流域防洪系统中地下水库调蓄能力分析与计算
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第三章水库洪水调节及计算演示教学
水库调洪计算的实用公式（瞬态法）： 水量平衡方程：
蓄泄方程：
方程或曲线，可按泄洪建筑物的水力特性换算
得到。
（1）堰流
3
q溢M1BH2
H即为库水位Z与堰顶高程之差
（2）闸孔出流 q洞M2H12 H即为库水位Z与闸孔中心高程之差
根据H与q的关系曲线求出Z与q的关系曲线q=f(z)。由水 库水位z在水库容积特性曲线上，求出相应的水库蓄水容积V。 于是，最终求出下泄流量q与库容V的关系曲线q=f(V)
3.3 水库调洪计算的基本方法
一、列表试算法 在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标
准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法， 去推求设计洪水流量过程线。 已知：入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量
水库汛期防洪限制水位 泄洪建筑物的型式和尺寸
推求：下泄洪水过程线 拦蓄洪水的库容和水库水位的变化
计算步骤
（1）由已知的水库水位容积关系曲线V=f (Z)和泄流建筑物方 案，用水力学公式求出下泄流量与库容的关系曲线q=f(V)；
（2）选取合适的计算时段△t，以秒为计算单位；
（3）决定开始计算的时刻和此时刻的V1、q1值，然后列表计 算。计算过程中，对每一计算时段的V2、q2值都要进行试 算；先假定一个q2值，根据水量平衡方程求出V2,然后按此 V2值在q~V曲线上查出q2值，若与假定的q2不相等，则要 重新假定一个q2值，重复上述试算过程，直至两者相等或 很接近为止。这样多次演算求得的q2、V2值就是下一时段 的q1、V1值，可依据此值进行下一时段的试算。
（4）将计算结果绘制成曲线，供查阅。
二、水库调洪计算的半图解法 水量平衡方程
Q 1Q 2(V 1q1） V 2q2 2 t 2 t 2
《水利资源计算》第四章 水库洪水调节计算
q
QB B Q区
防 洪 保 护 区
河流
6h
在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下根据水文分析计算提供的各种标准的设计洪水或已知的设计入库洪水过程线水库特性曲线拟定的泄洪建筑物的形式和尺寸调洪方式等通过计算推求出水库的出流过程最大下泄流量特征库容和相应的特征洪水位
第四章 水库洪水调节计算
第一节 第二节 第三节
概述 水库调洪计算的方法 无闸门控制的水库调洪计算
已知Q1, q1, Q2, V1 假设q2
V2
q=f(V)
q = q2
* 2
q
* 2
如此连续计算 即可得q（ ） 即可得 （t）
两条曲线点绘在一张图上。 （4） 将Q(t)和q(t)两条曲线点绘在一张图上。 ） 和 两条曲线点绘在一张图上
Q(t) qmax=Q(t)
A
q(t)
（5） 求出 调和Zm ） 求出V
西北农林科技大学水建学院
2010年 2010年4月14日10点56分 14日10点56分
第一节
概
述
任务： 任务：在水工建筑物或下游防护对象的防洪标 准一定的情况下， 准一定的情况下，根据水文分析计算提供的各种标 准的设计洪水或已知的设计入库洪水过程线， 准的设计洪水或已知的设计入库洪水过程线，水库 特性曲线、拟定的泄洪建筑物的形式和尺寸、 特性曲线、拟定的泄洪建筑物的形式和尺寸、调洪 方式等，通过计算，推求出水库的出流过程、 方式等，通过计算，推求出水库的出流过程、最大 下泄流量、特征库容和相应的特征洪水位。 下泄流量、特征库容和相应的特征洪水位。 作用：拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间， 作用：拦蓄洪水，削减洪峰，延长泄洪时间， 使下泄流量能安全通过下游河道。 使下泄流量能安全通过下游河道。
水库防洪能力计算方法
水库防洪能力计算方法为加强水库安全管理，有效预测水库防洪能力，确保水库安全运行，这里介绍一种简易的水库防洪能力计算方法。
一、来水量计算根据天气预报情况及水库运行需要，预估一个未来降水量，由降水库、水库集雨面积及径流系数，计算出水库未来来水量。
计算公式如下：W=P×F×R/10式中：W---预测来水量，万立方米（万m3）；P---降水量，毫米（mm）；F---水库集雨面积，平方公里（km2）;R---径流系数。
说明：径流系数可以通过分析历年的降雨径流关系大至估算出来。
一般情况，前期降雨量比较大（土壤含水率比较高），径流系数较大，降雨强度及总量比较大，径流系数较大。
一般取值范围在0.55～0.95之间。
降水量为预测值，一般通过天气预报，或者防洪工作需要估算出来。
二、水库最高洪水位计算由上面计算出来的来水量加上当前水库相应的库容，得出将来最大库容，通过库容曲线查算相应库水位，从面得出未来最高库水位。
对于将来最大库容的计算有两种情况：（一）不发生溢洪的情况，计算公式如下：V=V当前+W式中：V---将来最大库容，万立方米;V当前---当前库容，由当前水位通过库容曲线查得，万立方米;W---来水量，同上。
（二）有溢洪的情况1、当前水位低于正常水位时，计算公式如下：V=（W+V当前-V正常）×（1-y）+V正常式中：V正常---正常水位对应的库容;y---水库泄洪比率。
2、当前水库正在溢洪时V=W×（1-y）+V当前泄洪比率是指水库特定时段（从溢洪开始到水库达到最高水位的时间）内泄水量与水库流域来水量的比值。
如果当前库水位低于正常水位，计算时段从水位涨至正常水位开始，直到水位上升到最高水位之间的时间。
当水库正在泄洪时，计算时段从当前时间开始至水位达到水库最高水位的时间。
泄洪比率可通过分析历次洪水泄洪关系得出，它与水库的泄水能力有关。
此值小于1。
上述计算方法没有考虑涵管放水，原因一是涵管放水量相对于洪水量来说比较少，可以忽略不计。
调洪计算计算的基本方法可修改全文
水库洪水调节计算
目录
一、水库调洪计的作用
二、水库调洪计算基本公式 三、水库调洪计算试算法
一、水库调洪作用
• （一）水库洪水调节的定义
• 水库通过对洪水的拦蓄、滞留，使洪水过程变形，洪峰流量减 小，洪水历时延长
• （二）水库洪水调节的目的
• 在已拟泄洪建筑物、已确定防汛限制水位（起调水位）的条件 下，用给定的入库过程，推求水库的泄流过程、库水位过程及 相应的最大下泄流量、最高调洪水位及调洪库容；
• （三）水库洪水调节的任务
• 在已拟泄洪建筑物、已确定防汛限制水位（起调水位）的条件 下，用给定的入库过程，推求水库的泄流过程、库水位过程及 相应的最大下泄流量、最高调洪水位及调洪库容∆ ；
头屯河水库溢洪道，溢洪堰
头屯河水库泄洪洞
石门子水库溢洪道
石门子水库泄洪洞，冲沙洞
夹河子水库溢洪道
二、水库调洪作用
qt+1=(q''t+1+q)/2,
（一）、按规定出力调节计算简算法
6.水库调洪计算试算法 例1：
时刻 时段长 Q
q
V
Z
t
(H) m3/s m3/s 104m3 m
0
10
10
247 116
12 12 140
24 12 710
36 12 279
38 2 250
48 10 131
6.水库调洪计算试算法
36 12 279 494.5 21.37 240 172.5 7.45 279.18 118.2
38 2 250 264.5
1.9 250 245 1.76 279.32 118.2
48 10 131 190.5 6.86 230 240 8.64 277.54 118.1
目录
一、水库调洪计的作用
二、水库调洪计算基本公式 三、水库调洪计算试算法
一、水库调洪作用
• （一）水库洪水调节的定义
• 水库通过对洪水的拦蓄、滞留，使洪水过程变形，洪峰流量减 小，洪水历时延长
• （二）水库洪水调节的目的
• 在已拟泄洪建筑物、已确定防汛限制水位（起调水位）的条件 下，用给定的入库过程，推求水库的泄流过程、库水位过程及 相应的最大下泄流量、最高调洪水位及调洪库容；
• （三）水库洪水调节的任务
• 在已拟泄洪建筑物、已确定防汛限制水位（起调水位）的条件 下，用给定的入库过程，推求水库的泄流过程、库水位过程及 相应的最大下泄流量、最高调洪水位及调洪库容∆ ；
头屯河水库溢洪道，溢洪堰
头屯河水库泄洪洞
石门子水库溢洪道
石门子水库泄洪洞，冲沙洞
夹河子水库溢洪道
二、水库调洪作用
qt+1=(q''t+1+q)/2,
（一）、按规定出力调节计算简算法
6.水库调洪计算试算法 例1：
时刻 时段长 Q
q
V
Z
t
(H) m3/s m3/s 104m3 m
0
10
10
247 116
12 12 140
24 12 710
36 12 279
38 2 250
48 10 131
6.水库调洪计算试算法
36 12 279 494.5 21.37 240 172.5 7.45 279.18 118.2
38 2 250 264.5
1.9 250 245 1.76 279.32 118.2
48 10 131 190.5 6.86 230 240 8.64 277.54 118.1
第十三章 水库洪水调节及计算
简化三角形解析法、简化三角形图解法
30
第十一章 水库洪水调节及计算
三、水库调洪计算的基本方法
原理
流量
入库洪水总量W 1 2 QmT
调洪库容：Vm W 1 2 qmT qm QmT (1 ) Qm
1 2
Qm
A
Vm
O
qm
C
B
qm Vm W (1 ) Qm
时间
T
Vm 或 qm Qm (1 ) W
推求水库下泄流量过程线 q ~ t ，最大下泄量 qm ，调 洪库容 V洪 和水库最高洪水位 Z洪 。
常用的方法有列表试算法、半图解法和简化三角形法
等。
18
第十一章 水库洪水调节及计算
三、水库调洪计算的基本方法
1.列表试算法
步骤： (1)计算并绘制水库的蓄泄曲线q ~ V；
(2) 分析确定调洪的起始条件：起调水位和起调库
下游有防洪任务时，水库的防洪库容和泄洪建筑 物尺寸应在确保水库主要建筑物(大坝等)防洪安全的 前提下，同时满足下游防洪要求。( 有闸门控制) 方案选择 根据计算成果，通过技术和经济比较，选出最优 方案。
15
第十一章 水库洪水调节及计算
二、水库调洪计算的原理
水库调洪计算的基本原理是逐时段地联立求解水量 平衡方程和水库的蓄泄方程。
一、水库的调洪作用
有闸门控制时， 水库的调洪作用
q兴
胸墙 闸门
q允
Z堰
溢洪道
12
第十一章 水库洪水调节及计算
一、概述
2.水库调洪计算的任务与过程
规划设计阶段
管理运行阶段
由
13
第十一章 水库洪水调节及计算
调蓄容积计算公式
调蓄容积计算公式调蓄容积是指一个水库或水体能够储存的水量。
计算调蓄容积需要考虑水库的几何形状和最大水位等参数。
以下是一些常见的水库调蓄容积计算公式和相关参考内容。
1. 泛汛面积法：这是一种简单的估算方法，适用于较小的水库。
公式为 V = A × H，其中 V 是调蓄容积，A 是水库溢洪道到水位上的面积，H 是水位高度。
2. 水库等效高度法：根据水库溢洪道形式的不同，将水库分为不同的段落，然后计算每个段落的等效高度和相应的面积。
将每段的面积乘以相应的等效高度，然后求和得到调蓄容积。
3. 水库投影面积法：该方法利用水库的形态特征，将水库分为不同的区域，计算每个区域的面积，并根据水位高度计算每个区域的体积。
将每个区域的体积相加得到调蓄容积。
4. 数值积分法：该方法将水库的底部轮廓曲线分成一系列小段，并计算每个小段的面积和高度。
然后将每个小段的面积乘以相应的高度并相加，得到调蓄容积。
5. 牛顿-柯特斯公式：该公式是一种常用的计算水库调蓄容积的方法。
公式为V = Σ(a*ai+b*bi)/2，其中 Vi 是第 i 个小段的调蓄容积，a 和 b 是该小段上下两点的水位高度。
在实际计算中，一般使用计算软件或者计算器来进行计算。
常见的水利工程软件如HEC-RAS、FLUENT等都具备水库调蓄容积计算的功能。
根据以上的计算公式和方法，可以进行水库调蓄容积的计算。
但需要注意的是，这些公式和方法通常是基于一些简化假设和模型，对于复杂的水库形态和水流状况可能存在一定的误差。
因此，在实际工程设计中，还需要考虑更精确的测量和建模方法来计算水库的调蓄容积。
第三章水库洪水调节及计算
（a）下游有防洪要求的情况
当下游有防洪要求时，最大下泄流
量qmax不能超过下游允许的安全泄量q 安。在t1时刻以前，Q小于闸门全开时
的下泄流量，应以闸门控制，使q=Q。
闸门随着Q的加大而逐渐开大，直到t1
时闸门全部打开。从t1时刻开始，Q已
大于闸门全开自由溢流的q值，库水位
逐渐上升。至t2时刻q达到q安，于是
3.3 水库调洪计算的基本方法
一、列表试算法 在水利规划中，常需根据水工建筑物的设计标
准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法， 去推求设计洪水流量过程线。 已知：入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量
水库汛期防洪限制水位 泄洪建筑物的型式和尺寸
推求：下泄洪水过程线 拦蓄洪水的库容和水库水位的变化
1 W 2 QmT
当水库起调水位在堰顶高程时 水库的最大下泄流量为
qm
Qm (1
Vm W
)
调洪演算简化三角形法
3.4 其他情况下的水库调洪计算
无闸门控制q
最基本的情况（下游无防洪任务、 无错峰要求）
有闸门控制q
基本原理和方法与无闸门类似，要按 水库运行需要随时调整闸门的开度。 在不同的闸门开度、水库水位、下游 淹没等情况下，泄流公式中的系数也 会不同。采用列表试算法较为方便
水资源规划及利用
第三章 水库洪水调节及计算
主 讲：康银红
目录
3.1 概述 3.2 水库调洪的原理 3.3 水库调洪计算的基本方法 3.4 其他情况下的水利调洪计算
3.1 概述
一、水库的调洪作用与任务
在河流上兴建水库后，进入水库的洪水过程经水 库拦蓄和阻滞作用之后，自水库泄放至下游河道的洪水 过程，势必大大展平，洪峰被削减，从而达到防止或减 轻下游洪水灾害的目的。
地下水库库容和调蓄能力计算方法研究
0引言
为了改变我国水资源分配不均的现状，建立了众 多跨流域调水工程，但这些调水工程大多缺少调蓄工 程，为了最大限度地发挥调水工程的效益，迫切需要 在受水区建设水库，然而受水区往往位于经济发达的
平原区，很难新建大规模的蓄水或储水工程，为此， 地下水库成为了一种可行的手段，尤其是对于长期处 于超采的北方地区，地下水库的建设有许多优越条 件： （ 1） 常年超采地下水形成了地下水漏斗，形成了 天然的储水空间，可以调蓄更多的水源； （ 2） 平原河 道中上游大都为砂类土或卵砾石，有利于地下水入渗
1 研究区域
的调蓄能力，为地下水库的论证与建设提供了依据，为建立地下水库替代地表水库调蓄调水量提供了
示范。
关键词： 地下水库； 库容； 调蓄能力； 调水工程； 地下水回补
d1. 020
中图分类号： P641. 74
文献标识码： B
文章编号： 1000-0860（ 2019） 增刊 1-0112-05
收稿日期： 2019-03-04 基金项目： 北京市科技计划课题（ Z161100004516015-2，Z121100000312036） 作者简介： 姚旭初（ 1973—） ，男，教授级高级工程师，硕士，主要从事地下水规划研究与勘察评价工作。E － mail： yxch0986@ 126. com
地下水库库容和调蓄能力计算方法研究
姚旭初1 ，柴福鑫2 ，袁鸿鹄1 ，谢新民2 ，张琦伟1
（ 1. 北京市水利规划设计研究院，北京 100048； 2. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）
摘 要： 面向大型调水工程的受水区，以南水北调工程中线工程受水区北京市密怀顺区域为例，本文
研究探讨了地下水库库容和特征水位的计算方法，并通过数值模型计算了地下水库的回补规模和合理
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地下水库调蓄能力包括蓄水能力和调水能 力. 蓄水能力是调蓄能力中的基础部分, 调水能 力是调蓄能力中的兴利部分[3]. 除了利用调蓄库 容来衡量地下水库的调蓄能力外, 还可利用调蓄 系数和复蓄指数来综合评价地下水库的调蓄能 力. 其中调蓄系数 (7 ) 是在目前的开采状况下地 下水平均每年获得交替更新的比例, 表征地下水 库储水量的更新能力. 复蓄指数 (Κ) 为年调节总 量 与调节空间的比值, 表征地下水库的调节能 力[4]. 根据地下水长期动态观测数据可计算 7 、Κ 值, 计算公式分别为
V max 规划总库容; V rsm 最大调蓄库容; V eff 有效 调蓄库容; H max 极限高水位; H nom 正常高水位; H eff 有效蓄水位; H m in 极限低水位; H 1 建库后 坝外地下水位; H 2 海 (河) 水位
图 1 典型地下水库剖面示意图
F ig11 Schem atic p rofile show ing cha racteristic p aram eters of a typ ical underground reservo ir
方法上属探索和初建阶段. 本文首次将地下水库 纳入到流域防洪系统中, 定义地下水库调蓄计算 的部分参数, 并给出孔隙介质地下水库和岩溶地 下水库调蓄库容的计算公式, 据此可对地下水库 的调蓄能力进行分析与计算.
时由于降雨径流时间集中, 地表水多以洪水形式 1 地下调蓄水库基本特征
流失, 不能有效地补给地下水, 这样就形成了地下 水资源日益紧缺, 而洪水资源又大量流失的现象. 因此从水资源系统的观点出发, 研究区域的大气 降水、地表水、土壤水和地下水之间的“四水”转 化关系, 开发建设地表水库与地下水库, 根据“以 丰补欠, 以补定采, 多年平衡”的原则, 实行地表 水库与地下水库的联合优化调度, 是解决北方地 区 水资源日益紧缺的有效途径之一. 而目前, 我 国北方部分地区地表空间的开发利用程度已经很 高, 严重限制了地表蓄水工程建设, 构成这些地区 的蓄水瓶颈. 因此采用地下水库调蓄方式对流域 水资源进行时间和地域上的再分配, 将成为北方 地区提高雨洪资源利用率、实现水资源可持续利 用的一种重要手段.
利用地下空间调蓄径流的基本原理是在枯水 季节动用地下储存量, 抽取超过天然径流量的地 下水, 形成人工降落漏斗, 腾空地下介质空间 (即 地下水库调蓄库容) , 以获得枯水期所需要的水资 源量; 丰水季节再通过天然回灌或人工补给, 把调 蓄 库容重新充满, 补充恢复地下水储存量. 大型 地下水库都具有多年调节功能, 和大型地表水库 一样起到调节利用水资源的作用. 1. 3 地下水库的蓄水条件
关键词: 地下水; 洪水; 地下水库; 调蓄能力; 库容; 优化调度 中图分类号: TV 623 文献标识码: A
0 引 言
利用地下水库蓄水在我国刚刚起步, 在理论
随着现代工业化、城市化和高科技化的发展, 水资源需求量急剧增加, 尤其在我国北方一些地 区, 天然来水量较少, 水资源供需矛盾更加突出. 近年来, 由于过量开采地下水造成地下水资源严 重匮乏, 普遍出现大范围地下水位下降的趋势; 同
下水库的兴利供水量. 实 时蓄水库容, 系指某一时刻库区赋水介质
被水充满的重力和弹性释水空间, 其值等于充水 介质在疏干条件下的重力和弹性释水体积, 其意 义在于表征某一时刻地下水库的蓄水量. 而实时 调蓄库容, 系指规划总库容与实时蓄水库容之差, 是动态变化的, 表明某一时刻地下水库调蓄空间 的 大小, 表征着地下水库的实时调蓄能力. 实时 调蓄库容为时间的函数, 可以通过不同的数学模 型进行预报[3 ]. 2. 3 地下水库调蓄能力评价指标
1. 1 地下水库 广义的地下水库是指存在于地下的天然大型
储水空间, 是在地壳内外动力地质作用下自然形 成的地下水富集区, 一般指厚度较大、范围较广的 大型层状孔隙含水层、大型岩溶储水空间或大型 含 水断裂带等. 如冲洪积扇、冲积平原、洪积锥、 岩溶储水构造、断裂储水构造等以及其复合类型 和过渡类型. 其中孔隙介质含水层和岩溶含水层 具备较强的地下水调蓄功能, 是目前主要的地下 水开采层[1、2 ].
2. 2 地下水库的调蓄库容和实时库容 地下水库的调蓄库容是指地下水库在开发利
用和补给更新过程中所能提供的地下赋水介质的 重力和弹性释水空间, 它是衡量地下水库调蓄能 力的一个定量指标, 对区域水资源优化配置有重 要意义. 调蓄库容可分为最大调蓄库容和兴利调 蓄 库容, 如图 1 所示. 其中最大调蓄库容是位于 极限高水位与有效蓄水位之间的赋水体的重力和 弹性释水空间, 表征着地下水库的最大调蓄能力, 主 要由实际水文地质条件决定, 是相对固定的. 在进行地下水库可行性论证的调蓄能力分析时, 它是诸特征库容当中最为重要的指标. 兴利调蓄 库容, 亦称有效调蓄库容, 是位于正常高水位与有 效蓄水位之间的重力和弹性释水空间, 它表征地
地下水库与地表水库都是以储存和调节水资 源为基本目的的水资源开发工程, 但与地表水库 相比, 地下水库的优点是可将部分地表水转入地 下进行多年调节, 提高水资源可调蓄空间; 可以丰 蓄枯采, 调节水资源时空分配, 最大限度地利用降 水资源, 提高水资源的利用率; 库区地下水蒸发损 耗小; 不占用土地资源; 无移民问题; 水库泥沙淤 积较少; 水质良好; 能改良土壤, 涵养地下水源, 改 善 生态环境; 工程投资少、见效快. 因此地下水库 在未来水资源开发利用中将会得到相当广泛的应 用. 1. 2 地下水库的调蓄原理
郑 德 凤3 , 王 本 德
( 大连理工大学 土木水利学院, 辽宁 大连 116024 )
摘要: 利用地下水库蓄水能增加洪水资源利用率, 减少洪涝灾害, 是实现水资源可持续利用
的有效途径之一. 首次将地下水库纳入到流域防洪系统中, 在探讨地下水库的概念和调蓄原 理、蓄水条件及其功能特征的基础上, 对地下水库的调蓄能力进行了分析与计算. 参照地表 水库的调洪参数, 定义了地下水库调蓄计算的部分参数, 作为衡量地下水库调蓄能力的定量 计算指标. 在调蓄库容、调蓄系数、复蓄指数中, 库容是最重要的评价因素. 在此基础上针对 孔隙介质地下水库和岩溶地下水库, 分别给出其调蓄库容的计算公式, 并将其应用于下辽河 平原调蓄库容计算中, 其结果可为流域防洪及地表水与地下水联合优化调度提供重要的参考 和依据.
本文所及的地下水库是利用地壳内的天然储 水空间, 采用人工干预而形成的地下蓄水实体, 是 调蓄水资源时空分配的一种地下水开发工程. 所 谓人工干预, 一是构筑暗坝或挡水墙拦截地下水
收稿日期: 2003209215; 修回日期: 2004207225. 基金项目: 水利部、国家防汛抗旱总指挥部重大科技资助项目 (水规划[ 2002 ]341 号).
作者简介: 郑德凤3 (19702) , 女, 博士生, E2m ail: dfzheng@ 163. com ; 王本德 (19382) , 男, 教授, 博士生导师.
第 1 期
郑德凤等: 流域防洪系统中地下水库调蓄能力分析与计算
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径 流量. 二是采用抽水井工程, 降低地下水位, 腾 出地下水存储库容, 增加地下水的补给、蓄存和开 采 量. 三是加强引渗工程, 利用各种工程设施将 地表的多余洪水、河水和水库弃水引渗到地下, 转 化为可开发利用的地下水资源.
2 地下水库调蓄能力分析与计算
从地下水库的调蓄功能和防洪减灾两大基本 功能出发, 参照地表水库的调洪参数, 给出地下水 库调蓄计算的部分参数定义, 以此作为衡量地下 水库调蓄能力的定量计算指标. 2. 1 地下水库的特征水位与特征库容
地 下水库的特征水位包括极限低水位、有效 蓄水位、正常高水位和极限高水位, 见图 1. 其中 极限低水位即为隔水底板平均标高的相应水位; 有效蓄水位是指在抽水利用时不致引起环境地质
利用地下水库蓄水必须具备理想的水文地质 条件、优越的自然地理和水文气象条件, 在文献 [ 1 ] 的基础上可以概化为如下四个方面:
(1) 储水空间 封闭或近封闭的边界及其范围内足够大的储 水空间是地下水库蓄水的前提条件之一. 地下储 水空间越大水库的蓄水调节功能越强, 一般要求 含水层厚度最好大于 15 m , 分布面积最好大于 100 km 2. 北方地区很多省份平原区和山前地带 以及山间盆谷地的河谷中, 都有充分的蓄水空间, 具备建设大型或特大型地下水库的条件. (2) 蓄水水源 地下水库的补给水源有大气降水、地表河水、 水库泄弃洪水以及灌溉回归水等. 因此在地下水 库之上或附近要有足够的可作为蓄水水源的季节 性或长年的地表水体, 水质要求未污染或轻污染. (3) 取水条件 地下水库的开发利用必须考虑的一个因素是
取水条件. 地下水的特点决定其必须采用打井抽 水的方式取水, 因此地ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水库必须具备良好的水 力 传导条件, 含水层透水性强, 储水或给水性强; 导水性好, 单井 涌 水 量 要 足 够 大, 至 少 要 大 于 1 500 m 3 d.
(4) 采补条件 在 蓄水基础条件具备的情况下, 要采用经济 合理的工程设施和补给手段, 把地表水引蓄地下. 常用的有效蓄水方法有傍河打井引渗蓄水, 明渠 引水蓄水, 筑坝拦水蓄水以及利用废弃砂坑、修建 地表漏水水库引渗蓄水等. 1. 4 地下水库的功能特征 地下水库的功能特征系指地下水库对其外部 环境所产生的作用和功效[3]. 地下水库最根本的 功能目标, 在于优化水资源的时空配置. (1) 调蓄功能 地下水库的调蓄功能包括蓄水和调水两个方 面. 蓄水功能是指利用地下巨大的赋水介质空隙 做储水空间, 丰蓄枯采, 优化水资源在时间上的配 置. 调水功能是指选择合适的地点和途径, 通过 相应的工程手段, 人为干预库区地下水的补入与 采出. 一方面最大限度地将地表水资源调入地下 水库中蓄存, 另一方面在恰当的时间以最有效的 方式将地下水库中的蓄水调出到用水单位使用, 由此完成优化水资源空间配置的功效. (2) 防洪减灾功能 对 地下水库补给源充沛的地区, 若能采取一 些工程措施将汛期洪水蓄存地下, 其补给量也相 当可观, 这不仅充分利用了洪水资源, 还能吸收减 弱地表洪水量, 减轻下游防洪负担, 起到防洪减灾 的作用. 此外, 地下水库还具有防止地面沉降、滋润生 态环境、调节小气候、储冷储热等外延功能.
V max 规划总库容; V rsm 最大调蓄库容; V eff 有效 调蓄库容; H max 极限高水位; H nom 正常高水位; H eff 有效蓄水位; H m in 极限低水位; H 1 建库后 坝外地下水位; H 2 海 (河) 水位
图 1 典型地下水库剖面示意图
F ig11 Schem atic p rofile show ing cha racteristic p aram eters of a typ ical underground reservo ir
方法上属探索和初建阶段. 本文首次将地下水库 纳入到流域防洪系统中, 定义地下水库调蓄计算 的部分参数, 并给出孔隙介质地下水库和岩溶地 下水库调蓄库容的计算公式, 据此可对地下水库 的调蓄能力进行分析与计算.
时由于降雨径流时间集中, 地表水多以洪水形式 1 地下调蓄水库基本特征
流失, 不能有效地补给地下水, 这样就形成了地下 水资源日益紧缺, 而洪水资源又大量流失的现象. 因此从水资源系统的观点出发, 研究区域的大气 降水、地表水、土壤水和地下水之间的“四水”转 化关系, 开发建设地表水库与地下水库, 根据“以 丰补欠, 以补定采, 多年平衡”的原则, 实行地表 水库与地下水库的联合优化调度, 是解决北方地 区 水资源日益紧缺的有效途径之一. 而目前, 我 国北方部分地区地表空间的开发利用程度已经很 高, 严重限制了地表蓄水工程建设, 构成这些地区 的蓄水瓶颈. 因此采用地下水库调蓄方式对流域 水资源进行时间和地域上的再分配, 将成为北方 地区提高雨洪资源利用率、实现水资源可持续利 用的一种重要手段.
利用地下空间调蓄径流的基本原理是在枯水 季节动用地下储存量, 抽取超过天然径流量的地 下水, 形成人工降落漏斗, 腾空地下介质空间 (即 地下水库调蓄库容) , 以获得枯水期所需要的水资 源量; 丰水季节再通过天然回灌或人工补给, 把调 蓄 库容重新充满, 补充恢复地下水储存量. 大型 地下水库都具有多年调节功能, 和大型地表水库 一样起到调节利用水资源的作用. 1. 3 地下水库的蓄水条件
关键词: 地下水; 洪水; 地下水库; 调蓄能力; 库容; 优化调度 中图分类号: TV 623 文献标识码: A
0 引 言
利用地下水库蓄水在我国刚刚起步, 在理论
随着现代工业化、城市化和高科技化的发展, 水资源需求量急剧增加, 尤其在我国北方一些地 区, 天然来水量较少, 水资源供需矛盾更加突出. 近年来, 由于过量开采地下水造成地下水资源严 重匮乏, 普遍出现大范围地下水位下降的趋势; 同
下水库的兴利供水量. 实 时蓄水库容, 系指某一时刻库区赋水介质
被水充满的重力和弹性释水空间, 其值等于充水 介质在疏干条件下的重力和弹性释水体积, 其意 义在于表征某一时刻地下水库的蓄水量. 而实时 调蓄库容, 系指规划总库容与实时蓄水库容之差, 是动态变化的, 表明某一时刻地下水库调蓄空间 的 大小, 表征着地下水库的实时调蓄能力. 实时 调蓄库容为时间的函数, 可以通过不同的数学模 型进行预报[3 ]. 2. 3 地下水库调蓄能力评价指标
1. 1 地下水库 广义的地下水库是指存在于地下的天然大型
储水空间, 是在地壳内外动力地质作用下自然形 成的地下水富集区, 一般指厚度较大、范围较广的 大型层状孔隙含水层、大型岩溶储水空间或大型 含 水断裂带等. 如冲洪积扇、冲积平原、洪积锥、 岩溶储水构造、断裂储水构造等以及其复合类型 和过渡类型. 其中孔隙介质含水层和岩溶含水层 具备较强的地下水调蓄功能, 是目前主要的地下 水开采层[1、2 ].
2. 2 地下水库的调蓄库容和实时库容 地下水库的调蓄库容是指地下水库在开发利
用和补给更新过程中所能提供的地下赋水介质的 重力和弹性释水空间, 它是衡量地下水库调蓄能 力的一个定量指标, 对区域水资源优化配置有重 要意义. 调蓄库容可分为最大调蓄库容和兴利调 蓄 库容, 如图 1 所示. 其中最大调蓄库容是位于 极限高水位与有效蓄水位之间的赋水体的重力和 弹性释水空间, 表征着地下水库的最大调蓄能力, 主 要由实际水文地质条件决定, 是相对固定的. 在进行地下水库可行性论证的调蓄能力分析时, 它是诸特征库容当中最为重要的指标. 兴利调蓄 库容, 亦称有效调蓄库容, 是位于正常高水位与有 效蓄水位之间的重力和弹性释水空间, 它表征地
地下水库与地表水库都是以储存和调节水资 源为基本目的的水资源开发工程, 但与地表水库 相比, 地下水库的优点是可将部分地表水转入地 下进行多年调节, 提高水资源可调蓄空间; 可以丰 蓄枯采, 调节水资源时空分配, 最大限度地利用降 水资源, 提高水资源的利用率; 库区地下水蒸发损 耗小; 不占用土地资源; 无移民问题; 水库泥沙淤 积较少; 水质良好; 能改良土壤, 涵养地下水源, 改 善 生态环境; 工程投资少、见效快. 因此地下水库 在未来水资源开发利用中将会得到相当广泛的应 用. 1. 2 地下水库的调蓄原理
郑 德 凤3 , 王 本 德
( 大连理工大学 土木水利学院, 辽宁 大连 116024 )
摘要: 利用地下水库蓄水能增加洪水资源利用率, 减少洪涝灾害, 是实现水资源可持续利用
的有效途径之一. 首次将地下水库纳入到流域防洪系统中, 在探讨地下水库的概念和调蓄原 理、蓄水条件及其功能特征的基础上, 对地下水库的调蓄能力进行了分析与计算. 参照地表 水库的调洪参数, 定义了地下水库调蓄计算的部分参数, 作为衡量地下水库调蓄能力的定量 计算指标. 在调蓄库容、调蓄系数、复蓄指数中, 库容是最重要的评价因素. 在此基础上针对 孔隙介质地下水库和岩溶地下水库, 分别给出其调蓄库容的计算公式, 并将其应用于下辽河 平原调蓄库容计算中, 其结果可为流域防洪及地表水与地下水联合优化调度提供重要的参考 和依据.
本文所及的地下水库是利用地壳内的天然储 水空间, 采用人工干预而形成的地下蓄水实体, 是 调蓄水资源时空分配的一种地下水开发工程. 所 谓人工干预, 一是构筑暗坝或挡水墙拦截地下水
收稿日期: 2003209215; 修回日期: 2004207225. 基金项目: 水利部、国家防汛抗旱总指挥部重大科技资助项目 (水规划[ 2002 ]341 号).
作者简介: 郑德凤3 (19702) , 女, 博士生, E2m ail: dfzheng@ 163. com ; 王本德 (19382) , 男, 教授, 博士生导师.
第 1 期
郑德凤等: 流域防洪系统中地下水库调蓄能力分析与计算
133
径 流量. 二是采用抽水井工程, 降低地下水位, 腾 出地下水存储库容, 增加地下水的补给、蓄存和开 采 量. 三是加强引渗工程, 利用各种工程设施将 地表的多余洪水、河水和水库弃水引渗到地下, 转 化为可开发利用的地下水资源.
2 地下水库调蓄能力分析与计算
从地下水库的调蓄功能和防洪减灾两大基本 功能出发, 参照地表水库的调洪参数, 给出地下水 库调蓄计算的部分参数定义, 以此作为衡量地下 水库调蓄能力的定量计算指标. 2. 1 地下水库的特征水位与特征库容
地 下水库的特征水位包括极限低水位、有效 蓄水位、正常高水位和极限高水位, 见图 1. 其中 极限低水位即为隔水底板平均标高的相应水位; 有效蓄水位是指在抽水利用时不致引起环境地质
利用地下水库蓄水必须具备理想的水文地质 条件、优越的自然地理和水文气象条件, 在文献 [ 1 ] 的基础上可以概化为如下四个方面:
(1) 储水空间 封闭或近封闭的边界及其范围内足够大的储 水空间是地下水库蓄水的前提条件之一. 地下储 水空间越大水库的蓄水调节功能越强, 一般要求 含水层厚度最好大于 15 m , 分布面积最好大于 100 km 2. 北方地区很多省份平原区和山前地带 以及山间盆谷地的河谷中, 都有充分的蓄水空间, 具备建设大型或特大型地下水库的条件. (2) 蓄水水源 地下水库的补给水源有大气降水、地表河水、 水库泄弃洪水以及灌溉回归水等. 因此在地下水 库之上或附近要有足够的可作为蓄水水源的季节 性或长年的地表水体, 水质要求未污染或轻污染. (3) 取水条件 地下水库的开发利用必须考虑的一个因素是
取水条件. 地下水的特点决定其必须采用打井抽 水的方式取水, 因此地ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ水库必须具备良好的水 力 传导条件, 含水层透水性强, 储水或给水性强; 导水性好, 单井 涌 水 量 要 足 够 大, 至 少 要 大 于 1 500 m 3 d.
(4) 采补条件 在 蓄水基础条件具备的情况下, 要采用经济 合理的工程设施和补给手段, 把地表水引蓄地下. 常用的有效蓄水方法有傍河打井引渗蓄水, 明渠 引水蓄水, 筑坝拦水蓄水以及利用废弃砂坑、修建 地表漏水水库引渗蓄水等. 1. 4 地下水库的功能特征 地下水库的功能特征系指地下水库对其外部 环境所产生的作用和功效[3]. 地下水库最根本的 功能目标, 在于优化水资源的时空配置. (1) 调蓄功能 地下水库的调蓄功能包括蓄水和调水两个方 面. 蓄水功能是指利用地下巨大的赋水介质空隙 做储水空间, 丰蓄枯采, 优化水资源在时间上的配 置. 调水功能是指选择合适的地点和途径, 通过 相应的工程手段, 人为干预库区地下水的补入与 采出. 一方面最大限度地将地表水资源调入地下 水库中蓄存, 另一方面在恰当的时间以最有效的 方式将地下水库中的蓄水调出到用水单位使用, 由此完成优化水资源空间配置的功效. (2) 防洪减灾功能 对 地下水库补给源充沛的地区, 若能采取一 些工程措施将汛期洪水蓄存地下, 其补给量也相 当可观, 这不仅充分利用了洪水资源, 还能吸收减 弱地表洪水量, 减轻下游防洪负担, 起到防洪减灾 的作用. 此外, 地下水库还具有防止地面沉降、滋润生 态环境、调节小气候、储冷储热等外延功能.