2.2 水库基本概念
2.2.1 洪水要素
一次洪水持续时间的长短与暴雨特性及流域自然地理特性有关,一般由数十小时到数十天。流域上每发生一次洪水,洪水过程可由水文站实测水位及流量资料绘制,如图2.1所示。
(1)起涨点a,该点表示地面径流骤然增加,河流水位迅猛上升,流量开始增大,是一次洪水开始起涨的位置。
(2)洪峰流量Qm,是一次洪水过程中的瞬时最大流量。中小流域的洪水过程具有陡涨陡落的特点,Qm与相应的最大日平均流量相差较大;大流域洪峰持续时间较长,Qm与最大日平均流量相差较小。
图2.1 洪水过程线示意图
(3)落平点d,表示一次暴雨形成的地面径流基本消失,转为地下径流补给,因此d点可作为分割地面径流与地下径流的一个特征点。从a点到Qm出现的时间,称为涨洪历时t1。从Qm到d点的时间称为退水历时t2。从a点到d点的时间称为一次洪水的总历时T,T=t1+t2,一般情况下t1<t2。
(4)洪水过程线Q(t),表示洪水流量随时间变化的过程。山溪性小河洪水陡涨陡落,流量过程线的线型多为单峰型,且峰型尖瘦历时短;平原河流及大流域因流域调蓄作用较大,汇流时间长,加上干支流洪水的组合,使峰型迭起,过程线形状多呈复式峰型。
(5)洪水总量WT,T时段内通过断面的总水量称为洪水总量,数值上等于洪水过程线Q(t)与横坐标轴t包围的面积。
洪峰流量Qm、洪水总量WT和洪水过程线Q(t)是表示洪水特性的三个基本水文变量,称为洪水三要素,简称“峰、量、型”。
2.2.2 特征水位与库容
水库工程为完成不同时期不同任务和各种水文情况下,需控制达到或允许消落的各种库水位称为水库特征水位。水库的规划设计,首先要合理确定各种库容和相应的库水位。具体讲,就是要根据河流的水文条件、坝址的地形地质条件和各用水部门的需水要求,通过调节计算,并从政治、技术、经济等方面进行全面的综合分析论证,来确定水库的各种特征水位及相应的库容值。这些特征水位和库容各有其特定的任务和作用,体现着水库利用和正常工作的各种特定要求。它们也是规划设计阶段确定主要水工建筑物的尺寸(如坝高和溢洪道大小),估算工程投资、效益的基本依据。这些特征水位和相应的库容,通常有下列几种(见图2.2)。
(1)正常蓄水位与兴利库容。水库在正常运用情况下,为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位,称正常蓄水位,又称正常高水位、兴利水位,或设计蓄水位。它决定水库的规模、效益和调节方式,也在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库的淹没损失,是水库最重要的一项特征水位。当采用无闸门控制的泄洪建筑物时,它与泄洪堰顶高程相同;当采用有闸门控制的泄洪建筑物时,它是闸门关闭时允许长期维持的最高蓄水位,也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。正常蓄水位至死水位之间的水库容积称为兴利库容,即以调节库容。用以调节径流,提供水库的供水量。
(2)死水位与死库容。水库在正常运用情况下,允许消落到的最低水位,称死水位,又称设计低水位。死水位以下的库容称为死库容,也称垫底库容。死库容的水量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年),它不直接用于调节径流。
(3)防洪限制水位与重叠库容。水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库在汛期防洪运用时的起调水位,称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定,关系到防洪和兴利的结合问题,要兼顾两方面的需要。如汛期内不同时段的洪水特征有明显差别时,可考虑分期采用不同的防洪限制水位。正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积称为重叠库容,也叫共用库容。此库容在汛期腾空,作为防洪库容或调洪库容的一部分。
(4)防洪高水位与防洪库容。水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时,在坝前达到的最高水位,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。此水位可采用相应下游防洪标准的各种典型洪水,按拟定的防洪调度方式,自防洪限制水位开始进行水库调洪计算求得。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水,满足水库下游防护对象的防洪要求。
(5)设计洪水位与拦洪库容。水库遇到大坝的设计洪水时,在坝前达到的最高水位,称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。也是挡水建筑物稳定计算的主要依据,可采用相应大坝设计标准的各种典型洪水,按拟定的调度方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。它至防洪限制水位之间的水库容积称为拦洪库容。
(6)校核洪水位与调洪库容。水库遇到大坝的校核洪水时,经水库调洪后,在坝前达到的最高水位,称校核洪水位。它是水库在非常运用情况下,允许临时达到的最高洪水位,是确定大坝坝顶高及进行大坝安全校核的主要依据。此水位可采用相应大坝校核标准的各种典型洪水,按拟定的调洪方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积称为调洪库容。它用以拦蓄洪水,在满足水库下游防洪要求的前提下保证大坝安全。
(7)总库容。校核洪水位以下的水库容积称为总库容。它是一项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。
图2.2 特征水位与库容示意图
2.2.3 特性曲线
水库特性曲线是指表示水库库区地形特征的曲线。它包括水库水位与面积的关系曲线和水库水位与容积的关系曲线,简称水库面积曲线和水库容积曲线(或库容曲线),是水库规划设计的重要基本资料。
(1)水位～面积曲线。库区内某一水位的等高线和坝轴线所包括的面积,即为该水位的水库水面面积,如图2.3所示。水库的水面面积是随着库水位而变化的,其变化的速率与库区地貌特征有关。
在1/5000～1/50000的地形图上,采用求积仪法、网点法、图解法或数字化仪,均可量算出不同水库水位的水库水面面积,从而绘成水库的水位～面积曲线。曲线的坡度反映了库区形状和河道纵坡的变化情况。
图2.3 水位面积曲线示意图
(2)水位～库容曲线。水位～库容曲线,是水库水位与水库容积的关系曲线。它可直接由水位—面积曲线推算绘制。两相邻等高线间的部分容积(如图2.4所示),可按式(2.1)计算:
图2.4 水位库容计算示意图
从库底逐层向上累加,便可求得每一水位对应的水库容积V=∑ΔVi,从而绘出水库的水位～容积曲线。
2.2.4 水库工程等级
根据水库工程保证农田面积、保护城镇及工矿企业的重要性、灌溉面积等情况可将其分为5级,如表2.2所示。
表2.2 水库工程分等指标
注 本表摘自《水利水电工程等级划分及洪水标准(SL 252—2000)》。
水库水工建筑物复核级别,根据其在工程级别和建筑物的重要性确定。级别选择可按《防洪标准》(GB 50201—94)的规定,见表2.3。
表2.3 水工建筑物的级别
2.2.5 水库防洪标准
防洪标准是指水利水电工程设计洪水,包括设计标准和校核标准,它直接反应水库抗御洪水能力的高低。一般用重现期T(年)或者频率P%来表示。我国洪水标准有两种表达方式:一种是以洪水的重现期(频率)表示的,一种是以可能最大洪水(PMF)表示。《防洪标准》(GB 50201—94)和《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)是我国目前选择洪水标准的依据。规范按工程规模、效益和在国民经济中的重要性划分工程等别,再根据各等别工程中不同建筑物的性质和重要性划分水工建筑物的级别,并规定各级别建筑物所应采用的洪水标准。表2.4列举了我国现行的水利水电工程的洪水标准。
表2.4 水库工程永久性水工建筑物防洪标准 单位:重现期(年)
续表
注 本表摘自《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL 252—2000)。当山区、丘陵区水库枢纽工程挡水建筑物的挡水高度低于15m,上下水头差小于10m时其防洪标准可按平原区、滨海区栏的规定;当平原区、滨海区水库枢纽工程挡水建筑物的挡水高度高于15m,上下水头差大于10m时,其防洪标准可按山区、丘陵区栏的规定。
水利部于1989年颁发了《水利枢纽工程除险加固近期非常运用洪水标准的意见》,见表2.7,已建水利枢纽工程在除险加固设计中,提高永久性水工建筑物非常运用洪水标准(校核标准),由于投资过大或技术上的原因,执行水利水电枢纽工程等级划分及设计标准确有困难的,除位置特别重要的水利枢纽工程外,一般水利枢纽工程经过专门的讨论和主管部分批准,可以分期提高运用洪水标准,但近期非常运用洪水标准,不应低于表2.5的规定。
表2.5 非常运用洪水标准 单位:重现期(年)
我国最高防洪标准经历了三个发展阶段:
第一阶段:1975年以前,大型水利水电工程采用万年一遇洪水校核。
第二阶段:1975～1990年,由于1975年8月淮河上游板桥、石漫滩等水库垮坝,水利电力部在郑州召开的全国防汛及水库安全会议做出的关于复核水库防洪安全的几点规定中规定“大、中型水库和重要的小型水库(指下游有重要城镇、密集居民点、铁路干线或其他重要政治经济意义设施的小型水库),应以可能最大暴雨和洪水作为保坝标准进行复核”。1978年水利电力部颁布的《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)(试行)》SDJ 12—78的规定:“失事后对下游将造成较大灾害的大型水库,重要的中型水库以及特别重要的小型水库的大坝,当采用土石坝时,应以可能最大洪水作为非常运用标准”;并同时规定可能最大洪水必须大于万年一遇洪水。1979年水利电力部在《水利水电工程设计洪水计算规范(试行)》(SDJ 22—79)第32条中的规定“根据频率计算成果分析选定可能最大洪水时,采用值不得小于万年一遇洪水数值”。
第三阶段:1990年5月,水利部和能源部在《水利水电枢纽工程等级划分及设计标准(山区、丘陵区部分)(试行)》SDJ 12—78补充规定中缩小了PMF的使用范围(只用于重要土石坝Ⅰ级工程),把土石坝Ⅰ级工程的校核标准定为万年一遇洪水或可能最大洪水。1994年6月颁布的防洪标准,对土坝、堆石坝Ⅰ级工程的最高防洪标准定为PMF或万年一遇洪水校核,即把PMF与万年洪水并列。
2.2.6 水库规划
防洪水库应在河流或地区防洪规划的基础上选择防洪标准、防洪库容和水库泄洪建筑物(见泄水建筑物)形式、尺寸及水库群各水库防洪库容的分配方案。
(1)防洪标准。
1)水库下游防护区的标准:一般应根据其重要性、不同标准洪灾的损失及政治因素等进行确定。当出现大于或相应于该标准的洪水时,水库应控制泄量使防护区的水位不高于保证水位或流量不大于安全泄量。
2)水库本身防洪标准:从保证大坝安全出发,需要分别拟定水库防洪设计标准(正常运用)及校核标准(非常运用)。水库设计洪水,是在正常运用情况下确定水库有关参数和水工建筑物尺寸的依据。校核洪水是非常运用情况下校核大坝安全的依据。水库的防洪设计标准主要根据大坝规模、效益、失事后造成的严重后果等因素,按照有关的规程、规范选定,必要时可通过经济论证及综合分析确定。
防洪标准是通过设计洪水数值的大小来体现的。在国际上,水库防洪标准的表示方法主要有两种:一种是频率洪水,最高标准为万年一遇洪水(即平均每年出现的概率为万分之一,简称万年一遇洪水),以苏联为代表的高纬度国家大多采用这种方法;另一种是可能最大洪水(即近似于物理上限的洪水,简称PMF),以美国为代表的中低纬度国家大多采用这种方法。我国的水库防洪标准,在1951～1975年期间套用苏联的模式,1975年以后增加了美国的内容。
(2)库容确定。防洪库容的确定:①根据防护区的防洪标准求出防护区、水库及区间的设计洪水。②通过调查研究确定有关防护区的保证水位及安全泄量。以安全泄量减去区间流量求出水库各时段允许的最大泄量。③根据防护区离水库的远近、区间洪水特性、泄洪设备能力及是否设闸控制等条件,拟定水库防洪调度方式。④根据上述条件,以防洪限制水位作为调洪计算的初始水位(又称起调水位),通过水库调洪计算求出防洪库容;相应的最高水位即为防洪高水位。对于防洪与兴利结合的综合利用水库,当泄洪设备有闸控制、洪枯水期比较稳定时,可分别绘制防洪与兴利调度线。通过对两条调度线的分析,求出能供防洪与兴利同时使用的重叠库容(见综合利用水库调节计算)。它是防洪库容的一部分。当水利任务可能出现矛盾时,要充分协商,通盘考虑,统筹兼顾,使一库多用的效益最大。
(3)设备选择。泄洪设备的选择:对于水库需要设置的泄洪建筑物,要根据上下游的防洪要求综合平衡选定。其中底孔、中孔、泄洪隧洞(见水工隧洞)均需设闸控制,以利于控制泄洪,而且还能较好地满足兴利蓄水、排沙、放空的需要。但这些泄洪建筑物的泄量一般较小,不能满足大坝的安全要求,常需设置较大的溢洪道。当下游有防洪要求时,为了满足下游防洪及兴利蓄水的要求,溢洪道一般均设闸控制泄量。若泄洪建筑物的尺寸较大,则由于泄量大及运用灵活,所需的防洪库容及调洪库容将较小,其相应的防洪高水位及设计(校核)洪水位也较低,大坝建设规模及淹没处理费用也较小,但泄洪建筑物投资增大。反之,若泄洪建筑物选择较小的尺寸,则情况相反。因此,泄洪建筑物投资与大坝投资及淹没处理费用之间呈反比关系,需要通过经济分析及综合评价合理确定。
(4)库容分配。水库群防洪库容分配,需要综合考虑各水库与防护区的洪水组成及遭遇规律,以及地形地质、淹没损失、水库控制洪水在全流域洪水中的比重、离防护区的远近、重叠库容的大小等因素,以防洪与兴利总效益最优为原则确定各水库的防洪库容分配方案。一般为了最有效地控制洪水,在其他条件允许的情况下,尽可能在洪水主要来源的河流、在距离防护区较近的水库配置较大的防洪库容。
2.2.7 设计保证率及其选择
为了避免因工程规模过大而带来过大的耗费,一般不要求在工程的全部运行期间都能绝对地保证正常用水,即以允许在非常情况下减少用水或断水。这样,就引出了确定水利工程规模的设计保证率的概念。
(1)设计保证率。指多年用水期间,用水部门正常用水得到保证的程度。它是设计的正常用水保证率的简称。它是在工程规划设计阶段由设计人员按照一定的方法和步骤选定的工作保证率。
(2)设计保证率的选择。其实质是确定缩减用水合理程度的经济权衡问题。设计保证率应通过技术经济计算,并考虑其他影响,综合分析确定。
设计保证率选得太低,正常工作遭到破坏的几率将加大,破坏所带来的国民经济损失及其不良后果加重;设计保证率定得过高,虽可减轻破坏带来的损失,但工程投资和其他费用将增加,或者不得不减小工程的效益。
1)水电站设计保证率的选择。水电站设计保证率的取值关系到供电的可靠性、水能资源利用程度及电站造价。一般地讲,水电站装机规模越大,系统中水电所占比重越大,系统中重要用户越多,正常工作遭到破坏时的损失越严重,常采用较高设计保证率。而对于河川径流变化剧烈和水库调节性能好的水电站,也多采用较高的设计保证率。此外,水电站设计保证率的取值还与电力系统用户组成和负荷特性,以及可能采取的弥补不足措施等因素有关。
装机容量小于25000kW的小型水电站,设计保证率一般采用65%～90%;以灌溉为主的农村小水电工程的设计保证率,常与灌溉设计保证率取同值;大、中型水电站的设计保证率可参考表2.6选择。
表2.6 水电站设计保证率 %
同一电力系统中,规模和作用相近的联合运行的几座水电站,可当做单一水电站选择统一的设计保证率。
2)灌溉设计保证率的选择。灌溉设计保证率指设计灌溉用水量的保证程度。通常根据灌区水、土资源情况,作物组成,气象与水文条件,水库调节性能,国家对当地农业生产的要求,以及地区工程建设和经济条件等因素分析确定。
一般说来,南方水资源丰富地区的灌溉设计保证率比北方高;大型工程的比中、小型工程的高;自流灌溉的比提水灌溉的高;远期规划工程的比近期工程的高。设计时可根据具体条件,参照表2.7选择。
表2.7 灌溉设计保证率 %
注 1.本表摘自《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—99)。
2.作物经济价值较高的地区,宜选用表中较大值;作物经济价值不高的地区,可选用表中较小值。
3.引洪淤灌系统的灌溉设计保证率可取30%～50%。
3)通航设计保证率的选择。通航设计保证率指最低通航水位(水深)的保证程度,以计算时期内通航获得满足的历时百分率表示。最低通航水位是确定枯水期航道标准水深的起算水位。
通航设计保证率,一般根据航道等级结合其他因素综合分析比较并征求有关部门意见,报请审批部门确定,设计时可参照表2.8选值。
表2.8 通航设计保证率 %
4)供水设计保证率的选择。工业及城市民用供水若遭破坏将直接影响人民生活和造成生产上的严重损失,故采用较高的设计保证率,一般按年保证率取值的范围为95%～99%,大城市和重要工矿区取较高值。对于由两个以上水源供水的城市或工矿企业,在确定可靠性时,常按下列原则确定:任一水源停水时,其余水源除应满足消防和生产紧急用水外,要保证供应一定数量的生活用水。
在综合利用水库的水利水能计算中,首先要将历时保证率转换成年保证率。再者,针对各用水部门设计保证率常不相同的情况,一般以其中主要部门的设计保证率为准,进行径流调节计算,凡设计保证率高于主要部门的用水部门,其需水应得到保证;而设计保证率较低的用水部门的用水量可适当缩减。此外,还要对年水量频率与各用水部门设计保证率相应的年份,分别进行校核计算,取稍偏于安全方面的结果。必要时,可根据任务主次关系,适当调整各部门的用水要求或设计保证率。
2.2.8 水库调洪方式
水库的调洪基本可分为自由泄流(敞开泄流)、固定泄流和补偿调节方式三种。
自由泄流(敞开泄流)指水库不承担下游防洪任务,水库调洪只需解决水库遭遇设计标准及校核标准洪水,在水库水位超过防洪限制水位时为确保大坝安全时的泄洪。当水库承担下游防洪任务而入库洪水超过下游防洪标准设计洪水时的泄流,也是自由泄流。
固定泄流即采用闸门控制措施,使水库下泄流量按固定值泄放(一级或多级固定),各级控制下泄流量值视入库洪水和控制点的防洪能力而定。对于调洪能力较小的水库,可按入库流量来判别属于何级下泄值,对调洪能力大的水库洪量起主要作用,宜采用库水位涨率与入库流量相结合方法判定宜选泄量数值。
补偿调节方式是根据区间洪水预报逐时段确定水库相应下泄流量,使其与区间洪水流量组合结果不超过下游控制点的安全允许泄流量。考虑错峰要求的水库泄流即属于此种方式。但这种方式只适合于水库泄流至下游防洪控制点的传播时间小于区间洪水的预见期和预报精度较高的情况。如果某些水库泄流传播到下游防洪控制点的时间较长,而区间洪水集流却很快,预见期短,水库接到区间水情预报时已来不及关闸错峰,那么,需采用经验性或统计性的补偿调节洪水方式。如把区间地区的某些暴雨因素和防洪控制点涨率等作为关闸错峰的指标。当上游水库群共同承担下游防洪任务时,一般需要考虑补偿问题,当水库群洪水具有同步性时,选调洪能力大的,控制洪水比重大的水库作为防洪补偿调节水库,其余为被补偿水库。反之,洪水同步性差的水库群,采用补偿方式时,应将各库泄流最大值与区间洪峰错开,避免出现组合更不利情况。