水资源规划及利用课程项目设计方案

1 水资源规划及利用课程 项目设计方案 第 1 章 课程设计目的和要求 梅山水库和龙河口水库优化运行 3. 课程设计的基本目的和基本要求 ： 目的 让学生加深对水资源规划及利用课程基本理论的理解，更好地掌据水资源规划及利用的基本知识和分析计算方法；培养学生分析问题、解决问题的能力，以及运算、绘图和编写说明书的能力。 基本要求 根据梅山水库和龙河口水库的基本资料为依据，应用水资源规划及利用的理论和方法，确定丰、平、枯三个典型年，对水库进行兴利计算和调洪演算。根据 计算结量，编写设计说明书，并附上必要的图表。 2 第 2 章 基本资料及设计方案 本资料 基本资料 梅山水库位于淮河支流史河上游的安徽省金寨县境内，东与淠河西源为邻，西与灌河隔岭为界，南源 于大别山北麓，北距史河入淮口 130库流域南北长约 70西宽约 40域面积 1970 梅山水库按 500 年一遇洪水设计， 5000 年一遇洪水校核，设计洪水位 核洪水位 常蓄水位 限 水位 水位 库容 利库容 洪库容 库容 年调节水库。梅山水库现有水电站装机容量为 4 万 4 台发电机组，单机最大过水流量 s，电站主要结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水入横排头水库。现状情况下多年平均发电量为 9925 万 h。 龙河口水库位于舒城县境内的杭埠河上游 ， 坝址位于龙河与杭埠河汇合处稍下游的龙河口，距舒城县城约 25 于长江流域巢湖水系。 坝址以上控制流域面积 1120 杭埠河全流域面积 2122 53%。流域长度 48.9 河道长度 74.8 道坡度 流域内地形西南高，东北低，西南各支流的中上游为典型的山区，山高谷深。东北部为低山丘陵区，各支流的下游至坝址主河道之间为宽阔河漫滩地。 水库按百年一遇洪水没计 ， 万年一遇洪水校核。死水位 53.0 m， 相应死库容 常蓄水位 68.3 m， 设计洪水位 m， 校核洪水位 m， 中调洪库容 此调洪库 容对应的是设计汛限水位 兴利库容 库是以防洪、灌溉为主，结合发电、水产养殖、旅游、供水等综合利用的大型 (2)水库。水库下游保护合九铁路、206 国道、沪蓉高速铁路和舒城县城、龙河镇、三河镇等人口密集区。设计防洪 3 保护面积 53 万亩。下游灌区有杭淠、舒庐两条干渠 ， 设计灌溉舒城、庐江、肥西、六安四县 155 万亩农田。 计方案 非汛期为 5，汛期为 6，其中 9 月为过渡期，即从 9 月份开始水库开始慢慢蓄水，并在 9 月末时保证水库 水位在死水位和正常高水位之间， 10份水库处于非汛期，这段时间保证水库水位在死水位和正常高蓄水位之间，并保证非汛期末时水库水位在死水位与汛限水位之间。 从汛限水位 调，设计洪水位 站装机 4 台，为安全计，按 3 台发电机组满载下泄流量，其余泄流设备均关闭，但水库水位上涨到防洪高水位时，除泄水底孔外其余泄流设备均全开，按泄流能力下泄，不受下游及淮河干流限制；之后水库来水较小时，按维持设计蓄洪水位控制下泄，但最小下泄流量不小于 3 台机组发电流量。 三种调洪计算方案如 下： 方案 1：汛限水位 洪高水位 泄流量 75m/s 方案 3：汛限水位 洪高水位 泄流量 73m/s 方案 2：汛限水位 洪高水位 泄流量 74m/s （本组选择方案为 方案一 、 方案三 ） 汛期尽量使水库在汛期末蓄到正常蓄水位，对于方案二和方案三，将 9 月份当作过渡期，在过渡期，逐步抬高汛限水位，尽量使汛末水库蓄满。非汛期水库水位到正常蓄水位和死水位之间变化。 龙河口水库下游的防 洪标准为 20 年一遇洪水，安全泄量为 1000m3/s， 50 年一遇洪水，安全泄量为 1500m3/s。下游防洪标准小于水工建筑物的设计标准，当下泄流量较大时用闸门控制下泄流量小于下游安全泄量，当库水位高于防洪高水位时，闸门全开，自由泄流。 方案 1： 汛期限制水位 调度原则： 4 库水位超过 低于 20 年一遇洪水位时，控制下泄流量 1000m3/s； 库水位在 20 50 年一遇洪水位之间，控制下泄流量 1500m3/s； 库水位超过 50 的一遇洪水位时，正常溢洪道全开，不控制； 库水位超过 100 年一遇洪 水位时，非常溢洪道自溃泄洪。 方案 2： 汛期限制水位 调度原则： 库水位 制下泄流量 800m3/s； 库水位 制下泄流量 1200m3/s； 库水位 制下泄流量 1500m3/s； 库水位超过 ，正常溢洪道全开，不控制； 库水位超过 100 年一遇洪水位时，非常溢洪道自溃泄洪。 方案 3： 汛期限制水位 调度原则： 库水位 制下泄流量 400 600m3/s； 库水位 制 下泄流量 800m3/s； 库水位 制下泄流量 1200m3/s； 库水位 制下泄流量 1500m3/s； 库水位超过 ，正常溢洪道全开，不控制； 库水位超过 100 年一遇洪水位时，非常溢洪道自溃泄洪。 （本组选择方案为方案 2、方案 3） 5 第 3 章 兴利调度计算 型年的选取 根据不同的年份的来水量或入库流量进行从大到小排列，分别算 出各自的频率，再在根据已知的频率从图表上找出与之对应的年份，即是典型年 。 以梅山水库为例，龙河口水库方法相同 )： 将已经给定的梅山水库自 1969年到 2008 年的年总入库洪水量从大到小 进行排列 ; 计算出每个水文年（十月到次年的九月）的全年年入库水量 得到每年的总水量总每年的年来水量总 根据频率计算公式 %1001n m ）（中 m 为 排列序号， n 为资料水文年总年数 ; 由各个水文年的频率绘制出频率曲线图（ 图 3 3相应计算见 附表 1、附表 2. 6 附图1 率入库总量系列1系列2图 3 1 梅山水库排频图 附图 2 率入库流量系列1图 3 2 龙河口水库排频图 根据设计保证率选择设计代表年时，在误差允许范围内，应选择经验频率与 设计保证率最接近的年份。 在频率曲线上 查出 P=10%,P=50%,P=90%对应的年 份， 结果如表 3 1、表 3 2所示： 表 3 1 梅山水库典型年 年份 频率 典型年 1987 年 丰水年 7 1971 年 中水年 2001 年 枯水年 表 3 2 龙河口水库典型年 年份 频率 典型年 1975 年 丰水年 1986 年 中水年 2007 年 枯水年 注： 龙河口水 库枯水年本应该为 1966年，但由于该年资料缺失，故改 2007 年为 枯水年。 兴利计算 1. 水库的兴利调节是指利用水库重新分配天然径流，以达到满足各兴利部门用水需要的目的。单一水库兴利调节计算的任务，是在已知河川径流过程及用水的要求下，对研究时期的各个计算时段内水库的供需平衡进行计算，求出供水量、水电站出力、水库水位、蓄水量、弃水量及损失水量等水利水能要素的时间过程以及调节流量、兴利库容和计算保证率三者之间的关系，作为确定工程规模、效益和运行方式的依据。兴利调节计算方法可分为三类 ： 时历 法 概率 法 随机模拟法。本次课程设计是用第一种方法。 时历法以实测径流资料为基础，按历时顺序逐时段进行水库水量蓄泄平衡的径流调节计算，并给出调节流量、水库蓄水量等计算结果。 2. 兴利计算原则 梅山水库与龙河口水库的兴利计算原则已经在 设计方案中详细说明，现在不再做详细叙述，下面重点讨论兴利计算所用到的时历列表法方法。 时历列表法（以梅山水库为例） 步骤 :绘出表格， 将各个典型年的天然来水量和各部门综合用水量填入表中 8 图 3 3 梅山水库时历列表法表头 由已知的天然来水量 W 来 、用水量 W 用 ，做水量平衡计算。从而可以得到每旬的多余或不足水量 W。其中计算结果为正值则为多余水量，计算结果为负值则为不足水量； W=W 来 (3W 来 为计算时段来水量； W 用 为 为各部门综合用水量。 径流调节计算的基本依据是水量平衡方程。计算时段的水库水量平衡方程为： W 末 =W 初 +W 来 (3式中： W 末 为计算时段末水库蓄水量 ;W 初 为计算时段初水库蓄水量； W 来 为计算时段来水量； W 用 为各部门综合用水量 ，即为需水量。 W 弃 为弃水量。 利用公式 (3 (3及 已知的正常蓄水位 128m，由库容（ V）水位（ Z）关系查到正常蓄水位对应的库容是 V 初 =135880 万 别计算出各个时段末对应的水库水量，填入表中。 注 ： W 弃 的确定要根据相应时段前后来水量、用水量和水库的当前的蓄水量来确定。当某一时间段的段末水量超过 V 初 =135880 万 ，即发生弃水现象。当到达 5月末即 5月下旬时，需要保证水位在汛限水位之下。当在此时水位仍超过汛限水位时要有集中弃水，以保证汛期来临时有足够的库容蓄水。同时，应该考虑水库的泄水能力，适当选择泄水量。 枯水年各部门用水会比较多，水库会放水，水位不断降低，但要保证 在死水水位以上才行。梅山水库死水位为 94m，对应死库容为 12601 万 图 3 - 4 9 图 3 4 枯水年水位控制在死水位截图 计算出库水量和出库流量以及发电流量；由公式弃用来出 计算时段的出库水量（式中：出T 为时段的时长；发由 出出 计算时段的出库流量，发梅山水库现有 4 台发电机组，单机最大过水流量 s，发电机最大总过流量为 119.2 m3/s。电站主要结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水入横排头水库。因此，当水库出库总流量小于 119.2 m3/s，发电机总过流量即为出库总流量；当水库出库总流量大于 119.2 m3/s 时，发电机的总过流量为发电机的最大总过流量。 计算发电出力和发电量；由公 式 E 发 =W 发 /k 计算发电量；式中 : 发k 为耗水率，其值可查寻梅山水库逐月耗水率统计表 ； W 发 =T*发T 为时段时间，单位 s。 按时段末水库蓄水量对照所给资料中的水库水位库容关系表查找对应的水位 Z。此次课设中由于没有给出水库下游的水位资料，无法使用水库上游水位值单独求算发电水头 H，因此在梅山水库中采用耗水率求算发电量，在龙河口水库采用平 均水头 H=算发电量。 按照上述方法与原则，计算出各个典型年不同方案的发电量，进行比较。 （梅山水库与龙河口水库兴利计算表格参见附表 3到附表 14） 兴利计算结果和结论 表 3 3 梅山水库发电量 1987年 丰水年 1971 年 中水年 2001年 枯水年 10 方案 1 h h h 方案 3 h h h 表 3 4 龙河口水库发电量 1975 丰水年 1986 中水年 2007 枯水年 方案 2 h h h 方案 3 h h h 梅山水库在丰水年采用方案 1 发电量比较多，经济效益比较大，在中水年两方案方案 1比较大，枯水年的话，两方案一样。但任何事情都有其两面性，用于发电的水量多，则用于其他方面的水 量一定会相应减少，如航运、渔业等效益必将减少。现实工作中，不能只考虑发电效益。在抓住主要矛盾的同时，要综合考虑各方面的利益，充分考虑各个方案，一定要使大坝安全运行，使整体效益最大化。 龙河口水库丰水年和中水年方案发电相差不大，枯水年用方案 1 略好，但龙河口水电站是以灌溉为主，发电所占比重不大，首先必须满足灌溉要求，才能考虑其他方面的效益。 第 4 章 防洪调度计算 洪计算原理 当水库有下游防洪任务时，它的作用主要是消减下泄洪水流量，使其不超过下游河床的安全流量。水库的任务有（ 1）滞洪（ 2）错峰（ 3） 蓄洪。多数情况下，水库对下游承担的防洪任务常常是蓄洪。当水位超过防洪高水位的时候，此时应该顾及水库本身的安全，以当时水位情况最大下泄流量下泄洪水。 调洪演算所采用的方法是列表试算法。 水量平衡方程 静库容法仅考虑坝前水位水平面以下的库容对洪水进行调节，连续性方程可以写成有限差形式的水量平衡方程： 11 21()V Q q t V V （ 4 Q 计算时段的平均入库流量，单位为 3/ q 时段的平均下泄流量，单位 3/ t 计算时段，以秒为单位； 2V 、 1V 分别为计算时段初、末水库的蓄水量，单位为 3m 当水位达到防洪高水位时，下泄流量为未知，此时要通过列表试算法来确定合理的下泄流量。 试算法过程： 达到防洪高水位后，决定开始计算的时刻，每一时段中的 为已知。先假定一个 ，带入式 （ 4中，求出相应的 。然后按此在水位泄流关系表中，通过内插，算出 。进行若干次上述计算后，直到得出的 相近为止。此时的 定为该时刻的泄流量。 逐时段依次试算的结果即为调洪计算的成果 。 调洪计算方法 下面以梅山水库 1996年 6月第 3次洪水调洪过程采用 方案 3为例，说明试算法步骤。由简介知梅山水库主要是结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的 而放水入横排头水库。所以在调洪过程中要注意一定蓄洪功能。 方案 3：汛限水位 洪高水位 泄流量 73m/s 表 4 1 1996年第 3次洪水调洪计算列表试算法表头 12 时段 时分 入库洪水流量 Q（ m/s) 时段平均入库流量Q(m/s) 下泄流量 q（ m/s） 时段平均下泄流量 q（ m/s） 时段内水库存水量变化 V(万m） 水库存水量 V（万m） 水库水位Z(m） 计算时段平均入库流量 Q ； 12( ) / 2Q Q Q （ 4 计算出所有时段的平均入库流量，填入表中。 选择下泄流量； 当 入库流量小于 89.4 m/按入库流量下泄，当入库流量大于控泄流量时，按控泄流量下泄；即 大于 163.4 m/按 163.4 m/ 89.4 m/s m/考梅山水库水位泄量关系图， 确定 合理的下泄流量 。在调洪过程中要注意水库水位不能超过防洪高水位，超过部分应进行试算。 当水位在洪峰后 降到防洪高水位以下后，又按照控泄流量下泄。 (见 附表 16) 梅山水库水位 21 10 120 126 128 130 132 134 136 138 140水位下泄流量下泄流量多项式 (下泄流量)图 4 1 梅山水库水位 泄量关系图 13 计算 时段内水库存水量变化 V，水库存水量 V； 计算相应库容的水位： 通过线性内插法计算出相应库容的水位： Z= *（ ( （ 4 得出选择时间段内所有的洪水过程后，画出水库水位关系曲线。 调洪计算结果和结论 调洪计算结果以图表形式给出（ 图 4 2 至 图 4 - 9），计算图表见附表 15到附表 18 附图3 梅山水库1 996 年方案1 调洪050010001500200025003000350040004500时间t（h)517517517517514214214214时间流量入库洪水流量Q(m 3/s )时段平均下泄流量q均(m 3/s )图 4 2 梅山水库 1996 年调洪方案 1 附图4 梅山水库1 996 年调洪方案1 水库水位Z (m)122123124125126127128129130131时间t（h)211 20514 23817211 20512:3020514 23817211 20时间流量水库水位Z(m ) 14 图 4 3 梅山水库 1996年调洪方案 1 水库水位变化图 附图5 梅山水库9 6年方案3调洪050010001500200025003000350040004500时间t（h)211 20514 23817211 20512:3020514 23817211 20时间流量入库洪水流量Q(m 3/s )下泄流量q(m 3/s )图 4 4 梅山水库 1996 年调洪方案 3 附图6 梅山水库9 6年方案3水库水位Z (m)12212312412512612712812913013113223 8 17 2 11 20 5 13 23 8 17 2 10 17 2 11 20 5 14 23 8 17 2时间水库水位水库水位Z(m )图 4 5 梅山水库 1996 年调洪方案 3 水库水位变化图 15 附图 7 龙河口水库 75 年方案 2 调洪0500100015002000250030003500时间t（h)12:00 15:00 18:00 21:000:00 3:00 6:00 9:0012:00 15:00 18:00 21:000:00 3:00 6:00 9:0012:00 15:00 18:00 21:000:00 3:00 6:00 9:0012:00 15:00 18:00 21:000:00 3:00 6:00时间流量入库洪水流量Q ( m 3 / s )下泄流量q ( m 3 / s )670图 4 6 龙河口水库 75 年方案 2 调洪图 附图 8 龙河口 75 年方案 2 h)12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00时间水位水库水位Z ( m )水库水位Z ( m ) 4 7 龙河口水库 75年方案 2 水位过程线 附图 9 龙河口水库 75 年方案 3 调洪0500100015002000250030003500时间t（h)15:00 21:003:00 9:0015:00 21:003:00 9:0015:00 21:003:00 9:0015:00 21:003:00 9:0015:00 21:003:00 9:0015:00 21:00时间流量入库洪水流量Q ( m 3 / s )下泄流量q ( m 3 / s )550图 4 8龙河口水库 75 年方案 3 调洪图 16 附图 10 龙河口水库 75 年方案 3 水库水位 Z(m)h)14:00 19:000:00 5:0010:00 15:00 20:001:00 6:0011:00 16:00 21:002:00 7:0012:00 17:00 22:003:00 8:0013:00 18:00 23:004:00 9:0014:00时间水库水位图 4 9 龙河口水库 75 年方案 3 水位过程线 调洪计算结论 通过水库的调蓄，使洪水过程发生了良性的变化，如梅山 水库在 1996年最大洪水流量由 Q=3920m/s 下降到 Q=73m/s，有效地 削减了洪峰流量，保护了下游的河道及城镇居民的生命财产安全，同时也充分利用的洪水保证了地区电力的供应。 龙河口水库在 1975 年的最大洪水流量由 Q=2990m/s 下降到 Q=1200m/s 削减了洪峰流量，保护了下游的合九铁路、 206国道、沪蓉高速铁路和舒城县城、龙河镇、三河镇等人口密集区，使人民的生命财产安全得以保证。 第 5章 心得体会 为期一周的课程设计让我学到了不少东西，有很大的收获。首先，对于水资 17 源规划与利用的 相关知识有了更透彻的理解。以前上课时觉得水资源规划中的调频计算、时历列表法和试算法很简单，就是把那几句话记住就行了，事实上却不是这么回事。懂原理是必须的，但是亲自动手做的话，会发现对于很多知识的理解是模糊的、不健全的。通过这次课程设计，我对时历列表法和式算法有了深刻的理解。课程设计过程中，经常遇到计算错误，可能只是计算方法错了一点，就需要重新计算。但正如那句话所说的一样“绝知此事要躬行”一样，正是这些错误，才加深了我们对于它的理解。现在的错误没什么，它是我们走向工作岗位的毕经之路，现在的反复改正错误是为了以 后在工作中不犯类似错误。因此，花再多的时间来反复计算也是值得的。 其次，在这次课程设计以前，我对 格、设计报告书的编写基本上是一无所知的，但这次课程设计以后我对它们有了不小的认识。刚开始做时，总是很慢，因为很多 格的相关知识根本不会，但随着实践的深入，慢慢也就会了，速度也跟了上来。但我还是发现和高手有很大的差距，许多编程还是不会，以后要好好学习。 最后，我觉得徐老师的严格要求让我们能够安下心踏踏实实、一步一步去做，这样是对我们好，让我们能够学到真知识，在此表示感谢！当然还有童 老师、王学姐，在百忙之中给我们答疑讲解，给了我们很大的帮助，特此感谢她们！ 参考文献 1周之豪，沈曾源，施熙灿等 水利水能规划 M. 中国水利水电出版社 ,1997. 2顾圣平 ,田富强 ,徐得潜 . 水资源规划及利用 M. 中国水利水电出版社 ,2009 18 3吴持恭 . 水力学