（水利工程专业论文）汤河水库跨流域调水最优方案研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 水资源短缺已经成为制约我国社会经济发展的瓶颈。针对这一现状，进行流域水资 源统一规划与调度，实现水资源的合理配置是解决问题的重要途径。本文结合生产实际， 采用系统科学的优化理论与方法对汤河水库跨流域引水调度问题进行了研究，建立了引 水量方案多目标模糊优选模型，用以指导汤河水库引水后的实际调度。本文的主要研究 内容及取得的成果主要有以下几个方面： ( 1 ) 首先分析了我国的水资源现状，在详细阐述本研究领域的研究现状及发展趋势 的基础上，论述了进行本研究的目的和意义，提出了本研究的主要内容及技术路线。 ( 2 ) 在分析了太子河流域水资源综合利用现状及兰、细河基本情况等资料后，分析 了引细入汤工程实施的可行性和必要性，并建立了汤河水库供水方案效益最大化模型。 在对基础资料的认真分析和研究的基础上，更正了汤河水库水位库容曲线、各工业口的 出库水量、电厂测流系数等基本资料，合理还原了水库的径流资料，用于指导水库的兴 利调度。 ( 3 ) 根据汤河水库跨流域调水后的调度现状，研究考虑利用模糊优选方法来求解汤 河水库跨流域引水后供水方案效益最大化模型，验证模糊优选法在引细入汤工程实时调 度中的可行性。以长系列调节计算得出的供水方案集为例，采用模糊优选法求得最优供 水方案。 “) 对汤河水库供水方案优化结果进行了合理性和可靠性分析，结果表明模糊优选 法应用于跨流域调水供水方案的选择是可行的。 本文对引细入汤工程竣工后的实际运行具有一定指导意义，并为今后运行进行更深 一步的研究打下良好的基础。 关键词：跨流域调水；供水方案；优化调度；模糊优选法；效益最大化 汤河水库跨流域调水最优方案研究 r e s e a r c ho no p t i m u ms c h e m e so ft a n g h er e s e r v o i ri n i n t e r - b a s i nw a t e rt r a n s f e rs y s t e m a b s t r a c t a st h es h o r t a g eo ft h ew a t e rr e s o u r c e s ，o u rc o u n t r y se c o l o g yd e v e l o p m e n th a sb e e n r e s t r i c t e d i nc o n n e c t i o nw i t ht h i s 龟c t t h eu n i f o r mp r 0 铲翟i 姗妇ga n do p e r a t i o no fw a t e r r e s o u r c e si nt h eb a s i ni st h ep r i m ea p p r o a c ht os o l v et h ep r o b l e m s c o m b i n e dw i t ht h e p r a c t i c a lp r o 孕钳n t h ep r o b l e m so fo p e r a t i o no ft a n g h er e s e r v o i r i ni n t e r - b a s i nw a t e r t r a n s f e rs y s t e ma r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e rb yu s i n gt h et h e o r ya n dm e t h o d so fs y s t e m s c i e n c e , a nm u l t i - o b j e c t i v ef u r ys e l e c t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e dt og u i d et h er e s e r v o i r s o p e r a t i o na f t e rd i v e r s i o n t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa n da c h i e v e m e m sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y s i st h ec u r r e n ts i t u a t i o no fo u rc o u n t r y sw a t e rr e s o u r c e s ， b a s e do nd e t a i l e dd e p i c t i o no fp r e s e n tr e s e a r c ht r e n d sa n dd e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do f i n t e r - b a s i nw a t e rt r a n s f e rs y s t e m , e l a b o r a t e st h ea i ma n ds i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h , a n dp u t f o r w a r dp a p e r sm a i nc o n t e n t sa n dt e c h n i q u e s ( 2 ) a f t e rt h ea n a l y s i so ft a i z i h eb a s i n , l a nr i v e ra n dx ir i v e rb a s i cs i t u a t i o n , t h e f e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fy m - x i - r u - t a n gt r a n s p o r t i n gw a t e re n g i n e e r i n ga r ea l s oa n a l y z e d a no p t i m a lo p e r a t i o nm a x i m u mb e n e f i tm o d e lo ft a n f h er e s e r v o i ri se s t 曲l i s h e d b a s e do n t h ed e e p l ya n a l y s i so fb a s i cd a d a , c o r r e c t i o nw a sm a d eo ns t a g e - s t o r a g er e l a t i o n , i n d u s t r y w a t e ro u t g o i n ga n dt h ec o e f f i c i e n to fp o w e rs t a t i o nc u r r e n t , r e d u c i n gr e s e r v o i rr u n o f ft og u i d e r e s e r v o i ro p e r a t i o n ( 3 ) b a s e do l lc u r r e n to p e r a t i o na f t e rw a t e rd i v e r s i o n 硼：l i sp a p e ra t t e m p tt ou s ef u z z y s e l e c t i o nm o d e l 幻e a | e u l a t er i r x l m u mb e n e f i t , a n dt h ef e a s i b i l i t yo ff u z z ys e l e c t i o nm o d e l u s e di ny i n x ir ut a n gt r a n s p o r t i n gw a t e re n g i n e e r i n go p e r a t i o ni sd i s c u s s e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ff u z z ys e l e c t i o nm o d e l , t a k et h ew a t e rs u p p l ys c h e m e so b t a i n e df r o m l o n g - s e r i e ss t r e a m f l o wr e g u l a t i o na sa l le x a m p l e ，t h eo p t i m a lo p e r a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e d ( 4 ) i nt h ee n d t h er a t i o n a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fo p t i m u mr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o n & f u z z ys e l e c t i o nt oi n t e r - b a s i nw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti sa d v i s a b l e i th a ss o m eg u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o rr e a l - t i m eo p e r a t i o no fy i n - x i - r u t a n gt r a n s p o r t i n g w a t e re n g i n e e r i n g , a n dr e s u l t sh a v ee s t a b l i s h e dg o o df o u n d a t i o nf o rn e x tr e s e a r c hi nt h e f u t u r e k e yw o r d s ：k e yw o r d s ：i n t e r - b a s i nw a t e rt r a n s f e r ；w a t e rs u p p l ys c h e m e s ；o p t i m a lo p e r a t i o n ； t h e o r yo ff u z z ys e l e c t i o n ；m a x i m u mb e n e f i t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声识：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 作者签名： 翌丕笔 日期：至q 鱼2 年上月上卫日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：! 鱼壁呈年土月卫e l ， 日期：赳年五月2 新 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1本文选题背景 汤河水库供水任务发生巨大转变。水库建成初期，水库主要以防洪、农业灌溉供水 为主。随着社会经济的发展，工业和城市生活用水的增长，辽阳弓长岭矿山公司( 以下 简称弓矿公司) 、辽阳石油化纤总公司( 以下简称辽化) 、鞍山市自来水公司( 以下简称 鞍山自来水) 、辽阳市自来水公司( 辽阳自来水) 先后从汤河水库引水，引水量呈逐年 增加的趋势。水库的主要任务已转变为以防洪、工业及城市生活用水为主。 跨流域引水工程的建设，引起入库水量发生重大变化。为缓解鞍山市严重缺水的局 面，1 9 9 5 年修建“引兰入汤 工程，2 0 0 4 年修建“引细入汤升工程，将原来流入申窝 水库的兰河、细河的i i 类水，跨流域引入同是类水的汤河水库。使原为申窝水库的农 业及发电用水，转变为汤河水库的工业及城市生活用水，大大提高了水资源的使用效率， 体现了优水优用原则，同时也将取得巨大的经济效益和社会效益。 近年来，水库调度运用基础数据发生变化。在多年的水库调度中，通过对基础资料 的认真分析和研究发现，汤河水库水位库容曲线、各工业口的出库水量、电厂测流系数 的选择等资料都存在较大的误差，严重影响汤河水库历年还原计算的径流资料，因此， 汤河水库于1 9 9 1 年利用水库低水位期重新实测了万分之一库区地形图，对水库水位库 容曲线、水位面积曲线进行了订正；1 9 9 5 、1 9 9 6 年先后在各工业取水口安装了供水计量 装置，提高了供水计量精度，使供水管理走上了科学化管理的道路；1 9 9 6 年利用农灌放 水期对电厂测流系数进行了校核，重新修订边坡系数，提高了测流精度；2 0 0 2 年9 月对 电厂小机组进行了更新改造，减少发电消耗水量，使小机组常年运行的目的得以实现， 增加水库经济效益；这一系列的管理措施，为汤河水库年径流的订正提供了前提条件， 为合理进行汤河水库的兴利调度规划提供了可靠的依据。 由于汤河水库供水任务的转变，引兰入汤、引细入汤工程的兴建，调度基础资料的 完善，水库入库水量、出库水量发生重大变化。为满足水库今后兴利调度的需要，充分 发挥跨流域调优质水的作用，采用陈守煜教授提出的多目标模糊优选模型理论，依次论 述汤河水库跨流域引水系统供水量方案的目标；供水量方案优选模型；目标权重的确定； 模型求解。从中选出最优方案，作为汤河水库的实际操作方案，对今后跨流域调水工程 的论证、实施及水库兴利调度规划具有一定的借鉴意义。 汤河水库跨流域调水最优方案研究 1 。2 水资源“优质优用 研究概况及存在的问题 1 2 1 跨流域调水问题的提出 水是我们居住的这个星球上的一种特殊的物质和重要的战略资源。它是人类生存的 基本条件和生产生活的最重要的物质基础之一。我国属于缺水国之列，人均淡水资源仅 为世界人均量的l 4 ，居世界第1 0 9 位。中国已被列入全世界人均水资源1 3 个贫水国 家之一。据统计，全国6 0 0 多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例 外，甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用， 有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏 斗，使海水倒灌数十公里。由于工业废水的肆意排放，导致8 0 以上的地表水、地下水 被污染。 我国水资源时空分布不均，北方水少南方水多，年内变化大，导致我国北方许多地 区出现资源性缺水，严重的影响了社会和经济的发展。随着我国经济社会的快速发展各 地需水量快速增加，一些地区或行业受到水资源短缺的制约，限制了其经济社会的进一 步发展。为解决水资源配置问题，国家及一些地方采取了跨流域调水方式，以解决区域 性水资源短缺的问题。u m ， 1 2 2 水资源“优质优用修问题的提出 随着全球人口的增长，工业化进程的加快和经济的迅猛发展，各种用水矛盾的日益 激化以及地面水体污染的不断加重，使本来就十分短缺的世界淡水资源更加紧张。加上 水的利用不合理与用水的浪费，使世界正面临着水的危机，并威胁着人类的生存和发展。 因此，合理开发利用和保护水资源，节约用水，是二十一世纪人类面临的重要课题之一。 2 0 0 0 年在荷兰海牙举行的第二届世界水论坛及部长级会议上通过的海牙宣言，就呼 吁世界各国尽快采取行动，合理利用和保护好水资源，并确定目标、战略和实施进度。 因此，如何合理利用有限的水资源已经成为人们关注的焦点，节水不是权宣之计， 而是长期的方针。而水资源“优质优用 的提出正顺应了节水的需求，是解决水资源短 缺，提高水资源利用效率的最好途径。 水资源“优质优用己经成为现代用水的潮流。所谓优质优用，是从水质方面来说 的。水质即水的品质，是水体质量的简称，它标志着水体的物理、化学、生物的综合特 征及其组成的状况。而水质与水资源的功能是紧密地联系在一起的，从水资源功能来看， 大体可分为生活用水、水产养殖、工业用水、农业灌溉、航运、景观旅游、环境用水( 纳 污净化) 等七类。水资源功能不同，单位水资源量所创造的价值是不同的，即水资源在 大连理工大学专业学位硕士学位论文 不同部门对国民经济的贡献存在着差异。能否实现水资源“优质优用的可持续利用目 标，主要取决于人类生产、生活行为和用水方式的选择。因此，水资源的管理是其关键 环节。积极调整用水结构和用水方式，将不同水质的水用于其最适合的行业当中，即按 水质的不同对各行业用水进行优化配置，合理应用，有效保护，统一管理，提高水的利 用效率和效益，走可持续发展的道路，这就是水资源“优质优用 的内涵。瞄1 1 2 3 我国水资源“优质优用”问题及原因 一般说来，水资源功能决定于水质。好的水质功能多样，而水质差的则功能单一， 甚至失去原有功能成为废水。但就目前而言，我国的水资源并没有做到优质优用，分析 其原因主要有以下几点： ( 1 ) 水处理设施跟不上，中水回用不能成为现实 历史形成的单一水源、单一管线是污水处理回用的极大障碍。长期以来，分质分管 道供水系统没有形成，致使分质用水成为一句空话。现阶段已经建成的和正在兴建的小 区内部及单体建筑，一般都没有要求修建回用水管道，即使现在有些规划中有的建筑， 也都很少会按照规划来修建。另外，虽然污水经过一定程度的处理，可以满足工业冷却、 农业灌溉和河湖景观、绿化等用水的水质要求，但是，由于可以使用再生污水的位置或 部位比较分散，而系统的污水处理回用管道又没有建成，所以经处理后的污水不能完全 回用。 ( 2 ) 不同水质的水没有形成价格差异 我国由于长期水价格不合理，更谈不上合理的水价结构，不同水质的水商品价格差 距没有拉开，优水不优价，未能充分发挥水资源价格杠杆的作用，最终导致了不合理的 用水结构，表现出来的就是优质水被不适当地滥用。而且由于对地下水在生态系统中的 作用认识不足，地下水价格不合理，还导致盲目滥采地下水，造成地下漏斗加大、地面 沉降、海水倒灌等一系列生态问题。1 9 8 7 年北京市政府颁发了北京市中水建设管理试 行办法，现已设立和正在设立中水设施的单位有8 8 家，但正常运转的只有6 3 家，有 的中水设施属于停之转之状态，甚至个别的中水设施安装完后，根本没有运转过。分析 原因，主要是经济不合理在起作用，建设单位无利可图，企业宁可接受超额用水罚款， 也不愿上中水设施，这主要是由于水价体系不合理造成的。 ( 3 ) 人们的用水观点没有改变，不愿接受污水回用这一事实 再生水也是一种水资源，既能减少水环境污染，又可以缓解水资源的矛盾。但在人 们的思想观念中，一直没有树立再生水也是水资源的概念，感觉污水经处理后虽变为了 再生水，还是容易与污水联系起来，被视为脏水而不愿意使用。 汤河水库跨流域调水最优方案研究 1 2 4 提倡水资源“优质优用”的目的和意义 优化调用各类水源，实现环境良性循环，首先要根据国民经济和社会发展规划做好 水源供水规划，合理调用各类水源，充分实现供水、用水基本平衡。各类水源的调用应 以充分利用、经济合理、技术可行、环境良性循环为原则。优质水主要满足生活饮用、 食品生产等对水质要求较高的用水。优先开发地表水，使区域在开发利用区内地表水、 地下水、废污水处理回用上形成科学合理的联合开发调度运用网络，适时的坚持优水优 用，促进水资源的良性循环。使区域间的水资源能相互调剂，互补余缺，充分发挥各类 水源的功能，从而以最少的投入实现合理开发调用水资源，获得最大的效益的目的。 水是人类生存和社会发展不可缺少的自然资源。随着社会和经济的迅速发展，水资 源匮乏和水污染日益严重所构成的水危机己经成为实施可持续发展战略的制约因素。为 了战胜水危机，我们必须采取多种切实可行的措施，厉行节约、优水优用、劣水劣用， 加强水资源保护、防治水污染，使水污染防治和环境的保护与经济同步发展，保证水资 源的可持续利用。 实施水资源“优质优用是解决城市用水和经济发展的有效途径，是改善和提高居 民饮用水质量、有利身体健康，造福人民的好事，也是社会发展进步的客观需要。对于 现代经济高速发展，人口迅速增长，水资源分布不平衡，实施水资源“优质优用 对合 理开发水资源，提高水资源承载力，实现水资源可持续利用目标具有重要的现实意义和 使用价值。 1 3国内外跨流域调水现状及优化调度现状 1 3 1 国内外跨流域调水现状 跨流域调水是我国解决水资源分配不均的有效途径，现阶段规模最大、举世瞩目的 南水北调工程，辽宁省正在实施的“大伙房输水”工程、“引细入汤 工程，江苏江水 北调工程、天津引滦入津、广东东深供水、河北引黄入卫、山东引黄济青、甘肃引大入 秦、山西引黄入晋、辽宁引碧入连、吉林引松入长等，都是为解决部分地区资源性缺水 问题而兴建的。这些已建的调水工程都取得了显著的经济效益、社会效益和环境效益。 使天津、青岛、大连、西安、厦门等我国重要的工业与旅游城市解决了水资源严重短缺 的危机，为当地提供了稳定可靠的水源，基本满足了城市生活和工业用水的需求，为当 地工业生产和经济发展注入新的活力，为城市的生存和可持续发展提供了重要的物质基 础，也极大地改善了调水城市的投资与建设环境。h 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 2 国内外水库优化调度研究现状 水电站水库( 群) 优化调度研究已有较长历史。1 9 4 6 年美国学者m a s s e 最早引入优化 概念解决水库优化调度问题，最基本的模型是线性规划模型、非线性规划和动态规划模 型。随着系统工程理论和现代计算机技术在水库优化调度领域的不断应用，各种形式的 新模型与算法又相继出现。包括长、中、短期调度方法研究，随机性模型和确定性模型 研究，及各种模型求解的网络流法、逐步优化算法、神经网络方法、遗传算法、聚合分 解法、大系统分解协调算法研究等。4 在我国，水库优化调度研究起步相对较晚，始于6 0 年代初，近2 0 年研究的比较广 泛深入，方法众多。伴随模糊数学的诞生，我国学者将经典的动态规划技术与模糊集合 论融为一体，成为水库模糊优化调度的核心。冯浚提出了多目标优化模糊解法，即隶属 度最大对应最优解。汪骏等提出用相似优先比和贴近度最大求多目标最优解，促进了水 库模糊优化调度的初期发展。王本德等编著了“水库模糊优化调度方法一，提出了模糊 调度图新概念，并在此基础上建立了模糊调度图与模撷径流中长期预报相结合的水电站 群旬多目标经济调度计划模型。陈守煜等提出的“多目标、多阶段模糊优选模型 的基 本原理及解法，“系统层次模糊优选模型等，十分有利于优选调度决策方案。黄强把 模糊动态规划方法用于求解水电站水库长期优化调度问题，较随机动态规划法简便，快 速。管家宝等提出了水电站水库实时优化调度的模糊统计决策方法。1 5 1 - 9 1 1 4 汤河跨流域调水优质优用调度基础资料完善的目的及意义 汤河水库流域内有河栏、吉洞、下达河等7 个以农业为主的农村乡镇，没有大的水 质污染源，水库水质良好，符合国家地面水环境质量二类标准。随着经济的迅速发展， 工业和城市生活用水的迅速增长，辽阳、鞍山两市缺水越来越严重，由于申窝水库水质 为地表水类，不能作为两市城市生活用水，经省有关部门的全面规划和科学论证，统 筹兼顾兰、细两流域的用水情况，决定将申窝水库流域内的兰河和细河的优质水跨流域 引到汤河水库，以满足辽阳、鞍山两市的工业及城市生活用水。 汤河水库管理局在多年的水库调度中，通过对基础资料的认真分析和研究发现，汤 河水库水位库容曲线、各工业口的出库水量、电厂测流系数的选择等资料都存在较大的 误差，严重影响汤河水库历年还原计算的径流资料，因此，汤河水库于1 9 9 1 年利用水 库低水位期重新实测了万分之一库区地形图，对水库水位库容蓝线、水位面积曲线进行 了订正；1 9 9 5 、1 9 9 6 年先后在各工业取水口安装了供水计量装置，提高了供水计量精度， 使供水管理走上了科学化管理的道路；1 9 9 6 年利用农灌放水期对电厂测流系数进行了校 核，重新修订边坡系数，提高了测流精度；2 0 0 2 年9 月对电厂小机组进行了更新改造， 汤河水库跨流域调水最优方案研究 减少发电消耗水量，使小机组常年运行的目的得以实现，增加水库经济效益；这一系列 的管理措施，为汤河水库年径流的订正提供了前提条件，为合理进行汤河水库的兴利调 度提供了可靠的依据。 1 5 研究内容、技术路线和技术指标 1 5 1主要研究内容 ( 1 ) 跨流域调水方案优选的基本资料的收集、整理与复核的主要包括： 水库年径流订正计算及未来入库水量确定； 供水计量及电厂测流方法研究； 电厂小机组改造研究； 引兰入汤引水隧洞过流能力复核； ( 2 ) 跨流域调水方案优选的基本资料分析的主要内容包括： 兰河流域可引水量分析； 细河流域可引水量分析； 兴利调节计算的基本参数分析与选择； ( 3 ) 跨流域调水方案拟定。 ( 4 ) 跨流域调水方案优选模型建立与最优方案选择，效益分析。 ( 5 ) 结论与展望 1 5 2 技术路线 在总结及分析跨流域调水所需要的基本资料的基础上，根据规划设计引水准则和充 分利用优质水的原则，拟定跨流域调水方案，采用最先进的多目标模糊优选模型优选调 度方案，并分析其效益。 1 5 3 优选方案要求达到的技术指标 工业及城市生活用水保证率在9 5 以上，年破坏深度不超过1 0 时，水库年工业及 城市生活供水能力最大，使其尽量满足辽宁省水利厅批复的各用水户总用水指标。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 汤河水库跨流域调水系统概况 2 1 汤河水库流域自然地理特征 汤河水库位于辽河流域太子河支流汤河干流上，坐落在辽阳市弓长岭区汤河乡境 内。控制流域面积1 2 2 8 k m 2 ，占汤河流域面积的8 4 ，占太子河流域面积的9 。汤河流 域有东西两大支流，于汤河水库坝前汇合。水库流域内有汤河、二道河、郝家店三个水 文站及隆昌、塔子、吉洞、上麻屯、花红沟五个雨量站。其中二道河和郝家店为两个入 库站，汤河站为出库站，两入库站控制的流域面积分别为：二道河子5 2 3k m 2 ，郝家店 4 3 1 搿，两入库站至坝址区间流域面积2 7 4k m 2 。 水库流域属于辽阳市东南山区，有长白山余脉、千山山脉穿过，山地面积占9 0 ， 平均山岭高度在4 0 0 - - 4 5 0 米，属中低山区。流域内山地林木丛生，植被良好。汤河流 域属寒带季风气候，其特点是温差较大，四季冷暖、干湿分明。汤河流域多年平均降雨 量为7 7 4 毫米，多年平均蒸发量为1 2 2 8 毫米，多年平均径流量为2 8 9 亿立方米，见图 2 1 。 2 2 汤河水库枢纽工程概况 汤河水库于1 9 6 9 年底建成并投入运行，1 9 7 8 年进行了保坝加固。水库枢纽工程主 要由土坝、溢洪道、输水洞、水电站四部分组成。 ( 1 ) 土坝 土坝为粘土斜墙坝，最大坝高4 8 5 m ，坝顶高程11 8 6 6 m ，防浪墙顶高程11 9 6 6 m ， 坝长4 5 5 m ，坝顶宽6 m 。 ( 2 ) 溢洪道 开敞式溢洪道建于大坝右岸，共两孔，每孔净宽l1 o m ，堰顶高程1 0 1 3 0 m ，弧形 闸门控制，闸门高l o 1 m ，最大泄量2 7 1 3 m 3 s 。 ( 3 ) 输水洞 输水洞位于大坝左岸，为圆型有压隧洞，洞径4 5 m ，洞长2 1 1 1 m ，进口底高程7 6 o m ， 出口底高程7 4 o m ，进口设有平板检修闸门，出口设有弧形工作闸门，担负着泄洪灌溉、 发电、为弓长岭矿和辽阳自来水供水等任务，最大泄量2 8 2 m 3 s 。 ( 4 ) 水电站 场，日水库跨流域调永摄优方案研究 水电站支洞由输水洞分叉段接出。支洞直径2 5 m ，始建于1 9 8 3 年，装有大小两台 机组。大机组装机容量3 2 0 0 1 佴，小机组装机容量6 3 0 k w ，后于2 0 0 2 年9 月将原6 3 0 k w 小机组改换成装机容量为2 5 0 k w 小机组。 图2l 汤河水库流域图 f i g2 】d r a d n a g e ”5f i g u r eo f t a n s h cr e s e r v o i r 酶髓 匠畦4 脯g 23 引兰入汤工程概况 兰河是太子河左侧的一条支流，流域面积5 ：j l7 时多年平均径流量 6 0 9 l o r e 6 。 引兰a 汤工程引水枢纽控制的流域面积为2 3 49k m 。，占兰河流域面积的4 42 ，其多年 平均径流量为7 27 1 0 矿。 引兰入汤工程是引兰河水入汤河水库，经炀河水库调节向鞍山、辽阳两市供水、缓 解两市供水紧张局面的跨流域引水工程，见图22 。该工程枢纽位于辽阳县甜水乡谢家 饧河水库授址以上书最暗 大连理工大学专业学位硕士学位论文 堡子村下游5 0 0 m 的兰河干流上，由冲砂闸、溢流堰、进水闸、引水隧洞及尾渠等工程 组成。 引兰入汤工程于1 9 9 5 年7 月开工，1 9 9 8 年竣工，该工程设计引水能力为7 m 3 s 秒， 实际引水流量为8 m 3 s ，多年平均引水量1 8 3 0 l o m 6 。 2 4 引细入汤工程概况 细河是太子河左岸的一条一级支流，流域面积为l1 2 6 3k m 2 ，多年平均径流量为4 2 8 l o m 6 ，引细枢纽以上控制流域面积5 4 5 7k m 2 ，占细河流域面积的4 8 5 。 引细入汤工程取水枢纽位于本溪市南芬区下马塘镇的细河干流上，由取水枢纽、引 水隧洞等工程组成，通过1 5 2 6l 皿的隧洞，将水引到兰河水源的谢家堡子，利用“引 兰入汤 的引水隧洞将水再引到汤河水库，经汤河水库调节，供给鞍山市用水，见图2 2 。 引细入汤工程于2 0 0 4 年1 0 月开工，2 0 0 7 年底竣工，该工程设计引水能力6 m 3 s ， 多年平均引水量6 5 4 1 0 m 6 。 2 5 汤河水库及各引水工程调度运用 2 5 1 汤河水库洪水调度原则 汤河水库加固后按百年一遇洪水设计，可能最大洪水校核，防洪库容3 6 8 l o m 6 。 根据汤河流域洪水比太子河干流洪水先行下泄的特点，汤河水库的洪水调度原则为自由 泄洪，即库水位超过汛限水位时开输水洞、溢洪道泄洪。在实际运用时，可结合短期洪 水预报和天气预报灵活运用。主汛期的泄洪方式：涨洪时，当入库流量小于1 0 0 0 m 3 s 时，尽量从输水洞泄洪，保持库水位为汛限水位；当入库流量大于1 0 0 0 m 3 s 时，全开输 水洞、溢洪道泄洪。 为了保证工程安全和增加汛后期兴利蓄水，结合汤河流域洪水发生的统计规律，汤 河水库的分期限制水位确定为：主汛期7 月1 1 日至8 月1 0 日1 0 7 8 6 m ；后汛期8 月1 1 日至8 月2 0 日1 0 8 6 6 m ；尾汛期8 月2 1 日至9 月2 0 日1 0 9 3 6 r a 。 根据以上调度原则，建库后汤河水库调节了1 9 7 5 、1 9 8 5 、1 9 8 6 、1 9 9 4 、1 9 9 5 和1 9 9 6 年六次较大洪水，将洪峰流量1 2 1 0 、1 2 3 0 、1 6 0 0 、2 0 9 9 、8 8 8 和9 2 6 m 3 s ，分别削减了 1 7 9 、5 5 1 、6 5 、1 0 0 、7 7 和8 4 ，充分发挥了水库的防洪作用。 2 5 2 兰河引水调度原则 ( 1 ) 引水枢纽以上来水应优先满足枢纽以上用水，同时引水枢纽以下脱水段的环 境用水和工农业用水，也应由枢纽以上来水予以满足，当引水枢纽以下来水满足不了其 用水时，引水枢纽以上也应补充其水量。 汤河水库跨流域调水最优方案研究 引水。 ( 2 ) 主汛期，当汤河水库库水位达到汛限水位时，兰河引水枢纽关闭引水闸停止 汤河水库引水示意；图 图2 2 流域引水示意图 f i g2 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f - b a s i nd i v e r s i o n 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 5 3 细河引水调度原则 ( 1 ) 枢纽以上来水应优先满足枢纽以上各部门用水； ( 2 ) 枢纽以上来水满足枢纽以上各部门用水后，余水优先供给枢纽至柏峪河口脱 水段的镇区用水及工农业用水，环境用水也应由该段余水来补充； ( 3 ) 水资源平衡计算遵照先支流，后干流，先上游，后下游，先工业，后农业， 工农业统筹兼顾的原则； ( 4 ) 在充分满足本流域各部门用水的前提下，余下考虑外调； ( 6 ) 通过兰河引水的实践，本次引水采用全年引水方案； ( 6 ) 环境控制断面控制流量：下马塘断面月平均径流量0 9 8 5x1 0 m 6 。 ( 7 ) 当兰河引水枢纽出现弃水或水库达到汛限水位时，关闭细河引水闸停止引水。 2 5 4 汤河水库兴利调度原则 汤河水库是多年调节水库，兴利库容3 5 9x1 0 m 6 。建库初期主要以农业供水为主， 工业供水只有弓长岭铁矿，其年引水量为4 0 o xl o m 6 左右。1 9 7 9 年9 月、1 9 8 8 年1 2 月、 1 9 9 3 年7 月、1 9 9 8 年辽阳化纤总公司汤河引水工程、辽阳自来水公司汤河引水工程、 鞍山自来水公司引汤入鞍一期工程、二期工程相继建成投产，1 9 9 8 年引兰入汤工程已建 成引水。目前，汤河水库兴利调度原则是，保证工业和城市生活供水量保证率9 5 的前 提下，每年工业和城市生活供水量为1 9 2 3 1 0 m 6 ，农业用水只有在年初库容达到3 4 0 x1 0 m 6 时，这年方有1 4 5 4 xl o m 6 的农灌供水。水库电厂小机组是结合弓长岭工矿用水 长年发电、大机组是结合农业灌溉用水及弃水进行季节性发电。 汤河水库跨流域调水最优方案研究 3 跨流域调水方案优选的基本资料的收集、整理与分析 引兰入汤、引细入汤工程的兴建，解决了汤河水库工业及城市供水严重不足的问题。 为了充分发挥跨流域调优质水的作用，对汤河水库跨流域调水后，应进行了兴利调度重 新规划及经济效益分析研究，确定最优兴利调度方案。 基本资料的收集包括：水位库容、水位面积曲线、水库控制水位、汤河水库径 流量、水库蒸发渗漏损失水量、跨流域兰河可引水量、细河可引水量以及工业城市生活 用水户的供水指标等资料。这些资料的选用和计算是否可靠和合理，直接影响跨流域调 水的效益。 近年来，我们对汤河水库的调度资料进行了认真的分析和研究，发现汤河水库水 位库容、水位面积关系曲线，水库出库水量计算等方面资料存在较大的误差，由水 库还原计算推求的汤河水库历年入库水量失准。针对这种情况，水库于1 9 9 5 、1 9 9 6 年 先后在各工业取水口安装了供水计量装置；1 9 9 6 年利用农灌放水期对电厂测流系数进行 了校核；2 0 0 2 年9 月对电厂小机组进行了更新改造，为合理进行汤河水库跨流域调水研 究提供了前提条件。 3 1 汤河水库特性曲线订正 1 9 9 0 年利用水库低水位期旌测了9 0 米高程以上的库区万分之一地形图，对汤河水 库水位面积，水位库容曲线进行了订正，订正结果为正常高水位1 0 9 3 6 m 的新库容 为3 8 3 1 0 m 6 ，较原库容3 9 5x1 0 m 6 少1 2 ox1 0 m 6 ；水库总库容7 0 7x1 0 m 6 ，较原总库 容7 2 3 1 0 m 6 少1 6 o x1 0 m 6 ，这一结果省水利厅已于1 9 9 1 年批准使用。之后，我局又 对历年相关水情、水文资料进行了重新订正、计算。 3 2 安装供水计量装置前后对出库水量的分析 汤河水库建成初期，主要承担防洪、灌溉和鞍钢弓长岭矿用水，随着辽阳、鞍山两 - 霄经济的不断发展，1 9 7 9 年9 月辽阳化纤公司第二水源工程建成，直接从水库中引水， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 9 8 8 年1 2 月、1 9 9 3 年7 月，辽阳、鞍山两市自来水公司直接从库中取水的引水工程也 相继建成供水，这些供水管路皆为大管径，没有安装可靠的计量装置。 辽化二水源从1 9 7 9 年9 月建成引水后，供水计量数据一直由辽化二水源头部提供， 而该厂的计量装置却安装在远离辽化二水源头部8 k m 处的牛录净水厂，直到1 9 9 4 年6 月，我局在辽化二水源头部合理位置安装了美国康创流量计“7 5 0 0 型后，辽化二水源 的工业、生活用水量才真正实现了计量管理，通过计量发现，在工业、生活用水条件不 变的条件下，计量值有了明显的增加，于是，我们对安装新仪表前、后用水计量做了比 较，安装前从1 9 9 3 年1 0 月- - - 1 9 9 4 年9 月一年期间计量用水量为4 9 6 1x1 0 m 6 ，安装后 从1 9 9 4 年1 0 月 - 1 9 9 5 年9 月一年内计量用水量为5 8 1 5 x1 0 m 6 ，比上年增加了8 5 4 l o m 6 ，增加值占上年年用水量的1 7 2 2 ，丢水相当严重。为此，对辽化二水源从实现计 量前的用水量进行了重新调查，调查结果是辽化二水源头部给我局提供的用水资料比远 离头部8 1 u n 处的牛录净水厂水量还小很多，有的年份少计量水量竞高达1 0 0 l o m 6 ，并 且还没有考虑到辽化二水源头部生活用水、8 k m 管线的沿程损失、局部损失及反冲洗水 量，因此，对辽化二水源安装新仪表前的用水量进行重新计算。 辽阳自来水公司是1 9 8 8 年1 2 月正式从汤河水库引水，当时安装的是天津产计量仪 表，经常失灵停测，从库中引用的水量由辽阳自来水公司提供。直到1 9 9 5 年6 月，我 局在辽阳自来水公司引水管道的合理位置上，安装了美国康创流量计“9 0 0 ”型后，辽 阳自来水公司的引用水量才真正实现了科学的、合理的计量。通过新仪表计量的一段时 间发现，在用水基本不变的情况下，安装新仪表前，辽阳自来水公司从1 9 9 4 年7 月 1 9 9 5 年6 月计量用水9 1 2 5 xl o m 6 ，安装新仪表后，从1 9 9 5 年7 月 - - - 1 9 9 6 年6 月计量 用水为1 1 2 9 l o m 6 ，比上年增加水量2 1 6 1 0 m 6 ，占上年计量水量的2 4 ，丢水相当严 重。因此，对辽阳自来水公司以前的引用水量进行重新计算。 鞍山自来水公司是1 9 9 3 年7 月建成引水，1 9 9 5 年底安装的美国康创流量计“9 0 0 型，引水时间较短，误差较小，对该用户的引水量不再进行重新计算。 3 3电厂测流方法与参数选取 ( 1 ) 电厂尾水渠测流 汤河水库跨流域调水最优方案研究 汤河水库水电厂1 9 8 4 年4 月建成并开始发电，安装有3 2 0 0 k w 和6 3 0 k w 大小两台发 电机组，尾水通过尾水渠流至水库输水道。电厂发电初期其尾水流量由输水道测流断面 测定，由于该断面距电厂尾水汇入口较近，在电厂单独发电时，水流折冲、流态紊乱并 存在部分死水区，影响测流精度，因此1 9 8 6 年在电厂尾渠上修建了一座测流桥，单独 设立了测流断面。其后电厂尾水流量均由该断面测验。 电厂尾水渠测流断面距电厂厂房5 0 m ，距下游弯处l o m ，尾水渠底宽为5 o m ，边坡 1 ：1 5 ，渠底和边坡均由浆砌石块护砌，比较平整。 尾水渠测流采用流速面积法，在大机组或大小机组同时发电时，在测流断面上布置 了7 条测速垂线，采用两点法由流速仪测0 2 和0 8 水深点的流速，然后计算垂线平均 流速，部分平均流速、部分流量和断面流量。 岸边部分面积的平均流速采用的是自岸边起第一条测速垂线( 坡较垂线) 的平均流 速乘以岸边流速系数a ，其计算公式为：v 边= av 角 根据水文测验手册中表3 - 6 提供的参考数据，a 值选定为0 7 ，从电厂尾水渠 1 9 8 6 年开始测流以来，岸边三角形面积的平均流速一直按此参数计算。h 们 ( 2 ) 岸边系数的合理性分析 大小机组同时发电时，测流断面平均水深在1 6 m 左右，此时两岸边部分面积占整 个测流断面面积3 2 4 ，岸边流速系数a 值选择的是否合理，对断面流量的测验精度影 响较大。 一 根据测流断面的水流流态和实测资料分析，岸边流速系数取值a = 0 7 偏小。第一、 测流断面距电厂尾水管出口只有5 0 m ，距尾水渠收缩段末仅3 0 m ，且在断面下游仅l o m 处又是转弯段，渠中水流在测流断面上下的一段范围内，还没有形成明渠均匀流，流态 较紊，岸边流速虽受岸坡拖曳力影响，贴近岸坡的水流流速有所减小，但从肉眼可以观 察出其影响范围和减小值不大；第二、从历次测流各条垂线的平均流速看，坡角两条垂 线的平均流速较断面中间处垂线的平均流速大0 1 0 2 m s ，说明渠中水流受尾水渠收 缩段内刚出尾水管的水流漩涡影响，水流在尾水渠两岸边流速分布较大。所以对岸边流 速系数不能按长直的均匀流渠道或河道经验选用，而由试验确定。 ( 3 ) 岸边流速系数试验 边坡流速系数的试验是在1 9 9 6 年农灌期大小机组同时发电时进行的，其试验方法 是：在水边的两个三焦形部分面积内，在坡脚处设一垂线，由流速仪用两点法测其平均 流速，再分别在距坡脚0 5 m 和1 o m 处增设两条测速垂线，采用一点法测0 6 水深点的 流速作为垂线的平均流速。对于岸边剩余的小三角形面积的平均流速，由于水深较浅， 大连理工大学专业学位硕士学位论文 无法再增设垂线用流速仪测速，考虑其面积仅