水库特性曲线、特征水位和库容特征

一、水库的特性曲线

在河流上拦河筑坝形成人工的水池用来进行径流调节，这就是水库。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，其库容也很不相同，这主要与库区内的地形有关。如库区内地形开阔，则库容较大，如为一峡谷，库容较小。此外，河流的纵坡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。

水库的形体特征，其定量表示主要就是水库水位—面积关系和水库水位—容积关系。

对于每一个水库来讲，水位愈高则水库面积愈大，库容愈大。不同水位有相应的不同水库面积和库容，对径流调节直接有关。因此，在设计时，必须先作出水库水位—面积以及水库水位—库容关系曲线，这两者是最主要的水库特性资料。

为绘制水库水位—面积以及水库水位—库容关系曲线，一般可根据1/10000～1/5000比例尺的地形图，用求积仪（或按比例尺数方格）求得不同高程时水库的面积（高程的间隔可用1、2m或5m），然后以水位为纵坐标，以水库面积为横坐标，画出水位—面积关系曲线。再以此为基础可分别计算各相邻高程之间的部分容积，自河底向上累加得相应水位的库容，即可画出水位—库容的关系曲线。相邻高程间的部分容积可按下式计算

式中　ΔV——相邻高程间（即相邻两水位间）的容积，万m3；

　　　F1、F2——相邻上、下水位相应的水库面积，万m3；

　　　ΔZ——高程间隔（相邻水位差），m。

或用较精确的公式

水库面积和容积曲线的一般形状，如图10-5所示。

水库蓄满时，总库容V是水库最主要的一个指标。通常按此值大小，把水库区分为下列五级（见绪论表绪-4）：

大（1）型→10亿m3

大（2）型→1亿～10亿m3

中型→0.1亿～1亿m3

小（1）型→0.01亿～0.1亿m3

小（2）型→0.001亿～0.01亿m3

图10-5　水库水位—面积及水位—容积曲线

图10-6　动库容示意图

在生产中为了能与来水的流量单位直接对应，便于调节计算，水库容积的计量单位也有用“（m3/s）.月”表示的。它是1m3/s的流量在一个平均月中的累积总水量，即

前面所讨论的面积特性曲线和容积特性曲线，均建立在假定入库流量为零时，水面是水平的基础上。这是蓄在水库内的水体为静止（即流速为零）时，所观察到的水静力平衡条件下自由水面，因此，这种库容称为静水库容。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。静库容以上与洪水的水面线之间包含的水库容积为楔形蓄量（见图10-6的阴影部分）。静库容与楔形蓄量的总和为动库容。以入库流量为参数的坝前水位与相应动库容的关系曲线，为动库容曲线。

当研究水库回水淹没和浸没的确实范围、或作库区洪流演进计算时，或当动库容数值占调洪库容比重较大时，必须考虑和研究动库容的影响。

动库容可按不稳定流计算方法逐段进行洪水演算后求得，但这种方法工作量较大，实际应用常采用回水曲线法和近似法，回水曲线法中，回水曲线的形状是由坝上水位与沿库区的流量分配而定的。因此为了绘制水库的动库容曲线，首先须假定某一入库流量Q1和若干坝前不同水位，然后根据水力学公式，求出一组以某一入库流量为参数的水面曲线。其次，将水库全长分成若干段（见图10-7），在每段水库中求出相应于每一回水曲线的平均水位位置。根据每段平均水位的位置定出该段相应的水面面积，这样可以求出不同回水曲线每段的容积。最后，将各段水库容积相加，即得以某一入库流量为参数的总的动库容曲线（见图10-8，Q1曲线）。假定不同的入库流量Q2、Q3…，按同上步骤计算，分别求得不同的入库流量为参数的水库动库容曲线（见图10-8中Q入=2000～7000诸曲线）。图中Qλ=0的曲线也就是前面所说的静库容曲线。从图上可以看出，坝前水位不变时，入库流量愈大，则动库容总值也愈大。应该指出，动库容曲线的计算，需要的资料多，比较麻烦，为了简便起见，一般的调节计算仍多采用静库容曲线。

二、水库的特征水位和特征库容

图10-7　水库动库容曲线计算

1、2—相应于两个坝前水位通过某个流量时的回水曲线

图10-8　水库动库容曲线(www.xing528.com)

水库的规划设计，首先就要合理确定各种库容和相应的库水位值。具体说来，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、经济等因素进行全面综合分析论证，来确定水库的各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。

1.死水位和死库容

水库建成后，并不是全部容积都可用来进行径流调节的。首先，泥沙的沉积迟早会将部分库容淤满；自流灌溉，发电、航运、渔业以至旅游等各用水部门，也要求水库水位不能低于某一高程。死水位是指在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位。死水位以下的库容称为死库容或垫底库容。水库正常运行时一般不能低于死水位。除非特殊干旱年份或其他特殊情况，如战备要求、地震等，为保证紧要用水、安全等要求，经慎重研究，才允许临时动用死库容部分存水。确定死水位所应考虑的主要因素是：

（1）保证水库有足够的、发挥正常效用的使用年限（俗称水库寿命）。主要是考虑留部分库容供泥沙淤积的需要。

（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。水电站水轮机的选择，都有一个允许的水头变化范围，其取水口的高程也要求库水位始终保持某一高程以上。自流灌溉要求库水位不低于灌区地面高程加上引水水头损失值。死水位愈高，则自流灌溉的控制面积也越大；在抽水灌溉时，也可使抽水的扬程减少。

（3）库区航运和渔业的要求。当水库回水尾端有浅滩，影响库尾水体的流速和航道尺寸，或库区有港口或航渠入口，则为维持最小航深，均要求死水位不能低于上述相应的水位。水库的建造，为发展渔业提供了优良的条件，因此，死库容的大小，必须顾及在水库水位消落到最低时，尚有足够的水面积和容积，以维持鱼群生存的需要。

对于北方地区的水库，因冬季有冰冻现象，尚应计及在死水位冰层以下，仍能保留足够的容积，供鱼群栖息。

水库在供水期末可以也应该放空到死水位，以便能充分利用水库库容和河川来水，而死水位以下，则应视为运行禁区。但在过去一段时期，不少地区因供水、供电紧张、常强制水库不断泄放死库容中存水，致使水库长期处于低水头的不正常状态。这样“死水位不死”的不合理调度，不仅大大降低了水资源利用的效率，导致恶性循环，也使机组设备的损耗加剧。

2.正常蓄水位和兴利库容

在正常运行条件下，为了满足兴利部门枯水期的正常用水，水库在供水开始时应蓄到的最高水位，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，是水库实际可用于径流调节的库容，称为兴利库容，又称调节库容或有效库容（见图10-9）。正常蓄水位与死水位之间的深度，称为消落深度，又称工作深度。

图10-9　水库特征水位和相应库容示意图

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征水位之一。因为它直接关系到一些主要水工建筑物的尺寸、投资、淹没、综合利用效益及其他工作指标。大坝的结构设计、其强度和稳定性计算，也主要以它为依据。因此，大中型水库正常蓄水位的选择是一个重要问题，往往牵涉及技术、经济、政治、社会环境影响等方面，需要全面考虑，综合分析确定。而一般的考虑原则，则有下列几点：

（1）根据兴利的实际需要。即从水库要负担的综合利用任务和对天然来水的调节程度要求，以及可能投资的多少等来考虑水库规模和正常蓄水位的高低。

（2）考虑淹没、浸没情况。如果库区的重要城镇、工矿企业、重要交通线路、大片耕地、名胜古迹等的淹没，使水库淹没损失过大或安置移民困难较大时，则必须限制正常蓄水位的提高。

（3）考虑坝址及库区的地形地质条件。例如坝基及两岸地基的承载能力、库区周边的地形、库岸和分水岭的高程等。当库水位达某一高程后，可能由于地形的突然开阔或坝肩出现垭口等，将使大坝工程量明显增大而不经济，或可能引起水库大量渗漏而限制库水位的抬高。

（4）考虑河段上下游已建和拟建水库枢纽情况。主要是梯级水库水头的合理衔接问题，以及不影响已建工程的效益等。

正常蓄水位是一个重要的设计数据，因此，在水库建成运行时，必须严格遵守设计规定，才能保证工程效能的正常发挥，满足用户正常供水，供电的需要，前一时期有些水库一度出现的“正常蓄水位不正常”的现象，或任意超高蓄水，加重淹没，或水库多年达不到满蓄要求，这些都是不允许的。

3.防洪限制水位（又称汛期限制水位）和结合库容

水库在汛期允许蓄水的上限水位，称为防洪限制水位，又称为汛期限制水位。兴建水库后，为了汛期安全泄洪和减少泄洪设备，常要求有一部分库容作为拦蓄洪水和削减洪峰之用。这个水位以上的库容就是作为滞蓄洪水的库容。只有在出现洪水时，水库水位才允许超过防洪限制水位。当洪水消退时，水库水位应回降到防洪限制水位。在我国，防洪限制水位是个很重要的参数，它比死水位更重要，它牵涉的面更广，如库尾淹没问题就常取决于这个水位的高低。防洪限制水位，可根据洪水特性、防洪要求和水文预报条件，在汛期不同时段分期拟定。例如按主汛期、非主汛期，或按分期设计洪水分别拟定不同的防洪限制水位。防洪限制水位应尽可能定在正常蓄水位之下，以减少专门的防洪库容，特别是当水库溢洪道设闸门时，一般闸门顶高程与正常蓄水位齐平，而防洪限制水位就常定在正常蓄水位之下。防洪限制水位与正常蓄水位之间的库容，称为结合库容，又称共用库容，重迭库容。因为它在汛期是防洪库容的一部分，在汛后又是兴利库容的一部分。

4.防洪高水位和防洪库容

当水库下游有防洪要求时，遇到下游防护对象的设计标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位，称为防洪高水位。它至防洪限制水位间的水库容积称为防洪库容。

5.设计洪水位和拦洪库容

当遇到大坝设计标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位，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。

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、形式有关，而泄洪设备形式（包括溢流堰、泄洪孔、泄洪隧洞）的选择，则应根据设计工程的地形、地质条件和坝型、枢纽布置特点拟定，并应注意以下几点：

（1）如拦河坝为不允许溢流的土坝、堆石坝等当地材料坝，则除有专门论证外，应设置开敞式溢洪道。

（2）为增加水库运用的灵活性，尤其是下游有防洪任务的水库，一般均宜设置部分泄洪底孔和中孔。泄洪底孔要尽可能与排沙、放空底孔相结合。

（3）泄洪设备的形式选择，应考虑经济性和技术可靠性。当在河床布置泄洪设备有困难时，可研究在河岸设置部分旁侧溢洪道和泄洪隧洞。

（4）泄洪闸门类型和启闭设备的选择，应满足洪水调度等方面的要求。

6.校核洪水位和调洪库容

当遇到大坝校核标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位，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。

校核洪水位以下的全部水库容积就是水库的总库容。设计洪水位或校洪水位加上一定数量的风浪高值和安全超高值，就得坝顶高程。水库的各种特征水位及其相应库容，如图10-9所示。