3．1　水库特性曲线及特征水位

3．1．1　水库的特性曲线

在河流上拦河筑坝形成人工的水池用来进行径流调节，这就是水库。一般地说，坝筑的越高，水库的容积（简称库容）就越大。但在不同的河流上，即使坝高相同，其库容也很不相同。这主要与库区内的地形有关。如库区内地形开阔，则库容较大，如为一峡谷，则库容较小。此外，河流的纵坡对库容大小也有影响，坡降小的库容较大，坡降大的库容较小。根据库区河谷形状，水库有河道型和湖泊型两种。

水库的形体特征，其定量表示主要就是水库水位—面积关系（Z—F曲线）和水库水位—容积关系（Z—V曲线）。

对于每一个水库来讲，水位越高则水库面积越大，库容越大。不同水位有相应的不同水库面积和库容，对径流调节直接有关。因此，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，这两者是最主要的水库特性资料。

1．Z—F曲线的绘制

在库区地形图上可用求积仪或按比例尺数方格方法，量出不同高程的等高线与坝轴线围成的面积。以水位为纵坐标，面积为横坐标，绘成水位面积曲线。如图3．1所示中的Z—F曲线。

2．Z—V曲线的绘制

水库的水位—容积曲线，实际是水位面积曲线的积分曲线。可用式（3．1）表示，即

在实际工作中常用有限差公式求出，即

平均面积较精确的计算为

水库面积和库容曲线的一般形状，如图3．1所示。用地形图资料绘制水库特性曲线的计算，见【例3．1】。

【例3．1】　根据某水库库区地形图所示（图3．2），分别量出水位高程与逐层水面面积的值（表3．1），试绘制Z—F曲线和Z—V曲线。

解：（1）根据①、②列数据依次求得③、④、⑤、⑥列数据。

（2）根据①、②列数据即可绘制出Z—F曲线，如图3．3所示。

（3）根据①、⑥列数据可绘制出Z—V曲线，如图3．4所示。

3．1．2　动库容特性曲线

前面讨论的特性曲线均建立在假定入库流量为零时，水面是水平的基础上。这种库容称为静水库容（static storage）。

由于水库随时都有流量汇入（汛期尤为如此），致使水库沿程各个过水断面都具有一定的流速，即有一定的水力坡度，因而形成了以坝前水位为起点沿程向上的壅水曲线，即回水曲线（backwater curve），如图3．5所示。

回水曲线与坝前水位水平面间的容积称为楔形容积（wage-type storage），它与坝前水位下的静库容之和，总称为动库容（dynamic storage）。

当确定水库回水淹没和浸没的范围、或作库区洪水流量演进计算时，或当动库容数值占调洪库容比重较大时，必须考虑动库容的影响。

动库容曲线的绘制步骤如下：

（1）假定一个入库流量Q1和一组坝前水位，然后根据水力学公式，求出一组以某一入库流量为参数的水面曲线。

（2）将水库全长分为若干段（图3．6），在每段水库中求出相应于每一回水曲线的平均水位，根据每段平均水位的位置定出该段相应的水面面积，求出不同回水曲线每段的容积。

（3）将各段水库容积相加，即得以某一入库流量为参数的总的动库容曲线。

（4）假定不同的入库流量Q2、Q3、…，按照步骤（1）～（3）计算，分别求得不同的入库流量为参数的水库动库容曲线（图3．7）。

由动库容曲线可知，坝前水位不变时，入库流量越大，则动库容总值也越大。应该指出动库容曲线的计算需要的资料较多，比较麻烦，为了简便起见，一般的调节计算仍采用静库容曲线。

3．1．3　水库的特征水位和特征库容

水库的规划设计，首先就要合理确定各种库容和相应的库水位值。这些特征水位和相应的库容，通常有下列几种。

1．死水位（Z死）和死库容（V死）

死水位（inactive water level）是指在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位。死水位以下的库容称为死库容或垫底库容（dad storage）。水库正常运行时一般不能低于死水位。

2．正常蓄水位（Z蓄）和兴利库容（V兴）

在正常运行条件下，为了满足兴利部门枯水期的正常用水，水库在供水开始时应蓄到的最高水位，称为正常蓄水位（normal pool level），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，又称调节库容（useful capacity）；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。

水库正常蓄水位的选择是一个重要问题，往往牵涉到技术、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。而一般的考虑原则，则有下列几点：

（1）根据兴利的实际需要。

（2）考虑淹没、浸没情况。

（3）考虑坝址及库区的地形地质条件。

（4）考虑河段上下游已建和拟建水库枢纽情况。

3．防洪限制水位（Z限）（又称汛期限制水位）和结合库容（V结）

水库在汛期允许蓄水的上限水位，称为防洪限制水位，又称为汛期限制水位（flood control level）。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。

防洪限制水位应尽可能定在正常蓄水位之下，以减少专门的防洪库容，特别是当水库溢洪道设闸门时，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，重叠库容（repeated storage）。

4．防洪高水位（Z防）和防洪库容（V防）

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，水库经调洪后达到的最高水位，称为防洪高水位（maximum flood prevention level）。它至防洪限制水位间的水库容积称为防洪库容（flood prevention capacity）。

5．设计洪水位（Z设洪）和拦洪库容（V拦）

当遇到大坝设计标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位，称为设计洪水位（design flood level）。它至防洪限制水位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尺寸、型式有关，设计洪水位应注意以下几点：

（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，尤其是下游有防洪任务的水库，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）泄洪设备的型式选择，应考虑经济性和技术可靠性。当在河床布置泄洪设备有困难时，可研究在河岸设置部分旁侧溢洪道和泄洪隧洞。

（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。

6．校核洪水位（Z校洪）和调洪库容（V调洪）

当遇到大坝校核标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位，称为校核洪水位（check flood level）。它至防洪限制水位间的水库容积称为调洪库容（flood capacity）。

7．总库容（V总）

校核洪水位以下的全部水库容积就是水库的总库容，即V总＝V死＋V兴＋V调洪-V共。总库容是表示水库工程规模的代表性指标。通常按照总库容的大小，把水库区分为以下5级：

（1）大（1）型——10亿m3以上。

（2）大（2）型——1亿～10亿m3。

（3）中 　　型——0．1亿～1亿m3。

（4）小（1）型——0．01亿～0．1亿m3。

（5）小（2）型——0．001亿～0．01亿m3。

8．坝顶高程

设计洪水位或校核洪水位加上一定数量的风浪高值和安全超高值，就得坝顶高程。水库的各种特征水位及其相应库容，如图3．8所示。

3．1．4　特征水位和特征库容举例

为加深对水库特征水位和特征库容的直观认识，下面以三峡水库为例介绍其特征水位等参数。

三峡水库是三峡水电站建立后蓄水形成的人工湖泊，总面积1084km2，范围涉及湖北省和重庆市的21个县（市），串流2个城市、11个县城、1711个村庄，其中有150多处国家级文物古迹，库区受淹没影响人口共计84．62万人，搬迁安置的人口有113万人。淹没房屋总面积3479．47万m2。

三峡工程采用“一级开发、一次建成、分期蓄水、连续移民”的建设方案，于1993年进入施工准备阶段，1994年正式开工，1997年大江截流成功，2003年开始通航发电，至2009年全部竣工，总工期为17年。按1993年5月末的价格计算，三峡工程静态投资为900．9亿元，其中枢纽工程500．9亿元，移民安置400亿元。其主要特征指标见表3．2。