水库调洪计算课堂教学模式设计

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摘要：水库调洪计算是水库设计和防洪调度的基本理论依据。水库调洪计算的课堂教学效果决定学生的理解和掌握程度，本文从规划和运行两个阶段，对水库调洪的作用、调洪计算的任务、调洪计算的基础理论、调洪计算的方法和调洪计算结果的表达等几个方面对水库调洪计算进行了讲解，并以实例介绍了迭代法进行水库调洪计算的具体步骤，对调洪计算在水库规划和管理运行中的重要作用进行了阐述。

关键词：调洪计算;调洪方法;水库;调洪任务

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）42-0165-02

水库调洪计算是水文与水资源工程、水利水电工程等专业学生必须掌握的重要内容之一[1]。需要学生充分理解水库调洪计算的原理与方法。课堂教学模式的设计对于促进学生理解水库的调洪作用和进行水库调洪计算有着重要的作用。

一、水库的调洪作用

水库的形成离不开大坝的建设，大坝安全风险一方面来源于对大坝建设工程质量的要求，另一方面就是水库入库洪水过程。洪水进入水库后，由于水库的巨大库容，洪水的流速将急剧下降，在库区中形成相对稳定的水平面，即水库的库容可看作静库容。水库的出库流量在设定的泄洪建筑物形式和尺寸的情况下主要取决于水库的泄流方式和水库的水位。对于无闸门的溢洪道或有闸门但闸门全开的泄洪建筑物，水库的泄流量仅仅决定于水库的水位。单位时段内水库的入库流量与出库流量的大小关系决定了水库水位的变化情况，水位的变化又决定了水库的泄流能力。这种相互关系可以从图1（a）和图1（b）中看出[2]。

图1（a）是水库洪水通过水库溢洪道时的剖面图，可以看出，当水库水位低于堰顶高程时，溢洪道上没有水流出，洪水位距离堰顶高程越高，从溢洪道上流出的水量越大。图1（b）中是洪水通过水库溢洪道时的入库流量、出库流量和水库水位的变化过程线图，从图中可以看出，A点为水库洪水的起始时刻，此时水库下泄流量为兴利需水的流量q兴，通常是从兴利泄水通道泄出的，可以假定该部分泄流流量在整个调洪过程中不变，此时的水位为防洪限制水位，即图1（a）中的堰顶高程。下泄流量过程q～t与水库水位过程Z～t是相应的，具有同涨同落的特性，且在图中B点达到了水库下泄流量的最大值qmax和水库水位的最高值Zmax。整个调洪过程中水库需要蓄存水量为V蓄。

二、水库调洪计算的任务

在水库的规划阶段就需要进行水库的调洪计算，在调洪计算之前，需要获得水库的设计洪水资料，包括下游防护对象的防洪标准洪水，大坝的设计标准洪水和校核标准洪水。对于各标准洪水，进行调洪计算，作为水库防洪高水位、设计洪水位和校核洪水位的确定依据。在水库的运行阶段，此时水库的泄洪建筑物形式和尺寸都已经确定，在给定水库的调洪规则[3]前提下，对水库的预报洪水过程进行水库调洪计算，以确定水库可能的坝前最高水位和坝后的最大下泄流量。

三、调洪计算的理论基础

将水库作为一个研究对象，洪水流入水库和从水库中流出，期间总水量是保持不变的，对任意一个时段，均遵循物质守恒定律，即水库的水量平衡方程：

（Q+Q）Δt-（q+q）Δt=V-V

式中：Δt为计算时段长（S）;Q，Q分别为t时段初、末入库流量（m/s）;q，q分别为t时段初、末出库流量（m/s），包括发电和泄流等;V，V分别为t时段初、末库蓄水量（m）。

式中，待确定的量为时段末水库泄流量和时段末水库的库容。

水库的泄流有控泄和敞泄两种情况，控泄通常在有闸门的大坝中实现，一旦控制了下泄流量，则时段末水库的库容就可以按照上述方程计算出来了。对于敞泄情况，需要水库的泄流能力与水库的水位有关，水库的水位与库容又是一一对应关系，因此，可以建立水库的泄流能力与水库蓄水量的关系，即泄流曲线：

q=f（V）

这两个方程就构成了水库调洪计算的理论基础。

四、调洪计算方法及实例

调洪计算的方法就是求解上述方程组的方法，通常泄流曲线是根据实测数据得到的若干个离散点来表示的，通常难以求得解析解，此时可考虑采用数值解方法求解，比较有代表性的数值求解方法之一就是迭代法。

迭代法有三个主要要素，即：初始条件、收敛规则和迭代规则。在此处，如果给定一个时段末的泄流量，通过水量平衡方程可以计算时段末库容，应用泄流能力曲线查询该时段末库容下的泄流能力，如果该值与假设值相等，则获得该方程组的解，进行下一时段的计算;否则，重新假定泄流量，再回到前面进行计算。

实例是对计算方法进行理解的最好方式，选取某水库为研究对象，已知水库水位库容曲线，泄流能力曲线，水库防洪调度的起始水位和水库的入库洪水过程等。根据表1所示的水库调洪计算表，采用迭代法进行分时段求解，迭代法可以借助编程计算，也可用Excel进行计算，获得调洪计算结果，完成表1的内容。

调洪计算结果可以得出水库的下泄流量过程，水库的水位过程及最大下泄流量和水库的最高水位。下泄流量过程和水位变化过程用同横坐标的两个坐标系绘出且使该图形上下排列，方便查看各时段的水库水位和泄流量的情况，在图中可以表示出最大泄流量和最高水位的时刻，如图1（b）所示。

五、结语

通过水库调洪计算，我们可以得到最大下泄流量和最高坝前水位。洪水的起调水位通常是汛期限制水位，通过不同的设计标准洪水可以计算水库的防洪高水位，设计洪水位和校核洪水位，实现水库在规划阶段的几个特征水位的确定。如果水库在运行阶段，对于任意的洪水过程，按照调洪规则可以得到水库的最大下泄流量和最高库水位，为水库的防洪决策提供参考。

水库的调洪计算是水库规划和运行的重要内容之一，是确定水库大坝高程和水库防洪调度决策的重要依据，在教学中必须给予充分的重视，除了在课堂上讲解实例外，还要课下留作业，让同学们自己亲自动手完成该过程，在本课程的课程设计中，根据实际工程背景，进一步对水库调洪计算进行实践锻炼，使其能够充分理解该计算的目的、任务、原理和方法。

参考文献：

[1]艾学山.《水利水能规划》教学改革与课堂教学方法研究[J].科技创新导报，2009，（21）：2.

[2]万俊，高仕春，艾学山.水资源开发利用[M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[3]陈森林.水电站水库运行与调度[M].北京：中国电力出版社，2008.

Classroom Teaching Mode Design for Reservoir Flood Regulating Calculation

AI Xue-shan1，GAO Zhi-yun2，MO Ming-zhu1，DONG Zuo1

（1.college of water resources and hydropower engineering，Wuhan university，Wuhan，Hubei 430072，China;2. Hubei urban construction vocational and technological college，Wuhan，Hubei 430205，China）

Abstract：Flood routing calculation is a basic theoretical basis for design and flood control scheduling of reservoir. Reservoir flood routing calculation of the effect of classroom teaching to determine students understand and master degree，in this paper，from two stages of planning and operation，on the function of reservoir flood and flood routing calculation task，flood routing calculation，flood routing calculation method and the theoretical basis of the flood routing calculation results the expression of several aspects，such as interpretation of reservoir flood routing calculation，and iterative method is introduced with an example the reservoir flood routing calculation of the specific steps，raises an important part in planning and management of reservoir operation which the flood routing calculation plays.

Key words：flood routing calculation;Flood routing method;The reservoir;Flood routing tasks