合肥工业大学水资源规划课程设计

1、0. 前言 (21. 设计任务 (32. 基本资料 (32.1. 气象 (32.2. 水文 (32.3. 工程地质结论 (42.4. 工程设计保证率和防洪标准 (52.5. 设计水平年 (62.6. 灌区各业用水用电基本资料 (63. 水文分析计算方法 (73.1. 洪水分析计算 (73.2. 年径流分析成果 (84. 补充资料 (85. 水利水能计算 (95.1. 计算方法 (95.2. 兴利调节计算 (106. 防洪调节计算 (126.1. 方案拟定 (126.2. 防洪特征水位及坝顶高程计算 (126.3. 推荐方案及主要结论 (147. 要求 (140.前言AKS河向塔里木河多年平均输

2、水量占塔里木河水量的72%,是唯一能够长年向塔里木河供水的河流,对塔里木河的形成、发展和演变起着决定性的作用。AKS河由库玛拉克河和托什干河汇集而成,库玛拉克河多年平均径流量47.9×108m3,托什干河多年平均径流量30.6×108m3。在库玛拉克河或托什干河上修建控制性水利枢纽工程,无论是从解决流域内农业灌溉的春旱缺水问题、缺电问题、防洪问题以及替代AKS河下游平原水库等方面,还是通过调蓄洪水,使之向塔河干流下泄的洪峰能满足河道行洪要求,以减少干流上中游的洪水漫溢等方面,都具有重大的现实意义。本课程设计假定在库马拉克河与托什干河的汇合处喀拉都维有一个适宜的地质地形条件,

3、拟在此处修建一个水利枢纽,实现对下游AKS灌区的灌溉、防洪、发电、生态保护的综合效益。虚拟水利枢纽,一可以使问题得到某些简化(课程设计时间所限,二是工程综合性更强,三对南疆水资源利用情况有所了解。更重要的是想通过使这样一个虚拟工程,反映一般水利工程规划设计中的主要水利水能计算问题、计算程序以及需要注意的问题,使学生通过本次练习,基本掌握综合利用水利枢纽规划设计中的主要计算方法、原则和步骤,为将来从事水利水能的奠定基础。鉴于以上原因,对本设计任务书此后各节中出现的水文(洪水、灌溉面积、种植结构、出力要求、人畜数量、工业发展规模、用水指标数据均含有修改或虚构成分,不可作为真实工程规划设计的依据。特

4、此声明。1.设计任务拟在AKS河上游修建一座为下游AKS灌区防洪、灌溉、发电多目标服务的综合利用水库。试确定其兴利库容、水电站装机容量、水库正常蓄水位、防洪高水位、校核(设计洪水位和坝顶高程。2.基本资料2.1. 气象AKS河流域幅员广阔,地形复杂,各地气候差异很大,海拔2500m以上的山区,相对湿润多雨,2500m 以下的低山区干旱少雨。山前倾斜平原区,夏季炎热,冬季寒冷,有短时季风和少量降水。南部沙漠区:冬季寒冷,夏季酷热,湿度很小,十分干燥,气温变化剧烈,降水稀少,多风沙。请同学们查阅南疆自然条件介绍。坝址断面处地处中高山地带,多年平均降水量360mm,根据实测资料及有关计算,得出坝址处

5、主要气象要素统计值如表2-1所列:表格2-1 DSX断面多年平均月降水量与月蒸发量统计值单位:mm 注:表中,P为降水量,E为水面蒸发量,单位:mm。V为风速,单位:m/s;T为气温,单位:。2.2. 水文AKS河由TSG河和KMLK河两大支流汇集而成。TSG河从河源至与KMLK河汇合口全长457 km。在SLGLK水文站以上集水面积19166 km2。KMLK河从河源至与TSG河汇合口全长293km,XHL水文站以上集水面积12816 km2。KMLK河与TSG河在喀拉都维处汇合后,称AKS河,AKS河从两支流汇合口至汇入塔里木河处的肖峡克,长132 km。坝址处实测历年年月径流资料见表2-

6、2。 2.3. 工程地质结论水库库区在中高山峡谷之中,地层为泥盆系上统灰岩。岩石坚硬、强度较高。库区无村庄、农田及草场,不存在淹没损失问题。根据地质情况分析,库盘渗流问题也基本不存在。河床覆盖层厚20m。经分析,坝轴线定在AKS河DSX断面,相应的水库特性见表2-3。表2-2 坝址断面历年实测天然年月径流一览表单位:m3/s 2.4. 工程设计保证率和防洪标准根据生产实践并参照水利水电工程水利动能设计规范,灌区灌溉设计保证率取75%,水电站设计保证率取90%(年保证率、历时保证率两种方案。表2-3 DSX断面水库特性关系 参照防洪标准,根据水库库容、防洪保护对象的重要性和灌溉面积等,确定本工程

7、为大(型1等工程,其大坝、溢洪道属1级永久性建筑物,设计洪水标准为P=0.2%(500年一遇,校核洪水标准为P=0.02%(5000年一遇。水库下游有AKS灌区防洪要求,DSX水库与防洪堤防配合运用,下游防洪标准为P=2%(50年一遇。2.5. 设计水平年与国民经济发展规划及本地区其他专业规划近期水平年一致,选2005年为设计水平年。2.6. 灌区各业用水用电基本资料(1种植结构与灌溉制度根据调查和国民经济发展预测,灌区2005年农业种植结构、种植面积和灌溉制度列于表2-4。(2农业用水效率根据渠道防渗及实际引水情况,预测农业用水利用系数如表2-5所列根据调查和分析预测,灌区设计水平年(200

8、5年人口、工业总产值、牲畜、生态保护区面积和相应的用水指标列于表2-6。表2-4 AKS灌区2005年灌溉制度单位:m3/亩 表2-5 AKS灌区2005年渠系防渗率及灌溉水利用系数预测 表格2-6 AKS灌区2005年生活工业生态用水指标一览表 注:生态用水集中在7、8两个月;工业、生活、牲畜用水按各月平均用水考虑。2.6.3.电站尾水水位流量关系电站尾水水位流量关系如表2-7所列。表格2-7 DSX电站尾水水位流量关系 预测电力系统年各月最大负荷与各月典型日负荷图见表2-8、2-9。当地能源紧缺,电力供应严重不足。规划DSX水电站建成后,并入当地电网,在完成调峰任务前提下,尽量多发水电。表

9、格2-8 AKS灌区电力系统2005年年最大负荷过程表单位:104kw 表格2-9 设计水平年AKS地区电力系统负荷预测单位:104kw 3.水文分析计算方法鉴于时间关系,本次课程设计不做水文计算,这里直接将水文分析成果列出供水利水能规划计算使用。3.1. 洪水分析计算不同频率的设计洪水过程线列于表3-1。表3-1 AKS河不同频率设计洪水过程线一览表单位:m3/s 3.2. 年径流分析成果年径流分析成果列于表3-2、表3-3。表格3-2 AKS河DSX断面年径流量频率曲线单位:m3/s 表3-3 AKS河DSX断面不同频率设计年径流一览表单位:m3/s 4.补充资料为减少本次课程设计工作量,

10、特给出以下数据:(1结合水库淤沙与发电的要求,初步确定水库死水位为2746m。(2根据防洪与兴利可能结合的情况,初步确定水库防洪限制水位为2818m。(3根据水库排沙和发电的需要,确定一圆形排沙孔,其直径为2.0m,中心高程2610m,汛期可用于泄洪。(4初步选定枢纽的泄洪隧洞采用马蹄形2孔,每孔过水面积为2m×2m,隧洞中心高程2770m。(5初步拟定相应的水库允许下泄流量为(安全泄量2100m3/s。5.水利水能计算在规划阶段,进行水利水能计算的目的是为了正确选择水库和水电站的参数(如水库正常蓄水位、死水位、水电站装机容量等。在运行阶段,水利水能计算的目的主要是为了确定水库和水电

11、站在电力系统中的有利运行方式(如各时段水库蓄水、泄水、水电站出力、发电量等。这两个阶段的计算并无本质区别,只是在规划阶段,由于一些参数未定,在计算时需作某些简化处理,水电站工作方式按等流量或其他方式调节,机组效率和水头损失取为常数等。待这些参数确定以后,再作修正,重新进行水利水能计算,确定最终兴利效益和动能指标。5.1. 计算方法兴利调节计算方法主要分为时历法和概率法两大类,按照对径流资料取舍不同,时历法又可分为长系列法和代表年(期法。本课程设计要求采用设计代表年法,若同学们计算机操作熟练又有兴趣,可以采用长系列法。AKS水库是一座综合利用水库,当水资源紧张用水发生矛盾时,用水优先次序为:居民

12、生活用水、牲畜用水、工业用水、农业用水、生态用水。据第3章介绍,这里拟定两组设计保证率方案供选择:方案1:灌溉设计保证率75%(年保证率生态保护设计保证率75%(年保证率发电设计保证率90%(年保证率此方案适用于发电用水过程与灌溉等其他用水过程不一致,但天然来水总量足以满足二者全年用水要求,采取加大兴利库容增加调节能力的情况。方案2:灌溉设计保证率75%(年保证率生态保护设计保证率75%(年保证率发电设计保证率90%(历时保证率此方案适用于发电用水过程与灌溉等其他用水过程不一致,而且,天然来水总量也不足以满足二者全年用水要求,采取优先保证灌溉及其他用水的情况。(还适用于什么情况?初定水库兴利调

13、节原则:当来水相应频率小于等于灌溉设计保证率时,应当同时满足居民生活用水、牲畜用水、工业用水、农业用水和发电用水要求,若来水量不足以满足全部用水要求,将生态用水减少一成。若该处理后仍难平衡,减少发电用水;当来水相应频率大于灌溉设计保证率而小于等于发电设计保证率,应当满足发电的需水要求,若来水量不足以满足全部用水要求,减少灌溉用水和生态用水。在满足前述原则前提下,尽可能多发电,而且,前述用水均可使用电站尾水。5.2. 兴利调节计算定义:根据各用水部门的用水要求,利用水库重新分配天然径流所进行的计算,称兴利调节计算。任务与意义:对于单一水库,计算任务是求出各种水利水能要素(供水量、电站出力、库水位

14、、蓄水量、弃水量、损失水量等的时间过程以及调节流量、兴利库容和设计保证率三者之间的关系,作为确定工程规模、工程效益和运行方式的依据。以下针对设计保证率方案1介绍计算步骤与方法,对于方案2计算步骤与方法略有差异,计算时,同学们可参考及教材中有关日调节水电站水能计算的有关介绍。为利于防洪,水库采用晚蓄方案,在满足灌溉要求前提下,尽量多发电(尽量少产生弃水,且使发电引用流量尽可能均匀。以75%设计年径流为来水过程,满足2005年综合用水要求所需的库容,即作为设计保证率为75%的兴利库容。对于以灌溉为主的水库兴利调节计算步骤:(1绘制水库特性曲线(图5-1(2计算统计灌区综合用水过程(表5-1根据第2

15、章给出的灌区基本用水资料,计算出灌区至水库放水口的需水过程。(3不计损失的兴利调节计算(表5-2水库一次运用时,累计整个供水期不足水量,就是所需的兴利库容。水库两次运用时,若各次运用过程中水库供水量都小于前期蓄水量,则取两次供水量中较大者为兴利库容;若第二次供水量大于前面蓄水量,差值为DW,则兴利库容为DW与第一次供水量之和。(4计入损失的兴利调节计算(表5-3根据第2章给出的灌区水面蒸发观测资料、降水资料,计算库区逐月蒸发标准。因库区地质条件良好,渗漏系数可按经验取1%。(5初定水库正常蓄水位根据调节计算结果,定出正常蓄水位,绘制水库运用过程线(图5-2发电设计保证率大于灌溉设计保证率,在9

16、0%的枯水年,若用水难以满足时,灌溉用水将受到限制,只能按照正常供水的某一个成数供水(本设计假定为9成。即在来水频率大于灌溉设计保证率而小于等于发电设计保证率时,水库优先保证发电的正常运行。以P=90%枯水年不产生弃水为原则、按等流量操作法确定发电兴利库容:以年平均流量减一个成数(损失作为调节流量初估值,若某月灌溉需水流量(减某一成数大于调节流量,则发电引水流量按当月灌溉流量(减某一成数计,同时减小其他月份的调节流量。其它计算方法类似于上节中的(3(5。水库总泄流量： q = q1 + q 2 + q 3 + q 4 = å v2 2g 4 i =1 qi 式中，h1、h2、h3 分

17、别是排沙孔、泄洪隧洞和溢流堰考虑行近流速的计算水头，计算公式为： h1 3 = H + v2 2g 其中， 可忽略不计。 对于孔、洞而言，在非淹没出流时，H 等于水库上游水位与洞口中心高程之差，在淹没出流时，H 为水库上下游水位差。 对于溢流堰，H 为堰顶水头。 h4 为水电站水头，即水电站水库上下游水位差，水电站最大引用流量为 298m3/s，在汛期水电站可按最 大流量引水。 1、 2、 3 分别是排沙孔、泄洪隧洞、和溢流堰的流量系数。在水工试验未完成之前，排沙 孔、泄洪隧洞孔口出流流量系数取 0.75，溢流堰流量系数取 0.4。 若排沙孔或水轮机为淹没出流，其出流与下游水位有关，而下游水位

18、又决定于总下泄量，水库水位与下 泄流量的关系就需要试算。 （2）计算并绘制水库调洪演算辅助曲线 （3）对五十年一遇洪水进行调洪演算。 1）起调水位为防洪限制水位； 2）求出相应起调水位的库容 V0 和相应的下泄能力 Q0； q V q + Dt 2 3）水库操作规程为： q = Q 0 - - - - - -当 Q áQ 0 q自 - - - - - - 当 q自 á = q 安 且 q 自 > Q 0 = q 安 - - - - - - 当 q自 ñ q 安 4）定出水库防洪高水位和相应库容 （4）对五百年一遇洪水调洪演算 步骤 1）和 2）同第（3）中的步骤 1）和 2） 。 3）水库操作规程为： q = Q 0 - - - - - -当 Q < Q 0且 Z < Z 防 防 q 安 - - - - - - 当 q 自 > q 安 ，且 Z <= Z q自 - - - - - - 当 Q 0 < q 自 <= q 安 或 Z > Z 防 4）求出水库最大下泄流量、设计洪水位和相应库容。 5）计算坝顶高程 第 13 页 共 14 页