第一节　水库特性

水库是径流调节的工具，在讨论径流调节原理和计算方法之前，需要了解水库有关特性。

一、水库面积特性和容积特性

（一）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。库区内某一水位高程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。水面面积随水库水位的变化而改变的情况，取决于水库河谷平面形状。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，从而绘成如图3-1所示的水库面积特性。绘图时，高程间距可取1m、2m、5m。

显然，平原水库具有较平缓的水库面积特性曲线，表明增加坝高将迅速扩大淹没面积和加大水面蒸发量，故平原地区一般不宜建高坝。

（二）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。它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（3-1）或较精确式（3-2）计算：

从库底Z底逐层向上累加，得每一水位Z的库容，从而绘成水库容积特性（图3-2）

应该指出，上述水库水面是按水平面进行计算的。实际上仅当库中流速为零时，库水面才呈水平，故称上述计算所得库容为静库容。库中水面由坝址起沿程上溯呈回水曲线，越靠上游水面越上翘，直至进库端与天然水面相交为止。因此，每一坝前水位所对应的实际库容比静库容大（图3-3）。特别是山谷水库出现较大洪水时，由于回水而附加的容积更大。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。

二、水库的特征水位和特征库容

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。相应于水库特征水位以下或两特征水位之间的水库容积，称特征库容。确定水库特征水位和特征库容是水利水电工程规划、设计的主要任务之一，具体方法将在第六章讨论，这里仅介绍各种特征水位和特征库容的概念。

图3-3为水库各种特征水位和特征库容的示意图。

（一）死水位（Z死）和死库容（V死）

在正常运用的情况下，允许水库消落的最低水位称死水位。死水位以下的水库容积称死库容或垫底库容。死库容一般用于容纳水库泥沙、抬高坝前水位和库内水深。在正常运用中，死库容不参与径流调节，也不放空，只有在特殊情况下，如排洪、检修和战备需要等，才考虑泄放其中的蓄水。

（二）正常蓄水位（Z蓄）和兴利库容（V兴）

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，称正常蓄水位。又称正常高水位或设计兴利水位。它决定水库的规模、效益和调节方式，在很大程度上决定水工建筑物的尺寸、型式和水库淹没损失。当采用无闸门控制的泄洪建筑物时，它与泄洪堰顶高程齐平；当采用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。

正常蓄水位与死水位间的库容，称兴利库容或调节库容，用以调节径流，提高枯水时的供水量或水电站出力。

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。

（三）防洪限制水位（Z限）

水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，称防洪限制水位。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。

防洪限制水位的拟定关系到水库防洪与兴利的结合问题，具体研究时，要兼顾两方面要求。

（四）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。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）。此库容在汛期腾空作为防洪库容或调洪库容的一部分，汛末充蓄，作为兴利库容的一部分，以增加供水期的保证供水量或水电站的保证出力。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（防洪限制水位与正常蓄水位处于同一高程）、部分重叠、不重叠三种形式。在我国南方河流上修建的水库，多采用前两种形式，以达到防洪和兴利的最佳结合。图3-3所示为部分重叠的情况。

（五）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。可采用相应大坝设计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。Z限与Z设洪之间的库容称拦洪库容（V拦）。

（六）校核洪水位（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。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。

（七）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。水库工程等别见表3-1。

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。

三、水库水量损失

水库蓄水后，改变了河流的天然状态和库内外水力关系，从而引起额外水量损失。水库水量损失主要包括蒸发损失和渗漏损失，在冰冻地区可能还有结冰损失。

（一）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）的蒸发损失可按下式计算：

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。

对陆面蒸发尚无成熟的计算方法，目前常采用多年平均降雨和多年平均径流深之差，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。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。

水库蒸发损失在地区间差别很大。例如，在干旱地区建库，伴随坝高增加，水面扩大将引起蒸发损失的大幅度增加，有可能并不增加水库的有效供水量。

（二）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（包括闸门、水轮机、通航建筑物的）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，根据水文地质条件，参照相似地区已建水库的实测资料推算，或按每年水库的平均蓄水面积渗漏损失的水层计或按水库平均蓄水量（年或月）的百分率计，其经验估算式如下

实际上，水库运行若干年后，由于库床淤积、岩层裂隙逐渐被填塞等原因，渗漏损失会有所减小。对喀斯特溶洞发育的石灰岩地区的渗漏问题，应作专门研究，例如可在上游采用人工放淤的办法减少水库渗漏损失。

（三）结冰损失

严寒地区的水库，冬季水面形成冰盖，其中部分冰层将因水库供水期间库水位的消落而滞留岸边，引起水库蓄水量的临时损失。这项损失一般不大，通常多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。

四、水库淤积

河水中挟带的泥沙在库内沉积，称为水库淤积。挟沙水流进入库内后，随着过水断面逐渐扩大，流速和挟沙能力沿程递减，泥沙由粗到细地沿程沉积于库底。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多沙河流上水位变幅较小的湖泊型水库，泥沙易于在库尾集中淤积形成类似于河口处的三角洲，并且随着淤积的发展，三角洲逐年向坝前靠近，如官厅水库、刘家峡水库等就属于三角洲淤积形态。②少沙河流上水位变幅较大的河道型水库，多形成沿库床比较均匀的带状淤积，如丰满水库就属于这种类型。③多沙河流上库容及壅水相对较小的中小型水库，洪水期间库内仍有一定流速，泥沙被挟带到坝前落淤，形成逐渐向上游方向发展，下大上小的锥体淤积，如甘肃省泾河支流蒲河巴家咀水库就是典型的锥体淤积形态。三角洲形淤积后期接近平衡时，往往转化成锥体淤积。横向淤积形态可分为全断面淤积、主槽淤积及沿湿周均匀淤积三类。

泥沙淤积对水库的运用会产生多方面影响：水库淤积（特别是三角洲淤积）常侵占调节库容，逐步减少综合利用效益；淤积末端上延，抬高回水位，增加水库淹没、浸没损失；变动回水易使宽浅河段主流摆动或移位，影响航运；坝前堆淤（特别是锥体淤积）将增加作用于水工建筑物上的泥沙压力，有碍船闸及取水口正常运行，使进入电站的水流中含沙量增加而加剧对过水建筑物和水轮机的磨损，影响建筑物和设备的效率和寿命；随着泥沙淤积，某些化学物质沉淀将污染水质，并影响水生生物的生长；泥沙淤积，使下泄水流变清，引起下游河床被冲、变形，水位下降使下游取水困难，影响建筑物安全，并增大水轮机吸出高度，不利于水电站的可靠运行。这些问题都需妥善解决。

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，称为水库淤积计算。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。水库淤积计算需要的基本资料有：①水文泥沙资料，包括入库流量、悬移质和推移质输沙量及颗粒级配、河床质级配及河道糙率；②库区纵、横断面或地形图，库容曲线；③水库调度运用资料，包括不同时期的坝前水位及出库流量过程；④工程资料，如水工建筑物布置，泄流排沙设施型式、尺寸及泄流曲线。水库淤积计算的基本方程为：水流连续方程、水流动量方程和泥沙连续方程。运用有限差分法，可计算淤积过程；用三角洲法可计算淤积量、淤积形态，并可分时段求得淤积过程。

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，其主要计算式为

按照水库淤积的平衡趋向性规律，运用初期，拦沙率β拦沙较高排沙较少，随着库容逐渐淤损，拦沙率将逐年减小，排沙逐年增加。影响水库拦沙率高低的因素很多，据国内外数十座水库实测资料分析，以调节库容与平均水量之比对拦沙率的影响较为明显。统计资料表明：当比值达0.5以上时，拦沙率接近100%，即几乎全部泥沙淤在库里。这是因为比值高表示水库具有较大的相对库容，调节程度高，汛期弃水少，拦沙率自然就高。

除水库调节程度对拦沙率起主要作用外，其他如泥沙颗粒粗细（粗沙情况拦沙率高）、泄流建筑物型式（表面泄洪比底孔泄洪对拦沙率高）及水库运用方式等因素也有影响。根据仅考虑调节程度影响的上述数十座水库的统计资料，计及其他影响因素的中等情况，给出平均的中值拦沙率近似式（3-6），注意式中β拦沙和均用百分数（%）表示。且由于淤积使库容逐年减小，将影响水库调节能力，在计算时应按平均调节能力考虑，即式（3-6）中的应取值。其中V调终指规定或假定的要求水库保留的最终库容，例如需计算水库淤积掉的库容为原库容的60%的年限时，其V调终为0.4V调。

估算水库平均年淤积量和使用年限的具体步骤为：①根据已知的调节库容V调和平均入库年水量，由式（3-6）求拦沙率β拦沙；②将β拦沙、V调及平均年入库泥沙量代入式（3-7），求出库容平均淤损率（当入库水、沙资料不全，特别是中小型水库的规划，可采用式（3-8）粗略估算）；③由库容平均淤损率定义知［式（3-7）］，据此可算出水库平均年淤积量；④根据预期的库容淤积程度，确定系数k，由式（3-9）计算库容达到预期淤积程度的年限。

当入库水、沙量资料不落实，特别是对中、小型水库的规划，可采用较粗略的式（3-8）直接计算水库库容平均淤损率。

为防止、减轻水库淤积，要做好流域面上的水土保持工作，也可在来沙较多的支流上修建拦沙坝库。此外，采用“蓄清排浑”的运用方式，常能获得良好效果。水库在汛期降低水位运用，使大部分来沙淤在死库容内，或排出库外，或定期泄空冲刷，恢复淤积前库容；汛后则拦蓄清水，以发挥水库综合利用效益。这时，需设置较大的泄洪排沙底孔或隧洞，使水库在汛期能保持低水位运行。

五、水库的淹没和浸没

修建水库，特别是高坝大库，可调节径流，获得较大的防洪、兴利综合利用效益，但往往也会引起淹没和侵没问题。水库蓄水后，将会淹没土地、森林、村镇、交通、电力和通信设施及文物古迹，甚至城市建筑物等。由于库周地下水位抬高，水库附近受到浸没影响，使树木死亡，旱田作物受涝，耕地盐碱化，形成局部沼泽地，恶化卫生条件，滋生疟蚊，增加矿井积水，使原有工程建筑物的基础产生塌陷等。还会引起库周塌岸，毁坏农田和居民点，减小水库容积。

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。正常蓄水位以上一定标准的洪水回水和风浪、冰塞壅水等淹没的地区为临时淹没区，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。在水面开阔、顺程较长的淹没区和容易发生冰塞壅水的水域，要在正常蓄水位以上适当考虑风浪爬高和冰塞壅水对回水的影响。

淹没区、浸没影响区和库周影响区（水库蓄水后失去生产、生活条件，需采取措施的库边及孤岛上的居民点）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。

处理水库淹没中的移民问题，往往十分棘手。在移民安置工作中，要正确处理国家、集体和个人的关系。充分利用当地自然资源，因地制宜地开拓多种途径。安置方式和出路有：①在库区附近调整行政单元，调剂土地和生产手段，就近安置；②远迁安置；③无论就近或远迁，均有成建制集中安置或按户分散安置的方式。不论采用何种安置方式，都要广开生产门路。农村移民以农为主，农工商牧副渔各业并举；城镇居民原则上随城镇迁建安置。城镇迁建规划可照顾其近期发展。城乡移民安置后的生产和生活条件要不低于或略高于迁建以前。在少数民族地区，要尊重其风俗习惯。

移民安置补偿费用于移民的迁移安置，也用于安置区的经济补助，务必使安置区原有居民利益不受损害。

根据国家经济改革方针，总结过去经验，20世纪90年代初提出开发性移民的方针，主要是把移民安置同安置区自然资源、人力资源的开发有机地结合起来，采取多种途径为移民创造能不断发展生产和改善生活的条件，移民能在新环境安居乐业，使移民安置成为振兴当地经济的促进因素。实现这种设想，不单纯依靠工程建设单位安排的移民补偿投资，还要多渠道集资并建立移民基金。在工程建成后一定时期内，要对有困难的移民安置区在经济上继续予以扶持。

水库淹没损失是一项重要的技术经济指标。在人口稠密地区，不仅淹没损失很大，有时达工程总投资的40%～50%，而且还会带来其他方面的影响，移民安置具有很强的政策性，因此，淹没、浸没问题，常常成为限制水库规模的主要因素之一。对于巨型和大型水库，可根据国民经济发展的需要，有计划地分期抬高蓄水位，以求减小近期淹没损失和迁移方面的困难。