水资源规划及利用课程项目设计方案.doc

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1.本次设计的课题是： 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。第2章 基本资料及设计方案2.1基本资料基本资料1.梅山水库简介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130km。水库流域南北长约70km，东西宽约40km，流域面积1970km。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137.66m，校核洪水位139.93m，正常蓄水位128.0m，汛限水位125.27m，死水位94.00m，总库容22.64亿m3，兴利库容9.57亿m3，调洪库容5.0亿m3，死库容1.26亿m3，为年调节水库。梅山水库现有水电站装机容量为4万kW，4台发电机组，单机最大过水流量29.8m3/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kWh。2.龙河口水库简介：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 km，属于长江流域巢湖水系。坝址以上控制流域面积1120 km2，占杭埠河全流域面积2122 km2的53%。流域长度48.9 km，主河道长度74.8 km；河道坡度5.04。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0.502亿m3；正常蓄水位68.3 m，设计洪水位72.64 m，校核洪水位75.04 m，总库容9.03亿m3，其中调洪库容3.87亿m3，（此调洪库容对应的是设计汛限水位68.3m至校核洪水位的库容）兴利库容4.66亿m3。水库是以防洪、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。 2.2 设计方案1.梅山水库兴利调度原则：非汛期为5-10月，汛期为6-9月，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，10-5月份水库处于非汛期，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。2.梅山水库调洪原则：从汛限水位125.27m起调，设计洪水位139.17m。电站装机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125.27m，防洪高水位130.2，控泄流量75m/s 方案3：汛限水位125.27m，防洪高水位132.2，控泄流量73m/s方案2：汛限水位125.27m，防洪高水位131.2，控泄流量74m/s（本组选择方案为方案一、方案三）3.龙河口水库兴利调度原则：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。4.龙河口水库调洪原则：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68.3m；调度原则：库水位超过68.3m而低于20年一遇洪水位时，控制下泄流量1000m3/s；库水位在2050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67.0m；调度原则：库水位67.067.5m，控制下泄流量800m3/s；库水位67.571.17m，控制下泄流量1200m3/s；库水位71.1772.23m，控制下泄流量1500m3/s；库水位超过72.23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3：汛期限制水位66.0m；调度原则：库水位66.067.0m，控制下泄流量400600m3/s；库水位67.067.5m，控制下泄流量800m3/s；库水位67.571.17m，控制下泄流量1200m3/s；库水位71.1772.23m，控制下泄流量1500m3/s；库水位超过72.23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。（本组选择方案为方案2、方案3） 第3章 兴利调度计算 3.1 典型年的选取1.基本原理： 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。2.计算过程(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; 得到每年的总水量之后，将每年的年来水量 从大到小排列; 根据频率计算公式计算出各个水文年的频率；式中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3-1，图3-2），相应计算见附表 1、附表2. 图 3 1 梅山水库排频图图 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9.7561%丰水年1971年51.2195%中水年2001年90.2439%枯水年表3 2 龙河口水库典型年年份频率典型年1975年11.11%丰水年1986年51.11%中水年2007年93.33%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。 3.2 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2.1节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-W用 (3-1)W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-W用-W弃 (3-2)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(3-1)和(3-2)以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m3，分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m3时，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m3。如图3 - 4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；由公式计算时段的出库水量（式中：为时段的出库水量；为时段的出库流量；为时段的时长；为时段的发电流量）。由计算时段的出库流量，一般等于，梅山水库现有4台发电机组，单机最大过水流量29.8m3/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: 为发电量；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*为发电水量，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=12.6m求算发电量。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） 3.3 兴利计算结果和结论1.兴利结果表3 3 梅山水库发电量1987年 丰水年1971年 中水年2001年 枯水年方案120603.4万kWh131215.8万kWh16665.6万kWh方案319197.1万kWh11958.0万kWh16665.6万kWh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23363.0万kWh2760.6万kWh1693.3万kWh方案33536.7万kWh2552.5万kWh1559.7万kWh2.方案比较及结论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 4.1 调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。1.调洪计算原理：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： （4-1）计算时段的平均入库流量，单位为；时段的平均下泄流量，单位；计算时段，以秒为单位；、分别为计算时段初、末水库的蓄水量，单位为2.试算法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Q1、Q2、q1、V1均为已知。先假定一个q2值，带入式（4-1）中，求出相应的V2值。然后按此q2值在水位泄流关系表中，通过内插，算出V2值。进行若干次上述计算后，直到得出的V2最相近为止。此时的q2即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。 4.2 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125.27m，防洪高水位132.2m，控泄流量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； （4-2）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/s时按，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/s时,按163.4 m/s下泄。在89.4 m/s -163.4 m/s之间的入库流量对应的下泄流量应参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)图4 1 梅山水库水位泄量关系图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=Z1+（Z2-Z1）*（V-V1）/(V2-V1) （4-3） 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。 4.3 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图4 2 梅山水库1996年调洪方案1图4 3 梅山水库1996年调洪方案1 水库水位变化图图4 4 梅山水库1996年调洪方案3图4 5 梅山水库1996年调洪方案3水库水位变化图图4 6 龙河口水库75年方案2 调洪图图4 7 龙河口水库75年方案2 水位过程线图4 8龙河口水库75年方案3 调洪图图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Excel表格、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Excel表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,20093吴持恭. 水力学M. 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学） 高等教育出版社,20094周建兴. Matlab 从入门到精通M. 清华大学出版社,20085王琦. Matlab 基础与运用实例精粹M. 清华大学出版社,2008 6畅建霞,王丽学. 水资源规划及利用M. 黄河水利出版社,20107张元禧. 实用水库调节计算M. 水利电力出版社,19908范世香，程银才