水资源规划与利用毕业设计方案二

河海大学文天学院课程设计

---------水资源规划与利用

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学 号： 第二组 专 业： 时 间：

目录

1 基本情况 .......................................................................................................... 1 1.1 流域概况 ......................................................................................................... 1

1.2 开发任务 ................................................................................................... 1 1.3 设计任务 ................................................................................................... 2 1.4 设计前提 ................................................................................................... 2 1.5 设计内容 ................................................................................................... 3 1.6 设计原始资料 ............................................................................................ 3 2 兴利计算 ............................................................................................................ 7

2.1 基本资料整理 ............................................................................................ 7 2.2 死水位的确定 ............................................................................................ 7 2.3 保证出力计算 ............................................................................................ 9 2.4 水电站必需容量选择 ................................................................................ 10

2.4.1 工作容量计算 ................................................................................. 10 2.4.2 备用容量计算 ................................................................................. 11 2.4.3 电站必需工作容量 .......................................................................... 11 2.5 水电站调度图绘制 ................................................................................... 12 2.6 重复容量选择与多年平均电能计算 .......................................................... 15 3 防洪计算 .......................................................................................................... 17

3.1 水库调洪计算 .......................................................................................... 17 3.2 坝顶高程的确定 ....................................................................................... 19 附表1～附表6 ..................................................................................................... 22

附图1～附图6 ..................................................................................................... 29

1 基本情况

1.1 流域概况

五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内，上离沅陵县城73km，下距常德市130km。坝址控制流域面积83800km2，占沅水总流域面积的93%，流域雨量充沛，水量丰富，坝址多年平均流量2060m3/s，年水量649×108m3，并有1925年以来的水文资料和核实的历史洪水资料。坝址位于沅水干流最后一段峡谷出口处，岩性坚硬，地形地质条件良好。具备了修筑高坝的自然条件。

在沅水规划中，五强溪水电站为沅水干流最后第二个梯级，上游接虎皮溪及酉水的风滩（已建成）梯级，是一个以发电为主，兼有防洪、航运效益的综合利用水库，系湖南省最大的水电电源点。

1.2 开发任务

五强溪水电站是以发电为主、兼有防洪、航运和灌溉等效益的综合利用工程。其开发任务分述如下：

1．发电

五强溪水电站建成后投入华中电网，主要供电范围为湖南省。 2．防洪

沅水下游赤山以西的桃源、常德、汉寿三县及常德市所属平原河网地区，统称沅水尾闾。这个地区地势低洼。全靠提防保护，共保护人口106万，农水159万亩。现有河道的泄洪能力20000m3/s，如遇1927、1931、

1933、1935、1943、1949、1954、1969等年洪水重现，河道均不能完全承泄，防洪标准仅为5年一遇。五强溪水库靠近沅水尾闾，控制全流域面积的93%，解决尾闾防洪问题，是它的基本防洪任务。

3．航运

五强溪水电站的航运效益为改善水库区和坝下游河道的通航条件。 沅水是湘西的水上交通动脉，其干流全长1550km，通航里程为640km，但航道险滩很多。五强溪水库修建以后，坝址以上，沅水以下河段成为常年深水区，其险滩都将淹没。下游航道，确定五强溪航运基荷按10万kw相应流量考虑，枯水流量加大，上、下游航道均可改善。

4．灌溉

每年自5月下旬至9月下旬为灌溉季节，在该季节自水库上游直接引走的灌溉流量平均为35m3/s。

1.3 设计任务

本次设计任务是对五强溪水电站的诸方案（即正常蓄水位）已给的情况下，进行水库的兴利与防洪计算，确定各方案水利设备的参数，水库的调节操作方式及计算水利指标，并通过经济分析，比较方案之优劣。

1.4 设计前提

1．本水利枢纽是以发电、防洪为主要目标的综合利用水库； 2．水电站参加系统工作，发电设计保证率P=87.5%（按年份计）； 3．水电站的备选方案，正常蓄水位为115m.

4．本水利枢纽根据国家规定属一级，以千年一遇洪水为设计标准，万年一遇洪水为校核标准，电站使用年限为50年计；

5．水库库区蒸发渗漏等水量损失不大，故在初步设计阶段暂时不考虑；

6．水库下游有防洪要求，设计标准为二十年一遇洪水，安全泄洪流量q安=20000m3/s。

1.5 设计内容

1．水电站死水位选择及保证出力NP计算； 2．水电站装机容量选择；

3．绘制水电站调度图的防破坏线，加大出力辅助线，确定汛期限制水位；

4．求重复容量，计算水电站多年平均电能；

5．进行防洪计算，确定各种防洪特征水位及坝顶高程； 6．求水利指标；

7．经济计算，比较方案优劣。

1.6 设计原始资料

1．坝址以上流域面积F=83800km2；

2．坝址断面历年月平均流量资料（见附表一）； 3．水库水位～面积、库容曲线见表1.1； 4．坝址下游水位流量关系曲线见表1.2；

5．为改善下游通航条件，确定五强溪航运基荷按10kw计； 6．船闸操作需要耗用10m3/s，此部分流量不能用来发电； 表1.1 水库水位～面积、库容曲线表

表1.2 坝址下游水位流量关系曲线表

7．每年5月下旬至9月下旬为灌溉季节，在该季节自水库上游直接引走的灌溉流量平均为35.0m3/s，此部分流量亦不能用来发电；

8．在沅水规划中，五强溪水电站上游将干流的虎皮溪及酉水的风滩（已建成）梯级，其尾水水位124m及114.2m，各正常蓄水位方案对上游风滩的影响见表1.3；

表1.3 各正常蓄水位方案对上游风滩的影响

9．沅水尾闾洪灾情况、洞庭湖分分蓄洪提防基本情况见表1.4、1.5； 表1.4 沅水尾闾历年洪灾情况

表1.5 历年较大洪水所需拦洪量 单位：108m3

10．五强溪水库入库设计洪水过程线（见附表二）； 11．水库最大吹程15km，设计风速12km/s； 12．各方案泄洪建筑物参数见表1.6； 表1.6 各方案泄洪建筑物参数表

2 兴利计算

2.1 基本资料整理

正常蓄水位为115m.

设计原始资料给定的流量是坝址断面历年平均流量，考虑工程实际，现对其平均流量（附表一）数据进行处理：扣除灌溉和船闸用水。灌溉用水按5月下旬至9月下旬的灌溉季节每月扣除35 m3/s（5月扣除11.7 m3/s，七、八月扣除35 m3/s，9月扣除22.3m3/s）； 船闸运行用水按每月10 m3/s的流量扣除，从而得到新的年平均发电流量表（附表三）。

2.2 死水位的确定

死水位影响因素比较复杂，需考虑保证水库灌溉要求、满足泥沙淤积要求、保证水电站最低水头要求以及航运、养殖等其它要求。本次设计对死水位的确定采用简化处理的办法，主要考虑水库的使用寿命及泥沙淤积；灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求；水轮机最小水头的限制三个因素。各方案分述如下：

正常蓄水位115m

1．水库的使用寿命及泥沙淤积

使用寿命T按50年计，年淤积量V年为669万m3

V淤=V年×T =669×50=33450万m3

查库容～水位曲线表，确定水库在使用年限内满足防淤要求的死水位Z1=76.80m；

2．灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求，水库削落的最低水位不得小于Z2=82.00m;

3．水轮机最小水头的限制，水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。

1.（1）任意假定最小发电流量q（0），并相应下游Z下（0）。

最小发电流量取q（0）=679.2m3/s，查表得下游水位Z下（0）=49.77m。 （2） 极限削落深度

hm=（Z正－Z下（0））×35%=(115－49.77) ×35%=22.83m 死水位：Z3=Z正－hm=115－22.83=92.17m

（3）Z死(0)=max(Z1，Z2，Z3)=max(76.8，82.00，92.17)=92.17m； （4）根据Z3(0)长系列计算各年供水期调节流量qp=733.08 m3/s，，并满足| q（0）－ qp|=53.88m3/s>ε=1m3/s，不满足重新取最小发电流量。

2.（1）最小发电流量取q（0）=733 m3/s，查表得下游水位Z下（0）=49.88m。 （2）极限削落深度

hm=（Z正－Z下（0））×35%=(115－49.88) ×35%=22.79m 死水位：Z3=Z正－hm=115－22.79=92.21m

（3）Z死(0)=max(Z1，Z2，Z3)=max(76.80，82.00，92.21)=92.21m； （4）根据Z3(0)长系列计算各年供水期调节流量qp=733.08 m3/s，并满足| q（0）－ qp|=0.08 m3/s＜ε=1m3/s，则Z死=Z死（0）=92.21m。即死水位为92.21m，相应死库容11.353亿m3。

2.3 保证出力计算

本次设计要求长系列等出力操作；用试算法逐年求解以下方程组：

Vt-I,Vt——t时段初、末水库蓄水量； Qt——t时段平均入库流量（新系列）； qt —— t时段平均发电流量； Ht ——t时段平均水头； Vt——供水期末水库蓄水量。 2.3.1 计算方法

对某一特定年份求解步骤如下： 1．设 Np=N(0)

（1）设qt=q(0) (qt为t时段发电流量)；

（2）Vt=Vt-1+(Qt－qt)Δt (当Vt＞V兴+V死，取Vt=V兴+V死) （3）由 V均=(Vt+Vt-1)/2查水位库容曲线得到Z上； 由qt查坝址下游水位流量关系曲线得到Z下； （4）Nt=Kqt(Z上－Z下)

（5）若|Nt－Np|＜ε1,转下时段；否则

qt=q(0)+(tNp－Nt)/[K(Z上－Z下)]，转（2）步骤计算。

2．求年最小水库蓄水量Ve;

3．若|Ve－V死|＜ε2，转下一年；否则

Np=N(0)+K[(Z正+Z死)/2－Z下](Z死－Ve)/T供转（1）步骤计算。 求出各年的供水期平均出力后，据设计保证率可求出Np。 2.3.2 计算结果

本次设计采用程序计算，各方案具体参数及结果如下：

2．正常库容1726.41m3/s*月，死库容442.91m3/s*月，兴利库容1283.5m3/s*月。设计保证出力Np=35.34万kw。

2.4 水电站必需容量选择

必需容量包括工作容量与备用容量两部分。

2.4.1 工作容量计算

本设计缺少电力平衡的资料，采用经验方法确定工作容量如下（按方案一计算）：

1．保证出力中部分担任航运基荷： N工基=10 （万kw） 2．N峰为担任峰荷工作容量

N峰= Np－ N工基=35.34－10=25.34 （万kw） 3．按以下关系确定峰荷工作容量 N工峰= 3.08N峰＋7=85.05 （万kw）

4．水电站工作容量

N工= N工峰＋N工基=85.05＋10=95.05（万kw）

2.4.2 备用容量计算

本设计电站担任系统负荷用及事故备用容量，各方案取值见表2.1。

表2.1 各方案备用容量表

2.4.3 电站必需工作容量

经计算，沅水五强溪水电站各方案必需工作容量见表2.2。 表2.2 方案必需工作容量表

2.5 水电站调度图绘制

本次毕业设计要求从兴利要求出发对水电站调度要求作两条线，一条是基本调度线——防破坏线；一条是加大出力辅助线。

2.5.1 防破坏线

防破坏线按下列步骤计算确定。

1．择设计保证率范围内的径流系列（新系列）资料。（从原始系统中剔除来水小于设计枯水年的年份）

2．年从供水期水期末开始，按Np等出力逆时序操作，求得各年迟蓄方案水库蓄水量过程线。具体求解方程组：

式中符号意义同前。 其具体求解流程如下： （1）设qt=q(0)；

（2）Vt-1=Vt－(Qt－qt)Δt (Vt起始值为V死) （当Vt-1＜V死，取Vt-1=V

死

）；

（3） V均=(Vt+Vt-1)/2查水库水位库容曲线得到Z下； （4）Nt=Kqt(Z上－Z下)；

（5）若|Nt－Np| ＜ε，转前时段，否则 qt=q(0)+(Np－Nt)/〔K(Z上－Z下)〕，转（２）步骤

3．将各年迟蓄方案水库蓄水量过程线点在一张图，并取其外包线，即为防破坏线。

此外包线，实际上是各条蓄水量过程线的同时纵坐标最大值，在具体操作时，可在计算机算完第（２）步后，直接给出外包线各点坐标，当然最后采用值，还应输出结果作适当分析修正，使防破坏线更可靠。

经采用程序计算，各方案防破坏线的结果见表2.3。 表2.3 各方案防破坏线计算结果表

2.5.2 防洪限制水位确定

防洪限制水位是体现防洪与兴利相互结合的重要参数。选择恰当，可在不影响兴利可靠性前提下，降低大坝高度，节省投资。本设计以获得最大结合库容为原则选择。根据五强溪水电站洪水资料分析，该库洪水最迟发生在７月底，８月初：故防洪限制水位取值为７月底，８月初防洪线上的坐标值。

经计算并查水库水位库容曲线，各方案防洪限制水位和相应库容分别为：

防洪限制水位为113.54m，库容为41.84亿m3；

防洪限制水位作为调洪演算的起调水位，并据此可求出结合库容。 2.5.3 加大出力辅助线的绘制

在防破坏图中，在汛期防洪限制水位与破坏线间，为加大出力区，但加大出力范围较大，为减少操作的任意性，在该区中增加三条辅助线，采用简化的方法确定该组辅助线。具体如下：

Zit=Z死+（Z防限－ Z死）×i/4

式中：Zit为第i条加大出力线t时刻的坐标。 经计算各方案结果见表2.4。

表2.4 各方案加大出力辅助线参数表

由表2.4绘出加大出力辅助线。

三条辅助线将加大出力值计算公式如下： Ni=Np+（Ny－Np）÷4×i 各方案计算结果见表2.5。

表2.5 各方案加大出值计算表

2.6 重复容量选择与多年平均电能计算

2.6.1 重复容量选择

水电站在洪水期往往会产生大量弃水，为了利用弃水增发季节性电能，节省火电站的燃料消耗，增加一部分装机容量，由于它不能替代火电站的

工作容量，因而称它为重复容量。

本次设计N重采用经济利用小时数h

经济

=2500h。补充千瓦利用小时数

计算是确定重复容量的关键，但其核心是计算不同重复容量的多年平均电能，多年平均电能的计算与调度图或调度规划有关，本次设计调度按以下规则操作：

1．当时段初水位位于防破坏线内时，时段出力Nt=Np。

2．汛期时段初水位位于加大出力区时，按加大出力线工作，即Nt=Ni。 3．段初水位在防破坏线以上时，使时段水位尽可能向防破坏线上靠，同时要考虑装机容量的限制。

4．当满装机发电，且水位超过Z防限或Z正时，才允许弃水。 计算重复容量的选择及多年平均电能计算。假设重复容量N重等于0、5、10、15、20万kw时，分别计算新系列多年平均发电量E及重复容量年利用小时数h，计算结果见表2.6。当重复容量为4万kw，年利用小时数h等于h经济=2500h，故重复容量为4万kw。 表2.6 重复容量计算表

2.6.2 装机容量的确定

装机容量由必须容量和重复容量确定，但由于回水对上游风滩电站的影响，扣除风滩电站的多年平均减少电能。 Ny=N必+N重=120.05+4=124.05万kw；

2.6.3 多年平均电能计算

利用上述计算结果点绘Ny（Ny=N必+N重）～E的关系图， E=68.24－0=68.24亿kw.h；

3 防洪计算

3.1 水库调洪计算

五强溪水库工程等别为一等，按P=0.1%洪水标准设计、P=0.01%洪水标准校核。水库下游防洪标准为P=5%，安全泄洪量q安=20000m3/s。本次设计防洪计算的任务包括上述三种洪水标准的调洪计算。

利用五强溪水库入库典型洪水，调洪计算采用多级调节方法，具体的调洪规则如下：

1．起调水位为汛前限制水位。

2．当水库洪水流量小于汛前限制水位相应的下泄能力，且小于安全泄量时，控制闸门，让泄流量等于来水量水库水位维持在汛期水位不变。

3．当水库入流量超过汛前限制水位相应的下泄能力，而小于下游安全泄量时，打开闸门自由泄流，水库水位上升，下泄量随之增大。

4．当自由泄流量超过安全泄量时，控制qt=q安，直至调节计算结束，所得最高水位为防洪高水位。

5．当水库水位不及防洪高水位时，控制qt=q安，当水库水位升高至防洪高水位时，闸门全开，自由泄流，得调洪后的最高水位。

溢洪设备的选择本身是一个经济问题，它是权衡上下游洪灾损失的重要参数，而且泄洪设备还受材料最大应力强度及闸门结构限制、下游岩基状况及消能设备情况的影响。

自由泄流时采用公式：Q=1.77nBH3/2； 孔口出流是采用公式：Q=nωμ (2gH)1/2； μ=0.99－0.53a/H

对于千年一遇洪水调节计算得设计洪水水位及相应最大下泄流量，对万年一遇洪水进行调节计算得校核水位及相应最大下泄流量，并根据求得的校核洪水位，确定总库容。

在调洪计算过程中，对闸门控制泄流情形，利用水量平衡方程式推求求得，但对于自由泄流情形则需求解隐式方程组。 Vt=Vt－1+[(Qt+Qt－1)/2－(qt+qt－1)/2]×Δt q=f(v)

本次设计按如下步骤试算求解： ①、假定qt=q(0)；

②、Vt=Vt－1+[(Qt+Qt－1)/2－(qt+qt－1)/2]×Δt； ③、由Vt查q=f(v) 曲线得相应下泄流量q(1) ；

④、若|q(0)－q(1)|

⑤、确定防洪高水位、设计洪水位及校核洪水位，确定相应库容。 各方案水库调洪计算结果见表3.1。 各方案水库调洪计算详细结果见附表。

表3.1 水库各方案调洪计算成果表

3.2 坝顶高程的确定

坝顶高程计算公式如下：

坝顶高程1=设计洪水+风浪高+安全超高1 坝顶高程2=校核洪水+风浪高2+安全超高2 坝顶高程=max｛坝顶高程1，坝顶高程2｝ 风浪高的计算公式； Δh=0.0208V5/4D1/3

式中V为风速，以m/s计，设计风速12m/s，校核洪水时风速乘以0.8；D为吹程，为15km计。安全超高由规范据坝质、坝型而规定（0.5～1.0m）。设计洪水时取0.7m，校核洪水时取0.5m。

经计算：Δh设计=1.15m；Δh校核=0.87m。则各方案坝顶高程为： 坝顶高程

1=124.42+1.15+0.7=126.26m；坝顶高程

2=128.42+0.87+0.5=129.79m。坝顶高程=max｛坝顶高程1，坝顶高程2｝=129.79m。

五强溪水电站各项水利指标见表3.2。

表3.2 水利指标成果统计表

附表1~附表6

附表1 正常蓄水位115m调节流量计算表 m3

附表3

附表4 洪水调度计算表(P=5%)

附表5 洪水调度计算表(P=0.1%)

附表6 洪水调度计算表(P=0.01%)

附图1～附图7

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附图2 防破坏线

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