水利水能规划洪水调节.ppt

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1、3.1 水库调洪的任务与防洪标准3.2 水库调洪的计算原理3.3 水库调洪计算的列表试算法 3.4 水库调洪计算的半图解法 3.5 其他情况下的水库调洪计算,洪 水 调 节,2023年10月2日7时15分,1,2,2023年10月2日7时15分,表3-1 不同防护对象的防洪标准,二、防洪标准,防洪标准criterion of flood control:防洪保护对象达到防御洪水的水平或能力。,4,2023年10月2日7时15分,常见的防洪调节计算情况调洪计算的任务水库调洪计算的主要过程入库洪水与坝址洪水调洪计算原理水库调洪计算的方法,3.2 水库调洪计算原理,水库防洪调节计算即水库调洪计算。,

2、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，去推求设计洪水流量过程线。因此，对调洪计算来说，入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量均是已知的。并且，要对水库汛期防洪限制水位以及泄洪建筑物的型式和尺寸拟定几个比较方案，因此对每一方案来说，它们也都是已知的。调洪计算就是在这些初始的已知条件下，推求下泄洪水过程线、拦蓄洪水的库容和水库水位的变化。在水库运行中，调洪计算的已知条件和要求的结果，基本上也与上述类似。,3.3 水库调洪计算的列表试算法(trial method),一、试算的步骤二、举例,2023年10月2日7时15分,6,3.3 水库调洪计算的列表试算法,q=f(V)(3-

3、4),根据已知的水库水位库容关系曲线Vf(Z)和泄洪建筑物形式和尺寸，用式(3-3)（水力学公式）求出下泄流量与库容的关系曲线qf(V)。从第一时段开始调洪，由起调水位（即汛前水位）查ZV及qV关系曲线得到水量平衡方程中的V1和q1；由入库洪水过程线Q(t)查得Q1、Q2；然后假设一个q2值，根据水量平衡方程算得相应的V2值，由V2在qV曲线上查得q2；若两者相等，q2即为所求。否则应重设q2，重复上述计算过程，直到二者相等为止。,列表试算法的步骤如下：,q=f(V)(3-4),将上时段末的V2、q2值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即可得出水库下泄流量过程线q（t）。将入库洪水

4、Q（t）和计算的q（t）两条曲线点绘在一张图上，若计算的最大下泄流量qmax正好是二线的交点，说明计算的qmax是正确的。否则，计算的qmax有误差，应改变时段t重新试算，直到计算的qmax真好是二线的交点为止。,3.3 水库调洪计算的列表试算法,由qmax查qV曲线，得最高洪水位时的总库容Vmax，从中减去堰顶以下的库容，得到调洪库容V调。由Vmax查ZV曲线，得最高洪水位Z洪。显然，当入库洪水为设计标准的洪水时，求得的qmax、V调、Z洪即为设计标准的最大下泄流量qm,设、设计防洪库容V设和设计洪水位Z设。当入库洪水为校核标准的洪水时，求得的qmax、V调、Z洪即为校核标准的最大下泄流量q

5、m,校、V校和Z校。,3.3 水库调洪计算的列表试算法,设计防洪库容和设计洪水位、校核洪水位的确定,q=f(V)(3-4),初步假设计算时段末的出库流量qt+1值,初步求出时段末水库蓄水量Vt+1值,用初求的Vt+1，求对应的出库流量qt+1,比较两值是否满足精度，否则，重新假设qt+1,例3-1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36.0m。水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制q使其等于Q，水库保持在汛期防洪限制水位(38.0m)。当Q继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，q随z的升高而加大，流态为自由泄流，qmax也不限制，与无闸门控制情况相同。水库容积特

6、性Vf(z)、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qf(z)见表3-2。,求百年一遇洪水流量过程中，某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。,3.3 水库调洪计算的列表试算法,解1将已知的V=f(z)、qf(z)绘入同一图中，见图3-2。2依t=3h为一个计算时段，即t10800s，取P=1洪水流量过程,见表3-3的(1)、(2)栏。3.列表进行试算。4将全部计算成果绘制成曲线，并把主要特征值标明。,起调时水库水位Z限38.0m；依Z限38.0m在图3-3中查出闸门全开时的流量为173.9m 3/s。在第18h以前，控制闸门使qQ

7、，且均小于173.9m3/s，水库不蓄水，无需进行调洪计算。,表3-2 某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线(闸门全开),返回例题,返回例题,返回分析,图3-2 某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线,从第18h起，Q开始大于173.9m3/s，水库开始蓄水。因此，以第18h为起调时刻，此时初始的q1为173.9m3/s，而初始的V1为6450104m3。然后，按式(3-2)进行计算。相应数据列入表3-4中。数字下有横线者为初始已知值。,表3-3 调洪计算列表试算法,第一个计算时段第18-21h，q1173.9m3/s，V1=6450104m3，Q1174m3/s，Q2340m3/s。对q2、v

8、2要进行试算，其试算过程如表3-4。,图3-3 某水库调洪计算结果,入库洪水过程线,下泄洪水过程线,水库水位过程线,由表3-4可见：在第36h，Z40.5m，V10 232104m3，Q=900m3/s，q78lm3/s；而在第39h，Z=40.51m，V=l 0280l04m3,Q=7604m3,q=790m3/s。按前述水库调洪的原理，当q max出现时，一定是qQ，此时Z、V均达最大值。显然，q max将出现在第36h与第39h之间，在表3-4中并未算出。通过进一步试算，在第38h16min处，可得出qmaxQ795m3/s，Zmax=40.52m，Vmax10290104m3。也可通过

9、图解近似定出相应值。,3.3 水库调洪计算的列表试算法,2023年10月2日7时15分,21,1、什么是防洪标准？2、防洪调节计算有哪些方法？3、防洪调节的水量平衡方程如何表达？4、水库调洪的任务是什么？5、水库调洪计算的主要过程是：（A)基本资料的收集、计算(B)确定泄洪建筑物形式和尺寸(C)调洪计算（D)拟定比较方案6、水库调洪计算列表试算法有何特点？7、写出水库调洪计算列表试算法的求解步骤。,思 考 题,某水库泄洪建筑物为无闸溢洪道，其堰顶高程与正常蓄水位齐平为132m，堰顶宽B40m，堰流系数m11.6。该水库设有小型水电站，汛期按水轮机过水能力Q电=10m3/s引水发电，尾水再引入渠

10、首灌溉。水库库容曲线和设计洪水过程线分别列于下列两表中。求水库下泄流量过程线q(t)。,用不同水位分别减堰顶高程，得堰顶水头H，代入堰流公式 q溢m1BH3/2从而算出各H对应的溢洪道泄洪能力，加上发电流量10m3/s，得Z值相应的水库泄流能力q=q溢+q电。,可由选定的计算时段、已知的水库水位容积关系曲线，根据水力学公式算出的水位下泄流量关系曲线，事先计算并绘制曲线组,列表试算法很麻烦，工作量大，所以人们提出半图解法(semi-graphical method)。半图解法要求将式（3-2）改写为,3.4 水库调洪计算的半图解法,q=f(V)(3-4),2023年10月2日7时15分,24,3

11、.3 水库调洪计算的半图解法,半图解法中必需的两根辅助线,水位下泄流量关系曲线,本方法属于半图解法中的双辅助线法。,半图解法的计算步骤(1)：,(1)根据已知的入库洪水流量过程线、水库水位容积关系曲线、汛期防洪限制水位、计算时段t等，确定调洪计算的起始时段，并划分各计算时段。算出各时段的平均入库流量，并定出第一时段初始的Z1、q1、V1值。,半图解法的计算步骤(2)：,(2)在图3-4的水位坐标轴上量取第一时段的Z1，得a点。作水平线ac交曲线A于b点，并使bc=。因曲线A是（V/t-q/2)=f1(z），a点代表Z1，ab=(V1/t-q1/2)，ac=+(V1/t-q1/2)，按式(3-5

12、)，即等于（V2/t+q2/2）。,(3)从c点作垂线交曲线B于d点，过d点作水平线de交水位坐标轴于e，显然de=ac=（V2/t+q2/2）。因曲线B是（V/t-q/2)=f2(Z），d点在曲线B上，e就应代表Z2，从e点可读出Z2值。,半图解法的计算步骤(3),A,B,C,A,B,C,半图解法的计算步骤(4),A,B,C,A,B,C,(4)de交曲线C于f点，过f 点作垂线交q坐标轴于g点。因曲线C是q=f3(Z),e代表Z2,而ef是q2，即从g点可以读出q2的值。,半图解法的计算步骤:,(5)根据Z2值，利用水库水位容积关系曲线可求出V2的值。,(6)将e点所代表的Z值作为第二时段的

13、Z1，按上述方法依次进行图解计算，又可求出第二时段的Z2、Q2、V2值。按逐时段进行计算，将结果列表，即完成全部计算。,水库调洪半图解法的实例,例3-1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36.0m。水库的运行方式是：在洪水来临时，先用闸门控制q使其等于Q，水库保持在汛期防洪限制水位(38.0m)。当Q继续增大，使闸门达到全开，以后就不用闸门控制，q随z的升高而加大，流态为自由泄流，qmax也不限制，与无闸门控制情况相同。水库容积特性vf(z)、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qf(z)。,3.3 水库调洪计算的半图解法,例3-2某水库及原始资料均与例3-

14、1 相同，用半图解法进行调洪计算。,表3-2 某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线(闸门全开),解,下泄流量q(m3/s),表3-3 调洪计算列表试算法,调洪计算列表试算法与半图解法的对比,半图解法,列表试算法,对比表明，两种方法的结果非常相近，但半图解法的计算手续简便迅速，更便于采纳。,2023年10月2日7时15分,37,1、写出水库调洪计算半图解法的求解步骤。,某水库泄洪建筑物为无闸溢洪道，其堰顶高程与正常蓄水位齐平为132m，堰顶宽B40m，堰流系数m11.6。该水库设有小型水电站，汛期按水轮机过水能力Q电=10m3/s引水发电，尾水再引入渠首灌溉。水库库容曲线和设计洪水过程线分别列于

15、下列两表中。求水库下泄流量过程线q(t)。,用不同水位分别减堰顶高程，得堰顶水头H，代入堰流公式 q溢m1BH3/2从而算出各H对应的溢洪道泄洪能力，加上发电流量10m3/s，得Z值相应的水库泄流能力q=q溢+q电。,第三章 洪 水 调 节,2023年10月2日7时15分,39,3.1 水库调洪的任务与防洪标准3.2 水库调洪的计算原理3.3 水库调洪计算的列表试算法 3.4 水库调洪计算的半图解法 3.5 其他情况下的水库调洪计算,列表试算法和半图解法中所举实例是针对不同闸门控制下泄流量的调洪计算。对于设闸而闸门全开的计算，和无闸门控制的雷同。前面所讲述的内容较简单，工程实际中遇到的情况颇复

16、杂。,3.5其它情况下的水库调洪计算,利用闸门控制下泄流量时，调洪计算的基本原理和不用闸门时类似。不同点在于，水库运行方式多种多样，要按需要随时调整闸门的开度，包括开启的闸孔数目和每个闸孔的开启高度。,3.5其它情况下的水库调洪计算,在不同的闸门开度、水库水位、下游淹没等情况下：系数A、B都有所不同。溢流堰，下泄流量利用闸门控制。若闸门开启高度为e，堰前水头为H，则e/H0.75时为闸孔出流，B=1/2；e/H0.75时为堰流，B=3/2。表明，尽管闸门开启高度不变，库水位升高时，B随之变化。其它情况下类似。影响系数A值的因素就更多，变化更复杂。,其它情况的水库调洪计算,因此，利用闸门控制下泄

17、流量时的调洪计算手续更复杂。在这种情况下，用半图解法调洪计算时，需要针对不同的泄流情况作出若干不同的辅助曲线，计算相当麻烦，也失去了半图解法简便迅速的优越性。因此，对于利用闸门控制下泄流量的调洪计算，采用列表试算法更适宜。,不同的水库运用方式，要求闸门有不同的启闭过程。水库运用方式变化很多，不可能一一列举。以下分别说明。,其它情况的水库调洪计算,一、下游有防洪要求的情况二、水工建筑物设计标准大于下游 防洪标准的情况三、水库下泄洪水要与下游区间洪 水错峰的情况四、根据预报预泄洪水的情况,下游有防洪要求,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,图a中，当下游有防洪要求时，最大下泄流量qmax不能

18、超过下游允许的安全泄量q安。在t1时刻以前，入流Q较小，而闸门全开时出库泄量较大，故闸门不宜全开，以闸门控制使q=Q。闸门随着Q的加大而逐渐开大，到t1时闸门才全开。从t1时刻开始，入库流量Q已大于闸门全开自由溢流的q值，即来水量大于可能下泄的流量值，因而库水位逐渐上升。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,至t2时刻，q达到q安，于是用闸门控制，使q不大于q安，水库水位继续上升，闸门逐渐关小。至t3时刻，入库流量Q降低至等于下泄流量q，水库水位达到最高，闸门不再关小。t3以后是水库泄水过程，水库水位逐渐回落。,下游有防洪要求,图b中，当下游有防洪要求、但防洪标准小于水工建筑物设计标准的

19、情况。在t3时刻以前和图a类似，即在用闸门控制，使q不能超过q安，以满足下游防洪要求。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,下游有防洪要求，水工建筑物设计标准大于下游防洪标准,至t3时，为下游防洪而设的库容已经蓄满，而入库洪水仍然较大，说明入库洪水超过了下游防洪标准。为保证水工建筑物的安全，不再控制q，而是将闸门完全开启自由泄流。,至t4时刻，水库水位达到最高，q达到最大值。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,下游有防洪要求，水工建筑物设计标准大于下游防洪标准,图c中，下游要求错峰，避免水库下泄洪水与下游的区间洪水相遇，危及下游安全。在t2 t3时刻之间，用闸门控制下泄流量q，使

20、它与下游区间洪水叠加后仍不大于下游允许的q安。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,水库下泄洪水要与下游区间洪水错峰,图d为有短期洪水预报的情况。在t1时刻以前，根据预报信息预泄洪水，随着库水位的下降而逐渐开大闸门。在t1 t3时刻之间，为了使qq安，随着库水位的上升而适当关小闸门，以控制q值。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,根据预报预泄洪水,在t1 t2时刻水库仅将预泄的库容回蓄满，t2时刻以后，水库才从汛期防洪限制水位起蓄洪。,针对不同的闸门启闭过程，调洪计算的具体程序不同，要根据具体情况灵活运用。,利用闸门控制下泄流量时水库调洪的几种情况,根据预报预泄洪水,2023年1

21、0月2日7时15分,51,有闸门控制的水库调洪计算举例,【例3-3】水库及有关资料同【例3-1】，水库容积特性和水位下泄流量关系曲线均与表3-2和图3-2相同。但水库防洪任务与运用方式和【例3-1】不同。溢洪道设有闸门，堰顶高程为36.0m，汛期防洪限制水位为38.0m。水库承担下游防洪任务。水库下泄流量q从坝址下游侧A点流达防洪防护区上游侧B点需历时 6小时。遇设计洪水时，入库流量(Q)过程线和区间流量过程线已知。要求水库进行错峰调节，以保证B点流量最大不能超过600m3/s(QB=q+Q区）。此外，水库有短期水文预报，在洪水来临前36小时，可开始全开溢洪道闸门，以预降水库水位，至于A、B之

22、间的河槽调蓄作用则忽略不计。,表3-2 某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线(闸门全开),图3-2 某水库V=f(Z)、q=f(Z)曲线,有闸门控制的水库调洪计算示例,表3-7 洪水流量过程线,有闸门控制的水库调洪计算示例,选取计算时段为t=3h=10800s。先进行提前36h开始的预降水库水位计算。水库初始水位为38.0m，相应的库容为V=6450万m3;相应的下泄流量为闸门全开时的q=173.9m3/s。此阶段洪水尚未来临，入库流量Q=36m3/s保持不变。,例题求解,把计算结果列于表3-8。计算过程类似于例题3-1中表3-3，经过一定的试算。将洪水来临前36小时（-36h)至洪水来临前3

23、0小时（-30h)的两个时段试算列于表3-9。,先假设第-33h的水库水位Z2=37.83m，相应的下泄流量q2=150.0m3/s。此时，Z1=38.0m，V1=6450万m3，q1=173.9m3/s。则q均=0.5*（173.9+150.0）=161.95m3/s。V=10800*(Q均-q均）=10800*(161.95-36)=-134万m3V2=V1+V=6450-134=6316万m3,根据V2值查图3-2中的曲线，得出Z2值为37.89m(见表3-9中Z)。与原假设的37.83不符，需重新试算。重复计算，得到的Z2=37.88，与假设相符，结果正确。因此，第一时段的Z2、q2、

24、V2成为第二时段的Z1、q1、V1，可据此进行下一时段的计算。依次类推。,例题求解,例题求解,表3-8 预降水位阶段的计算,由表可知，在洪水来临前，即第0小时，水库水位可从38.0m降低至37.19m。应以它为起点，开始洪水来临后的前半阶段-自由泄流阶段的调洪计算。,例题求解,在进行自由泄流阶段的调洪计算前，应先根据错峰要求计算出各时段允许水库下泄的流量q的上限值，以便根据它来判断必须用闸门控制水库下泄流量的阶段起迄时间。计算结果见下表（3-10）。,表3-10各时刻允许水库下泄流量的上限,表3-11 自由泄流阶段的调洪计算,在以上计算基础上，进行自由泄流阶段的调洪计算。根据预降水位阶段的计算

25、结果，在第0小时的初始值应是Z1=37.19m，q1=72.0m3/s，V1=5516万m3。其中也需要试算过程，与前类似。,例题求解,由于一开始洪水流量较小，而q较大，因而水库水位继续下降，直到第12小时以后才重新蓄水而使水库水位上升。,至第27小时，按闸门全开自由泄流方式，q=330.0m3/s。但按表3-10，该时刻允许下泄流量的上限值为322m3/s。,因此从第27小时起，要按错峰要求，用闸门控制q不大于q上限。因此，自由泄流阶段至24小时结束。,例题求解,从表3-12可见，到第45小时，水库水位达到Zmax=40.95，相应的总蓄水量Vmax=11121万m3。但最大下泄流量qmax

26、却未发生在第45小时，这是因为有闸门控制，使下泄流量远小于自由泄流量的缘故。从第48小时起，虽然q继续加大，但Z、V却逐渐下降，洪水流量也减到很小，不再有任何威胁。第63小时以后的计算未列出。从第48小时起，也可以用闸门控制，使q=527m3/s，保持第45小时的q不变，虽然Z、V的下降慢些，但也能满足错峰要求，可作为一种泄流方案。,例题求解,2023年10月2日7时15分,64,1、水库调洪计算的辅助线法（或称半图解法）适用于（）时进行调洪计算。A.计算时段发生变化；B.泄洪建筑物闸门开度发生变化；C.计算时段和泄洪建筑物闸门开度均不发生变化；D.计算时段发生变化而泄洪建筑物闸门开度不发生变化。2、写出水库调洪计算半图解法的求解步骤。,c,