水庫調洪計算課堂教學模式設計

艾學山 高志云 莫明珠 董祚

摘要：水庫調洪計算是水庫設計和防洪調度的基本理論依據。水庫調洪計算的課堂教學效果決定學生的理解和掌握程度，本文從規劃和運行兩個階段，對水庫調洪的作用、調洪計算的任務、調洪計算的基礎理論、調洪計算的方法和調洪計算結果的表達等幾個方面對水庫調洪計算進行了講解，并以實例介紹了迭代法進行水庫調洪計算的具體步驟，對調洪計算在水庫規劃和管理運行中的重要作用進行了闡述。

關鍵詞：調洪計算;調洪方法;水庫;調洪任務

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2016）42-0165-02

水庫調洪計算是水文與水資源工程、水利水電工程等專業學生必須掌握的重要內容之一[1]。需要學生充分理解水庫調洪計算的原理與方法。課堂教學模式的設計對于促進學生理解水庫的調洪作用和進行水庫調洪計算有著重要的作用。

一、水庫的調洪作用

水庫的形成離不開大壩的建設，大壩安全風險一方面來源于對大壩建設工程質量的要求，另一方面就是水庫入庫洪水過程。洪水進入水庫后，由于水庫的巨大庫容，洪水的流速將急劇下降，在庫區中形成相對穩定的水平面，即水庫的庫容可看作靜庫容。水庫的出庫流量在設定的泄洪建筑物形式和尺寸的情況下主要取決于水庫的泄流方式和水庫的水位。對于無閘門的溢洪道或有閘門但閘門全開的泄洪建筑物，水庫的泄流量僅僅決定于水庫的水位。單位時段內水庫的入庫流量與出庫流量的大小關系決定了水庫水位的變化情況，水位的變化又決定了水庫的泄流能力。這種相互關系可以從圖1（a）和圖1（b）中看出[2]。

圖1（a）是水庫洪水通過水庫溢洪道時的剖面圖，可以看出，當水庫水位低于堰頂高程時，溢洪道上沒有水流出，洪水位距離堰頂高程越高，從溢洪道上流出的水量越大。圖1（b）中是洪水通過水庫溢洪道時的入庫流量、出庫流量和水庫水位的變化過程線圖，從圖中可以看出，A點為水庫洪水的起始時刻，此時水庫下泄流量為興利需水的流量q興，通常是從興利泄水通道泄出的，可以假定該部分泄流流量在整個調洪過程中不變，此時的水位為防洪限制水位，即圖1（a）中的堰頂高程。下泄流量過程q～t與水庫水位過程Z～t是相應的，具有同漲同落的特性，且在圖中B點達到了水庫下泄流量的最大值qmax和水庫水位的最高值Zmax。整個調洪過程中水庫需要蓄存水量為V蓄。

二、水庫調洪計算的任務

在水庫的規劃階段就需要進行水庫的調洪計算，在調洪計算之前，需要獲得水庫的設計洪水資料，包括下游防護對象的防洪標準洪水，大壩的設計標準洪水和校核標準洪水。對于各標準洪水，進行調洪計算，作為水庫防洪高水位、設計洪水位和校核洪水位的確定依據。在水庫的運行階段，此時水庫的泄洪建筑物形式和尺寸都已經確定，在給定水庫的調洪規則[3]前提下，對水庫的預報洪水過程進行水庫調洪計算，以確定水庫可能的壩前最高水位和壩后的最大下泄流量。

三、調洪計算的理論基礎

將水庫作為一個研究對象，洪水流入水庫和從水庫中流出，期間總水量是保持不變的，對任意一個時段，均遵循物質守恒定律，即水庫的水量平衡方程：

（Q+Q）Δt-（q+q）Δt=V-V

式中：Δt為計算時段長（S）;Q，Q分別為t時段初、末入庫流量（m/s）;q，q分別為t時段初、末出庫流量（m/s），包括發電和泄流等;V，V分別為t時段初、末庫蓄水量（m）。

式中，待確定的量為時段末水庫泄流量和時段末水庫的庫容。

水庫的泄流有控泄和敞泄兩種情況，控泄通常在有閘門的大壩中實現，一旦控制了下泄流量，則時段末水庫的庫容就可以按照上述方程計算出來了。對于敞泄情況，需要水庫的泄流能力與水庫的水位有關，水庫的水位與庫容又是一一對應關系，因此，可以建立水庫的泄流能力與水庫蓄水量的關系，即泄流曲線：

q=f（V）

這兩個方程就構成了水庫調洪計算的理論基礎。

四、調洪計算方法及實例

調洪計算的方法就是求解上述方程組的方法，通常泄流曲線是根據實測數據得到的若干個離散點來表示的，通常難以求得解析解，此時可考慮采用數值解方法求解，比較有代表性的數值求解方法之一就是迭代法。

迭代法有三個主要要素，即：初始條件、收斂規則和迭代規則。在此處，如果給定一個時段末的泄流量，通過水量平衡方程可以計算時段末庫容，應用泄流能力曲線查詢該時段末庫容下的泄流能力，如果該值與假設值相等，則獲得該方程組的解，進行下一時段的計算;否則，重新假定泄流量，再回到前面進行計算。

實例是對計算方法進行理解的最好方式，選取某水庫為研究對象，已知水庫水位庫容曲線，泄流能力曲線，水庫防洪調度的起始水位和水庫的入庫洪水過程等。根據表1所示的水庫調洪計算表，采用迭代法進行分時段求解，迭代法可以借助編程計算，也可用Excel進行計算，獲得調洪計算結果，完成表1的內容。

調洪計算結果可以得出水庫的下泄流量過程，水庫的水位過程及最大下泄流量和水庫的最高水位。下泄流量過程和水位變化過程用同橫坐標的兩個坐標系繪出且使該圖形上下排列，方便查看各時段的水庫水位和泄流量的情況，在圖中可以表示出最大泄流量和最高水位的時刻，如圖1（b）所示。

五、結語

通過水庫調洪計算，我們可以得到最大下泄流量和最高壩前水位。洪水的起調水位通常是汛期限制水位，通過不同的設計標準洪水可以計算水庫的防洪高水位，設計洪水位和校核洪水位，實現水庫在規劃階段的幾個特征水位的確定。如果水庫在運行階段，對于任意的洪水過程，按照調洪規則可以得到水庫的最大下泄流量和最高庫水位，為水庫的防洪決策提供參考。

水庫的調洪計算是水庫規劃和運行的重要內容之一，是確定水庫大壩高程和水庫防洪調度決策的重要依據，在教學中必須給予充分的重視，除了在課堂上講解實例外，還要課下留作業，讓同學們自己親自動手完成該過程，在本課程的課程設計中，根據實際工程背景，進一步對水庫調洪計算進行實踐鍛煉，使其能夠充分理解該計算的目的、任務、原理和方法。

參考文獻：

[1]艾學山.《水利水能規劃》教學改革與課堂教學方法研究[J].科技創新導報，2009，（21）：2.

[2]萬俊，高仕春，艾學山.水資源開發利用[M].武漢：武漢大學出版社，2008.

[3]陳森林.水電站水庫運行與調度[M].北京：中國電力出版社，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