工程水文及水利计算水库兴利调节计算.doc

第十一章 水库兴利调节第一节 水库及其特性一、水库特性曲线水库是指在河道、山谷等处修建水坝等挡水建筑物形成蓄集水的人工湖泊。水库的作用是拦蓄洪水，调节河川天然径流和集中落差。一般地说，坝筑得越高，水库的容积(简称库容)就越大。但在不同的河流上，即使坝高相同，其库容相差也很大，这重要是由于库区内的地形不同导致的。如库区内地形开阔，则库容较大；如为一峡谷，则库容较小。此外，河流的坡降对库容大小也有影响，坡降小的库容较大，坡降大的库容较小。根据库区河谷形状，水库有河道型和湖泊型两种。一般把用来反映水库地形特性的曲线称为水库特性曲线。它涉及水库水位面积关系曲线和水库水位容积关系曲线，简称为水库面积曲线和水库容积曲线，是最重要的水库特性资料。（一）水库面积曲线 水库面积曲线是指水库蓄水位与相应水面面积的关系曲线。水库的水面面积随水位的变化而变化。库区形状与河道坡度不同，水库水位与水面面积的关系也不尽相同。面积曲线反映了水库地形的特性。绘制水库面积曲线时，一般可根据 l/10 000 l/50 00比例尺的库区地形图，用求积仪(或按比例尺数方格)计算不同等高线与坝轴线所围成的水库的面积(高程的间隔可用 l，2或5 m)，然后以水位为纵座标，以水库面积为横坐标，点绘出水位面积关系曲线，如图21所示。 图21水库面积特性曲线绘法示意 （二）水库容积曲线水库容积曲线也称为水库库容曲线。它是水库面积曲线的积分曲线，即库水位与累积容积的关系曲线。其绘制方法是：一方面将水库面积曲线中的水位分层，另一方面，自河底向上逐层计算各相邻高程之间的容积。库 水位Z（m） 1 2 0 水面面积 (106 m2) 水库容积 (106 m3) 图 22 水库容积特性和面积特性 1水库面积特性; 2水库容积特性假设水库形状为梯形台，则各分层间容积计算公式为： （21）式中：相邻高程间库容（m3）; 、相邻两高程的水库水面面积（m2）; 高程间距（m）。或用较精确公式： （22）然后自下而上按 （23）依次叠加，即可求出各水库水位相应的库容，从而绘出水库库容曲线。水库总库容的大小是水库最重要指标。通常按此值的大小，把水库划分为下列五级： 大型大于 l0亿 m3；大型 l10亿 m3；中 型0.1l亿 m3；小型0.010.1亿 m3；小型小于0.01亿 m3。水库容积的计量单位除了用m3表达外，在生产中为了能与来水的流量单位直接相应，便于调节计算，水库容积的计量单位常采用 (m3/s)表达。是单位时段，可取月、旬、日、时。如1表达 l的流量在一个月（每月天数计为30.4天）的累积总水量，即 l 30.42436002.63106 m3前面所讨论的水库特性曲线，均建立在假定入库流量为零时，水库水面是水平的基础上绘制的。这是蓄在水库内的水体为静止(即流速为零)时，所观测到的水静力平衡条件下的自由水面，故称这种库容为静水库容。如有一定入库流量(水流有一定流速)时，则水库水面从坝址起沿程上溯的回水曲线并非水平，越近上游，水面越上翘，直到入库端与天然水面相交为止。因此，相应于坝址上游某一水位的水库库容，事实上要比静库容大，其超过部分如图23中斜影线所示。静库容相应的坝前水位水平线以上与洪水的实际水面线之间包含的楔形库容称为动库容。以入库流量为参数的坝前水位与计入动库容的水库容积之间的关系曲线，称为动库容曲线。一般情况下，按静库容进行径流调节计算，精度已能满足规定。但在需具体研究水库回水淹没和浸没问题或梯级水库衔接情况时应考虑回水影响。对于多沙河流，泥沙淤积对库容有较大影响，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曲线。二、水库的特性水位及其相应库容表达水库工程规模及运用规定的各种库水位，称为水库特性水位。它们是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规定，通过调节计算，并从政治、技术、经济等因素进行全面综合分析论证来拟定的。这些特性水位和库容各有其特定的任务和作用，体现着水库运用和正常工作的各种特定规定。它们也是规划设计阶段，拟定重要水工建筑物尺寸(如坝高和溢洪道大小)，估算工程投资、效益的基本依据。这些特性水位和相应的库容，通常有下列几种，分别标在图23中。（一）死水位和死库容水库在正常运用情况下，允许消落的最低水位，称为死水位。死水位以下的水库容积称为死库容。水库正常运营时蓄水位一般不能低于死水位。除非特殊干旱年份，为保证紧要用水，或其他特殊情况，如战备、地震等规定，经慎重研究，才允许临时泄放或动用死库容中的部分存水。拟定死水位应考虑的重要因素是：（1）保证水库有足够的能发挥正常效用的使用年限(俗称水库寿命)，特别应考虑部分库容供泥沙淤积。（2）保证水电站所需要的最低水头和自流灌溉必要的引水高程。（3）库区航运和渔业的规定。（二）正常蓄水位和兴利库容 在正常运用条件下，水库为了满足设计的兴利规定，在开始供水时应蓄到的水位，称为正常蓄水位，又称正常高水位。正常蓄水位到死水位之间的库容，是水库可用于兴利径流调节的库容，称为兴利库容，又称调节库容或有效库容。正常蓄水位与死水位之间的深度，称为消落深度或工作深度。溢洪道无闸门时，正常蓄水位就是溢洪道堰顶的高程；当溢洪道有操作闸门时，多数情况下正常蓄水位也就是闸门关闭时的门顶高程。 正常蓄水位是水库最重要的特性水位之一，它是一个重要的设计数据。由于它直接关系到一些重要水工建筑物的尺寸、投资、淹没、综合运用效益及其他工作指标；大坝的结构设计、强度和稳定性计算，也重要以它为依据。因此，大中型水库正常蓄水位的选择是一个重要问题，往往牵涉到技术、经济、政治、社会、环境等方面的影响，需要全面考虑 ，综合分析拟定。 图23 水库特性水位及其相应库容示意图（三）防洪限制水位和结合库容水库在汛期为兴利蓄水允许达成的上限水位称为防洪限制水位，又称为汛期限制水位，或简称为汛限水位。它是在设计条件下，水库防洪的起调水位。该水位以上的库容可作为滞蓄洪水的容积。当出现洪水时，才允许水库水位超过该水位。一旦洪水消退，应尽快使水库水位回落到防洪限制水位。兴建水库后，为了汛期安全泄洪和减少泄洪设备，常规定有一部分库容作为拦蓄洪水和削减洪峰之用。防洪限制水位或是低于正常蓄水位，或是与正常蓄水位齐平。若防洪限制水位低于正常蓄水位，则将这两个水位之间的水库容积称为结合库容，也称共用库容或重叠库容。汛期它是防洪库容的一部分，汛后又可用来兴利蓄水，成为兴利库容的组成部分。若汛期洪水有明显的季节性变化规律，经论证，对主汛期和非主汛期可分别采用不同的防洪限制水位。（四）防洪高水位和防洪库容水库碰到下游防护对象的设计标准洪水时，坝前达成的最高水位称为防洪高水位。该水位至防洪限制水位间的水库容积称为防洪库容。（五）设计洪水位和拦洪库容当碰到大坝设计标准洪水时，水库坝前达成的最高水位，称为设计洪水位。它至防洪限制水位间的水库容积称为拦洪库容或设计调洪库容。设计洪水位是水库的重要参数之一，它决定了设计洪水情况下的上游洪水淹没范围，它同时又与泄洪建筑物尺寸、类型有关；而泄洪设备类型(涉及溢流堰、泄洪孔、泄洪隧洞)则应根据地形、地质条件和坝型、枢纽布置等特点拟定。（六）校核洪水位和调洪库容当碰到大坝校核标准洪水时，水库坝前达成的最高水位，称为校核洪水位。它至防洪限制水位间的水库容积称为调洪库容或校核调洪库容。 校核洪水位以下的所有水库容积就是水库的总库容。设计洪水位或校核洪水位加上一定数量的风浪高值和安全超高值，就得到坝顶高程。三、水库的水量损失水库建成蓄水后，因改变河流天然状况及库内外水力条件而引起额外的水量损失，重要涉及蒸发损失和渗透损失，在寒冷地区尚有也许有结冰损失。（一）水库的蒸发损失 水库蓄水后，使库区形成广阔水面，原有的陆面蒸发变为水面蒸发。由于流入水库的径流资料是根据建库前坝址附近观测资料整编得出，其中已计入陆面蒸发部分。因此，计算时段t（年、月）水库的蒸发损失是指由陆面面积变为水面面积所增长的额外蒸发量 （以m3计），即 （24） 式中：计算时段内库区水面蒸发强度，以水层深度（mm）计； 计算时段内库区陆面蒸发强度，以水层深度（mm）计； 计算时段内水库平均水面面积（km2）； 建库以前库区原有天然河道水面及湖泊水面面积（km2）； 1000单位换算系数，1 mmkm2=106/103 m3=103 m3。 水库水面蒸发可根据水库附近蒸发站或气象站蒸发资料折算成自然水面蒸发，即 （25） 式中：水面蒸发皿实测水面蒸发(mm)； 水面蒸发皿折算系数，一般为0.650.80。 陆面蒸发，尚无较成熟的计算方法，在水库设计中常采用数年平均降雨量和数年平均径流深之差，作为陆面蒸发的估算值。 （26）（二）渗漏损失建库之后，由于水库蓄水，水位抬高，水压力的增大改变了库区周边地下水的流动状态，因而产生了水库的渗漏损失。水库的渗漏损失重要涉及下面几个方面：（l）通过能透水的坝身(如土坝、堆石坝等) 的渗漏，以及闸门、水轮机等的漏水；（2）通过坝基及绕坝两翼的渗漏；（3）通过库底、库周流向较低的透水层的渗漏。一般可按渗漏理论的达西公式估算渗漏的损失量。计算时所需的数据(如渗漏系数、渗径长度等)必须根据库区及坝址的水文地质、地形、水工建筑物的型式等条件来决定，而这些地质条件及渗流运动均较复杂，往往难以用理论计算的方法获得较好的成果。因此，在生产实际中，常根据水文地质情况，定出一些经验性的数据，作为初步估算渗漏损失的依据。若以一年或一月的渗漏损失相称于水库蓄水容积的一定百分数来估算时，则采用如下数值：（l）水文地质条件优良(指库床为不渗水层，地下水面与库面接近)，010%/年或01%/月。（2）透水性条件中档，10%20%/年或1%1.5%/月。（3）水文地质条件较差，20%40%/年或1.5%3%/月。在水库运营的最初几年，渗漏损失往往较大(大于上述经验数据)，由于初蓄时，为了湿润土壤及抬高地下水位需要额外损失水量。水库运营数年之后，由于库床泥沙颗粒间的空隙逐渐被水内细泥或粘土淤塞，渗漏系数变小，同时库岸四周地下水位逐渐抬高，渗漏量减少。（三）结冰损失结冰损失是指严寒地区冬季水库水面形成冰盖，随着供水期水库水位的消落，一部分库周的冰层将暂时滞留于库周边岸，而引起水库蓄水量的临时损失。这项损失一般不大，可根据结冰期库水位变动范围的面积及冰层厚度估算。四、库区淹没、浸没和水库淤积（一）库区淹没、浸没在河流上建造水库将带来库区的淹没和库区附近土地的浸没，使库区原有耕地及建筑物被废弃，居民、工厂和交通线路被迫迁移改建，导致一定的损失。在规划设计水库时，要十分重视水库淹没问题。我国地少人多，筑坝建库所引起的淹没问题往往比较突出，对淹没问题的考虑和解决就更需周密慎重。淹没通常分为经常性淹没和临时性淹没两类。经常性淹没区域，一般指正常蓄水位以下的库区 ，由于经常被淹，且连续时间长，因此，在此范围内的居民、城乡、工矿公司、通信及输电线路、交通设施等大多需搬迁 、改线 ，土地也很少能被运用；临时性淹没区域，一般指正常蓄水位以上至校核洪水位之间的区域，被淹没机会较小，受淹时间也短暂，可根据具体情况拟定哪些迁移，哪些进行防护，区内的土地资源大多可以合理运用。所有迁移对象或防护措施都将按规定标准给予补偿。此补偿费用和水库淹没范围内的各种资源的损失统称为水库淹没损失，计入水库总投资内。水库淹没范围的拟定，应根据淹没对象的重要性，按不同频率的入库洪水求得不同的库水位 ，并由回水计算结果从库区地形图上查得相应的淹没范围。淹没范围内淹没对象的种类和数量，应通过细致的实地调查取得。在多沙河流上，水库淹没范围还应计及水库尾部因泥沙淤积水位壅高及回水曲线向上游延伸等的影响。浸没是指库水位抬高后引起库区周边地区地下水位上升所带来的危害，如也许使农田发生次生盐碱化，不利于农作物生长；也许形成局部的沼泽地，使环境卫生条件恶化；还也许使土壤失去稳定，引起建筑物地基的不均匀沉陷，以致发生裂缝或倒塌。水库周边的浸没范围一般可采用正常蓄水位或一年内连续两个月以上的运营水位为测算依据。淹没和浸没损失不仅是经济问题，并且是具有一定社会和政治影响的问题。是规划工作中的一个重要课题。（二）水库的淤积 在天然河流上筑坝建库后，随着库区水位的抬高，水面加宽，水深增大，过水断面扩大，水力坡降变缓，水流速度减小。原河道水力特性的这种变化，减少了水流挟沙能力，也改变了原河道的泥沙运动规律，导致大量泥沙在库区逐渐沉淀淤积。这一情况说明，水库的建造，带来河流泥沙的淤积。我国华北的黄河和海河水系，水流含沙量大，如黄河三门峡水库，数年平均含沙量达37.8 kg/m3，因此自1960年至1970年间，水库共淤积泥沙55.5亿t，使库水位335 m以下的库容损失43%。又如海河流域永定河上的官厅水库，数年平均含沙量高达44.2 kg/m3，水库运用6年后，泥沙淤积导致库容损失达15.2%。即使含沙量较小的长江水系，干支流上修建的水库也有泥沙淤积问题。泥沙淤积对水库运用和上下游河流产生的不良影响是多方面的。淤积使水库调节库容减少，减少水库调节水量的能力和综合运用的效益。坝前淤积，使电站进水口水流含沙浓度增大，泥沙粒径变粗，引起对过水建筑物和水轮机的磨损，影响建筑物和设备的安全和寿命。库尾淤积体向库区推动的同时，也向上游延伸，即所谓“翘尾巴”，因而抬高库尾水位，扩大库区的淹没和浸没损失。水库下游则由于泄放清水，水流夹沙能力增大，引起对下游河床的冲刷，水位减少，甚至河槽变形。影响水库淤积的因素很多，重要有水库的入库水流的含沙量多少及其年内分派、库区地形、地质特性以及水库的运用方式等。从已建水库的大量观测资料分析，我国水库泥沙淤积的纵向形态可分为三种基本类型：（1）三角洲淤积形态。库内泥沙淤积体的纵剖面呈三角形形状的称为三角形淤积。当河流含沙量大时，库区开阔，库容较大，库水位变幅小，泥沙易于在库尾淤积形成三角洲，并且随着水库淤积的发展，三角洲逐渐向坝前靠近，所以这类淤积有相称部分的泥沙淤积是在有效库容内，如官厅水库和刘家峡水库就属于这种类型。（2）锥形淤积。常见于多沙河流上的中小型水库。由于库区较短，库容小，水深不大，底坡较陡，库内行近流速比较大，泥沙淤积一方面靠近大坝，以后淤积逐渐向上游发展，呈锥形淤积。（3）带状淤积形态。当水库来沙少，库区狭长，水位变幅较大时，淤积从库尾到坝前分布较均匀，呈带状纵剖面，淤积前后河底平均比降变化不大，对有效库容影响较小。如丰满水库就属于这种类型。以上三种水库淤积形态中，带状淤积影响较小；三角洲淤积侵占水库有效库容影响最大；锥体淤积对于坝前淤积高程、进水口工作条件以及粗粒泥沙对过水建筑物和水轮机的磨损影响较为严重。因此，在多沙河流上修建水库，调节径流，必须考虑泥沙的影响，甚至将其作为一个专门问题在规划设计中加以研究解决。一般河流上修建水库，在规划设计阶段也应认真分析水、沙资料，力求对的地估算沙量，以便拟定淤积库容、淤积年限，并尽也许采用对策减轻淤积带来的不利影响。水库淤积年限或淤积库容的计算，严格的说应根据水库泥沙运动规律及淤积过程进行。但目前由于水库泥沙资料不全，计算方法欠完善，故难以得出精确的计算结果。一般情况下多采用较简朴的方法来核算，例如采用下面介绍的简算法和沙莫夫法等。简算法假定水库泥沙淤积呈水平增长。把水库开始运营到泥沙所有淤满死库容，并开始影响有效库容时为止的这段时间，称为水库的使用年限，或称淤积年限。设水库年淤积量为。其中为年径流总量(m3 )；为年平均含沙量(kg/m3)；为入库泥沙留在水库中的相对值，视库容相对大小或水库调节限度而定。由此，水库年淤积体积为： （27）式中: 淤积的空隙度； 泥沙的比重(kg/m3)；当水库的死库容己定期，可求得水库的使用年限为 （28）或当水库的使用年限 已定期，可求得水库所需的淤积库容为 （29）上述简算法仅合用于悬移质泥沙，对于推移质泥沙，因观测资料局限性，尚难确切估算。对于推移质多的河流，应有专门的观测资料作为估算的基础。但是，这种方法无法了解水库的淤积过程。为此沙莫夫根据前苏联水库的淤积资料提出了计算水库淤积的经验公式。此法设想水库中由于泥沙的淤积，库容会逐年减小，通过年后，剩余库容(即未淤的库容)为，有： （210）式中：冲淤平衡时，水库的最大淤积库容（淤满了的容积后，进库和出库泥沙 相平衡，水库不再增长淤积）； 通过的年数； 参数，由下式计算 （211）式中： ； （212） 。 （213） 年输沙量(体积) ； 第一年泥沙淤积的体积； 水库的总库容； 建库前，河流横断面面积。通常情况下，相称于最大流量时的断面面积的 34； 建库后靠近坝址的断面面积； 指数，为一经验数字，一般可取1.7； 指数，与河流坡降及水库长度有关，其值在 11/3之间变动。 当坡降小于0.000 1时，=1.00.8； 当坡降为0.000 10.001时， =0.80.5； 当坡降为0.0010.01时，n=0.50.33。求得和之后，即可由公式( 210)，求得不同年份的剩余库容或淤积库容（）。沙莫夫的计算方法 ，同样也未考虑推移质泥沙，因此所得淤积年限一般偏大。以上两法都只宜在库容较大，含沙量不大的河流上采用。这两种方法的另一局限性之处是只能求得总的淤积年限或淤积库容，不能求得淤积过程，更不能求出具有重要意义的回水尾端区的淤积发展过程。在多沙河流上规划设计水库时，除了对淤积库容需作慎重考虑外，还必须针对设计水库的具体情况，提出减轻水库淤积的措施。最主线的措施是做好流域的水土保持工作，但是不能把远景治理效果作为近期规划的依据；另一方面在坝底或坝身的不同高程上设立泄水孔，以便把较细的沙粒，在未来得及沉淀于库底前，就随水流排往下游。此外，结合水库运营调度，可采用蓄清排浑的运营方式，即在汛期重要来沙季节，选择一段时间作为排沙期，排沙期后蓄水兴利；或抓住洪峰前后出现高含沙量的特点，采用洪峰前后排沙，洪峰过后蓄水。以避开拦截沙峰入库，减轻淤积数量。这些都是多沙河流水库调度的专门问题。第二节设计标准和设计代表期任何水资源工程从规划设计到投入使用，总有一个时间过程。较大的工程往往长达几年或十几年，工程投入使用后的正常使用期一般可达几十年或上百年。在这期间随着社会生产力的发展和人们生活水平的提高，生产和生活对水资源的需求量也随之扩大，而水资源自身又是随机多变的。因此，在规划设计水资源工程时，一方面要解决的是，在什么样的来水情况下满足不同时候的需水规定，以及满足这种需水规定的保证限度。这就是所谓设计代表期、设计水平年和设计保证率的问题。其中设计水平年和设计保证率可概括为兴利方面的设计标准问题。一、设计水平年设计水平年是指与电力系统的电力负荷水平相应的未来某一年份，并以该年的国民经济状况与社会背景下的综合用水需求作为水利水电枢纽规划设计的依据。各用水部门的需水量随着国民经济的发展而逐年增长；而水利工程从规划到建成，再从投入运营到正常运营，往往需要长达十几年或更长的时间。因此，必须通过论证，合理选定未来的某一年份作为设计水平年，对该年各用水部门的用水量作出预测，并以此作为拟定水利工程规模的依据。水利工程的设计水平年，应根据其重要限度和工程寿命拟定。一般的水利工程，可采用设计水平年和远景水平年两种需水量水平。设计水平年作为水利工程的依据，并按远景水平年进行校核。对于特别重要工程规模的拟定，应尽量考虑得更长远一些。水电工程一般采用第一台机组投入后的52023作为设计水平年。所选设计水平年应与国民经济五年计划分界年份相一致。 综合运用水利枢纽应先论证、拟定各需水部门的设计水平年。对于以发电为主的综合运用枢纽，设计水平年的选择应根据地区的水力资源比重、水库调节性能及水电站的规模等情况综合分析拟定。例如对于水力资源不丰富、水电比重小的地区，当设计水电站的规模较大，调节性能较高时，考虑到远景系统调峰的需要，设计水平年应适当选得远一些。承担灌溉任务的水利枢纽，在考虑其设计水平年时，必须结合灌区规划考虑其近期水平及灌区达成最终规模的需水水平。对于航运和给水部门的设计水平年的拟定，重要是考虑航运最终发展的客运、货运规模和船只的吨位、城市人口发展和工矿公司的最终生产能力等因素。拟定综合运用工程规模应以重要需水部门的设计水平年为依据，并考虑其他需水部门在该水平年的需水规定，然后再结合远景水平年的拟定，适当考虑各需水部门的远景需水规定。二、设计保证率由于河川径流具有多变性，假如在稀遇的特殊枯水年份也要保证各兴利部门的正常用水需要，势必要加大水库的调节库容和其他水利设施。这样做在经济上是不合理的，在技术上也不一定行得通。为了避免不合理的工程投资，一般不规定在将来水库使用期间能绝对保证正常供水，而允许水库可适当减少供水量。因此，必须研究各用水部门允许减少供水的也许性和合理范围，定出数年工作期间用水部门正常工作得到保证的限度，即正常供水保证率，或简称设计保证率。由此可见，设计保证率是指工程投入运用后的数年期间用水部门的正常用水得到保证的限度，常以百分数表达。 设计保证率通常有年保证率和历时保证率两种形式。年保证率指数年期间正常工作年数（即运营年数与允许破坏年数之差）占总运营年数的比例， 即 （214）所谓破坏年数，涉及不能维持正常工作的任何年份，不管该年内缺水时间的长短和缺水数量的多少。历时保证率是指数年期间正常工作的历时(日、旬或月)占总运营历时的比例，即 （215）采用什么形式的保证率，可视用水特性、水库调节性能及设计规定等因素而定。如灌溉水库的供水保证率常采用年保证率；航运和径流式水电站，由于它们的正常工作是以日数表达的，故一般采用历时保证率。设计保证率是水利水电工程设计的重要依据，其选择是一个复杂的技术经济问题。若选得过低，则正常工作遭破坏的机率将会增长，破坏所引起的国民经济损失及其不良影响也就会加重；相反，如选得过高，用水部门的破坏损失虽可减轻，但工程的效能指标就会减小(如库容一定期，保证流量就减小)，或工程投资和其他费用就要增长(如用水规定一定期，库容要加大)。所以，应通过技术经济比较分析，并考虑其他影响，合理选定设计保证率。由于破坏损失及其他后果涉及许多因素，情况复杂，难以拟定，目前在设计中重要根据生产实践积累的经验，并参照规范选用设计保证率。选择水电站设计保证率时，要分析水电站所在电力系统的用户组成和负荷特性、系统中水电容量比重、水电站的规模及其在系统中的作用、河川径流特性及水库调节性能，以及保证系统用电也许采用的其他备用措施等。一般地说，水电站的装机容量越大，系统中水电所占比重越大，系统重要用户越多，河川径流变化越剧烈，水库调节性能越高，水电站的设计保证率就应当取大一些。可参照表21提供的范围，经分析选定水电站的设计保证率。表21 水电站设计保证率电力系统中水电站容量比重（%）25以下255050以上水电站设计保证率（%）809090959598注：表中数据引自我国水利部颁布的水利水电工程水利动能设计规范SDJ 1177选择灌溉设计保证率，应根据灌区土地和水利资源情况、农作物种类、气象和水文条件、水库调节性能、国家对该灌区农业生产的规定以及工程建设和经济条件等因素进行综合分析。一般地说，灌溉设计保证率在南方水源较丰富地区比北方地区高，大型灌区比中、小型灌区高 ，自流灌溉比提水灌溉高 ，远景规划工程比近期工程高。可参照表22，适当选定灌溉设计保证率。表22 灌溉设计保证率地区特点农作物种类年设计保证率（%）缺水地区以旱作物为主5075以水稻为主7080水源丰富地区以旱作物为主7080以水稻为主7595 注：表中数据引自我国水利部颁布的灌溉排水渠系设计规范SDJ 21784 由于工业及城市居民给水遭到破坏时，将会直接导致生产上的严重损失，并对人民生活有极大影响，因此，给水保证率规定较高，一般在95%99%（年保证率），其中大城市及重要的工矿区可选取较高值。即使在正常给水遭受破坏的情况下，也必须满足消防用水、生产紧急用水及一定数量的生活用水。航运设计保证率是指最低通航水位的保证限度 ，用历时(日)保证率表达。航运设计保证率一般按航道等级结合其他因素由航运部门提供。一般一、二级航道保证率为97%99%，三、四级航道保证率为95%97%，五、六级航道保证率为90%95%。三、设计代表年和代表期的选择 由设计保证率的概念可知，正常供水的保证限度是相对某一水库数年运用结果而言的。在具体设计阶段，一般可根据长系列水文资料，通过逐时段的调节计算求得正常供水量、调节库容及相应设计保证率之间的关系。但在初步规划阶段，未定因素较多，为了减少进行多方案比较的计算工作量，常从长系列的水文资料中选择一些代表年或代表期的径流资料进行调节计算。（一）设计设表年 在规划设计中常用的设计代表年有设计枯水年、中水年和丰水年。设计枯水年是指与设计保证率有一定相应关系的年份，即用该年的径流资料进行调节计算求得的成果（所需的兴利库容或所提供的调节流量）可反映设计保证率的规定；设计中水年指年径流接近于数年平均情况的年份，对该年径流资料进行调节计算所得的成果用于反映水利工程的数年平均效益。设计丰水年一般选年径流频率相称于1的年份为代表，对该年径流资料进行调节计算所得的成果反映丰水条件下的兴利情况。设计枯水年的选择，视计算规定和简化限度的不同，通常可采用下列方法之一。1. 水量选年法以设计枯水年为例，根据历年径流资料，分别绘制年水量（或枯季水量）频率曲线，在曲线上查得与设计保证率相应的年水量（或枯季水量）。用工程水文学的方法可从实测径流系列中选出年水量接近的年份推出设计枯水年年内分派情况。一般地讲，枯水期水量的多少与供水期正常供水的情况关系更为密切。类似地，对设计中水年和丰水年，则可分别以数年平均水量（或50%）和（1）相应的年水量选择年内分派。2. 调节流量选年法 由于供水期起始日期除与径流年内分派有关外，还与有效库容的大小有关，因此，按每年固定划分的枯水期径流频率曲线选择设计枯水年也许不确切。按水库供水期的调节流量选择设计枯水年，可以更准确地反映设计保证率。当水库兴利库容为已知量时，采用径流调节简化计算法对年径流系列可求得各年的供水期调节流量，经记录计算求得与各年调节流量相应的经验频率值，绘出调节流量与经验频率的关系曲线。据此曲线即可选出频率相称于设计保证率 的年份作为设计枯水年，相应的调节流量即为设计调节流量。(二)设计代表期设计代表期是指一个长达若干年的代表性时期，可用该时期径流资料进行径流调节计算的成果来近似地反映长系列径流调节计算的结果。与设计代表年类似，设计代表期也是径流调节的一种简化法，它合用于数年调节水库。设计枯水年组及中水代表期是常采用的两种代表期。1. 设计枯水年组数年调节水库调节周期为若干年。一般情况下，由于水文资料的限制，能获得的完整调节周期数是不多的。因此，很难通过枯水年系列频率分析来选定设计枯水年组，通常采用扣除允许破坏年数的方法加以拟定，即 （2l6）式中：允许破坏年数； 水文系列总年数； 设计保证率。按式（2l6）计算在设计保证率条件下正常工作允许破坏的年数，然后在实测水文系列中选出最严重的连续枯水年组，逆时序从该枯水年组末扣除允许破坏年数，余下的即为所选的设计枯水年组。还必须对其他枯水年组进行校核，若其他年组出现破坏，则应从中扣除其他年组的破坏年数。用设计枯水年组进行数年调节水库的调节计算可近似地反映兴利库容、调节流量与供水保证率之间的关系。2. 中水代表期采用中水代表期进行径流调节计算的目的是推求水库的数年平均效益指标。选择中水年组时应考虑以下条件：（1） 代表期应有丰、中、枯水年，至少有一个完整的调节周期；（2） 代表期的平均流量与长系列径流资料的数年平均流量相近；（3） 代表期的年径流变差系数与长系列相近。第三节 径流调节的作用及分类一、径流调节的涵义 广义的径流调节是指整个流域内，人类对地面及地下径流的自然过程的一切故意识的干涉。例如，群众性的农田水利工程，涉及塘堰、闸坝、河网等蓄水、拦水、引水措施，以及各种农、林措施和水土保持工程等。这些措施改变了径流形成的条件，对天然径流起一定的调节作用，有助于防洪兴利。狭义的径流调节是指河川径流在时间和地区上的重新分派，即通过建造和运用水资源工程(枢纽等)，将汛期过多的河川径流量蓄存起来，待枯水期来水局限性时使用；在地区上根据需要进行水量余缺调配，如引黄(河)济卫(海河支流卫河)、引滦(河)济津(天津)以及正在研究并已局部实行的南水北调工程等。地区间的径流调配调节 ，其影响范围和经济意义更大，工程投资也更为可观。 二、径流调节的作用众所周知，河川径流在一年之内或者在年际之间的丰枯变化都是很大的。我国河流年内洪水季的水量往往要占全年来水总量的70%80%。河川径流的剧烈变化，给人类带来很多不利的后果，如汛期大洪水容易导致灾害，而枯水期水少，不能满足兴利需要。因此，无论是为了消除或减轻洪水灾害，还是为了满足兴利需要，都规定采用措施，对天然径流进行控制和调节。 为兴利而提高枯水径流的水量调节，称为兴利调节，或称枯水调节；为削减洪峰流量，运用水库拦蓄洪水，以消除或减轻下游洪涝灾害的调节，称为洪水调节。洪水调节将在第三章中讨论。运用水库调节径流，是河流综合治理和水资源综合开发运用的一个重要技术措施。通过径流调节，消除或减轻洪灾和干旱灾害，更有效地运用水资源，充足发挥河流水资源在国民经济建设中的重大作用综上所述，径流调节的作用就是：协调来水与用水在时间分派上和地区分布上的矛盾，以及统一协调各用水部门需求之间的矛盾。三、径流调节的分类径流调节总体上分为两大类：枯水调节和洪水调节。因枯水调节来水与用水之间矛盾具体表现形式并不相同，需要作进一步的划分，以便在调节计算中掌握其特点。（一）按调节周期长短划分1. 日调节 (m3/S) 图24 日调节 (h) 0 24 在一昼夜内，河中天然流量一般几乎保持不变（只在洪水涨落时变化较大），而用户的需水规定往往变化较大。如图24 所示，水平线表达河中天然流量，曲线为负荷规定发电引用流量的过程线。对照来水和用水可知，在一昼夜里某些时段内来水有余（如图上横线所示），可蓄存在水库里；而在其他时段内来水局限性（如图上竖线所示），水库放水补给。这种径流调节，水库中的水位涨落在一昼夜内完毕一个循环，即调节周期为24 ，故称日调节。日调节的特点是将均匀的来水调节成变动的用水，以适应电力负荷的需要。所需要的水库调节库容不大，一般小于枯水日来水量的一半。 6 日 1 2 3 4 5图25 周调节(星期) (m3/S) 2. 周调节在枯水季节里，河中天然流量在一周内的变化也是很小的，而用水部门由于假日休息，用水量减少，因此，可运用水库将周内假日的多余水量蓄存起来，在其他工作日用（如图25）。这种调节称周调节，它的调节周期为一周，它所需的调节库容一般不超过一天的来水量。周调节水库一般也可进行日调节，这时水库水位除了一周内的涨落大循环外，尚有日变化。3. 年调节供水 蓄水 弃水 供水Q(m3/S)