第十二章水库防洪调度计算.docx
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第十二章水库防洪调度计算
盛年不重来，一日难再晨。
及时宜自勉，岁月不待人。
第十二章水库洪水调节
规划设计阶段，水库调洪计算的基本任务是对下游防洪标准设计洪水、水工建筑物安全标准相应的设计洪水和校核洪水分别进行洪水调节计算。
本章主要介绍水库调洪计算的原理和方法，讨论水库调控洪水的方式，并简要介绍选择泄洪建筑物类型、规模及水库防洪参数的方法。
第一节防洪问题概述
一、防洪措施简介
防洪是一项长期艰巨的工作。
目前解决洪水问题，一般都趋向于采取综合治理的方针，合理安排蓄、泄、滞、分的措施。
防洪措施是指防止或减轻洪水灾害损失的各种手段和对策，它包括防洪工程措施和防洪非工程措施。
（一）防洪工程措施
防洪工程措施指为控制和抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各种工程措施，主要包括堤防与防洪墙、分蓄洪工程、河道整治工程、水库等。
1.修筑堤防
堤防是古今中外最广泛采用的一种防洪工程措施，这一措施对防御常遇洪水较为经济，容易实行。
沿河筑堤，束水行洪，可提高河道渲泄洪水的能力。
但是筑堤也会带来一些负面的影响，筑堤后，可能增加河道泥沙淤积，抬高河床，恶化防洪情势，使洪水位逐年提高，堤防需要经常加高加厚；对于超过堤防防洪标准的洪水而言，还可能造成洪水漫堤和溃决，与未修堤时发生这种超标准的洪水自然泛滥的情形相比，溃堤造成的洪水灾害损失将更大。
2.河道整治
河道整治是流域综合开发中的一项综合性工程措施。
可根据防洪、航运、供水等方面的要求及天然河道的演变规律，合理进行河道的局部整治。
从防洪意义上讲，靠河道整治提高全河道（或较长的河段）泄洪能力一般是很不经济的，但对提高局部河道泄洪能力、稳定河势、护滩保堤作用较大。
例如,对河流天然弯道裁弯取直，可缩短河线，增大水面比降，提高河道过水能力，并对上游临近河段起拉低其洪水位的作用；对局部河段采取扩宽或挖深河槽的措施，可扩大河道过水断面，相应地增加其过水能力。
3.开辟分洪道和分蓄洪工程
在适当地点开辟分洪道行洪，可将超出河道安全泄量的峰部流量绕过重点保护河段后回归原河流或分流入其他河流。
分洪道的作用是提高其临近的下游重点保护河段的防洪标准。
但应分析研究分洪道对沿程及其承泄区可能产生的不良影响，不能造成将一个地区（河段）的洪水问题转移到另一个地区的后果。
分蓄洪工程则是利用天然洼地、湖泊或沿河地势平缓的洪泛区，加修周边围堤、进洪口门和排洪设施等工程措施而形成分蓄洪区。
其防洪功能是分洪削峰，并利用分蓄洪区的容积对所分流的洪量起蓄、滞作用。
分蓄洪区只在出现大洪水时才应急使用。
对于分洪口门下游临近的重点保护河段而言，启用分蓄洪区可承纳河道的超额洪量，提高该重点保护河段的防洪标准。
分蓄洪区内一般土地肥沃，而我国人多地少，许多分蓄洪区已形成区内经济过度开发、人口众多的局面，这将导致分洪损失恶性膨胀的严重后果。
因此，必须在分蓄洪区内研究采用防洪非工程措施，以确保区内居民可靠避洪或安全撤离，减小分洪损失。
4.水库拦洪
水库是水资源开发利用的一项重要的综合性工程措施，其防洪作用比较显著。
在河流上兴建水库，使进入水库的洪水经水库拦蓄和阻滞作用之后，自水库泄入下游河道的洪水过程大大展平，洪峰被削减，从而达到防止或减轻下游洪水灾害的目的。
防洪规划中常利用有利地形合理布置干支流水库，共同对洪水起有效的控制作用。
5.水土保持
水土保持也可归类于防洪工程措施，它有一定的蓄水、拦沙、减轻洪患的作用。
其方法除包括一般的植树、种草等水土保持措施外，还包括在小河上修筑挡沙坝、梯级坝等。
综上所述，防洪工程措施通过对洪水的蓄、泄、滞、分，起到防洪减灾的效果。
这种减灾效果包括两方面：
其一是提高了江河抗御洪水的能力，减少了洪灾的出现频率；其二是出现超防洪标准的大洪水时，虽不能避免产生洪水灾害，但可在一定程度上减轻洪灾损失。
必须强调指出，由于受自然、技术、经济等条件的限制，不能设想可以由防洪工程措施来实现对洪水的完全控制。
即是说，防洪工程措施只能减轻洪灾损失，而不可能根除洪灾。
（二）防洪非工程措施
防洪非工程措施是指为了减少洪泛区洪水灾害损失，采取颁布和实施法令、政策及防洪工程以外的技术手段等方面的措施。
如洪泛区管理、避洪安全设施、洪水预报与警报、安全撤离计划、洪水保险等均属于防洪非工程措施。
1.洪泛区管理
洪泛区管理是减轻洪灾损失的一项重要的措施。
根据我国的国情，这里所指的洪泛区主要是分蓄洪区（包括滞洪区及为特大洪水防洪预案安排出路涉及的行洪范围），而不是泛指江河的洪泛平原。
必须通过政府颁布法令及政策加强对洪泛区的管理，以实现对洪泛区进行有计划的、合理的，而不是盲目的开发利用。
我国人多地少，洪泛区已呈现的过度开发的趋势有增无减，必须对这种不合理开发的现状通过制定政策及下达法令予以限制和调整。
如有的国家采用调整税率的政策，对不合理开发的区域征收较高的税率。
2.建立洪水预报和洪水警报系统
建立洪水预报和洪水警报系统是防洪减灾的有效技术手段。
利用水情自动测报系统自动采集和传输雨情、水情信息，及时作出洪水预报；利用洪水预报的预见期，配合洪水调度及洪水演算，预见将出现的分洪、行洪灾情，在洪水来临之前，及时发出洪水警报，以便分洪区居民安全转移。
洪水预报愈精确，预报预见期愈长，减轻洪灾损失的作用愈大。
3.洪水保险
洪水保险作为一项防洪非工程措施主要是由于它有助于洪泛区的管理，对防洪减灾在一定程度上起有利的作用。
洪水灾害的发生情况是小洪水年份不出现洪灾，而一旦发生特大洪水，灾区将蒙受惨重的损失，国家也不得不为此突发性灾害付出巨额的救济资金。
实行洪水保险是指，洪泛区内的单位和居民必须为洪灾投保，每年支付一定的年保险费，若发生洪灾，可用积累的保险费赔偿投保者的洪灾损失。
显然，洪水保险对防洪事业具有积极意义，其一表现在它将极不规则的洪灾损失的时序分布，转化为均匀支付的年保险费，从而减小突发性洪灾对国民经济和灾区的严重冲击和不利影响；其二是配合洪泛区管理，对具有不同洪灾风险的区域规定交纳不同的洪水保险费，与调节洪泛区内不同区域的纳税率的政策相似，可以借助于洪水保险对洪泛区的合理利用起促进作用。
此项措施在我国目前还处于研究和准备试行阶段。
二、水库调洪作用
兴建水库是对洪水起有效控制作用的防洪工程措施。
利用水库调蓄洪水，削减洪峰，对提高江河防洪标准，减轻或避免洪水灾害，起着十分重要的作用。
我国是世界上洪水灾害最严重国家之一，暴雨洪水是造成我国洪水灾害的主要成因。
随着兴建和投入运用的水库数目的迅速增长，水库自身安全渡汛和如何利用水库的库容对洪水起有效的调蓄作用，己成为我国防洪实践中倍受关注的问题。
在长期的防洪实践中，我国对水库防洪调度问题开展了大量的研究工作，积累了很多有益的经验。
中华人民共和国水利部先后颁布了《水库工程管理通则》、《综合利用水库调度通则》、《水库洪水调度考评规定》等规章、规程，对我国水库防洪调度科学技术水平的普及和提高，起着积极有效的指导和促进作用。
随着世界范围高新技术的迅猛发展，现代通信技术和计算机技术等先进的科技手段已在我国大型水库中被广泛采用和逐步推广。
目前我国已有一批大型水库和少数中型水库建立了水情自动测报系统，并逐步利用计算机网络开展水情信息处理、洪水预报、调洪计算及调度决策等工作，对水库调度水平的不断提高起着积极的推动作用。
但是，就全国情况看，各地水库防洪调度工作发展不平衡，调度的科学水平还有待提高。
现以最简单的无闸门表面溢洪道泄流情况说明水库的调洪作用。
图3-1中Q～t为入库流量过程，q～t为出库流量过程，Z～t为水库蓄水位过程，V蓄为水库滞洪库容。
设洪水发生时水库起调水位处于堰顶高程，此时溢洪道的泄流量为0。
图中洪水起涨点水库泄流量q>0，表明此时下泄流量是用水部门引用流量q兴。
稍后，入流渐增，库水位随之增高，溢洪道开始泄流，且随库水位增高而增加。
库水位增长阶段入库流量大于出库流量，水库蓄纳
图3-1水库洪水调节示意图
洪水，直到入库流量等于出库流量时，水库出现最高洪水位和最大下泄流量qmax。
此后，入库流量开始小于出库流量，库水位亦随之下降，直到回落至堰顶高程，堰顶高程以上蓄滞的洪水亦逐渐泄放出库。
这种调洪过程表明水库对天然洪水起到了蓄滞作用。
当洪水开始进入水库时，若水库水位（起调水位）处于堰顶高程以下，则必须先充蓄此水库水位与堰顶高程间的这部分库容后溢洪道才开始泄流，其后的调节过程与上一种情况相同。
这种情况比前一种情况的水库最高洪水位要低，最大下泄流量要小，取得的抗洪效果更佳。
其堰顶以下部分库容起了蓄存洪水的作用，所蓄水量不在该次调洪过程中从溢洪道排出，而成为了兴利用水。
堰顶以上库容亦起阻滞洪水的作用，所蓄之水在该次调洪过程中排出。
这种情况的调洪效果是由水库的蓄洪和滞洪两种作用产生出来的。
不难想像，如果大洪水发生前因干旱水库的蓄水位已经很低，则所遭遇的洪水很可能排泄很少，大部分洪水就成了兴利用水的水源，洪水也当然不致成灾。
在大多数情况下，水库都采用设置控制闸门的泄洪设备，使其泄洪过程受到控制。
在这种情况下，水库的抗洪效果不仅与洪水开始时水库所处的水位有关，而且还与水库的防洪运行方式有关。
就一次洪水的调节作用而言，在人为控制下泄洪，可以按防洪要求进行，所以其调洪效果会十分显著地比无闸门控制情况更好。
三、水库防洪标准的确定
在河流上修建水库，通过其对洪水的拦洪削峰，可防止或减轻甚至消除水库下游地区的洪水灾害。
但是，若遇特大洪水或调度运用不当，大坝失事也会形成远远超过天然洪水的溃坝洪水，如板桥水库1975年8月入库洪峰13100m3／s，溃坝流量竟达79000m3／s，造成了下游极大的损失。
因此，防洪设计中除考虑下游防护对象的防洪要求外，更应确保大坝安全。
下游防洪要求和大坝等水工建筑物本身防洪安全要求，一般通过防洪设计标准（常用洪水发生频率或重现期表示）来体现。
水库自身安全标准是指设计水工建筑物所采用的洪水标准。
水工建筑物的洪水标准分正常运用和非常运用两种情况。
与前者相应的洪水称为设计洪水；与后者相应的洪水称为校核洪水。
水工建设物的洪水标准应按水利枢纽工程的“等”及建筑物的“级”，参照中华人民共和国原水利电力部1978年颁发的《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准》（山区、丘陵区部分和平原、海滨部分）的规定，确定其相应的洪水标准。
该标准根据工程的规模、效益和在国民经济中的重要性将其划分为五等；又根据水工建筑物所属的工程等别及其在工程中的作用和重要性划分为五级。
表3-1即为该标准中根据工程等别及建筑物在工程中的作用确定
级别的规定。
根据水工建筑物的级别，该标准中还规定了相应的洪水标准。
表3-2列出了山区、丘陵区永久性水工建筑物正常运用的设计洪水和非常运用的校核洪水相应的洪水重现期。
表3-1水工建筑物级别的划分
工程等别
永久性建筑物级别
临时性建筑物级别
主要建筑物
次要建筑物
一
1
3
4
二
2
3
4
三
3
4
5
四
4
5
5
五
5
5
表3-2永久性水工建筑物洪水标准单位：
年
建筑物级别
1
2
3
4
5
正常运用（重现期）
2000～500
500～100
100～50
50～30
30～20
非常
运用
（重
现期）
土坝、堆石坝、干砌石坝
10000
2000
1000
500
300
混凝土坝、浆砌石坝及其他建筑物
5000
1000
500
300
200
防洪保护对象的防洪标准，应根据防护对象的重要性、历次洪水灾害及其对政治经济的影响，按照国家规定的防洪标准范围，经分析论证后，与有关部门协商选定。
表3-3为中华人民共和国水利电力部1977年颁发《水利水电工程水利动能设计规范》SDJll—77关于防洪标准的有关规定。
表3-3防洪保护对象防洪标准
防护对象
防洪标准（重现期）
（单位：
年）
城镇
工矿区
农田面积（万亩）
特别重要城市
特别重要工矿区
≥500
≥100
重要城市
重要工矿区
100～500
50～100
中等城市
中等工矿区
30～100
20～50
一般城镇
一般工矿区
≤30
10～20
必须指出，对于水库安全标准一般应采用入库洪水，如因资料等方面的原因而改用坝址洪水时，应估计二者的差异对水库调洪计算结果的影响。
防护对象防洪标准应采用防洪保护区相应河段控制断面的设计洪水，该设计洪水由水库坝址以上流域及坝址至控制断面之间的区间两部分洪水组成，应考虑二者的不同组合类型及其对水库调洪计算结果的影响。
第二节水库调洪计算的原理和方法
一、水库调洪计算的任务
入库洪水流经水库时，水库容积对洪水的拦蓄、滞留作用，以及泄水建筑物对出库流量的制约或控制作用，将使出库洪水过程产生变形。
与入库洪水过程相比，出库洪水的洪峰流量显著减小，洪水过程历时大大延长。
这种入库洪水流经水库产生的上述洪水变形，称为水库洪水调节。
水库调洪计算的目的是在已拟定泄洪建筑物及已确定防洪限制水位（或其他的起调水位）的条件下，用给出的入库洪水过程、泄洪建筑物的泄洪能力曲线及库容曲线等基本资料，按规定的防洪调度规则，推求水库的泄流过程、水库水位过程及相应的最高调洪水位和最大下泄流量。
若水库不承担下游防洪任务，那么水库调洪计算的任务是研究和选择能确保水工建筑物安全的调洪方式，并配合泄洪建筑物的形式、尺寸和高程的选择，最终确定水库的设计洪水位、校核洪水位、调洪库容及二种情况下相应的最大泄流量。
若水库担负下游防洪任务，首先应根据下游防洪保护对象的防洪标准、下游河道安全泄量、坝址至防洪点控制断面之间的区间入流情况，配合泄洪建筑物形式和规模，合理拟定水库的泄流方式，确定水库的防洪库容及其相应的防洪高水位；其次，根据下游防洪对泄洪方式的要求，进一步拟定为保证水工建筑物安全的泄洪方式，经调洪计算，确定水库的设计洪水位与校核洪水位及相应的调洪库容。
二、水库调洪计算基本公式
洪水进入水库后形成的洪水波运动，其水力学性质属于明渠渐变不恒定流。
常用的调洪计算方法，往往忽略库区回水水面比降对蓄水容积的影响，只按水平面的近似情况考虑水库的蓄水容积（即静库容）。
水库调洪计算的基本公式是水量平衡方程式
（3-1）
式中：
——计算时段长度（s）；
——t时段初、末的入库流量（m3/s）；
——t时段初、末的出库流量（m3/s）；
——t时段初、末水库蓄水量（m3）。
当已知水库入库洪水过程线时，
均为已知；
则是计算时段t开始的初始条件。
于是，式中仅
为未知数。
必须配合水库泄流方程q=f（V）与上式联立求解
的值。
当水库同时为兴利用水而泄放流量时，水库泄流量应计入这部分兴利泄流量。
如图3-2所示，假设暂不计及自水库取水的兴利部门泄向下游的流量，若泄洪建筑物为无闸门表面溢洪道，则下泄流量q的计算公式为:
（3-2）
式中：
ε侧收缩系数；
m流量系数；
B溢洪道宽；
h1堰上水头。
若为孔口出流，则泄流公式为：
（3-3）
式中：
μ孔口出流系数；
ω孔口出流面积；图3-2泄洪设施示意图
h2孔口中心水头。
由式（3-2）或（3-3）所反映泄流量q与泄洪建筑物水头h的函数关系可转换为泄流量q与库水位Z的关系曲线q＝f（Z）。
借助于水库容积特性V＝f（Z）,可进一步求出水库下泄流量q与蓄水容积V的关系，即
q＝f（V）（3-4）
以图3-3水库洪水调节示意图说明如何
进行一次洪水的水库调洪计算。
图中Q～t
为入库洪水过程线；q～t为水库调洪计算
需要推求的出库流量过程线。
设
为计算
过程的面临时段，由入库洪水资料可知时
段初、末的流量
的数值，Vt，qt
为该时段已知的初始条件。
图中阴影线
的面积表示该时段水库蓄水量的增量ΔV，
即ΔV=Vt+1-Vt。
利用式（3-1），（3-4）可求
解时段末的水库蓄水量Vt+1和相应的出库
流量qt+1。
前一个时段的
求出后，图3-3水库洪水调节示意图
其值即成为后一时段的
值，使计算有可能逐时段地连续进行下去。
必须指出，上述水库调洪计算中采用的泄流函数式q=f（v）是基于泄洪设施为自由溢流的条件建立的。
所谓自由溢流是指泄洪设施不设闸门，或虽设有闸门，但闸门达到的开度不对水流形成制约的情况。
三、水库调洪计算试算法
水库调洪计算就是联解式（3-1）和（3-4）。
常用的算法有试算法（迭代法）和图解法。
试算法可达到对计算结果高精度的要求，但以往靠人工计算时，此法计算工作量大；图解法是为了避免繁琐的试算工作而发展起来的，它实用于人工操作，可大大减轻试算法的人工计算工作量。
随着计算机科学技术的迅速发展，上述水库调洪计算的试算法很适合编制电算程序，即在计算机上进行迭代计算，不必再提倡采用图解法来完成调洪计算。
在进行迭代计算时,可先假定计算时段末的出库流量的qt+1值,求出式中待定的时段末水库蓄水量
的值；也可先假定
的值,求出式中待定的qt+1值。
最后，在迭代过程中算出满足精度的解。
下述迭代算法（以先假定qt+1的值为例）的步骤可以作为编制水库调洪计算软件的程序流程。
（1）初步假设计算时段末的出库流量
的值，代入式（3-1），可初步求出式中待定的时段末水库蓄水量
的值。
（2）利用
关系，用初求的
值，按插值算法求出对应的出库流量q。
（3）检验步骤
（1）所假设的时段末的出库流量
步骤
（2）得到的出库流量q的相符合情况。
若设定的允许误差为
，
，则满足计算精度要求，结束该时段计算，时段末出库流量
及水库蓄水量
即为计算的结果。
否则，重新假设
=（
+q）/2，返回步骤
（1）进行下一轮迭代计算。
以上仅以某一计算时段为例，说明水库调洪计算的原理和方法。
对于一场入库洪水的调洪计算，必须从洪水起涨开始，依时序逐时段进行。
第一个计算时段（t＝1）可将起调水位（规划设计中对一定设计标准的洪水的调洪计算一般采用防洪限制水位作为起调水位）及其相应的泄水建筑物的泄流能力作为计算初始条件，即已知该时段初的出库流量q1和水库蓄水量V1，通过调洪计算求出时段末的出库流量q2和水库蓄水量V2。
接着进行第二时段的调洪计算，此时q2，V2已成为第二时段的初始条件，可按同样的方法进行此时段的调洪计算。
循此执行逐时段调洪计算，直到水库水位消落至防洪限制水位（或根据要求只推算到出现水库最高调洪水位）。
现将具体的演算过程用一例子加以说明。
某水库的泄洪建筑物形式和尺寸已定，溢洪堰设有闸门控制。
水库的运行方式是在洪水来临时，先用闸门控制，使水库泄流量等于入库流量，水库保持汛期防洪限制水位（38m）不变。
随着入库流量继续增大，闸门逐渐开启直至达到全部开启，水库泄流q随库水位的升高而加大，闸门全部开启后的流态为自由泄流。
已知堰顶高程为36m，水库容积曲线V=f（Z），并根据泄洪建筑物形式和尺寸，算出水位和下泄量关系曲线q=f（Z），见表3-4。
计算过程见表3-5。
并按下列步骤计算。
表3-4单位：
水位Z（m），库容V（万m3），泄流量q（m3/s）
Z
36.
36.5
37
37.5
38
38.5
39
39.5
40
40.5
V
4330
4800
5310
5860
6450
7080
7760
8540
9420
10250
q
0
22.5
55
105
173.9
267.2
378.3
501.9
638.9
786.1
（1）将已知入库洪水流量过程线列入表中的第
（1）、
（2）栏，取计算时段Δt=3h
=10800s；起始库水位为Z限=38.0m，在图中可查出闸门全开时相应的q=173.9m3/s。
（2）在第18小时以前，入库流量Q均小于173.9m3/s，水库按q=Q泄流。
水库不蓄水，无需进行调洪计算。
从第18小时起，Q开始大于173.9m3/s，以第18小时为开始调洪计算的时刻，此时初始的q1即为173.9m3/s，而初始的V1为6450万m3。
然后，按水量平衡方程进行计算，将计算结果列入表3-5中
相应时段的各栏，并点绘在图3-4上。
（3）由表3-5可见，在第36小时，
水库水位Z=40.51m、水库蓄水量
V=10232万m3、Q=900m3/s、q=781m3/s；
而在第39小时，Z=40.51m，V=10280万m3，
Q=760m3/s，q=790m3/s。
按前述水库调洪
原理，当qmax出现时，一定是q=Q，此时
Z，V均达最大值。
显然，qmax将出现在第
36小时与第39小时之间，在表中并末算
出。
通过进一步试算，在第38小时16分
钟处，可得出qmax=Q=795m3/s，Zmax=40.52m，
Vmax=10290万m3。
图3—4某水库调洪计算结果
了解以上试算过程后，如果借助计算机将会很快得出计算结果。
必须注意到前面介绍水库调洪计算时，采用了泄水建筑物泄流能力曲线来反映水库出流量与水库蓄水量的函数关系，即
。
工程实践中，对于存在闸门开度控制较复杂的调洪情况，可以根据防洪要求，从拟定水库泄洪方式入手，研究确定一种合理的开闸程序，包括启用闸门和变动开度的操作过程，以实现所拟定泄洪方式的泄流过程。
表3-5调洪计算列表试算法
时间
t
（h）
入库洪水
流量Q
（m3/s）
时段平均入库流量
（m3/s）
下泄流量
q
（m3/s）
时段平均下泄流量
（m3/s）
时段内水库存水量变化ΔV
（万m3）
水库存水量
V
（万m3）
水库水位
Z
（m）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
（7）
（8）
18
174
257
173.9
180.5
83
6450
38.0
21
340
187
6533
38.1
595
224.5
400
24
850
262
6933
38.4
1385
343.5
1125
27
1920
425
8058
39.2
1685
522.5
1256
30
1450
620
9314
39.9
1280
677.0
651
33
1110
734
9965
40.3
1005
757.5
267
36
900
781
10232
40.5
830
785.5
48
39
760
790
10280
40.51
685
781.0
-104
42
610
772
10176
40.4
535
751.5
-234
45
460
731
9942
40.3
410
702.5
-316
48
360
674
9626
40.1
325
645.5
-346
51
290
617
9280
39.9
注：
表中数字下有横线者为初始已知值；ΔV=（
-
）Δt。
第三节水库调洪方式
水库调洪方式是指根据水库防洪要求（包括大坝安全和下游防洪要求），对一场洪水进行防洪调度时，利用泄洪设施泄放流量的时程变化的基本形式，也常称为水库泄洪方式或水库防洪调度方式。
所采用的水库调洪方式应根据泄洪建筑物的形式，是否担负下游防洪任务，以及下游防护地
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