隔河岩水库水文水利计算课程设计.docx

水文水利计算 课程设计第一章 参考资料1.1 流域概况 清江是长江出三峡后的第一条大支流，发源于湖北省恩施土家族自治州境内的齐岳山隆冬沟。自西向东流经利川、恩施、建始、咸丰、宣恩、巴东、鹤峰、五峰、长阳、枝城十县市，于枝城市境内注入长江。干流长423km，总落差1430km。清江流域面积17000km2，形状呈南北窄、东西长的狭长形，属羽毛型河系。流域内气候温和，雨量充沛，平均年雨量约1400mm，平均流量440s。清江流域资源丰富，除水资源外，还有铁矿、森林及珍贵土特产，但工业基础薄弱，交通不便。开发清江，可获得丰富的电能，还可减轻长江防洪负担，改善鄂西南山区水运交通，对湖北省及鄂西南少数民族地区的发展具有重要意义。坝址拟定于近南北向河谷下段，河床高程60m左右，两岸山岩对峙，十分陡峭。岩石主要为下、中寒武系的浅海相碳酸盐，总厚度约1700m。坝址以下，右岸较平坦、开阔，左岸较陡峭。现场及附近砂、石料丰富，土料缺乏。坝址一下15km有公路浆砌石桥一座，连通左、右两岸。公路由长阳县城通达坝下3km的居民点（沿右岸）。枢纽主要开发任务是发电、航运和防洪。1.2 水文资料1.2.1 径流资料 隔河岩年月平均流量统计表 单位：m3/s 月份年份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月51-52307.7490.9203.9833.6259.6448.4174.6102.95836.855.125552-53304893215.2387861.8953.4485.2219.915171.7108.6193.553-54258.7245.4243.6575.8440.8164.3355.980.1153.9133.1163.3119.954-55624.91105832.621051161165.2355.980.1153.9133.1125.6317.255-56249.2275.6165.2751.4715.6499.413457.745.849.775.920456-57410.6729.7906.2825.1890.2209.6142.565.349.6143.513415357-58320753.3375.7766.5375.758.3498.4150.1106.955.936108.658-59636.31057694.81199775.9211.5575.815274.266.318453559-60763.7695.7525.8241.756.687.3115.2271.9163.47010835960-61296.4414.4825.1864.7151421.9151281.386.152.175.457861-62340.8375.7349.3337314.4196.4386.1500223.786.715626962-63535.2755.2944818.4614.5358.7230.3343.6187.9754613763-64353.11218509.8708.91416273.8328.5337.9116.113013023064-65437.1896.8708257.7429.5792.9920.4310.694.4861278365-66373.8270.9590317.2270.9688.2672165.2192.69310110766-67273.8658522294.5128.497.2187.9179.480.25519531967-68269872.3839.2932.7268.1325.7498.4640198.2706737068-69598.5452.2129.31746310.6847.7314.4159.5139.7788613569-70354.9437.1576.81954463.5953.4100.1184.160.2508614570-71520.1641.9893727.8244.5962.9248.3111.410212214110071-72473.95181595326.6296.4870.4733.522056.5368617672-73275.6604.2584.3196.4127.4227.5594.733869.77216113273-74528.61048821.3815.6341.71558323.868.645368617674-75227.51010260.5534.3697.6519.2446.5170.989.21418312375-76700.4740.11378890.2464.4467.3471.1243.4110.46417127176-77431.4625.9586.2926.1122.7184.1208.6216.270.95010048177-78829.8875.1512.61284294.575.5199.230499.1123.775.614378-79387609.8852.4338.9431.4220115.2233.283.650.4100.148.1平均431.5688.2630784.2461.6458.8356221109.479.7109.4235.7 1.2.2 洪水资料 实测洪水资料年份洪峰流量m3/s24h洪量亿 m372h洪量亿 m3168h洪量亿 m3195163804.388.1810.04195288006.0611.2914.03195352603.516.148.04195478105.4111.2920.181955106208.1414.2124.681956102006.2612.4516.27195747203.307.45105612.720.23195933702.445.5811.21196062304.188.8013.78196131402.103.927.04196280105.5013.2119.601963115007.8415.2822.44196454605.7611.7020.42196548503.376.049.88196651503.396.9210.88196784005.7511.0417.111968104727.8415.5921.6119691815812.9520.4229.56197062834.4077.8816.031971117217.6717.5920.76197260813.997.8811.38197360814.9010.7217.35197458804.6610.6215.78197580316.1715.2822.83197679835.359.8014.691977122017.9317.6024.47197857544.5010.5015.50197990887.1016.0023.201.2.3历史洪水 据历史洪水调查和文献考证，近300年中，1788年，1883年，1935年，1920年曾发生特大洪水。1788年因年代久远，无法定量，确认比1969年洪水大，排第一位。1969年则为次大，1883年第三。1935年确认为200年来第五大洪水，1920年确认为60年来第三大洪水。历史洪水洪峰流量如下：年份 洪峰流量1788 -1883 178001935 150001920 13640经预测，1883年，1935年，1920年的最大24h，最大72h洪量及最大168h洪量见表3。 历史洪水资料年份（年）洪峰流量m3/s24h洪量亿 m372h洪量亿 m3168h洪量亿 m318831780012.3022.9531.7019351500010.4219.6827.561920136409.5018.0925.541.2.4 典型洪水过程典型洪水过程 日 时典型洪水 m3/s 日 时典型洪水 m3/s 23 93750241020012439027 39780154900684801859109824021700012624024715015554024 36400185000654002145309486024412012542028 33820156910635501860209335021501012327024538015323025 34830183230645702132309469024338012505029 33440156180634401872009337021765012328024773015331026 37580183520678002142109827024465012820030 3453015898064320189390940702198101.3水能资料水库的兴利运用体现在枢纽的主要任务上：隔河岩枢纽主要任务是发电，在华中电网中主要起调峰调频作用，改善供电质量。枢纽的第二个任务是防洪，清江流域地处长江中游暴雨中心，历史上洪水灾害频繁，又恰好在长江的荆江段上游约20km，加之清江洪水常与长江洪水遭遇，更加重了荆江河段的洪水威胁，清江洪峰流量最大可达长江洪峰流量的15%.隔阂岩水库留有78亿m3的防洪库容，亿1969年清江洪水为例。可将洪峰流量18600m3/s消减至13000m3/s，大大减轻了对清江下游及长江河段的威胁。枢纽的第三个任务是航运，清江滩多流急，陡涨陡落，航运十分困难，在其下游的反调节枢纽-高霸州枢纽建成后，水库将淹没先谈，形成长达150km的深水航道，300t级船队可从长江直达库区，将有利于促进鄂西地区的经济社会发展。1.3.1水库特征水位在确定隔岩河水电站大坝正常蓄水位时，应不影响上游水布垭水利枢纽的发电尾水。又已知水布垭水电站的高程为200m，且隔河岩水电站的淹没损失较小，可取隔河岩水电站的正常蓄水位为200m。根据要求，取隔河岩水电站的消落深度为40m，由此确定隔河岩水电站水库的死水位高程为160m。1.3.2 库容曲线 水库库容曲线Z(m)60708090100110120130140150160170180190200210V亿m300.10.81.93571013161922252934421.3.3 坝址水文流量关系 坝址水位流量关系曲线水位高程（m)77.757878.57980.18182.183.684.55相应流量（m3/s）506917933092015902460368044901.3.4 湖北省电网资料湖北省水电比重为57%，设计水平年定为2010年。 2010年湖北电网夏季日负荷图 单位：万KW小时123456789101112负荷580573566558566600641679711731721672小时131415161718192021222324负荷664671688680688731770773759702659595 2010年湖北电网冬季日负荷图 单位：万KW小时123456789101112负荷609602583558595622673714747763754705小时131415161718192021222324负荷690705714705737796821812783769693622 湖北电网2010年最大负荷表 单位：万KW月份123456789101112负荷8218118027927817737817927928028118211.3.5 经济效益基本资料隔岩河水电站总投资105亿元，其中发电投资占60%防洪投资占,20%，其他投资占20%，上网电价为0.45元/度。第二章 水文计算2.1 设计年径流计算2.1.1 资料审查分析1、可靠性审查 主要包括：（1）去伪存真，重点放在观测及整编质量较差的年份：(2)主要观察发生特大洪水和政治动乱的年份的可靠性；（3）水位做标准，流量测验情况，水位流量关系合理性，历年流量资料整编成果；可用历年ZQ对照，流域暴雨过程和洪水过程对照等方法。2、一致性审查 在同分布的前提下主要包括：流域的下垫面条件，气象因素的是否一致；流域是否建有大坝；利用产汇流原理对其进行还原计算；主要方法是利用本流域不同时段的前后对比或者自然条件相似，治理水平不同的流域之间对比等。3、代表性审查 资料代表性审查表主要是确定样本特征接近整体特征程度，主要用上下游站或临近测站与设计站洪水有成因联系的水文资料进行审查或者用参证站短期的实测资料的代表性来评定设计站代表性。2.1.2 设计保证率选择 查阅资料：湖北省水电比重为57%，根据水利水电工程动能设计规范DL/T50151996查的该设计年径流的设计保证率分别为枯水年P=95%，平水年P=50%，丰水年P=5%。水利水电工程动能设计规范DL/T50151996如下表：电力系统中水电容重比重（%）50水电站设计保证率（%）80-9090-9595-982.1.3 对年径流量进行频率分布计算并在P图中确定对应不同频率的设计水平年的径流量在这里尝试根据皮尔逊型分布的原理并结合MATLAB中相关的内置函数进行编程来简化整个绘图过程，并给出其一般用法，以期可以用之解决连续水文变量序列（不包括如特大洪水序列等）的P作图方法，加快绘图速度。（注：在运用时下列代码中斜体、下划线部分根据实际。问题进行合理的替换，即可解决不同的问题）过程如下：首先分别计算出各年平均径流量，并将这些值导入MATLAB中赋值给变量X保存。然后运行以下脚本：（注：此脚本中已将X用各年平均径流量值表示）clearclfX = 268.875 403.6916667 244.5666667 596.625 268.625 388.275 300.45 513.4833333 . 288.1916667 349.7833333 294.5916667 420.4833333 479.3416667 428.6166667 . 320.15 249.2 445.8833333 416.4083333 447.0916667 401.2416667 449.025 . 281.9 487.3833333 358.5583333 497.6083333 333.5916667 401.3416667 . 289.175; %样本X=sort(X,descend); %将样本点进行降序排列n=length(X); %求出流量资料X序列的长度n%计算经验频率，并算出相应的位置坐标，并绘出经验点p=1:n/(n+1); %求经验频率pxp=norminv(p,0,1); %求出经验频率p对应的位置坐标xp%横坐标：x=norminv(p,mu,sigma),标准正态分布时，mu=0,sigma=1)plot(xp,X,*)hold on %绘制海森机率格纸x=0:10:900; %纵坐标m=mean(X); %计算样本X的均值K=X/m; %计算模比系数K%根据式（4-34）式由样本参数纠偏后得到对总体的参数作无偏估计Cv=sqrt(1/(n-1).*sum(K-1).2); %计算变差系数CvCs=(sum(K-1).3)/(Cv3)/(n-3); %计算偏态系数Csstr1=样本对总体的无偏估计x_bar= num2str(m);disp(str1);str2=样本对总体的无偏估计Cv= num2str(Cv);disp(str2);str3=样本对总体的无偏估计Cs= num2str(Cs);disp(str3);%由矩法求得的参数进行初步试线alfa=4/(Cs2);beta=(m*Cv*Cs)/2;a0=m-2*Cv*m/Cs;P=1-gamcdf(x-a0,alfa,beta); %计算理论频率PXP=norminv(P,0,1); %计算理论频率P所对应的坐标XPplot(XP,x,-.,Linewidth,1)PL=0.01 0.05 0.5 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99 99.9 99.99；%PL为频率，显示在海森机率格纸的横坐标轴xx=norminv(PL/100,0,1); %PL所对应的海森机率格纸的横坐标yy=0:50:900; %纵坐标的间隔设置axis(min(xx),max(xx),min(yy),max(yy) %设置坐标轴的范围set(gca,xtick,xx,ytick,yy) %设置坐标轴的刻度set(gca,xticklabel,PL,yticklabel,yy)grid ontitle(径流p3曲线图); %绘图标题xlabel(频率P(%)ylabel(径流量Q(m3/s) %纵坐标标注%手动调整Cv,Cs进行试线for i=1:3 Cv=input(请输入Cv值); Cs=input(请输入Cs值); alfa=4/(Cs2); beta=(m*Cv*Cs)/2; a0=m-2*Cv*m/Cs; P=1-gamcdf(x-a0,alfa,beta); %计算理论频率P XP=norminv(P,0,1); %计算理论频率P所对应的坐标XP if i=1 plot(XP,x,g-,Linewidth,1) elseif i=2 plot(XP,x,k:,Linewidth,1) else plot(XP,x,r-,Linewidth,1) end hold onendhold offlegend(经验点,矩法初步估计,第一次调整,第二次调整,第三次调整)命令窗口输出：样本对总体的无偏估计x_bar=379.4342样本对总体的无偏估计Cv=0.24201样本对总体的无偏估计Cs=0.33753再进行自定义Cv，Cs，这里值输入三组值：请输入Cv值0.24请输入Cs值0.48请输入Cv值0.25请输入Cs值0.52请输入Cv值0.26请输入Cs值0.56即可得到径流p3曲线图（见下图），经过不断验证和比较当Cv=0.26,Cs=0.56时拟合较好。从图中查得丰水年（P=5%）的年平均径流量为550m3/s；平水年（P=50%）的年平均径流量为375m3/s；枯水年（P=95%）的年平均径流量为235m3/s；532.1.4 推求各设计代表年的径流过程1 选取代表年（1）依据水量接近原则：丰水年选择58-59年，平水年选择56-57年，枯水年选择66-67年。（2）同倍比法计算简述：采用K=Q设/Q代，其中Q设：设计水平年的年径流量 Q代：选取代表年的年径流量2 用同倍比放大法推求设计代表年流量过程（1） 设计丰水年径流推求丰水年选择58-59年，K丰=550/513.5=1.071设计丰水年的径流过程线为：月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月58-59年636.31057694.81199775.9211.5575.815274.266.3184535设计年径流过程681.61132.2744.21284.3831.1226.5616.7162.879.571.0197.1573.0（2） 设计中水年径流推求丰水年选择56-57年，K中=375/13.275=0.98581设计中水年的径流过程线为：月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月56-57年410.6729.7906.2825.1890.2209.6142.565.349.6143.5134153设计年径流过程396.6704.8875.2796.9859.8202.4137.663.147.9138.6129.4147.8（3） 设计枯水年径流推求枯水年选择66-67年，K枯=235/125.8=0.943018月份4月5月6月7月8月9月10月11月12月1月2月3月66-67年273.8658522294.5128.497.2187.9179.480.255195319设计年径流过程258.2620.5492.3277.7121.191.7177.2169.275.651.9183.9300.82.2 设计洪水过程线及校核洪水过程线的推求2.2.1资料的审查（1）资料可靠性的审查与改正 资料的可靠性是指资料的正确与否，对于实测洪水资料，要从流量资料的测绘方法、水位流量关系、整编精度与水量平衡等方面进行检查。审查重点放在观测与整编质量较差的年份，发生大洪水的年份以及政治动乱年份。 对于历史洪水资料，一是调查计算的洪峰流量的可靠性；二是审查洪水发生年份的准确性。（2）资料一致性的审查与还原 所谓洪水资料的一致性，就是产生各年洪水的流域产流和汇流条件在调查观测期中应基本相同。 （3）资料代表性的审查与插补延长 洪水系列的代表性，是指该洪水样本的频率分布与其总体概率分布的接近程度，接近程度高，则系列的代表程度越高，频率分析成果的精度较高，反之较低。 样本可对总体代表性的高低，可通过对二者统计参数的比较加以判断；因为已知资料已经经过审查，所以可以直接使用。2.2.2 确定设计标准及校核标准根据水利水电工程设计洪水计算规范水利水电工程枢纽等别工程级别水库防洪治涝灌溉供水水电站工程规模总库容（108m3）诚征及工矿企业的重要性保护农田（万亩）治涝面积（万亩）灌溉面积（万亩）诚征及工矿企业的重要性装机容量（104KW）大（1）型10特别重要500200150特别重要120大（2）型101.0重要5001002006015050重要12030中型1.00.10中等100306015505中等305小（1）型0.100.01一般30515350.5一般51小（2）型0.010.001530.51水库工程水工建筑物的防洪标准水工建筑物防洪标准（重现期）山区、丘陵区平原区、滨海区设计校核设计校核混凝土坝、浆砌石坝及其他建筑物土坝、堆石坝1100050050002000可能最大洪水（PMF）或1000050003001002000100025001002000100050002000100501000300310050100050020001000502030010045030500200100030020101005053020200100300200105020由库容曲线分析得该水库的库容大于10亿m3，根据水利水电工程枢纽等别确定该水库的工程规模为大（1）型，因此，可选设计标准为1000年一遇（即设计保证率为0.1%），把校核标准为10000一遇（校核标准为0.01%）2.2.3频率计算求设计洪峰、设计洪量1 统一样本法计算原理将实测一般洪水系列与特大值系列共同组成一个不连续系列作为代表总体的样本，不连续系列的各项可在调查期限N年内统一排位。特大洪水的经验频率为： PM= （M=1，2，a）一般洪水的经验频率为： Pm=PMa+(1-PMa) (m=l+1,l+2, ，n)式中 N:调查及实测（包括空位）的总年数 n：连续实测期 a,l:共有a次特大洪水，其中有l次发生在实测期2 由统一样本法计算经验频率洪水经验频率计算表调查考证或实测期系列年数洪水排位统一样本法P(%)Nn年份流量Q(m3/s)调查考证期N1(1680-1979)3001788大于17800大于1815810.0033 0.332 19691815820.0066 0.6600997 0.997 调查考证期N2（1780-1979）2001788大于150001已抽到N1中排序1969181582已抽到N1中排序1883178003已抽到N1中排序19351500050.01997 1.997 调查考证期N3（1920-1979）601969大于130001已抽到N2中排序19352已抽到N2中排序19201364030.0366 3.66 实测期n（1951-1979）2919693140抽到N1中排序19771220120.0698 6.98 19711172130.1030 10.30 19631150040.1362 13.62 19551062050.1695 16.95 19681047260.2027 20.27 19561020070.2359 23.59 1979908880.2691 26.91 1952880090.3023 30.23 19678400100.3356 33.56 19758031110.3688 36.88 19628010120.4020 40.20 19767983130.4352 43.52 19587960140.4685 46.85 19547810150.5017 50.17 19516380160.5349 53.49 19706283170.5681 56.81 19606230180.6013 60.13 19726081190.6346 63.46 19736081200.6678 66.78 19745880210.7010 70.10 19785754220.7342 73.42 19645460230.7674 76.74 19535260240.8007 80.07 19665150250.8339 83.39 19654850260.8671 86.71 19574720270.9003 90.03 19593370280.9336 93.36 19613140290.9668 96.68 3 求设计洪峰、校核洪峰的试线过程如下：经验频率计算表年(月/日)份水(流)量Y序号nXi大小模比系数Ki=Xi/(X/n)Ki-1(Ki-1)2(Ki-1)3P=m/(n+1)*100%至P=50%处的水平距离X合计22559329225593294.60692.24500.01-3.7190.00195163801181582.331.331.78012.37510.66-2.4781.24195288002122011.570.570.32310.18376.98-1.4772.24195352603117211.510.510.25680.130110.30-1.2652.45195478104115001.480.480.22880.109413.62-1.0972.621955106205106201.370.370.13340.048716.95-0.9562.761956102006104721.350.350.11980.041520.27-0.8322.89195747207102001.310.310.09690.030123.59-0.7203.0019587960890881.170.170.02830.004826.91-0.6153.1019593370988001.130.130.01720.002330.23-0.5183.20196062301084001.080.080.00640.000533.56-0.4253.29196131401180311.030.030.00100.000036.88-0.3353.38196280101280101.030.030.00090.000040.20-0.2483.471963115001379831.030.030.00070.000043.52-0.1633.56196454601479601.020.020.00050.000046.85-0.0793.64196548501578101.000.000.00000.000050.170.0043.72196651501663800.82-0.180.0323-0.005853.490.0883.81196784001762830.81-0.190.0370-0.007156.810.1723.891968104721862300.80-0.200.0397-0.007960.130.2573.981969181581960810.78-0.220.0476-0.010463.460.3444.06197062832060810.78-0.220.0476-0.010466.780.4344.151971117212158800.76-0.240.0596-0.014570.100.5274.25197260812257540.74-0.260.0678-0.017673.420.6264.34197360812354600.70-0.300.0889-0.026576.740.7304.45197458802452600.68-0.320.1049-0.034080.070.8444.56197580312551500.66-0.340.1142-0.038683.390.9704.69197679832648500.62-0.380.1418-0.053486.711.1134.831977122012747200.61-0.390.1546-0.060890.031.2835.00197857542833700.43-0.570.3212-0.182193.361.5035.22197990882931400.40-0.600.3556-0.212196.681.8355.55计算值一二均值X=Xi/n7779.07 7709.07 7709.07 取值变差系数Cv0.36 0.32 0.41 取值偏态系数Cs1.88 0.61 1.10 取值 特大值频率计算表P(%)至P=50%处的水平距离XY0.33 -2.714 1.00 181580.66 -2.476 1.24 178001.00 -2.328 1.39 150002.00 -2.054 1.66 13640P-理论曲线频率%0.01 0.10 0.20 0.33 0.50 1.00 2.00 5.00 10.00 20.00 50.00 75.00 90.00 95.00 99.00 至P=50%水平距离-3.72 -3.09 -2.88 -2.72 -2.58 -2.33 -2.05 -1.64 -1.28 -0.84 0.00 0.67 1.28 1.64 2.33 X0.00 0.63 0.84 1.00 1.14 1.39 1.67 2.07 2.44 2.88 3.72 4.39 5.00 5.36 6.05 Csp0.44.61 3.67 3.36 3.14 2.95 2.62 2.26 1.75 1.32 0.82 -0.07 -0.71 -1.23 -1.52 -2.03 0.54.83 3.81 3.48 3.25 3.04 2.68 2.31 1.77 1.32 0.81 -0.08 -0.71 -1.22 -1.49 -1.96 一p5.07 3.96 3.61 3.37 3.14 2.75 2.37 1.79 1.32 0.80 -0.09 -0.71 -1.21 -1.46 -1.88 Cv0.32Kp=p*Cv+12.62 2.27 2.16 2.08 2.00 1.88 1.76 1.57 1.42 1.26 0.97 0.77 0.61 0.53 0.40 Cs0.61Xp=Kp*X20221.2 17487.9 16619.5 16025.0 15452.7 14483.2 13543.3 12129.8 10965.4 9680.13 7484.58 595