水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算課堂教學(xué)模式設(shè)計(jì)

艾學(xué)山 高志云 莫明珠 董祚

摘要：水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算是水庫(kù)設(shè)計(jì)和防洪調(diào)度的基本理論依據(jù)。水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的課堂教學(xué)效果決定學(xué)生的理解和掌握程度，本文從規(guī)劃和運(yùn)行兩個(gè)階段，對(duì)水庫(kù)調(diào)洪的作用、調(diào)洪計(jì)算的任務(wù)、調(diào)洪計(jì)算的基礎(chǔ)理論、調(diào)洪計(jì)算的方法和調(diào)洪計(jì)算結(jié)果的表達(dá)等幾個(gè)方面對(duì)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行了講解，并以實(shí)例介紹了迭代法進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的具體步驟，對(duì)調(diào)洪計(jì)算在水庫(kù)規(guī)劃和管理運(yùn)行中的重要作用進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：調(diào)洪計(jì)算;調(diào)洪方法;水庫(kù);調(diào)洪任務(wù)

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

水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算是水文與水資源工程、水利水電工程等專業(yè)學(xué)生必須掌握的重要內(nèi)容之一[1]。需要學(xué)生充分理解水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的原理與方法。課堂教學(xué)模式的設(shè)計(jì)對(duì)于促進(jìn)學(xué)生理解水庫(kù)的調(diào)洪作用和進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算有著重要的作用。

一、水庫(kù)的調(diào)洪作用

水庫(kù)的形成離不開大壩的建設(shè)，大壩安全風(fēng)險(xiǎn)一方面來源于對(duì)大壩建設(shè)工程質(zhì)量的要求，另一方面就是水庫(kù)入庫(kù)洪水過程。洪水進(jìn)入水庫(kù)后，由于水庫(kù)的巨大庫(kù)容，洪水的流速將急劇下降，在庫(kù)區(qū)中形成相對(duì)穩(wěn)定的水平面，即水庫(kù)的庫(kù)容可看作靜庫(kù)容。水庫(kù)的出庫(kù)流量在設(shè)定的泄洪建筑物形式和尺寸的情況下主要取決于水庫(kù)的泄流方式和水庫(kù)的水位。對(duì)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(kù)的泄流量?jī)H僅決定于水庫(kù)的水位。單位時(shí)段內(nèi)水庫(kù)的入庫(kù)流量與出庫(kù)流量的大小關(guān)系決定了水庫(kù)水位的變化情況，水位的變化又決定了水庫(kù)的泄流能力。這種相互關(guān)系可以從圖1（a）和圖1（b）中看出[2]。

圖1（a）是水庫(kù)洪水通過水庫(kù)溢洪道時(shí)的剖面圖，可以看出，當(dāng)水庫(kù)水位低于堰頂高程時(shí)，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(kù)溢洪道時(shí)的入庫(kù)流量、出庫(kù)流量和水庫(kù)水位的變化過程線圖，從圖中可以看出，A點(diǎn)為水庫(kù)洪水的起始時(shí)刻，此時(shí)水庫(kù)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(gè)調(diào)洪過程中不變，此時(shí)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(kù)水位過程Z～t是相應(yīng)的，具有同漲同落的特性，且在圖中B點(diǎn)達(dá)到了水庫(kù)下泄流量的最大值qmax和水庫(kù)水位的最高值Zmax。整個(gè)調(diào)洪過程中水庫(kù)需要蓄存水量為V蓄。

二、水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的任務(wù)

在水庫(kù)的規(guī)劃階段就需要進(jìn)行水庫(kù)的調(diào)洪計(jì)算，在調(diào)洪計(jì)算之前，需要獲得水庫(kù)的設(shè)計(jì)洪水資料，包括下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)洪水，大壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水和校核標(biāo)準(zhǔn)洪水。對(duì)于各標(biāo)準(zhǔn)洪水，進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算，作為水庫(kù)防洪高水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位的確定依據(jù)。在水庫(kù)的運(yùn)行階段，此時(shí)水庫(kù)的泄洪建筑物形式和尺寸都已經(jīng)確定，在給定水庫(kù)的調(diào)洪規(guī)則[3]前提下，對(duì)水庫(kù)的預(yù)報(bào)洪水過程進(jìn)行水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算，以確定水庫(kù)可能的壩前最高水位和壩后的最大下泄流量。

三、調(diào)洪計(jì)算的理論基礎(chǔ)

將水庫(kù)作為一個(gè)研究對(duì)象，洪水流入水庫(kù)和從水庫(kù)中流出，期間總水量是保持不變的，對(duì)任意一個(gè)時(shí)段，均遵循物質(zhì)守恒定律，即水庫(kù)的水量平衡方程：

（Q+Q）Δt-（q+q）Δt=V-V

式中：Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)（S）;Q，Q分別為t時(shí)段初、末入庫(kù)流量（m/s）;q，q分別為t時(shí)段初、末出庫(kù)流量（m/s），包括發(fā)電和泄流等;V，V分別為t時(shí)段初、末庫(kù)蓄水量（m）。

式中，待確定的量為時(shí)段末水庫(kù)泄流量和時(shí)段末水庫(kù)的庫(kù)容。

水庫(kù)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(shí)現(xiàn)，一旦控制了下泄流量，則時(shí)段末水庫(kù)的庫(kù)容就可以按照上述方程計(jì)算出來了。對(duì)于敞泄情況，需要水庫(kù)的泄流能力與水庫(kù)的水位有關(guān)，水庫(kù)的水位與庫(kù)容又是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可以建立水庫(kù)的泄流能力與水庫(kù)蓄水量的關(guān)系，即泄流曲線：

q=f（V）

這兩個(gè)方程就構(gòu)成了水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

四、調(diào)洪計(jì)算方法及實(shí)例

調(diào)洪計(jì)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(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到的若干個(gè)離散點(diǎn)來表示的，通常難以求得解析解，此時(shí)可考慮采用數(shù)值解方法求解，比較有代表性的數(shù)值求解方法之一就是迭代法。

迭代法有三個(gè)主要要素，即：初始條件、收斂規(guī)則和迭代規(guī)則。在此處，如果給定一個(gè)時(shí)段末的泄流量，通過水量平衡方程可以計(jì)算時(shí)段末庫(kù)容，應(yīng)用泄流能力曲線查詢?cè)摃r(shí)段末庫(kù)容下的泄流能力，如果該值與假設(shè)值相等，則獲得該方程組的解，進(jìn)行下一時(shí)段的計(jì)算;否則，重新假定泄流量，再回到前面進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)例是對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行理解的最好方式，選取某水庫(kù)為研究對(duì)象，已知水庫(kù)水位庫(kù)容曲線，泄流能力曲線，水庫(kù)防洪調(diào)度的起始水位和水庫(kù)的入庫(kù)洪水過程等。根據(jù)表1所示的水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算表，采用迭代法進(jìn)行分時(shí)段求解，迭代法可以借助編程計(jì)算，也可用Excel進(jìn)行計(jì)算，獲得調(diào)洪計(jì)算結(jié)果，完成表1的內(nèi)容。

調(diào)洪計(jì)算結(jié)果可以得出水庫(kù)的下泄流量過程，水庫(kù)的水位過程及最大下泄流量和水庫(kù)的最高水位。下泄流量過程和水位變化過程用同橫坐標(biāo)的兩個(gè)坐標(biāo)系繪出且使該圖形上下排列，方便查看各時(shí)段的水庫(kù)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(shí)刻，如圖1（b）所示。

五、結(jié)語

通過水庫(kù)調(diào)洪計(jì)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(diào)水位通常是汛期限制水位，通過不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水可以計(jì)算水庫(kù)的防洪高水位，設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)在規(guī)劃階段的幾個(gè)特征水位的確定。如果水庫(kù)在運(yùn)行階段，對(duì)于任意的洪水過程，按照調(diào)洪規(guī)則可以得到水庫(kù)的最大下泄流量和最高庫(kù)水位，為水庫(kù)的防洪決策提供參考。

水庫(kù)的調(diào)洪計(jì)算是水庫(kù)規(guī)劃和運(yùn)行的重要內(nèi)容之一，是確定水庫(kù)大壩高程和水庫(kù)防洪調(diào)度決策的重要依據(jù)，在教學(xué)中必須給予充分的重視，除了在課堂上講解實(shí)例外，還要課下留作業(yè)，讓同學(xué)們自己親自動(dòng)手完成該過程，在本課程的課程設(shè)計(jì)中，根據(jù)實(shí)際工程背景，進(jìn)一步對(duì)水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算進(jìn)行實(shí)踐鍛煉，使其能夠充分理解該計(jì)算的目的、任務(wù)、原理和方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]艾學(xué)山.《水利水能規(guī)劃》教學(xué)改革與課堂教學(xué)方法研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009，（21）：2.

[2]萬俊，高仕春，艾學(xué)山.水資源開發(fā)利用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2008.

[3]陳森林.水電站水庫(kù)運(yùn)行與調(diào)度[M].北京：中國(guó)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