概述
1.水庫興利調(diào)節(jié)的含義和分類
(1)基本概念
天然情況下的河川徑流,有年內(nèi)和年際變化,且地區(qū)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(diào)節(jié),來重新分配河川徑流的時(shí)空分布,以解決來用水在時(shí)間與數(shù)量上不相適應(yīng)的矛盾。
徑流調(diào)節(jié):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(yīng)需水過程的措施稱為徑流調(diào)節(jié)。
防洪調(diào)節(jié):為減免洪水災(zāi)害,在汛期攔蓄洪水、削減洪峰的調(diào)節(jié)。
興利調(diào)節(jié):為滿足用水部門需求的調(diào)節(jié)。水庫的興利調(diào)節(jié),就是當(dāng)來水大于用水時(shí),水庫將多余的水量蓄存起來,等來水小于用水時(shí),再放水補(bǔ)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(diào)節(jié)可按調(diào)節(jié)周期、水庫任務(wù)和供水方式等進(jìn)行分類。
1)按調(diào)節(jié)周期分類
調(diào)節(jié)周期:水庫由庫空到庫滿,再到放空,循環(huán)一次所經(jīng)歷的時(shí)間。
按調(diào)節(jié)周期的長短,可分為日調(diào)節(jié)、周調(diào)節(jié)、年調(diào)節(jié)和多年調(diào)節(jié)。
日調(diào)節(jié)
日調(diào)節(jié)多見于發(fā)電水庫,調(diào)節(jié)周期為一晝夜。它是利用水庫的興利庫容將一天內(nèi)的均勻來水,按用水部門的日內(nèi)需水過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。對于水力發(fā)電,它的用水過程是隨負(fù)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(shí)內(nèi),當(dāng)用水小于來水時(shí),將多余水量蓄存起來,供來水不足時(shí)使用。
周調(diào)節(jié)
周調(diào)節(jié)是的調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)
年調(diào)節(jié)又稱為季調(diào)節(jié)。年內(nèi)河川徑流變化很大,豐、枯水期的來水量相差甚大。徑流年調(diào)節(jié)的任務(wù)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(shí)放出,調(diào)節(jié)周期在一年以內(nèi)。
橫線陰影面積表示蓄水量,豎線陰影面積表示水庫補(bǔ)充供水量。當(dāng)水庫蓄滿而來水仍大于用水時(shí),將發(fā)生棄水(由泄洪設(shè)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(diào)節(jié)為季調(diào)節(jié)(或不完全年調(diào)節(jié)),而對能將年內(nèi)全部來水量按用水要求重新分配而不發(fā)生棄水的徑流調(diào)節(jié),則稱為完全年調(diào)節(jié)。
通常用庫容系數(shù)β(β=V興/W年)反映水庫興利調(diào)節(jié)能力,當(dāng)β=8%~30%時(shí),一般可進(jìn)行年調(diào)節(jié)。當(dāng)天然徑流年內(nèi)分配較均勻時(shí),β=2%~8%時(shí),即可進(jìn)行年調(diào)節(jié)。年調(diào)節(jié)水庫一般可同時(shí)進(jìn)行周調(diào)節(jié)和日調(diào)節(jié)。
多年調(diào)節(jié)
多年調(diào)節(jié)是將豐水年多余的水量蓄存起來,用以補(bǔ)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)過若干年才能蓄滿,再經(jīng)若干年才能將蓄水用掉,而并非年年蓄滿或放空。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn),若年水量變差系數(shù)CV值較小,年內(nèi)分配比較均勻,β>30%便可進(jìn)行多年調(diào)節(jié),否則,需要更大庫容才能進(jìn)行多年調(diào)節(jié)。多年調(diào)節(jié)水庫一般可同時(shí)進(jìn)行年調(diào)節(jié)。
2)按水庫任務(wù)分類
單一任務(wù)徑流調(diào)節(jié),如灌溉徑流調(diào)節(jié)、工業(yè)及城市生活給水徑流調(diào)節(jié)、水力發(fā)電徑流調(diào)節(jié)等。
綜合利用徑流調(diào)節(jié),即具有兩種以上任務(wù)的水庫的徑流調(diào)節(jié)。
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(guān),如工業(yè)及城市生活給水屬這種類型的徑流調(diào)節(jié)。
變動(dòng)供水,水庫供水隨蓄水量和用戶不同的要求而變動(dòng),如灌溉按農(nóng)田需水要求供水;水電站按電力負(fù)荷要求供水等。
4)其他分類
反調(diào)節(jié)。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(diào)節(jié)。
單一水庫補(bǔ)償調(diào)節(jié)。水庫與水庫下游區(qū)間來水互相補(bǔ)償,以滿足有關(guān)部門用水要求的調(diào)節(jié)。
水庫群補(bǔ)償調(diào)節(jié)。水庫間互相進(jìn)行水文補(bǔ)償、庫容補(bǔ)償、電力補(bǔ)償,共同滿足水利、電力系統(tǒng)要求的調(diào)節(jié)。
2.水庫興利調(diào)節(jié)所需的基本資料
水庫的興利調(diào)節(jié),是通過水庫的蓄泄操作使來水過程適應(yīng)需水過程的要求。因此,調(diào)節(jié)計(jì)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(diào)節(jié)的基本依據(jù)。由于水文現(xiàn)象的隨機(jī)性和多邊性,通常只能根據(jù)以往的徑流資料來預(yù)估水庫運(yùn)行期間的水文情勢和來水特性。即通過徑流計(jì)算的分析計(jì)算方法,得到水庫設(shè)計(jì)與運(yùn)行中的設(shè)計(jì)來水過程。
用水資料,即興利部門的用水要求,是興利調(diào)節(jié)的又一依據(jù)。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(dāng)前和遠(yuǎn)景的發(fā)展計(jì)劃。在用水調(diào)查的基礎(chǔ)上,作出用水預(yù)測,得出水庫設(shè)計(jì)與運(yùn)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(fā)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(jù)庫區(qū)地形資料和水文地質(zhì)資料,以及淹沒和浸沒損失的社會調(diào)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(diào)節(jié)計(jì)算的精度,應(yīng)力求可靠和準(zhǔn)確。并需要根據(jù)設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段的變化情況,及時(shí)進(jìn)行修正和補(bǔ)充。
水庫特性
1.水庫特性曲線
反映水庫庫區(qū)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(qū)內(nèi)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(wǎng)點(diǎn)法、圖解法或數(shù)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(qū)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(guān)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(jì)算:
(簡化式)
(較精確式)
式中,為相鄰高程間庫容(m3);F上,F(xiàn)下為相鄰兩等高線各自對應(yīng)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(yīng)的水庫容積V=∑△Vi,從而繪出水庫的水位~容積曲線。
【實(shí)例6-1】水庫特征曲線的計(jì)算與繪制
水庫容積的計(jì)量單位除了用m3表示外,在生產(chǎn)中為了能與來水的流量單位直接對應(yīng),便于調(diào)節(jié)計(jì)算,水庫容積的計(jì)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(shù)計(jì)為30.4天)的累積總水量,即
1m3/S*月=30.4×24×3600=2.63×106m3
應(yīng)該指出,上述水庫面積是假定水庫的水面是水平的,相應(yīng)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,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(yīng)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(diào)節(jié)計(jì)算,精度已能滿足要求。當(dāng)需詳細(xì)研究水庫淹沒、浸沒等問題和梯級水庫銜接情況時(shí),應(yīng)按相應(yīng)設(shè)計(jì)水平年和最終穩(wěn)定情況下的淤積量和淤積形態(tài),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(guī)模及運(yùn)用要求的各種庫水位,稱為水庫特征水位。
它們是根據(jù)河流的水文條件、壩址的地形地質(zhì)條件和各用水部門的需水要求,通過調(diào)節(jié)計(jì)算,并從政治、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)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(wù)和作用,體現(xiàn)著水庫運(yùn)用和正常工作的各種特定要求。
它們也是規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jù)。
(1)死水位(Z死)與死庫容(V死)
概念:在正常運(yùn)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(nèi)水深。正常運(yùn)用情況下,死庫容不參與徑流調(diào)節(jié),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(yùn)用情況下,為滿足設(shè)計(jì)興利要求而在開始供水時(shí)應(yīng)蓄到的高水位,稱正常蓄水位。又稱正常高水位或設(shè)計(jì)興利水位。
作用:它決定水庫的規(guī)模、效益和調(diào)節(jié)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(dāng)采用無閘門控制的泄洪建筑物時(shí),它與溢洪道堰頂高程齊平。
當(dāng)溢洪道有閘門控制時(shí),它是閘門關(guān)閉時(shí)允許長期維持的最高蓄水位。理論上,它可以與閘門關(guān)閉時(shí)的門頂高程相等。實(shí)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(diào)節(jié)有關(guān)的相應(yīng)水位和相應(yīng)庫容。它包括防洪限制水位、防洪高水位、設(shè)計(jì)洪水位、校核洪水位和相應(yīng)的防洪庫容與調(diào)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(shí)也是水庫汛期防洪運(yùn)用時(shí)的起調(diào)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(yīng)盡快泄流,使庫水位再回到汛限水位。在溢洪道設(shè)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(jié)合庫容(也稱為共用庫容)(V結(jié)或V共)。
當(dāng)遇下游防護(hù)對象的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(cè))達(dá)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(shè)計(jì)洪水位(Z設(shè))是指水庫遇到樞紐的設(shè)計(jì)洪水時(shí),水庫自汛限水位對該洪水進(jìn)行調(diào)節(jié),正常泄洪設(shè)施全部打開,壩前達(dá)到的最高水位。它是水庫正常運(yùn)用情況下允許達(dá)到的最高水位,也是擋水建筑物穩(wěn)定計(jì)算的依據(jù)。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(shí),水庫自汛限水位對該洪水進(jìn)行調(diào)節(jié),正常泄洪設(shè)施與非常泄洪設(shè)施先后啟用,在壩前達(dá)到的最高水位。它是水庫非常運(yùn)用情況下允許達(dá)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(jù)。校核洪水位與汛限水位之間的庫容稱為調(diào)洪庫容(V調(diào)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(dāng)防洪與興利有部分結(jié)合庫容時(shí),V總=V死+V興+V調(diào)洪-V結(jié)合;
當(dāng)防洪與興利無結(jié)合庫容時(shí),V總=V死+V興+V調(diào)洪。
總庫容是表示水庫規(guī)模的代表性指標(biāo),可作為劃分水庫等級、確定工程安全標(biāo)準(zhǔn)的重要依據(jù)。
水庫總庫容的大小是水庫最主要指標(biāo)。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(diào)節(jié),滿足興利和防洪的要求
來源于:水利家園
質(zhì)量技術(shù)部供稿