第四章综合利用水库特性和兴利调节

第四章综合利用水库特性和兴利调节 授课：方国华黄显峰 2014年10月7日

第四章综合利用水库特性和兴利调节 综合利用水库：为实现水资源综合利用而兴建的水利工程。径流调节：即按人们的需要，通过水库的蓄水、泄水作用，控制径流和重新分配径流。兴利调节：为兴利目的进行的径流调节。洪水调节：为了拦蓄洪水、削减洪峰而进行的径流调节。本章的重点是讨论为兴利调节。

4.1水库特性 4.1.1 水库面积特性和容积特性 1. 水库面积特性水库面积特性：指水库水位与水面面积的关系曲线。水库水面面积：库区内某一水位高程的等高线和坝轴线所包括的面积。在1／5000～1／50000比例尺地形图上，采用求积仪法、数方格法、网点法、图解法或光电扫描与电子计算机辅助设备，均可量算出不同水库水位的水库水面面积。高程间距可取1m、2m 、5m。

2. 水库容积特性 水库容积特性：指水库水位与容积的关系曲线。可直接由水库面积特性推算绘制。两相邻等高线间的水层容积ΔV，可按简化式（4-1）或较精确式（4-2）计算：（4-1）（4-2）

上述水库水面是按水平面进行计算的，为静库容。上述水库水面是按水平面进行计算的，为静库容。考虑回水影响的称为动库容。一般情况下，按静库容进行径流调节计算，精度已能满足要求。当需详细研究水库淹没、浸没等问题和梯级水库衔接情况时，应计及回水影响。对于多沙河流，应按相应设计水平年和最终稳定情况下的淤积量和淤积形态，修正库容特性曲线。

4.1.2 水库的特征水位和特征库容 特征水位：水库工程为完成不同任务在不同时期和各种水文情况下，需控制达到或允许消落的各种库水位，统称特征水位。特征库容：相应于水库特征水位以下或两特征水位之间的水库容积。

1.死水位（Z死）和死库容（V死） 死水位：在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位。死库容：死水位以下的水库容积，或称为垫底库容。 2. 正常蓄水位（Z蓄）和兴利库容（V兴）正常蓄水位：水库在正常运用情况下，为满足设计兴利要求而在开始供水时应蓄到的高水位。又称正常高水位或设计兴利水位。

兴利库容：正常蓄水位与死水位间的库容；用以调节径流，提高枯水时的供水量或水电站出力。或称为调节库容。兴利库容：正常蓄水位与死水位间的库容；用以调节径流，提高枯水时的供水量或水电站出力。或称为调节库容。正常蓄水位与死水位的高程差，称水库消落深度或工作深度。 3. 防洪限制水位（Z限）防洪限制水位：水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位。它是水库汛期防洪运用时的起调水位。当汛期不同时段的洪水特性有明显差异时，可考虑分期采用不同的防洪限制水位。具体研究时，要兼顾防洪、兴利两方面要求。

4. 防洪高水位（Z防）和防洪库容（V防）当遇下游防护对象的设计标准洪水时，水库为控制下泄流量而拦蓄洪水，这时在坝前（上游侧）达到的最高水位称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时，才需确定这一水位。防洪高水位与防洪限制水位间的库容，称为防洪库容，用以拦蓄洪水，满足下游防护对象的防洪要求。当汛期各时段具有不同的防洪限制水位时，防洪库容指最低的防洪限制水位与防洪高水位之间的库容。

当防洪限制水位低于正常蓄水位时，防洪库容与兴利库容的重叠部分，称重叠库容或共用库容（V共）。当防洪限制水位低于正常蓄水位时，防洪库容与兴利库容的重叠部分，称重叠库容或共用库容（V共）。在水库设计中，根据水库及水文特性，有防洪库容和兴利库容完全重叠、部分重叠、不重叠三种形式。（1）完全重叠。 Z防= Z蓄（2）部分重叠。 Z防高于 Z蓄高于Z汛限（3）不重叠。 Z汛限= Z蓄

5. 设计洪水位（Z设洪）和拦洪库容（V拦） 水库遇大坝设计洪水时，在坝前达到的最高水位称设计洪水位。它是正常运用情况下允许达到的最高库水位，也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。 Z限与Z设洪之间的库容称拦洪库容（V拦）。

6. 核核洪水位（Z校洪）和调洪库容（V调洪）水库遇大坝校核洪水时，在坝前达到的最高水位称校核洪水位。它是水库非常运用情况下允许达到的临时性最高洪水位，是确定坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。校核洪水位与防洪限制水位之间的库容称为调洪库容，用以拦蓄洪水，确保大坝安全。当汛期各时段分别拟定不同的防洪限制水位时，这一库容指最低的防洪限制水位至校核洪水位之间的库容。

7. 总库容（V总）和有效库容（V效）校核洪水位以下的全部库容称总库容，即： V总= V死+ V兴+ V调洪－V共。总库容是表示水库工程规模的代表性指标，可作为划分水库等级、确定工程安全标准的重要依据。校核洪水位与死水位之间的库容，称有效库容，即: V效= V总－V死= V兴+ V调洪－V共。

截至2007年底，全国水库85412座，大型水库493座，中型水库3181座截至2007年底，全国水库85412座，大型水库493座，中型水库3181座 • 江苏省水库908座 • 大型6座：石梁河水库、小塔山水库、大溪水库、安峰山水库、横山水库、沙河水库 • 中型41座 • 小型861座

南京 • 龙墩河水库高淳县漆桥镇 • 金牛山水库六合区八百镇 • 大河桥水库六合区泉水镇 • 大泉水库六合区泉水镇 • 山湖水库六合区乌石镇 • 方便水库溧水县东屏镇 • 中山水库溧水县东芦镇 • 卧龙山水库溧水县群力镇 • 老鸦坝水库溧水县白马镇 • 赭山头水库溧水县云合镇 • 姚家水库溧水县晶桥镇 • 赵村水库江宁区横溪镇

横山水库宜兴市横山乡（大型） 无锡常州沙河水库溧阳市沙河乡（大型）前宋水库溧阳市周城乡大溪水库溧阳市大溪乡（大型）塘马水库溧阳市后周乡茅东水库金坛市薛埠乡

北山水库句容市大卓镇 • 句容水库句容市华阳镇 • 二圣桥水库句容市二圣镇 • 茅山水库句容市茅西镇 • 墓东水库句容市春城乡 • 仑山水库句容市 • 凌塘水库丹徒区上党乡镇江扬州月塘水库仪征市月塘镇

连云港 • 贺庄水库东海县 • 大石埠水库东海县 • 房山水库东海县 • 石梁河水库东海县（大型） • 横沟水库东海县 • 昌梨水库东海县 • 西双湖水库东海县 • 安峰山水库东海县（大型） • 八条路水库赣榆县 • 小塔山水库赣榆县（大型） • 羽山水库东海县

徐州 • 云龙湖水库徐州市 • 庆安水库睢宁县 • 阿湖水库新沂市 • 高塘水库新沂市 • 崔贺庄水库铜山县淮安桂五水库盱眙县山洪水库盱眙县龙王山水库盱眙县红旗水库盱眙县化农水库盱眙县

4.1.3 水库水量损失 • 蒸发损失 • 渗漏损失 • 其他损失

1. 蒸发损失 水库建成后，库区原有陆地变成了水面，原来的陆面蒸发也就变成了水面蒸发，由此而增加的蒸发量构成水库蒸发损失。各计算时段（月、年）的蒸发损失WZ可按下式计算：式中：ES ——计算时段内库区水面蒸发深度，m; EL——计算时段内库区陆面蒸发深度，m; FK——计算时段内平均水库水面面积，m2; f——原天然河道水面面积，m2。

水面蒸发计算方法有经验公式法、水量平衡法、热量平衡法、紊动混合和交换理论法等四类。水面蒸发计算方法有经验公式法、水量平衡法、热量平衡法、紊动混合和交换理论法等四类。我国多采用第一类方法，即以库区及其附近地区蒸发皿观测的蒸发深度（面积加权平均值），乘以某一经验性折算系数（与蒸发皿面积、材料、安装方式及地区等有关）求得。陆面蒸发目前常采用:多年平均降雨减去多年平均径流深，作为陆面蒸发的估算值；或从各地水文手册中的陆面蒸发量等值线图上直接查得。

蒸发与饱和水汽压差、风速、辐射及温度、气压、水质等有关，按月计算蒸发量较合理。蒸发与饱和水汽压差、风速、辐射及温度、气压、水质等有关，按月计算蒸发量较合理。当水库水面面积变化不大，或蒸发损失占年水量比重很小时，可计算年蒸发损失并平均分配给各月份。为留有余地，年调节水库采用最大年蒸发量，年内分配按多年平均情况考虑。多年调节水库采用多年平均年蒸发量。

2. 渗漏损失 水库蓄水后，水位抬高，水压增大，渗水面积加大，地下水情况也将发生变化，从而产生渗漏损失。渗漏损失可分三类：（1）通过坝身及水工建筑物止水不严实处的渗漏损失；（2）通过坝基及绕坝两翼的渗漏损失；（3）由坝底、库边流向较低渗水层的渗漏损失。近代修建的挡水建筑物，均采取了较可靠的防渗措施，在水利计算中通常只考虑第（3）类损失。

渗漏损失的经验估算式如下： 式中：W年渗 ——水库年渗漏损失，m3; ——水库年平均蓄水面积，m2; W蓄——计算时段水库蓄水量，m3; k1、k2——经验系数，可参阅表4-2。

3. 其他损失 • 结冰损失这项损失一般不大，可按结冰期库水位变动范围内库面面积之差乘以0.9倍平均结冰厚度估算。 • 水工建筑物操作所损失的水量如鱼道操作、木材流放、船闸过船都要损失一定的水量。水库初蓄时所产生的水量损失、或是当为数不大、或只是一次性损失时，在一般的调节计算中，不予考虑。

4.1.4 水库淤积 河水中挟带的泥沙在库内沉积，称水库淤积。水库淤积的分布和形态取决于入库水量、含沙量、泥沙组成、库区形态、水库调度和泄流建筑物性能等因素的影响。

纵向淤积形态分为三类： （1）三角洲淤积:相对库容较大、来沙组成较粗，水库蓄水位变幅较小，库区地形开阔的水库，如官厅水库。（2）带状淤积:少沙河流上水位变幅不大的河道型水库，如丰满水库。（3）锥体淤积:多沙河流上修建的小型水库，如巴家嘴水库。

水库淤积计算：在水库工程的规划、设计中，为预测水库泥沙淤积过程、相对平衡状态和水库寿命所进行的分析、计算。水库淤积计算：在水库工程的规划、设计中，为预测水库泥沙淤积过程、相对平衡状态和水库寿命所进行的分析、计算。计算任务是探明水库淤积对防洪、发电、航运、引水及淹没等的影响，并为研究水库运行方式、确定泄洪排沙设施规模提供依据。在规划阶段，为探讨水库使用年限（寿命），可按某一平均的水、沙条件估算水库平均年淤积量和水库淤损情况。库容淤损法就是较常采用的一种经验估算方法，计算步骤如下：

（1）根据调节库容和平均年入库水量 计算年内拦在水库内的泥沙占该年入库泥沙的百分数，即拦沙率为为考虑淤积对水库调节能力的影响，V调采用平均兴利库容 V调=( V调+V调终)/ 2，其中V调终为水库保留的最终调节库容。和V调终/ 以百分数表示。当V调终/ 达0.5以上时，拦沙率接近100%，几乎全部泥沙都淤积在库里。（4-6）

（2）计算水库每年因淤积而损失的库容占原有库容的百分数，即库容平均淤损率 ，采用多年平均情况式中：为平均年淤积量，m3；为平均年入库泥沙量，m3。当入库水、沙量资料不全，特别是中小型水库的规划，可用下式粗略计算：式中：为流域平均侵蚀模数，t/(km2•a)；F为流域面积，m2。

（3）计算平均淤积量为 （4）根据预期的库容淤积程度，确定淤积掉的库容占原有库容的百分数，即水库的淤积系数，计算水库淤积年限为

防止、减轻水库淤积的措施： • 上游拦截，就地处理要做好水土保持工作，在来沙较多的支流上修建拦沙坝库、修建旁引水库等。 • 水库排沙，保持库容水库采用“蓄清排浑”的运用方式。 • 清除淤沙，恢复库容对干旱缺水地区，采用挖泥船、吸泥泵等或横向冲蚀法清除水库淤积的泥沙。

4.1.5 水库的淹没和浸没 正常蓄水位以下库区为经常淹没区，影响所及均需改线、搬迁；正常蓄水位以上为临时淹没区，或迁移或防护，要根据具体情况确定。对于特别稀遇洪水时才出现的淹没区，要考虑其土地合理利用问题。在多沙河流上确定回水淹没范围，要考虑一定年限的泥沙淤积对抬高回水水位，特别是回水末端水位的影响。淹没区、浸没影响区和库周影响区里所有迁移对象都应按规定标准给予补偿，此补偿加上各种资源损失，统称淹没损失，计入水库总投资内。

4.2水库的兴利调节 ● 兴利调节的分类水库兴利调节可按调节周期、水库任务和供水方式等进行分类。 ● 设计保证率 ● 设计代表期 ● 兴利调节计算原理及方法

4.2.1 兴利调节的分类 水库兴利调节可按调节周期、水库任务和供水方式等进行分类。 ◆按调节周期分类调节周期：指水库的兴利库容从库空—蓄满—放空完整的蓄放水过程。日调节、周调节、年调节和多年调节。

1. 日调节 日调节的调节周期为一昼夜，即利用水库兴利库容将一天内的均匀来水，按用水部门的日内需水过程进行调节。在枯水期，当水电站水库具有枯水日来水量的20％～25％的兴利库容时，一般即可进行日调节。

2. 周调节 调节周期为一周，即将一周内变化不大的入库径流按用水部门的周内需水过程进行径流调节。枯水期河川径流在一周之内变化不大，而周内休假日电力负荷较小，发电用水也少，这时可将多余水量存入水库，用于高负荷日发电。周调节水库也可进行日调节。

3. 年调节 调节周期为一年。按照用水部门的年内需水过程，将一年中丰水期多余水量蓄存起来，用以提高缺水时期的供水量。分为：不完全年调节（季调节）和完全年调节。

完全与不完全调节的概念是相对的。 通常用库容系数（＝）反映水库兴利调节能力。当＝8％～30％时，一般可进行年调节。当天然径流年内分配较均匀时，＝2％～8％，即可进行年调节。年调节水库一般可同时进行周调节和日调节。

4. 多年调节 调节周期超过一年。多年调节的任务是利用水库兴利库容将丰水年多余水量蓄存起来，用以提高枯水年份的供水量。水库兴利库容可能要经过若干丰水年才能蓄满，然后将蓄水量在若干个枯水年份里用掉。

根据经验，若年水量变差系数CV值较小，年内水量分配较均匀， ＞30％便可进行多年调节，否则，需要有更大库容才能进行多年调节。多年调节水库一般可同时进行年调节、周调节和日调节。蓄水式水电站：对于水力发电，通常把具有一定的兴利库容，有能力调节天然径流量的水电站，称为蓄水式电站。径流式水电站：把无调节和仅能进行日调节的水电站（其日电能受控于天然径流），称为径流式电站。

◆按水库任务分类 （1）单一任务径流调节，如灌溉径流调节、工业及城市生活给水径流调节、水力发电径流调节等。（2）综合利用径流调节，即具有两种以上任务的水库的径流调节。按水库供水设计保证率分类，与此类似。 ◆按水库供水方式分类（1）固定供水。水库按固定要求供水，与供水期水库来水量和蓄水量无关，如工业及城市生活给水多属这种类型。（2）变动供水。水库供水随蓄水量和用户要求而变动，如灌溉按农田需水要求供水；水电站按电力负荷要求供水等。

◆其他分类 （1）反调节。下游水库按照用水部门的需水过程，对上游水库泄流的再调节。（2）单一水库补偿调节。水库与水库下游区间来水互相补偿，以满足有关部门用水要求的调节。（3）水库群补偿调节。水库间互相进行水文补偿、库容补偿、电力补偿，共同满足水利、电力系统要求的调节。（4）跨流域调节。将多水流域富余水量引至缺水流域的水量调节。

4.2.2 设计保证率 4.2.2.1 工作保证率和设计保证率的含义水利水电部门的正常工作的保证程度，称为工作保证率。工作保证率有不同的表示形式。 • 年保证率 • 历时保证率 • 按保证正常用水的数量的保证率

1.年保证率 它是指多年期间正常工作年数占运行总年数的百分比，即（4-11）这种表示保证率的方式不够确切。因不论破坏程度和历时如何，凡不能维持正常工作的年份，均同样计入破坏年数之中。

2. 历时保证率 指多年期间正常工作历时（日、旬或月）占总历时的百分比，即（4-12）年保证率与历时保证率之间的换算式为（4-13）式中m为破坏年份的破坏历时与总历时之比。式（4-13）推导如下：

采用哪种形式计算工作保证率，视用水特性、水库调节性能及设计要求等因素而定。采用哪种形式计算工作保证率，视用水特性、水库调节性能及设计要求等因素而定。

第四章 综合利用水库特性和兴利调节