第二节　蓄水枢纽

一、水库的作用

我国河川径流的特性是在年内和年际间的分配都很不均匀。汛期或丰水期，水量丰沛，一般超过用水量，通常会造成洪涝灾害；而枯水期或枯水年的水量，往往又不够用。如华北地区河流在春季作物需水灌溉时正是枯水季节，河流水量不能满足灌溉需要；但当夏季洪水出现时，又会淹没农田，危害农作物。显然，河流的天然来水同人类的生产、生活用水要求存在矛盾，而建造水库调节来水和用水之间的矛盾是一种普遍的、有效的工程措施。通过拦河筑坝，在坝上游形成水库，将洪水季节的余水蓄存起来，以补枯水季节的不足。

按照工农业生产的需要，用人工方法重新分配河流天然径流，称为河川径流调节。径流调节按照调节期的长短可分为年调节（将一年内的天然径流加以重新分配）和多年调节（将丰、枯水年之间的天然径流加以重新分配）。进行年调节和多年调节的水库称为年调节和多年调节水库。

二、水库特性曲线

水库的水面高程称为库水位，库水位以下的蓄水容积称为库容。一般情况下，坝筑得越高，库容就越大。但在不同的河流上，即使坝高相同，其库容一般却不相同，这主要与库区内的地形及河流的比降等特性有关。如库区内地形开阔，则库容较大，如为一峡谷，则库容较小。河流比降小，库容就大；比降大，库容就小。根据库区河谷形状，水库有河道型和湖泊型两种。

对于一座水库来讲，水位越高则水库面积越大，库容越大。不同水位有相应的水库面积和库容。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（图3-4），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，用求积仪或数方格等方法，求得不同高程（高程的间隔可用1～2m或5m）时水库的面积和容积。然后以水库水位为纵坐标，水库面积和容积为横坐标，绘制水库水位—面积关系曲线和水位—库容关系曲线。水库面积特性曲线是研究水库库容、淹没范围和计算水库蒸发损失的依据。

三、水库特征水位和库容

水库的总库容可分为死库容、兴利库容和防洪库容三部分，由水库特征水位划分（图3-5）。水库的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。

（一）死水位

水库建成后，并不是全部库容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填；自流灌溉、发电、航运、渔业以及旅游等用水部门，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，允许水库降低的最低水位。死水位以下的库容称为死库容。水库正常运行时一般不低于死水位。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，才允许低于死水位。

确定死水位应考虑以下主要因素：

（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以备泥沙淤积的需要。

（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在某一高程以上。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愈大；在抽水灌溉时，也可使抽水的扬程减小。

（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，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，必须要求水库水位降到最低时，尚有足够的水面面积和水库容积，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，尚应考虑在死水位冰层以下，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的存水，致使水库长期处于低水位的不正常状态。这种“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，也使机组设备的损坏加剧。

（二）正常蓄水位

在正常运行条件下，为了满足兴利部门枯水期的正常用水，水库在正常情况下应蓄到的最高水位，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（图3-5）。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。

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大小、规模、投资、淹没、综合利用效益及其他指标，所以大坝的强度和稳定性计算、结构设计也主要以它为依据。

大中型水库正常蓄水位的选择是一个重要问题，往往涉及技术、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。原则考虑以下几点：

（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）考虑淹没和浸没情况。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、库区周边的地形地貌、岩体结构和分水岭的高程等。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，满足对用户正常供水、供电的需要。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，或水库多年达不到正常蓄水位设计要求，这些都是不符合水库管理规定的。

（三）防洪限制水位

水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，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，它涉及的面更广，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以下，以减少专门的防洪库容，特别是当水库溢洪道设有闸门时，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，又称共用库容或重叠库容。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。

（四）防洪高水位

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，经水库调洪后，在坝前达到的最高水位，称为防洪高水位。防洪高水位与防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。

（五）设计洪水位

当遇到大坝设计标准洪水时，经水库调洪，在坝前达到的最高水位，称为设计洪水位。设计洪水位与防洪限制水位之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的规模大小有关，而泄洪方式（包括溢流堰、泄洪孔、泄洪隧洞）的选择，则应根据工程的枢纽布置特点、地形地质条件和坝型等因素拟定，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，尤其是有下游防洪任务的水库，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）泄洪方式的选择，应考虑经济性和技术可靠性。当在河床布置有困难时，可研究在河岸布置溢洪道和泄洪隧洞。

（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。

（六）校核洪水位

当遇到大坝校核标准洪水时，经水库调洪后，在坝前达到的最高水位，称为校核洪水位。校核洪水位与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。校核洪水位至死水位之间的库容称为有效库容。总库容是水库最主要的一个指标。

在规划、设计水库时，上述的各特征水位按设计指标均已拟定。但水库运用后，由于积累了经验和水文资料逐年增加，设计洪水值必然有改变，从而影响调洪库容；由于兴利用水计划逐年也有改变，兴利库容也有变化。因此，要根据实际情况，对各特征水位作必要的修正。

1975年8月淮河流域发生特大暴雨，造成板桥水库的垮坝事故，发生严重水害。有鉴于此，水文方面提出各地可能出现的最大暴雨值。如果这种暴雨出现，所发生的洪水不应危害拦河坝的安全，这种洪水叫做保坝洪水。为此，要求一些重要的水库进行改建，改建方式有两种：一种是增加坝高，加大库容；另一种是加大泄量，增加泄洪设施。具体方案应根据地形条件和坝型来定。

四、水库对周围环境的影响

（一）水库对上游的影响

1.淹没与移民

每座水库都要在不同程度上淹没一部分土地，迁移一些库区移民。国家要安排好迁移的居民生活。但淹没区如有重要矿产、城镇、工业设施或有保护价值的古迹，就值得研究水位的标准是否合适。如辽宁省某水库因原定设计蓄水位影响本溪煤矿的煤区生产，只好降低水位采用低坝方案。对有纪念性的古迹建筑物可以加以保护和迁移，如河北省岗南水库回水影响了平山县西柏坡村。为保证工程效益，已确定的水库规模不变，只是将西柏坡村有纪念性的建筑物向高处迁移。

按淹没情况不同，可分为永久淹没区和临时淹没区。一般设计蓄水位以下的区域叫永久淹没区；以上至校核洪水位叫临时淹没区。永久淹没区的居民、生产企业等必须迁移，而在临时淹没区则应采取一定的防洪措施。这样，可以考虑分期、分批地迁移居民和生产企业。也有的将临时淹没区改种小麦，洪水来之前已收割。

2.地下水

水库蓄水以后，上游地下水位随之上升，为上游利用地下水灌溉创造了有利的条件，但也可能带来下列影响：

（1）由于地下水位的上升，可能引起耕地的盐碱化，导致农作物减产以致土地荒废。

（2）房屋地基被地下水浸润，可能发生下陷，房屋倒塌。

（3）当地下水露出时，使地表洼地成为沼泽，易造成农田渍害、孳生蚊虫。

针对这种情况，需要对设计方案进行综合优化论证。

3.岸坡坍塌

水库蓄水以后，在库区周边，由于浸润，加上风浪、冰凌的撞击、沿岸水流的冲刷，土质岸坡可能坍塌，有的水库岸坡坍塌宽度达数十米。这不但增加了水库的淤积，也威胁了岸坡附近的生产企业和居民点的安全。

一般土质的岸坡坍塌以后，岸坡变缓，可逐渐趋向稳定。

4.水库淤积

挟带泥沙的水流进入水库后，流速减小，挟沙能力减弱，泥沙颗粒会逐渐下沉，形成淤积。泥沙淤积将带来以下后果：

（1）库容损失，效益降低。大量的泥沙不仅淤积在死库容内，有时会侵占兴利库容，使水库的效益大大降低。

（2）淤积上延、水库“翘尾巴”。泥沙淤积有时上延超过水库的回水末端，这种现象称为“翘尾巴”。“翘尾巴”会引起河道水位抬高，回水延长，因而扩大了淹没范围。

（3）淤积航道、影响航运。水库泥沙淤积于通航建筑物上下游引航道或回水变动库段航道内，影响航运。

（4）进水口堵塞和过流部件磨损。水库淤积发展到一定程度，洪水带来的大量泥沙和水草在坝前造成进水口堵塞。泥沙还会使水轮机、金属闸门等过流部件严重磨损。

黄河三门峡水库由于淤积过快，以致不能按设计进行发电。黄河潼关附近泥沙淤5m厚，在渭河入库处形成拦门沙，坡降由约0.02%变为0.002%。自1960年以后渭河大堤不得不加高4次，共计10m多。

（二）水库对下游的影响

1.下游滩地的改善

由于水库控制了径流，使下游河流的洪涝灾害大为减轻，促使农业增产。另外一些常遭受洪涝灾害的河滩地、沼泽地会变成高产的农田。如丹江口水利枢纽修建后，虽然淹没了大片土地，但也使下游增加了一些新的可耕地。这种现象在修建大型水库时颇为显著。

2.下游河床的变形

由于水库对来水中的泥沙有澄清作用，水库下泄水流几乎不含泥沙或很少含泥沙。这样的清水有很强的冲刷能力，所以在坝下游很长一段河道内会受到强烈的冲刷，造成水位下降。下游水位下降可能引起以下后果：

（1）河水位下降，附近地区内的地下水位随之下降，土地干燥，甚至水井干涸，取水困难。

（2）原来的护岸工程及桥梁基础受到淘刷，影响临河建筑物的安全。

（3）原来的下游引水工程，由于水头降低，流量减少，不能取得足够的水量。

（4）水库水电站的尾水位降低，可能引起水轮机的汽蚀。

有的下游河道，即使无通航要求，也不应该使之干涸。在必要时，水库应放出一定的水量，维持生态平衡，保证鱼类生存。

3.下游流量的变化

水电站一般都负担电网峰荷，所以流量经常变化，以至造成下游水位暴涨暴落，严重时会影响下游的通航条件。