水文分析计算及水资源评价中的水库群径流计算方法

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：针对水库群数量多、拦蓄能力不同，降雨不均和调度方式不同等对拦蓄作用和调节作用的影响，提出下列的估算方法和步骤。图14.46W来～W实相关关系图表14.47水库群拦蓄不均曲线计算表洪前底水的确定。图14.47水库始泄系数与泄蓄能力关系图控制蓄水时的泄水量估算。因此，水库群拦蓄能力结合当地径流规律，就能判定此水库的调度方式。

针对水库群数量多、拦蓄能力不同，降雨不均和调度方式不同等对拦蓄作用和调节作用的影响，提出下列的估算方法和步骤。

14.6.2.1　基本工作和分项分析

（1）流域分区和分区单位线的推求。流域分区是解决降雨不均和工程分布不均的有效方法。结合计算的精度要求，把流域分为几条等流时带，再结合流域内的雨量站分布情况以几条等流时带归并为一个计算区。

分区单位线的推求步骤是：先估计一个从流域分水岭到出口断面的总汇流时间τm，以流带条数n除之，即得每个流带的汇流时间τ。根据n、τ值，应用长办汇流曲线（见9.5节），就可推出时段为Δt，净雨深为10mm，各流带在流域出口断面产生的流域单位线。

将求得的流域单位线与经验单位线进行绘图比较，若相差不大，说明估计的τm值基本正确，也就是选用的n、τ值基本上符合实际。如果相差较大则另估计一个τm值，再重复进行上述计算，直到成果接近为止。

流域单位线是由各流带在流域出口断面所产生的单位线叠加而成。

（2）拦蓄不均曲线的建立。流域内塘堰、水库的数量较多。为计算它们的拦蓄径流情况，既不能把众多塘库的拦蓄容积累加起来，当作一个大水库来演算（这种简化方法夸大了塘库群的拦蓄作用，不符合实际情况），又不能把众多塘库逐个进行演算（这样做资料太少、工作量太大）。所以必须寻求既简便，又符合实际情况的计算方法，因而提出应用拦蓄不均曲线的方法。

图14.45　水库群拦蓄径流示意图

为了说明拦蓄不均曲线的建立原理，简单叙述水库群拦蓄径流的过程。当流域内产生均匀净雨时，各个塘堰水库的拦蓄情况是各不相同的，那些集水面积大而库容小的塘库先蓄满，集水面积小而库容大的塘库后蓄满。也就是说按其拦蓄能力（库容V与集水面积A的比值）的大小不同，从小到大的先后次序逐个蓄满。因此流域净雨只要超过拦蓄能力（V／A）最小的一个水库，水库群便有弃水（如果把流域内所有塘库加起来当作一个大水库计算，则无弃水）。如图14.45所示，各水库的拦蓄能力由小到大，V1／A1、V2／A2、…、Vn／An排列的柱状。在某一时段内，库区净雨R产生的来水量（W来）

设时段初拦蓄能力小于第（m－1）个水库的所有水库均已蓄满（即底水）而无拦蓄作用，第m个至第m＋1水库剩下的库容也只能拦蓄时段净雨的一部分，因此水库群的时段实际拦蓄量为图14.45中的阴影部分

显然，时段实际拦蓄量，是随着时段来水量和时段初水库群底水而变的。为便于计算，可从水库群的底水为零开始绘制来水量（W来）与实际拦蓄量（W实）的关系曲线，其计算步骤如下：

设净雨深R1＜R2＜R3＜…＜Rn

则当净雨深为R1＝V1／A1时，W来1＝AR1

而水库群的实际拦蓄量W实1＝AR1

当净雨深为R2＝V2／A2时，W来2＝AR2

应用上述步骤就可算出水库群的来水量（W来）与实际拦蓄量（W实），并可点绘W来～W实相关曲线如图14.46所示，以供实际拦蓄量计算时应用。这就是拦蓄不均曲线。计算实例见表14.47。

图14.46　W来～W实相关关系图

表14.47　水库群拦蓄不均曲线计算表

（3）洪前底水的确定。在水库群计算中，第一个时段的起算库容（V初）称为洪前底水或汛前底水，这是决定水库拦蓄量大小的重要因素，必须合理确定。

图14.47　水库始泄系数与泄蓄能力关系图

（4）控制蓄水时的泄水量估算。中小型水库群的调度，传统的方法是按“需水即放，有水即蓄”的原则进行的，通过对云南、湖南等一些地区的实测资料的分析和调查了解，有一部分水库是不按上述原则调度的，而是按“需水即放，控制蓄水”的原则进行的。后一种调度方式的数目亦相当多，也不可能逐个调度演算。通过对有观测资料的水库进行分析，那些水库应控制蓄水、什么时候开始控制泄放，泄放多少水量等，都是有规律可循的。把某水库开展泄水的库容与该库有效总库容的比值（始泄系数η）与其拦蓄能力（V／A），建立相关关系，其规律性很好，如图14.47所示。在拦蓄能力约相当于多年平均径流深处，相关线成为转折点，也就是说，拦蓄能力大于多年平均径流深的所有水库，均按“需水即放，有水即蓄”的原则调度，而与始泄系数η无关。凡小于多年平均径流深的各水库，其始泄系数η与拦蓄能力成正比，相关线为一直线，应按“需水即放”控制蓄水调度。因此，水库群拦蓄能力结合当地径流规律，就能判定此水库的调度方式。

图14.48　库区来水与日泄水总量关系

为计算以“控制蓄水”方式调度的水库拦蓄过程，首先要了解各个水库的泄水能力（即其泄水设备一日之内能泄放的平均水量），一般情况下，水库的库容越大，其泄水能力也越大，可以建立库容与日泄放量的经验关系。再根据图14.47可查出任何水库的始泄系数，将始泄系数乘上其拦蓄能力，就求得开始泄水时相应净雨深，再乘集水面积就得到开始泄水时的相应库区来水量。当库区来水量超过此数量时，此水库即开始泄水。流域内各水库的拦蓄能力不同，相应于开始泄水的库区来水量也不一样，拦蓄能力小的先泄水，大的后泄水，随着库区来量的增大，开始泄水的水库也增多，直到所有控制蓄水的水库都泄水为止。

在算得任一水库开始泄水的相应库区来水量，根据库容与日泄水量的关系可查出该水库的一日泄水量。累加每个水库的一日泄水量，就是该流域在某一库区来水情况下的日泄水总量，点绘如图14.48所示，供演算时使用。

14.6.2.2　水库群拦洪计算方法

（1）单一水库拦蓄量计算。水库的拦蓄量与库区来水量、灌溉用水量和水库底水有关。就单一水库而言，有下列水量平衡方程式

式中：V末为时段末水库蓄水量；V初为时段初水库蓄水量；V来为水库控制面积上的库区来水量；V用为时段内由水库供水的灌溉、工业和生活用水量。

求解上式有四种情况：

1）当V末＝V初＋V来－V用＞Vmax时，则

式中：V实为时段内水库实际拦蓄量；Vmax为水库最大有效蓄水量。

本时段内有弃水，弃水量（V弃）为

2）当V末＝V初＋V来－V用＝Vmax时，则

3）当0≤V初＋V来－V用＜Vmax时，则

4）当V初＋V来－V用＜0，即V初＋V来≤V用，则V末＝0，本时段内用水不能充分供应，只能供水（V初＋V来），V实＝V来。

水库群控制面积上来水量（V来）的计算

式中：V来为计算区内各水库库区来水量，万m3；Y为净雨深，mm；F为计算区总面积，km2；V水保为计算区水保措施拦蓄量，万m3；φ为计算区各水库集水面积之和与计算区总面积的比值。

灌溉用水量计算

式中：V灌为作物一次灌溉用水量，万m3；I灌为作物时段需水深，mm；r为输水损失系数；F灌为灌溉面积（指水库供水的灌溉面积），km2。

（2）水库群实际拦蓄量计算。对于水库群拦蓄量计算，除利用上述单一水库水量平衡方程式外，还要利用已建立的拦蓄不均曲线V来～V实。在查算实际拦蓄量时要考虑下列三种情况：

1）由于水库群V来～V实的关系是从水库群的底水为零的基础上建立的。当底水为零时，可直接应用此曲线，即根据式（14.36）算出的库区来水量（V来）从曲线直接查得实际拦蓄量（V实）。

2）当底水不为零时（这是多数情况），要把底水当作实际拦蓄量，从曲线反查得到一个虚拟的库区来水量，加上实有的库区来水量。以两个来水量之和再查曲线，得到另一个实际拦蓄量，然后减去底水，即为真正的实际拦蓄量。例如，设底水为V0，一次净雨产生的库区来水量（V来1′），计算其实际拦蓄量的步骤如下：

第一步，把V0当作实际拦蓄量，反查（V来～V实）曲线，得虚拟的库区来水量（V来0′）。第二步，以（V来0′＋V来1′）作为库区总来水量，查得实际拦蓄量（V实1′）。

第三步，V实1′－V0＝V实1。

3）底水不为零，且净雨之前有放水时，由于水库群拦蓄过程中是拦蓄能力小的先蓄满的，而用水则不问其水库是否蓄满而所有水库都同时放水的。因此对用水后发生的净雨，所有水库都起到拦蓄作用。及至拦蓄量达到放出的用水量（V用）之后，才又继续发生拦蓄不均的问题。例如第一次降雨产生的库区来水量（V来1），水库实际已拦蓄（V实1），在第二次降雨之前，水库群放出用水量（V用），则第二次降雨产生的库区来水量（V来2）的实际拦蓄量（V实2）

式中：U为以（V实1）为底水，以（V来2－V用）为库区来水，查出的实际拦蓄量。

14.6.2.3　水库群滞洪调节计算

前面所计算的水库泄洪弃水量（V弃）及控制运用方式算得的泄水量（V泄）都是计算的时段总量，要经过水库滞洪调节才进入河道成为时段下泄量（W泄）。因此把泄洪弃水量（V弃）视作水库的时段入流，并应用其蓄泄关系为线性的假定，对水库群中的第一个水库有

14.6.2.4　拦洪滞洪综合影响计算

流域面上各种拦洪滞洪措施，对出口断面径流的影响，表现在库区净雨产生的时段来水量（V来），除了经水库调节后在本时段的下泄量（W泄）外，余均为水库群所拦蓄，即

将上述同计算区、同时段的水库拦蓄量（V库拦）相加，然后应用已分析好的分区单位线把每个时段的拦蓄总量演算至出口断面，就得计算区的拦蓄过程线Q拦（t），最后从天然流量Q（t）（即建库前的流量过程），扣除净拦蓄过程，即得水库群影响后的流量过程Q′（t）。

水文分析计算及水资源评价中的水库群径流计算方法

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