河北工程大学水文水资源毕设古台水库设计.docx
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河北工程大学水文水资源毕设古台水库设计
设计总说明
古台水库位于涉县县城东南35km，流域面积100km2，控制流域为清漳河支流关防沟上游山区，为季节性河流。
除汛期洪水径流较大外，其他月份径流较小。
坝址位于太行山脉东麓。
该库为典型河道型水库，两岸山坡陡峻。
库区无明显台地，高度在百米以上，河道宽度一般在100—400米左右，除河道两侧外基岩裸露，植被很差。
古台水库属北温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春秋风大沙多，多年平均气温12.5°C。
本次设计是利用已有资料对古台水库的各项特征值重新设计，以求坝体安全，并在此基础上增大其兴利作用。
本次设计大致分为以下几个部分：
泥沙分析：
建库后，坝前会有大量泥沙会淤积，从而减少库容量。
一般而言，水库的运用年限是死库容淤满，因此对泥沙的分析可以用于确定死库容，从而确定死水位。
本次设计以淤沙库容作为死库容。
年径流分析:
年径流分析用于分析水库的兴利库容，从而确定正常蓄水位。
古台水库坝址附近无水文气象观测（台）站。
水库1970年建成蓄水以来，一直未对本区域的入库流量、下泄量及水库的蓄水水位等水文资料进行观测；仅在下游4km处郝赵村有雨量观测资料，因此，难以通过实测径流资料进行频率分析。
因此采用无资料计算方法，包括：
Ⅰ采用邯郸地区水文站1974年编“邯郸地区水文计算图表”，Ⅱ采用水利部天津勘测设计院1985年编《海、滦河流域地表水资源》。
设计洪水计算：
设计洪水是指满足水利工程设计要求的洪水，本次洪水计算，由于坝址处及周围没有国家级水文站，建库以来也无实测洪水资料，缺少大水年资料进行考证，故洪水计算采用暴雨间接推算洪水的途径。
设计暴雨及产流计算采用1985年原河北省水利厅勘测设计院与河北省水文总站编制的“河北省中小流域设计暴雨洪水图集”的计算方法；汇流计算采用我省常用的瞬时单位线法。
以《防洪标准》GB50201—94作为依据，防洪设计标准为50年一遇，校核标准为500年一遇。
为了验证所求洪水是否正确，又用经验公式法求得了各设计洪水的洪峰值。
洪水调节：
洪水调节仍维持原调度方式，即起调水位为460.7m，无闸门控制，敞泄运用。
本次采用试算法，选用不同溢洪道宽度进行调节计算，确定最优宽度，从而可以确定设计洪水位以及校核洪水位，
坝高计算：
根据SL25-2006规范分别计算最大波浪在坝坡上的爬高、最大峰壅水面高、安全加高，然后计算两个坝顶高程，取最大者
关键词：
泥沙分析，年径流分析，设计洪水，洪水调节，坝高计算
GeneralDescriptionofDesign
Gutaireservoirwhichhasbasinareaof100squarekilometerislocatedinthesoutheastofShexian,35kmfarfromthetown.itsbasinareaisupstreamofGuanFangGouwhichisabranchofQingzhangRiver.GuanfangGouisaseasonalriverwhoseflowislargewhileinrainyreasonbutlittleduringotherreasons.GutaiDamsiteislocatedintheeastTaihangmountains.
ThereservoirisoneofChanneltypereservoirswithsteepslopesonbothsideoftheriver.Thereservoirhasnoobviousplatform,hundredsofmetershighabove.Channelwidthisgenerallyaround100-400m.Bedrockexposesexceptthebankoftheriver.Besides,Thevegetationisverypoor
Thereservoirbelongstothenorthtemperatezonecontinentalmonsoonclimate,coldanddryinwinter,hotandrainyinsummer.Formanyyears,theaveragetemperatureof12.5°C.
Thedesignistocalculatecharacteristicvalueofthereservoiragainbyusingtheexistingdataaimingtoguaranteethedam’ssafety.Basedonthis,wecanincreaseitseconomicaleffect.Thisdesignisroughlydividedintothefollowingseveralparts:
Sedimentanalysis:
Afterbuildingtheconstruction,therewillbealotofsedimentdepositioninthefrontofthedamsoastoreducetheCapacityofthereservoir.Ingeneral,usingfixednumberofyearofareservoirisdecidedbyitsdeadcapacity.Thereforetheanalysisofthesedimentcanbeusedtodeterminethedeadcapacityofareservoirsoastodeterminethedeadwaterlevel.Capacityofthesiltisconsideredasthedeadcapacityinthisdesign.
Annualflowanalysis:
Annualrunoffanalysisistoanalyzetheadvantagesofthereservoircapacitysoastodeterminethenormalstoragelevel.Thereisnohydrologicmeteorologicalobservationstation（station）inGutaireservoirdamsite.Sincetheimpoundmentofthereservoirconstructionin1970,ithasbeennotinboundtrafficofthisarea,orvolumeandwaterlevelofreservoirhydrologicaldata.ThereisproductionofrainfallobservationdataonlyinHaozhaostation.Therefore,itisdifficulttofinishfrequencyanalysisthroughtheobservedrunoffdata.Sowechoosenodatacalculationmethod,includingthat,ⅠusingthehydrologicalstationinHandanarea1974\"Handanregionhydrologycalculationchart\",ⅡbyministryofwaterresourcesinTianjinsurveydesigninstitutein1985,“thesea,theluanheriverbasinsurfacewaterresources”.
Thedesignfloodcalculation：
Thedesignfloodreferstotheonethatmeetsthedesignrequirementsofthefloodwaterconservancyprojects.inthisfloodcalculationthereisnonationalhydrologicalstationaroundthedamsiteandalsonothemeasuredflooddatasincethebuildingofthelibrary,lackofresearchinrainyyear.Sowechoosetorrentialrainsfloodcalculation,aindirectlyway.Tocalculatedesignstormandrunoff,weuse"atlasofsmallwatersheddesignstormfloodinhebeiprovince"bytheoriginalsurveydesigninstituteinHebeiprovinceandHebeiprovincialwaterresourcesbureauin1985.Inconfluencecalculationwechoosetheinstantaneousunitlineacommonlyusedmethodinourprovince.WiththefloodcontrolstandardGB50201-94asthebasis,designstandardfloodis50years,checkingstandardfloodis500year.
Inordertoverifywhetherthefloodiscorrect,weusetheexperienceformulamethodandobtainthedesignfloodpeakflowvalues.
Floodregulatingcalculation:
Floodcontrolremainstheoriginalschedulingmethod.Limitedwaterlevelis460.7m.Nogatecontrolandopendrain.wechoosetrialalgorithm.Choosedifferentspillwaywidthforfloodregulatingcalculationsoastodeterminetheoptimalwidth.atlast,decidethedesignfloodlevelandcheckfloodlevel,
Thedamcrestelevationcalculation:
AccordingtotheSL274-2001specificationwecalculateclimbofthebiggestwavesonthedamslopea,themaximumpeakbywind,theextraheightofsafety.Andthencalculatefourdamcrestelevation,andtakethehighestone.
Keyword:
sedimentanalysis,annualflowanalysis,thedesignfloodcalculation,floodregulatingcalculation,thedamcrestelevationcalculation
1概况
邯郸地区属温带季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，水资源时空分布不均匀，而且夏季多暴雨洪水，通过水库调节是必要的。
本次设计拟对古台水库进行设计计算，重新确定水库各种特征值，增大水库的防洪作用，在此基础上，扩大兴利效益。
但古台水库控制流域是小流域，降水和径流资料不足，这种情况下，如何得到设计洪水与设计年径流呢？
如何进行防洪和兴利计算呢？
本次设计将学习怎么解决这些问题，培养独立思考能力。
1.1流域概况
古台水库位于涉县县城东南35km，关防乡古台村东北约200m处，控制流域为清漳河支流关防沟上游山区，属漳卫南运河水系，为季节性河流。
除汛期洪水径流较大外，其他月份径流较小。
坝址位于太行山脉东麓。
该库为典型河道型水库，两岸山坡陡峻。
库区无明显台地，高度在百米以上，河道宽度一般在100—400米左右，除河道两侧有少量梯田外基岩裸露，植被很差。
1.2气象
古台水库位于涉县清漳河支流关防沟内，属北温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨，春秋风大沙多，多年平均气温12.5°C，一月份最低平均气温-2.5°C，七月份最高平均气温达25.4°C。
降雨主要受太平洋东南季风影响，多年平均降雨量为600mm。
降雨年内分配不均匀，多集中在七、八、九月份，约占全年降雨量的70%以上。
年雨量的年际变化也很大，1963年降雨量为1235mm，1965年降雨量仅为328mm，两者相差4倍。
1.3水文基本资料
流域内没有水文站、气象台分布。
水库于1970年蓄水后，未能按水库管理要求对库区上游来水量等进行观测。
三十多年来仅1996年和2000年遇到两次较大洪水，但均没有其实测资料，“96.8”大洪水后，根据洪水痕迹，反推水库下泄洪峰流量为565m3/s。
其它年份均为平水及偏枯年份。
因水库位在深山区沟内，历史洪水资料短缺。
2泥沙分析
水库1966年的原始设计资料，根据河流实测输沙率2.267kg/m3，淤积年限定为50年，并考虑上游水土保持作用入库泥沙削减30%计算，得出设计入库淤沙总量为46万m3，近似按水平淤积形态计算，相应的淤沙高程为450m；水库建成至今已运行34年，目前实际的淤沙高程为442m，淤积总量23.7万m3，年平均淤沙量0.7万m3。
本次设计采用《海、滦河流域地表水资源》中输沙模数图进行计算。
根据水库所控制流域所在分区Ⅶ区，查得输沙模数100－200t/km2，取为150t/km2，按加固后水库运行30年，考虑到今后上游水土保持工作的开展，水土流失情况定将得到有效控制，入库泥沙按削减30%计算，经计算为。
公式为：
V沙总=Wm/（1-p）/γ*T（2·1）
V沙总——多年平均年输沙容积（m3/a）；
——多年平均含沙量（kg/m3）；
W——多年平均年径流量（m3）；
m——库中泥沙沉积率（%）；
P——淤积体的孔隙率；
γ——泥沙颗粒的干容重（kg/m3）。
γ取2.0，P取0.3，T=30年，计算得死库容为22.5万m3，死水位为450m。
3年径流分析
3.1年径流总量分析
古台水库控制流域为清漳河支流关防沟，坝址附近无水文气象观测（台）站。
水库1970年建成蓄水以来，一直未对本区域的入库流量、下泄量及水库的蓄水水位等水文资料进行观测；仅在下游4km处郝赵村有雨量观测资料，因此，难以通过实测径流资料进行频率分析。
本次分析，因本流域没有可靠且代表性较好的实测水文资料，因而给年径流的计算带来了很大难度。
因此，我们采用了以下两种方法进行估算。
Ⅰ采用邯郸地区水文站1974年编“邯郸地区水文计算图表”，该方法根据地区分析的多年平均年径流深等值线图和相应的CV和CS/CV等值线图查得一系列水文特征值，直接计算出各种频率下的年径流量。
成果见下比较表。
Ⅱ采用水利部天津勘测设计院1985年编《海、滦河流域地表水资源》，该方法根据地区分析的多年平均年径流深等值线图和相应的CV和CS/CV等值线图查得一系列水文特征值，直接计算出各种频率下的年径流量，计算出各种频率下的年径流量。
成果见下表。
表3-1古台水库不同保证率设计年径流成果比较表
方案
多年平均径流量（万m3）
CV
CS/CV
各种保证率下年径流量（万m3）
50%
75%
95%
Ⅰ
1300
1.0
2.0
897
377
65
Ⅱ
1200
0.80
2.5
906
504
144
比较方案计算成果，可知方案Ⅰ与方案Ⅱ在设计频率（50%）一定范围内拟合较好，在误差范围内满足设计要求，但在较枯频率范围内差距较大，需进行分析，二取其一。
由于方案Ⅱ所用参考资料时间较近，具有更高的可信性，所以选用方案Ⅱ计算成果。
3.2典型年的选择及年径流量的月分配
典型年应尽量选择水量与相应设计代表年径流量接近，在年内的分配较有代表性，汛期径流洪量大，非汛期径流小，并考虑所选典型年年内分配对供水较为不利的年份作为典型。
古台水库P=50%的年径流量906万m3，年径流的月分配选取郝赵雨量站1961年雨量分配作为典型进行分配。
3.3年径流调节及兴利水位的选定
3.3.1淤沙库容
水库1966年的原始设计资料，根据河流实测输沙率2.267kg/m3，淤积年限定为50年，并考虑上游水土保持作用入库泥沙削减30%计算，得出设计入库淤沙总量，近似按水平淤积形态计算，相应的淤沙高程；水库建成至今已运行34年，目前实际的淤沙高程为442m，淤积总量23.7万m3，剩余淤沙库容22.3万m3，综合考虑水库其他用水要求，本次设计死水位选为450m。
3.3.2兴利调节计算
水库上游因位于深山区，耕地和村庄较少，用水量较小，基本为沿河用水，且大部分通过农灌回归到河道；并且上游无引调水工程，故本次兴利调节不再扣除上游用水量。
古台水库下游用水主要为农灌和人畜饮用水水量，担负着2万亩农田的灌溉任务，此外还负责供给下游部分村庄的人畜饮用水水量。
灌溉水量参照冀南山区灌溉制度，并结合本区实际经过修订后每亩年毛用水量333.3m3（渠系有效利用系数0.6），灌溉面积2万亩，计算得灌溉需水量666.6万m3。
人畜饮水年用水量根据调查按24万m3计。
蒸发损失参照《海、滦河流域地表水资源》按库水面进行计算，渗漏损失总量按年径流总量的10%计算。
兴利库容是指死水位与正常蓄水位之间的库容，用于兴利。
径流调节按调节周期分为无调节、日调节、周调节、年调节和多年调节，所谓调节周期是指水库蓄水供水的一个周期。
兴利调节是径流调节的一种，是确定兴利库容的关键步骤，可以采用长系列法、设计代表年法和实际代表年法计算，本次兴利调节计算采用年调节模式，运用设计代表年法。
设计年径流量采用两年一遇的枯水年，代表年选择原则是：
1总量相近，2对工程不利。
所谓对工程不利，是指径流时程上分配不均，灌溉期雨水量少等年份。
水库径流调度原则为最大限度地满足下游人畜饮用水水量和农灌需水过程，优先保证人畜饮用水水量，若某月来水不能同时完全满足人畜饮水和农灌需水，只能减少农灌用水水量；若有余量存蓄于库中，经过年径流调节计算，调节结果：
兴利最高蓄水位为460.7m，人畜饮水24万m3，年灌溉用水量666.6万m3，非完全灌溉面积2万亩。
具体成果见古台水库年径流调节计算成果表3-2。
表3－2古台水库（P=50%）年径流调节计算表典型年（1961~1962）年
项目
7
8
9
10
11
12
1
2
3
4
5
6
合计
典型年（1961）内分配百分比
24.62
17.95
14.31
21.38
6.15
0.18
0.00
1.85
0.02
3.04
0.85
9.65
100
年来水量（P=50%）（万m3）
223.06
162.63
129.65
193.7
55.72
1.63
0
16.76
0.18
27.5
7.7
87.4
906
总损失（蒸发、渗漏）（万m3）
2.07
6.52
9.04
14.64
13.16
11.40
11.16
11.56
9.32
6.89
4.76
3.07
103.6
灌溉用水量（万m3）
113.32
106.66
120.42
126.65
0.00
0.00
0.00
0.00
26.6
56.6
26.6
89.5
666.6
人畜饮水需水（万m3）
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
24
总用水（万m3）
117.39
115.18
131.46
143.29
15.16
13.4
13.16
13.56
37.9
65.5
33.4
94.6
794.2
余水量（+）（万m3）
105.67
47.45
50.41
40.56
3.2
亏水量（—）（万m3）
1.81
11.77
13.16
37.8
38.0
25.7
7.2
蓄水库容（万m3）
105.67
130.46
128.65
130.46
130.46
118.69
105.53
108.73
70.9
32.9
7.2
0
130.46
死库容+蓄水库容（万m3）
128.17
152.96
151.15
152.96
152.96
141.19
128.03
131.23
93.4
55.4
29.7
22.5
水位（m）
459.2
460.7
460.5
460.7
460.7
460
459.2
459.3
457
453
451
450
弃水（万m3）
0
22.56
0
48.6
40.56
0
0
0
0
0
0
0
4设计洪水计算
以《防洪标准》GB50201—94作为依据，永久性水工建筑物中主要建筑物3级，次要建筑物4级，防洪设计标准为50年一遇，校核标准为500年一遇。
为了研究不同标准洪水对水库下游的影响，确定本次设计洪水分析计算重现期20年一遇,50年一遇，100年一遇，200年一遇，500年一遇五个标准的洪水。
本次洪水计算，由于坝址处及周围没有国家级水文站，建库以来也无实测洪水资料，缺少大水年资料进行考证，故洪水计算采用暴雨间接推算洪水的途径。
设计暴雨及产流计算采用1985年原河北省水利厅勘测设计院与河北省水文总站编制的“河北省中小流域设计暴雨洪水图集”的计算方法；汇流计算采用我省常用的瞬时单位线法和经验公式法。
流域自然地理特征值：
用五万分之一地形图，结合实际重新复核后采用的水库流域自然地理特征值见表4-1。
表4-1古台水库流域特征值表
项 目
符 号
单 位
特征值
流域面积
主河道纵坡
主河道长度
流域长度
主河道一侧小面积
主河道一侧大面积
流域不对称系数
流域平均宽度
F
J
L
l
f
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