文档介绍：水库防洪调度与溃坝计算软件的开发
张新建
(山西省防汛抗旱办公室太原 030002)
摘要:水库防洪调度与溃坝计算软件应是水库规划设计、日常管理和防洪调度中常用的工具,但目前只有水利设计部门和部分大型水库才有,这种状况在计算机日益普及的今日应该改变。文中主要介绍了作者开发的软件的基本功能、水库防洪调度计算方法、不同调度计算方法的误差分析以及土坝溃坝简化计算功能。
关键词:水库防洪调度、误差分析、溃坝计算
中图分类号:TP311 文献标识码:B
软件的基本功能
本软件的基本功能是在已知各种频率入库洪水过程的前提下,对水库的各种洪水调度方案实现调度过程的模拟计算。软件可算出在不同频率入库洪水在不同调度方式下各时段的库水位、蓄水量和下泄流量过程。软件计算结果有数据表和曲线图形两种方式,其中有来水--泄水过程对比曲线图、水位变化过程曲线图、蓄水量变化过程曲线图、泄量变化过程曲线图。软件可对洪水调节模拟计算所需的基础数据进行管理,并可将这些数据转变为水位--库容曲线图、洪水过程曲线图、水位--泄量曲线图等,并可对水位、库容、库水面积进行插值计算。
本软件提供的土坝溃坝简化计算方法主要是根据我国水利科研机构研究的经验公式,该计算方法避免了常规溃坝计算中解算微分方程的复杂过程,可用于精度要求不太高的土坝溃坝计算。
本软件提供水库基本情况如自然地理、工程设施、工程效益、特征水位、防洪调度规则、流域地图等文字、图形信息功能。
本软件适用于入库洪水数据、水位—库容—库水面积—泄量数据齐全的水库,并可在各种版本的Windows环境下安装运行。
2 水库洪水调度计算方法
用精确的数学方法进行水库洪水调度计算是困难的,这是因为依地势而建的水库作为一个盛水载体本身是不规则的,难以用数学函数来描述,而洪水进库过程是一个随降雨大小涨消的非恒定流,出库流量过程不仅受到出水闸门开启度的控制,而且与不同库水位所形成的压力相关。在河道狭长型水库中,洪水入库处的水位要高出坝前库水位许多,这种水位差形成的库容称为动态库容,由于此部分库容计算比较困难,对于一般水库可忽略此部分的计算,本软件也不考虑此部分库容的计算。
把洪水入库过程、水位—库容—库水面积—泄量数据作为已知条件,并将非恒定流的洪水过程简化为分时段恒定流过程来计算,其算法可用数学模型描述如下:
已知条件:
入库洪水流量—时间关系Q=Q(t) , ⑴
库水位---库水面积关系 F =F(Z) , ⑵
下泄流量---库容关系S=S(Z) , ⑶
其中式⑴、式⑵一般都不能用连续的初等函数表达,而是由统计或实测得出的离散型数据组。式⑶在无闸门控制情况下,表示不同蓄水量时的最大泄水能力,通常也用离散数据组表示。
水库洪水调度计算要算出每一时段末的泄水流量、库水位和蓄水量。根据水量平衡原理,库水位的变化率等于水库中水量的变化与该水位下水面积的比,由此可列出以下一阶微分方程:
, ⑷
式中 Q ---- 进库洪水流量,为时间t的函数
Z ----- 水库水位,为时间t的函数
F ----- 库水面积,为水位Z的函数
S ----- 泄水流量,为水位Z的函数
因此,水库洪水调度计算可归结为求以上一阶微分方程在满足以下初始条件时的特解,在Z=f(t) 在一系列t 时刻的近似值,可利用微