即推求水庫調(diào)節(jié)流量），其基本方法是試算法。試算法實(shí)際上是把水庫興利調(diào)節(jié)計算的第二類課題轉(zhuǎn)化為第一類課題來解決。文字教材中還介紹了公式法。需注意公式法的試用條件為：a. 年調(diào)節(jié)水庫；b. 水庫年內(nèi)一次蓄放運(yùn)用。如不同時滿足這兩個條件，公式法的計算公式是不成立的。
44．水庫防洪調(diào)節(jié)計算的基本課題是什么，計算方法有哪幾種？
（1）水庫防洪調(diào)節(jié)計算的基本課題
　　水庫防洪調(diào)節(jié)計算即水庫調(diào)洪計算，文字教材的第10章對水庫調(diào)洪計算作了介紹。
　　水庫具有蓄洪和滯洪作用。洪水到來時，水庫水位有可能低于防洪限制水位，經(jīng)過水庫調(diào)蓄后，洪水的一部分水量被存蓄在水庫中，使水庫下游洪水洪量減少，這種作用稱為蓄洪。
　　有時水庫并不存蓄洪水，但因水庫的水面寬和水深遠(yuǎn)比一般河道大，對洪水的調(diào)蓄作用遠(yuǎn)比一般河道強(qiáng)，故水庫下泄的洪峰流量將減小，這種作用稱為滯洪。
　　生產(chǎn)上需要防洪調(diào)節(jié)計算解決的課題是多種多樣的。如確定水庫壩高時，需先確定設(shè)計洪水位或校核洪水位。水庫規(guī)劃設(shè)計時需確定各種泄洪建筑物的結(jié)構(gòu)和尺寸，或需進(jìn)行水庫壩高和泄洪建筑物的綜合方案比較。對于防洪工程，還可能需對不同工程方案進(jìn)行比較。對于已建成的水庫，可能需要確定水庫汛期運(yùn)用方式、水庫的防洪限制水位、以及水庫非常泄洪建筑物啟用的條件，等等。但以上這些課題不能夠全部直接求解。
　　水庫防洪調(diào)節(jié)計算直接解決的基本課題，是對于設(shè)計洪水過程，按照擬定泄洪建筑物的類型、尺寸和一定的運(yùn)用方式，推求水庫下泄流量過程，以及相應(yīng)的庫容、水位變化過程。
　　以上所說生產(chǎn)中的各種實(shí)際問題，可以通過求解這個基本課題得到解決。如為了進(jìn)行水庫壩高和泄洪建筑物的綜合方案比較，可擬定若干防洪建筑物的可行方案，分別進(jìn)行防洪調(diào)節(jié)計算，求出相應(yīng)的水庫壩高，然后在經(jīng)濟(jì)、社會、環(huán)境等方面綜合進(jìn)行方案比較，選出最好的方案。
（2）水庫防洪調(diào)節(jié)計算的基本方法
文字教材的第9章第2節(jié)介紹了防洪調(diào)節(jié)計算的兩種方法：
1）列表試算法
烈表示算法較為準(zhǔn)確，并適用于計算時段改變、泄流規(guī)律變化的情況，而且便于使用計算機(jī)進(jìn)行計算，故為水庫防洪調(diào)節(jié)計算的基本方法。但采用手算時列表示算法計算工作量比較大。
2）半圖解法
采用手算時半圖解法較為簡便，同時半圖解法的輔助線也可用計算機(jī)繪制，但半圖解法不適用于計算時段不同或泄流規(guī)律變化的情況。
45．防洪調(diào)節(jié)計算在生產(chǎn)實(shí)際中有哪幾種常見情況？
文字教材中介紹了生產(chǎn)實(shí)際中常見的防洪調(diào)節(jié)計算情況：
（1）水庫溢洪道無閘門控制的情況；
（2）水庫泄洪建筑物有閘門控制的情況。其中又包括：1）對于下游防護(hù)對象防洪設(shè)計洪水的防洪調(diào)節(jié)計算；2）對于水庫大壩設(shè)計洪水和校核洪水的防洪調(diào)節(jié)計算；3）考慮洪水預(yù)報時的防洪調(diào)節(jié)計算；4）考慮區(qū)間洪水的防洪補(bǔ)償調(diào)節(jié)計算。
在以上情況中，可重點(diǎn)掌握水庫泄洪建筑物有閘門控制，對下游防護(hù)對象防洪設(shè)計洪水及對于水庫大壩設(shè)計洪水進(jìn)行防洪調(diào)節(jié)計算的方法。