水利水能规划课程设计报告

《水利水能规划》

学生姓名：学 号：专业班级：指导教师：课程设计

年 月 日

目录

1.概述

一、工程特性表 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 二、流域自然地理状况（包括社会经济概况„„„„„„„„„„„„„ 5 三、工程概况 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

2.设计过程及设计成果

一、设计年径流„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 二、设计洪水 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 三、正常蓄水位选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 四、死水位选择 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 五、水能设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （1）保证出力、保证电能计算

（2）装机容量选择与多年平均发电量计算

六、设计洪水位、校核洪水位确定 „„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.报告总结 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

7 10 15 15 18

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29 ２

一、工 程 特 性 表

一、河流特性

二、水库特性

３

４

三、电站特性

二.流域自然地理状况（包括社会经济概况）

自然地理状况：闽江流域形状呈扇形，支流与干流多直交成方格状水系。水量丰富，年径流量621亿立方米，水力蕴藏量632万瓩。 南平以下是重要的水运通道，马尾是福州的内河港。 闽江支流众多，水量丰富，多年平均径流量为1980立方米/秒，流域面积在中国主要河流中居第十二位，年平均径流量居全国第七位。流域面积比闽江大11倍多的黄河，水量只

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及闽江的92％。

闽江上游有三支：北源建溪，中源富屯溪，正源沙溪。三大溪流蜿蜒于武夷山和戴云山两大山脉之间，最后在南平附近相会始称闽江，以下又分为中游剑溪尤溪段和下游水口闽江段。上游水系发达，流域面积占整个闽江流域的70％，水量占整个闽江水量的75％。

支流 南平以上：沙溪、富屯溪、崇阳溪、南浦溪、松溪、建溪。 南平以下：尤溪、古田溪、梅溪、大樟溪。 中、上游滩多水急，水力资源丰富，理论蕴藏量641.8万千瓦，占全省河流水力资源理论蕴藏量的60%。可开发水力装机容量约468万千瓦。目前闽江流域已建成大中型水电站 23个，装机容量达316万千瓦。 社会经济概况： 闽江是我省最长的河流，闽江流域历史悠久，文化繁荣，经济发达，是我省重要的经济区之一。但是，闽江流域的环境污染和生态破坏正日益加剧，已经威胁到流域人民生活条件和身体健康，影响流域改革开放的形象和流域经济的持续发展。闽江流域拥有全省一半的国土，三分之一的人口，五分之二的经济总量和大量的资源。闽江流域的经济和社会发展，对全省经济和社会发展有决定性影响。闽江流域自然资源丰富。森林蓄积量2.86亿立方米，占全省的66.5%。毛竹蓄积量5.9亿根，约占全省毛竹总积蓄量8.40亿根的3/4。主要矿产有煤、铁、石灰石、硫铁矿、重晶石及钨、铌、钽等有色、稀有金属。闽江水系可供发电的装机容量468万千瓦，已开发的有古田溪水电站、沙溪口水电站和水口水电站，后者装机容量为140万千瓦。闽江系山区型河流，航道滩多流急，航槽窄，弯曲半径小，航运能力较低。闽江上游及主要支流只能通行小型机帆船。南平至水口通60吨客货轮，莪洋至马尾通300吨顶推船队，马尾以下通6000吨海轮。

三、工程概况

1. 概述

水口水电站是福建闽江干流上的一座大型水电站，是国家“七五”重点建设项目，是以发电为主，兼有航运等综合效益的大型水利水电工程。

闽江是福建省最长的河流，发源于闽赣交界的武夷山脉，上游有建溪﹑富屯溪和沙溪三大支流，于南平附近汇合后称为闽江。南平以下沿程纳尤溪﹑古田溪﹑梅溪﹑大樟溪等支流，最后流经福州马尾入海。干支流流经32个县市，流域面积60992km2，河长541km。 水口水电站位于闽清县上游14km处，坝址上游距南平市94km，下游距福州市84km。 2．水文与气象

坝址以上集水面积52438km2，全流域多年平均降水量1758mm，坝址处多年平均流量1728m3/s，年径流总量545亿m3，实测最大流量30200m3/s，实测最小流量117m3/s。多年平均气温19.6OC，极端最高气温40.3OC，极端最低气温-5.0OC。多年平均相对湿度78%。 坝址断面下游竹岐水文站，集水面积54500km2，具有1934 ~ 1977年实测年、月径流和洪

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水资料，并具有1900、1877、1750、1609年调查考证洪水资料。 3．地形与地质

① 地形 坝址两岸地形基本对称，山体雄厚。常水位河面宽约380m。左岸岸坡20O，右岸岸坡在70m高程以下为30O，以上略平缓。两岸山坡大部分基岩裸露，河床基岩面存在两个深槽，砂卵石冲击层一般厚5~10m，最深达29m。库区为狭长河道型库区。

② 地质 坝址处基岩主要为黑云母花岗岩，岩性致密，坚硬，完整。由于后期岩浆活动，有少量岩脉侵入。岩脉主要为细晶花岗岩，花岗斑岩，辉绿岩等。所有岩脉与黑云母花岗岩接触紧密，胶接良好。坝址区在构造上属于相对稳定区，未发现较大的断层，仅有较小断裂及挤压破碎带，倾角陡。 4．枢纽布置及主要建筑物

电站枢纽由大坝、发电厂房、三级船闸、升船机和开关站组成。大坝坝型为混凝土重力坝，最大坝高100m，坝顶长度783m。溢洪道布置在河中，为坝顶溢洪道，共12孔，设弧形闸门，尺寸（宽×高）为：15×22m，消能方式为鼻坎挑流。两侧各设置一个泄水底孔，设弧形闸门，尺寸（宽×高）为：5×8m。发电厂房位于坝后河床，为坝后式地面厂房，主厂房尺寸（长×宽）304.2×34.5。水轮机型式型号为轴流转桨ZZ-LJ-800，发电机型式型号为伞式

SF200-56/11950。引水建筑物采用埋藏式压力钢管，每台机组单独一条引水钢管。500T级三级船闸和500T垂直升船机布置靠右岸，船闸闸室尺寸（长×宽×水深）135×12×3m，升船机承船箱尺寸（长×宽×水深）124×12×2.5m。220千伏开关站和预留500千伏变电站布置在左岸发电厂房下游的山坡上。

工程于1987年3月9日开工建设，第一台机组于1993年6月30日发电，全部机组于1995年5月31日建成并网发电。

二.设计过程及设计成果

1.设计年径流

根据实测年径流资料，用同倍比法推求设计丰水年和设计中水年，用同频率法推求设计枯水年。设计保证率P=90%。 步骤：

对年平均流量系列和枯水期平均流量系列（10~3月）进行频率分析，求出符合设计保证率的设计年径流量和设计枯水期流量

设计年径流及枯水期平均流量频率分析后可得年平均径流分析

７

图（1）

枯水期平均流量分析可得

选择代表年，用同倍比法和同频率法推求设计代表年年内分配：

８

图（二）

设计中水年、丰水年（同倍比法）：KQP中（丰）=QD

设计枯水年（同频率法）：

枯水期： KQ

P

枯=枯QKQ枯P⨯T枯汛=

QP⨯12-

枯D

QD⨯12-Q枯D⨯T枯

汛期： 将缩放倍比分别乘以对应代表年的各月流量，即为设计代表年。

枯水年代表年年总和 枯水年代表年

设计枯水年

16011 543.67 566.67 设计枯水年 K枯=Q枯P/Q枯D=566.67/543.67=1.042 K讯=12*QP-Q枯P*T枯/12*QD-Q枯D*T枯

=1222.36*12-566.67*6/（16011-543.67*6）=0.884 K枯=1.042 K汛=0.884

丰水年代表年平均

设计丰水年

2280 2276.22

K丰=QP/QD=2280*12/2276.22*12=1.002 K丰=1.002

中水年代表年平均 设计中水年 1730 1694.4

K中=QP/QD=1730*12/1694.4*12=1.021 K中=1.021

2、设计洪水

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设计洪水标准：设计标准 P = 0.1% 校核标准 P = 0.01%

步骤： 对竹岐水文站实测及调查的洪水资料（洪峰流量、三天洪量、七天洪量）进行频率分析（需作特大值处理），求出洪水的统计参数： 及相应的CV 、CS 值 ，

Q,W三P,W七P

并推求符合设计洪水标准的设计值：mP 进行洪水频率分析时有五个特大洪水 序号

实测值 PMa

洪峰流量PⅢ配线成果

Ⅰ 41600 .00270 均值: 17457.241

Ⅱ 34200 .00541 Cv: .302 Ⅲ 30200 .00811 Cv/Cs: 3.0 Ⅳ 30200 .01081

Ⅴ 29400 .01351

对洪峰流量分析

图（三）

１０

《枯水期三天洪量频率计算》计算成果

样本均值 Ex=33.17 变差系数 Cv=0.32 偏态系数 Cs=0.96 倍比系数 Cs/Cv=3

三天洪量分析

图（四）

七天洪量分析

《七天洪量频率计算》计算成果

样本均值 Ex=58.15 变差系数 Cv=0.31 偏态系数 Cs=0.93 倍比系数

Cs/Cv=3

图（五）

推求出

洪峰 三天洪量 七天洪量 设计(0.1%) 40601.702 80.66 138.03 校核（0.01%） 47666.298 95.43 162.66

利用竹岐水文站典型洪水过程推求典型洪水过程线

图（六）

利用竹岐典型洪水过程线，用同频率法推求设计洪水过程线，放大倍比：

KQm=

QmPW-W三日PW

K三日=三日P,K七-三日=七日P

QmD W三日DW七日D-W三日D

设计 校核

KQm=QMp/QMd=1.3810102721 KQm=QMp/QMd=1.6213026531

K三日=W三日P/W三日D=1.4035148773 K三日=W三日P/W三日D=1.6605185314K七-三日=W七日P-W三日P/W七日P-W三日D=1.9375211077K七-三日=W七日P-W三日P/W七日P-W三日D==2.2705167173

上述求出的是竹岐水文站的放大倍比，还需换算到坝址断面：

F坝= 52438km2

F竹= 54500km2 n= 0.5

（洪峰 ： QmP坝=

F坝F竹

)QmP竹

n

F坝n

=（)KQmQmD竹

F竹

洪量：

F坝=F竹=n=

W三日P坝

WTP坝=

F坝

WTP竹F竹

F坝F坝=W三日P竹=K三日W三日D竹

F竹F竹

W七-三日P坝=

F坝F

W七-三日P竹=坝K七-三日（W七日D竹-W三日D竹）F竹F竹

52438km2

设计

校核设计校核

54500km20.5

（坝址）设计 （坝址）校核

D=F坝/F竹=0.962 KQm=1.381*0.981=1.356 KQm=1.621*0.981=1.59C=(F坝/F竹)n=0.981 K三日=1.403*0.962=1.349 K三日=1.661*0.962=1.598 K七日-三日=1.938*0.9621.864 K七日-三日= 2.271*0.962=2.185W三日P坝=77.59492 亿m3/s QmP坝=C*KQmQmD竹=39829.9734 m3/s QmP坝=C*KQmQmD竹=46752 m3/s W三日P坝=91.80366 亿m3/s W七-三日P坝=55.18994 亿m3/s W七-三日P坝=64.67526 亿m3/s

经缩放后校核、设计洪水过程

图（七）

3、正常蓄水位 Z蓄 选择

Z蓄 = 65 m 4、死水位 Z死 选择（消落深度 h消 的选择） 死水位选择需考虑以下因素： ① 动能最优

h消1Z死1V兴1

h消2Z死2V兴2

h消nZ死nV兴n

β兴1

QH1N供1E供1

β兴2

QH2N供2E供2

β兴n

QHnN供nE供n

下流流量水位曲线

图（八）

水库面积容积特性曲线

图（九）

使用简算法：

求得E供～h消

H消=14m Z死1=65-14=51m

② 水轮机正常运行对消落深度的限制

h消 = （20 ~ 30）% Hmax 下游生态流量为300m/s 查表得下游最小水位为7.6m Hmax=65-7.6=57.4 h消=57.4*0.2=11.48 Z死2=53.52m

③ 淤沙水位对取水口高程的限制 Z死≥Z淤沙+∆h1+D+∆h2

Δh1 ：底槛厚度，取 0.5 ~ 1.0 m Δh2 ：淹没水深，取 1.5 ~ 2.0 m D ： 压力管经济管径

求D;设计流量（最大引用流量）：Qm=

Qm=ωV经济=

NyAHP

或

Qm=

π

4

D2V经济,D=

HP=0.9H

确定压力管径时，水口电站采用每台机单独一条引水管，故计算时应采用单机最

4Qm

,V经济=4~6m/sπV经济

Qm=

N预minAHmin Ny

AHP

大引用流量。

装机容量用装机年利用小时数估算：Ny=h装 = 3500h

Eh装

A

(η利W)H9.81

多年平均发电量用下式估算：E=0.00272ηW电H=0.00272

E=0.000272*η利*W电*H=5047866666.7Kw·h η利=0.75

Ny=E/h装=1442247.619Kw V经济=5m/s D=11.44m

淤积水位确定：

水库使用T年后泥沙淤积总库容V总淤：V总淤=V年淤T V年淤=V悬移+V推移 式中 V总淤----水库使用T年后泥沙淤积总量，m3 V年淤----多年平均年淤沙容积，m3/a

V悬移----多年平均悬移质泥沙淤积容积，m3/a V推移----多年平均推移质泥沙淤积容积，m3/a T ----设计淤积年限为100年

V悬移=（ρ0W0m）/[(1-P)γ] V推移=β V悬移

ρ0 ------多年平均悬移质含沙量，kg/m3 ，由实测资 料确定； W0 ----多年平均径流量，m3

m -----悬移质泥沙沉积率，与库容大小有关，水库越大，下泄沙量越少。 P -----悬移质泥沙孔隙率，一般为0.3~0.4 γ -----悬移质泥沙干容重，2600~2700 kg/m3

β -----推移质和悬移质泥沙沉积量的比值，一 般平原地区为0.01~0.05，丘陵

地区为 0.05~0.15，山区 0.15~0.30

ρ0=0.143kg/m3 W0=545亿m3 γ=2600kg/m3 m=0.5 β=0.2 V悬移= 0.02498 亿m3 V推移= 0.00500 亿m3

V年於=V推移 +V悬移=0.02998 亿m3

V总於=100*V年於=2.998 亿m3 查水位库容曲线可得 Z於=27m Δh2= 1.5 m Δh1=0.5 m

Z死3=27+11.44+1.5+0.5=40.44 m

Z死=Max（Z死1、Z死2、Z死3）=Max（51m、53.52m、40.44m）=53.52m 5、保证出力 NP 和保证电能 EP 计算 等出力调节（图解法），需考虑水量损失和水头损失。 水量损失： ∆W损月=∆W渗月+∆W蒸月 （各月取一样）

渗漏： ∆W渗月=1%V月≈1%V （按中等地质条件考虑） 蒸发：年蒸发水深 h蒸年=h水max-h陆 h水max=KE水max h陆=X-Y

V→F水

W蒸年=h蒸年⋅F水

∆W损月=∆W渗月+∆W蒸月→∆Q损月

∆W蒸月=W蒸年/12

Q净=Qe-∆Q损月

水头损失： ΔH损 = 0.04H毛 H净 = H毛 – ΔH损 = 0.96H毛

取六个月为供水期

计算Qh=590m3/s·月 查得下游水位Z下=8.298m Z上=60m H毛=51.70m h净=49.633m Np=AQ净H

简算Np=24.91万Kw

等出力调节计算保证出力 NP （图解法）：

先用简算法估算出 NP ，然后根据 NP 的大小在其上下假定 3 各方案， NP1=22万Kw NP2=23万Kw

NP3=24万Kw。

LW:tgα=∆t*1

① 取坐标系统及作水库工作曲线∆t=1个月

'LW:tgβ=

1

tgα2

H毛iHmin≤H毛i≤HmaxQNP1NP1

净i=

AH=

净iA⨯0.96H毛i

作固定出力线假定：Q净i→Z下i

Z上i=Z下i+H毛iZ上i→Wi

(由Z~V曲线）

由Q净i~Wi作固定出力线。

图（十一）

图（十二）

②

图（十三）

求得死水位与保证出力关系

图（十四）

死水位53.52m =532.3 m3/s·月 故保证出力为23.6万Kw

２１

6、装机容量及多年平均发电量计算 ∑T供

W

e

+V兴

供水期：QH=

TQ净=QH-∆Q损月

供

T不供不蓄期Q净= QQ损月蓄

e –Δ

∑W

e

-V兴

蓄水期：QT=

TQ净=QT-∆Q损月

蓄

列表法：Ni=AQ净iH净i

然后将36个月出力Ni 从大到小排列，作出力历时曲线。

假定：N1

yj→Ej→h装j=

EjNE=

n(y+∑N)∆tΔt = 730h n = 3yj

N≥NyN

∑N

图（十六）

作 Ny~E~h装 关系图。

２２

图（十七）

技术设计阶段：电力电量平衡Ny=N工+N备+N重 (1) 最大工作容量=N工

电力电量平衡原理，水口电站按承担峰荷确定。方法：试算法 ① 假定 N工，划分水电、火电和其它电站的工作范围 ② 求水电站供水期各月峰荷工作容量（峰荷出力）

２３

（）

图（十八）

④ 求供水期系统峰荷总需电量E供需

供水期系统峰荷总需电量为：E供需=∑Et=30.4∑σt⋅E日t ⑤ 电量平衡确定最大工作容量

"

⑴ 如果 EP=E供需，则N工即为所求；

"

⑵ 如果EP≠E供需，重新假设N工，返回②。

"N工1

"

N工2

"

N工3

"

N工4

T供

T供

E供需1E供需2E供需3E供需4

一月、十一月、十二月

二月、三月、十月

图（十九）

解得 N工 E供需 150 100 70 50

1416.35 （100万Kw·h） 697.14 （100万Kw·h） 346.44 （100万Kw·h） 174.63 （100万Kw·h）

２４

图（二十）

Np=23.6万Kw Ep=Np*T供=1034（100万Kw·h）

由图可得N工=120万Kw (2) 备用容量

N备 = N负荷 + N事故 + N检修

N负荷系 = 5% N系” ，由靠近负荷中心，调节性能较好的水电站承担； N事故系 = 10% N系” ，但不得小于系统中最大的单机容量（福建最大单机35万kW （设计时））。

N检修 ：在负荷图上平衡确定。

此次只考虑 N事故=0.1*120=12万Kw

N必 = N工” + N备=132万Kw

(3) 重复容量 N重复

重复容量用重复容量经济利用小时数 h经济 确定： 经验确定： 蓄水式: 2000 ~ 3000 h 径流式: 3000 ~ 4000 h

在出力持续曲线上，由 h经济 在 N必 之上确定 N重复 。

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图（二十一）

(4) 求装机容量及多年平均发电量

Ny最终选择140万Kw 水电站共有七台机组则 单机容量20万Kw * 7=Ny=140万Kw

由Ny~E~h装关系曲线图（十七）可得 h3800h

装=

多年平均发电量 E=52.8 亿Kw·h 7、设计洪水位 Z设 和校核洪水位 Z校 计算

水口电站溢洪道共12孔，B = 15 m，弧形闸门： H = 22 m。Z堰 = 43.0 m ，Z

限 = 61.0 m ε= 0.90，m=0.502

q=εm（2g）2H3/2

推求出Z~V Z~q 曲线

图（二十二）

２６

求得设计洪水调洪过程

图（二十三）

图（二十四）

２７

图（二十五）

图（二十六）

设计洪水位为：65.1 m

设计洪水最大下泄量：37393 m3/s 出现在102小时一分钟

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校核洪水位为：67.46m

校核洪水最大下泄量：43569 m3/s 出现在102小时10分钟

3.报告总结

经过一周多的水利水能规划课程设计，其中有顺利，也有曲折，返工自是不在话下，虽然返工很麻烦，但是不得不压迫自己继续下去，终于熬到了结束的是时刻，经过课程设计，对以前所学的工程水文学及水利水能规划都有了一个清晰的概念，大致了解了设计求解水电站基本参数所要经历的步骤，总算没有白费所发的时间。

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