《水电能源学》课件.ppt

,水 电 能 源 学,华中科技大学 水电与数字化工程学院2009年8月,1.1 水资源的综合利用及河流的梯级开发,第一章 水利系统及其组成,地面和地下水源是一种重要的自然资源，称为水资源。水资源的综合利用主要包括：,防洪、治涝、水力发电、农田灌溉、工业和居民给水、水路运输、游览和环境治理等。,一、水资源的综合利用,在一条河流上，从上游到下游有一系列的水电枢纽、形成阶梯形布置，称为梯级开发。,二、河流的梯级开发,水利系统由库坝系统、进水和输水系统、厂房及厂区系统、水轮发电机组和控制设备组成。,1.水利系统及其组成,一、库坝系统,通过建坝，集中水头并形成水库，库和坝相互联系。,通过进水口、压力管道，闸阀等，将水引入水轮机。,二、进水和输水系统,厂房是安装水、机、电各种设备的场所。,三、厂房及厂区系统,水轮发电机组由水轮机和同步发电机组成。,四、水轮发电机组,水轮发电机组的出力与库坝系统水力要素的关系为,式中，为流量、为水头、为能量转换效率。,其中，水轮机将水能转换为旋转机械能；发电机将旋转机械能转换为满足电网要求的电能。,1.3 水电能源的特点,水能是一种非常优越的能源 水能是一种再生能源；水能是一种洁净能源；水能可以综合利用。,水电能源可以储备 发电与用电必须保持平衡,而电能又无法储存。为了协调发电与用电的矛盾，可以利用水库对河川的径流进行调节，即利用水库先把输入的水能储蓄起来，然后按照系统的需要，供水电站使用。,担负电力系统的调峰、调频任务 由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机组担任调峰、调频的任务。由于水电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统的调峰、调频任务。,担负电力系统的事故备用 由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事故备用容量。,一、洪涝灾害,1、洪水灾害产生的原因,1.4 洪涝灾害和水库的防洪作用,流域来水过大；河道泻通不畅。,两个原因之间不同的相互关系就构成了不同程度的洪水灾害。,2、涝灾产生的原因,降雨集中，地面径流聚集在盆地、平原，积水过多或地下水位过高；,积水区排水系统不健全，或因外河（湖）洪水顶托倒灌，或地下水位不能及时降低。,二、水库的防洪作用,水库的防洪作用包括：水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库上游防洪.,通过水库的蓄洪、滞洪后，使下游防护区在遭遇频率符合防护标准的洪水时，流经河道某控制点的下泻流量或水位高程不超过允许的限定值，从而保证防护区免受洪水灾害。,1、水库下游防洪,2、水利枢纽本身的防洪,防止因洪水漫顶而引起水工建筑物溃塌，保证水工建筑物本身的安全。同时也避免因溃坝而给下游带来灾难性的洪灾。,3、水库上游防洪,指一定水库水位以上的水库地区不允许淹没的防洪问题。,水库防洪是在保证水工建筑物安全的前提下，用足够的库容来拦蓄洪水，水库通过防洪库容或预泄，留出部分库容来拦蓄洪水，以削减洪峰，改变天然洪水过程，满足下游防洪要求，而且蓄留一部分洪水，在枯水期供兴利使用。,水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库上游防洪三者之间相互制约，因此需要合理调度.,水库的调洪作用主要是通过改变天然洪水过程线，使下泻流量不超过下游河道的允许泻量。这种洪水过程的变形主要体现在防洪库容中蓄水量的变化上，即调节水量的充蓄与泻放。,天然洪水过程经过水库时所发生的变化与水库的容积特性、泻洪建筑物的型式和尺寸，以及水库的运行方式有关。,1.5 兴利用水的要求和特点,一、水力发电,集中水头，调节流量，向电网提供电能。,二、灌溉,合理的人工灌溉是保证农业稳产的重要措施。,三、供水,对居民和工业给水的供水。,四、航运,航运不消耗水量，但对流量和流速有要求。,五、鱼业,渔业不消耗水量，但对水质有要求。,1.6 各水利部门之间的矛盾,一、用水数量上的矛盾,二、用水时间上的矛盾,三、水库容积使用上的矛盾,第二章 河川径流与水文过程的随机模拟,河川径流是一种随时间变化的连续过程，每年的变化过程不可能完全一致。,这是由于影响水文现象变化的因素非常复杂，各因素本身在时间上又不断地发生变化，未来河川径流量的大小无法确知，具有不重复性的特点，这就是所谓随机性，或者说河川径流是一个典型的随机过程。,从长期观测资料中可以看到，河川径流量的变化总有比较明显的洪水期和枯水期，即表明河川径流的变化具有一定的周期性，这对于认识河流和利用河流有很大作用；,另一方面，河川径流具有地区性，相邻流域的水文现象就有一定的相似规律，这就利用相似流域较长的观测资料延长和插补另外河流短缺的资料。,2.1 径流的形成,径流是指降落在流域表面的雨水，由地面与地下向径流出口断面汇集的水流流量。其中，来自地面的部分称为地面径流，地下部分称为地下径流。,每当流域上有降雨时，河流中的水位就有起伏变化，也就有一个相应的流量过程。,典型的洪水过程如图所示：,将降雨过程与流量过程相比较，可得出：,流量变化过程比降雨过程平缓；,流量过程线的历时比降雨的历时长得多；,通过流域出口断面的径流量比降雨小。,一、径流的形成过程,径流的形成过程分为产流阶段和汇流两个阶段。,对一次降雨过程，降雨量中只有一部分形成径流，称为产流量；不形成径流的部分称为损失量，其中包括：雨期蒸发、植物截留、填洼和补充土壤缺水量。,降雨损失量的一般情况为：,一般植被条件下，次洪截留量小于35mm；,填洼量一般在1050mm之间；,雨期蒸发量与温度和日照有关；,下渗量与土壤类别、植被条件及土壤含水量有关。在土壤干燥，植被良好的地区，次洪的下渗量可达100mm以上。,1、产流过程,（1）蓄满产流,指一次降雨在土壤缺水量未满足以前不产生径流，在土壤缺水蓄满以后，降雨全部形成径流。,蓄满产流主要决定于降雨量与前期土壤的含水量，而不决定于降雨强度。蓄满产流的条件为：,式中：为土壤含水量（）；为田间持水量（）。,蓄满产流适合于我国南方的湿润及半湿润地区。,（2）超渗产流,一次降雨在超渗前全部降雨量都是损失量，不产流。超渗后才产生一定的地面径流。,超渗产流在降雨后能否产生一定的地面径流，除与前期土壤的含水量有关外，主要决定于降雨强度。,产生地面径流的条件为：,式中：为降雨强度；为下渗强度；单位均为（）。,蓄满产流适合于我国西北的干旱地区。,蓄满产流的降雨产流关系符合下列水量平衡方程,式中：为次洪降雨量及总产流量；为雨期蒸发量；为包气带达 土壤含水量；为降雨初期包气带土壤含水量；以上单位均为（）。,（3）降雨产流关系,2、汇流过程,降雨产生的径流汇集到河网后，又从上游流向下游，最后流经流域出口断面称为汇流过程。,流域的汇流过程包括坡地和河网两个汇流阶段：,坡地汇流是指水体在坡面上的流动；,当水流由坡面补给河槽，沿河网继续运动就进入河网汇流阶段。,坡地和河网在汇流特性上是存在差异的。,在流域坡面，水流不断发生水平和垂向运动。在降雨期间及以后，沿坡面垂向，伴随着产流形成地面流、地下流及壤中流三种不同水源的径流。其中：,（1）坡地汇流的特性,地面流的流速不大，一般为0.10.2m/s，但流程短，通常不出数百米。所以通常汇流历时往往只有几十分钟；,地下水流速小，常以m/d计，所以汇流历时长，以日月计；,壤中流的流速则介于地面流和之间地下流。,在河网汇流阶段，汇流特性受制于河槽的水利条件，各种水源就一致了。,（2）河网汇流的特性,河网由河段组成，河网汇流的基本规律受着程度不同的流域调蓄作用，还有各支流间洪水波的相互干扰影响，因此更加复杂。,河网的汇流速度比坡地大的多，常以m/s计，但因汇流路径长，河网汇流的历时视流域的大小而定，可达几个小时甚至几天。,二、影响径流形成的因素,河川径流的形成是一个极其复杂的过程，受流域气候因素、地理因素和人类活动因素的影响。,1、气候因素的影响：主要通过降雨和蒸发表现出来。,2、地理因素的影响：包括有流域地形、流域面积、流域地质和土壤特性。,3、人类活动因素的影响：人类对自然环境的改变必然会影响径流过程。,2.2 年径流量的变化及其年内的分配,年径流量计算的目的：,揭露年际水量的变化与年内水量分配的规律，从而预告未来的径流趋势，为水利水电工程的合理修建和运行提供水情依据。,目前的科学技术水平还不能对径流作出长期定量的预报。因此，只能应用数理统计理论寻求年径流的统计规律，以便取得工程设计和应用中的水文数据，以满足工程实际的需要。,一、频率曲线,在水文现象的发生、发展和演变过程中，包含着必然性的一面，也包含着偶然性的一面。偶然现象虽然有其不确定的一面，但经过观察大量的同类现象后，也会发现它具有规律性的一面，而且这种规律性与它出现的机会（概率、频率）联系在一起。,径流的频率曲线描述了河川径流的统计特性。,古典概率的定义为,应用条件：,式中，为 中所包含的基本事件总数；为基本事件总数。,试验的样本空间的元素为有限个；试验中每个基本事件出现的可能性相同。,由于在古典概率的应用中需要把所有的事件都罗列出来，并判断是等可能的，因此有很大的局限性。,若某一事件不能归结为古典概率事件，可通过试验来估计概率。如果总共试验 次，事件 出现 次，则事件 的频率为,当试验的次数 不大时，有明显的随机性（波动），但是当 时，。这就是所谓隐含在随机现象中的规律性统计规律。,在水文计算中，常采用频率曲线来表达。同时，频率曲线又分为经验频率曲线和理论频率曲线。,1、经验频率曲线,如经验频率计算的简单公式为：,经验频率是根据过去的统计资料，按数值大小排列，用经验公式求出相应的频率。,式中：频率；系列的项数；顺序（大小）中的项数。,经验频率曲线的计算如图所示。由此可见经验频率的意义为。,在水文计算中，常用的经验频率公式还有：,由于水文序列一般都不很长，就必然存在资料代表性不足与推求小概率径流之间的矛盾。,海森公式,数学期望公式,频率往往与重现期联系起来，其关系为：,当研究枯水期时（），；,当研究洪水流量时（），重现期 为频率的倒数；,例如，当 时，在洪水流量的计算中称重现期为百年一遇。,2、理论频率曲线,许多研究者都认为偏态分布更适合河川径流的特征，其中最典型的是 曲线。一般说，从无数条河川各个不同的径流特征数字的研究中，运用此类曲线获得的丰富经验证明它与经验资料相当符合，因此目前在实际计算工作中，该曲线得到普遍应用。,但是必须指出：水文随机变量服从何种分布，目前还没有充分的论证。,曲线的计算式为：,式中：众值出现的概率；众值至曲线起点的距离；偏态半径。,其中：,变差系数：,偏态系数：,二、径流量的表示方法,通常表示径流的方法有以下几种：,1、流量,指单位时间内通过某一断面的水量()。通常用某时段内平均流量表示，如：日平均、月平均、年平均和多年平均流量。,2、径流总量,指在一固定的时段（日、旬、月、年或多年）内径流某一断面的总水量、（亿立方）。,3、径流深度,指计算时段内的径流总量平均分布在出口断面以上的流域上所得到的水层深度。,式中：单位换算系数；流域面积。,4、径流模数,指单位面积上的平均流量,式中：，为由（公升）的换算系数。,5、模比系数,指某时段（年、月、旬、日）的径流模数（或流量）与其多年平均数值之比,6、径流系数,指任何时段内的径流深度 与同一时期内降落在受水面上降水量 之比,三、年径流及其年内分配,多年平均年径流量是反映河川径流量最重要的水文特征值之一，是水利工程规划、设计和运行的基本依据。,通常采用河川流域的水量平衡方程式来研究影响年径流的因素，以年为时段的流域水量平衡方程式为,式中：流域的年径流量；流域的年降水量；流域的年蒸发量；时段始末的流域蓄水量的变化；时段始末的流域之间的交换水量。,用以往长期实测年径流系列来反映未来年径流变化时，应对实测年径流系列进行以下审查：,可靠性审查：鉴定原始数据的准确程度和可靠程度；,一致性审查：考虑人类活动对径流量影响的修正；,代表性审查：审查样本资料的统计特征能否很好地反映总体的统计特征。,四、在径流资料不足的情况下，设计年径流的计算,在水文计算工作中，常常会遇到实测资料短缺的情况，无法保证计算的精度和可靠性。因此，必须设法展延年、月径流系列。,若本流域的下游测站（或相邻流域的某一测站）掌握长期实测径流资料，便可利用它作为参证站。,1、径流资料的展延方法,将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年径流量的相关直线。,参证站的选择依据：,参证站与设计站的年径流应具有同一成因的共同基础；,参证站应具有长期实测资料，有较好的代表性；,参证站与设计站之间有足够长的一段同期观测资料，以便建立两者的相互关系。,2、设计年径流的计算,根据年径流的长期实测资料（或展研资料），运用频率计算的方法，寻求其频率曲线。计算步骤为：,对年径流资料系列进行合理性审查；,把年径流量按递减次序排列，用经验频率公式（常用数学期望公式）计算每个数值的经验频率，并作出经验频率曲线；,采用P-III曲线解决经验频率曲线外延的问题；,计算年径流。,例题1：在某河流下游修建水库，该处流域面积为1200平方公里，具有1956-1959年和1964-1966年的实测径流资料，需要延长该系列，以提供水库水文设计依据。,实测年平均流量表,解：选择该河流上游水库作为参证站，该处流域面积为820平方公里，具有1952-1971年较长的实测径流资料。两站的各年的实测年平均流量系列如表。,将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年径流量的相关直线。,根据相关线即可求出该流域设计站缺测年份的年径流，供水文水利设计时应用。,例题2：在某河流上修建水库，其坝址处22年的径流系列如下表所示，试绘制经验频率曲线，并求设计频率为P=85%的年平均流量。,解：（1）计算径流系列的年平均流量,（2）计算平均流量的模比系数,（3）计算经验频率,（4）计算变差系数和偏态系数,（5）计算理论频率曲线,在理论频率曲线查得P=85%的年平均流量为,2.3 洪水分析与计算,一、洪水成因及其客观规律,我国河川的径流量一般多集中在年内一定的季节中，即所谓的“汛期”。由于有些年份的汛期水量过于集中，就可能形成洪水灾害。,洪水主要是由暴雨所形成。我国洪水的一般特征为：洪峰流量大，洪水总量也大，汛期时间长。,对洪水研究的重要性为：,（1）设计洪水的大小决定了水工建筑物的基本尺寸及其造价；,（2）若设计洪水偏大，虽然水工建筑物安全，但投资过大并造成损失；过小，则可能招致水工建筑物被毁，而转为生命攸关的安全问题；,（3）在综合利用水库的调度中将会造成损失。,二、设计洪水,设计洪水是根据流域洪水形成的客观规律，结合水利工程任务、规模和要求而拟订的某一设计标准的洪水。,当这种洪水来临时，既要确保大坝的安全，又要使其万一失事情况下，不致遭受意想不到的损失。因此，在设计水工建筑物时，需要正确选择某一洪水作为设计的依据。,在水文计算中，往往以洪水的重现期作为客观标准，一般称此重现期为设计标准，相应的某一设计标准的洪水称为设计洪水。,实践中具体采用哪一种频率的洪水作为设计标准，应当根据经济和安全两个原则考虑。,三、设计洪水的计算,设计洪水的计算内容包括：设计洪峰流量、设计洪水总量 与设计洪水过程线 三个部分。,设计洪水的计算方法有：,1、由径流资料计算设计洪水：如果有长期的水文资料，可直接计算；,2、由暴雨资料计算设计：当缺少实测资料，而有雨量资料时，可采用暴雨资料推求；,3、由水文气象资料推求设计洪水：运用水文气象学理论，从洪水物理成因的观点出发，推求流域的可能最大暴雨，然后再转化为可能最大洪水。,四、设计洪峰流量的计算,在观测资料较充分的条件下，常通过频率计算推求设计频率的洪峰流量、其计算方法与年径流量基本相同。以下仅就一些不同之处进行说明。,1、样本选择,在洪水资料选样时,必须保证样本的独立性.由于每年有多次洪水,因而每年就有多个洪峰及洪量。一般在每年的洪水资料中，只选用一个最大的洪峰，这样在 年的实测径流资料就选用了 个每年最大的洪峰流量 组成一个 项系列作为频率计算的样本。这是目前广泛采用的一种选样法。,2、特大洪水的处理,要从有限的洪水实测资料中推求算出百年一遇、甚至千年一遇的洪水，就必然存在着资料代表性不够和推求稀遇洪水之间的矛盾。解决这个矛盾有效的方法是通过调查历史洪水和对特大洪水的处理来提高资料的代表性。,特大洪水不仅是指比一般洪水大得多的稀遇洪水，而且通过对洪水调查考证，能够确定出它的大小和重现期的洪水。,3、洪水频率计算,在洪水频率计算中充分考虑历史特大洪水,使计算的设计洪水成果具有相对稳定性。,由于特大洪水值不能与观测系列中的其它值同等看待。因此其均值和变差系数的计算方法也有所不同。,在进行洪水频率计算时，是否考虑对历史特大洪水的处理,其结果有较大区别。,例如：某水电站在1995年进行规划时，根据18年的实测资料计算出千年一遇的洪峰流量为,然而1996年发生了洪峰流量为的特大洪水，将此作为特大洪水处理，计算出千年一遇的洪峰流量为,若再加入调查的历史特大洪水进行频率计算，得到千年一遇的洪峰流量为,比增加了56%；,比增加了80%；,设有年实测的洪峰流量资料如图。同时，在年实测资料以外有一次历史洪水。,假定缺测的年中洪水均值与现有的年实测资料的均值相等，则除去历史洪水 以外的 年中，全部洪峰流量的总和为：,则包括历史洪水 在内外的 年洪峰流量均值为：,同样假定缺测的 年中洪水均方差与现有的 年实测资料的均方差相等，即,则除去最大值 的 年中洪水离均差平方的总和为,故包括最大值 在内的变差系数为,式中：为历史特大洪水的模比系数；为 年实测流量的模比系数。,五、设计洪量的计算,设计洪量的计算方法与设计洪峰流量的计算方法大体相同。其中：,各年的最大洪峰流量资料可从实测资料中查取；,各年的最大洪峰流量可利用水文年鉴上该年的洪水要素摘录表统计选择；,每年各种历时洪量的选择也是用年最大值法。,计算之前，首先要决定控制时段（即洪水的历时）。例如：,若洪水历时为一天，则从洪水资料中找出最大洪水过程线24小时所包围的面积，即为24小时的洪水总量。,六、设计洪水过程线的推求,在水利水电工程的实际中，往往不仅要知道洪峰和洪量，还需要获取设计洪水过程线，以次来合理拟订水工建筑物的规模尺寸，使工程本身和下游地区达到预定的防洪标准。,在有实测洪水流量资料的情况下，常采用典型洪水过程线放大的方法来拟订设计洪水过程线。,1、典型洪水过程线的选择原则,选择峰高、量大的洪水过程线，且比较接近于设计条件下的稀遇洪水；,如:选择峰形集中、主峰靠后的过程；在较大流域内需考虑洪水组合与遭遇对水库作用最不利的情况。,选择较恶劣情况下的洪水类型；,2、拟定设计洪水过程线的同倍比放大法,以放大倍比乘典型洪水过程线的各纵坐标，便得到设计洪水过程线。,式中：为设计洪水的洪量；为典型洪水的洪量。,式中：为设计洪水过程线；为典型洪水过程线；为放大倍比。,第三章 水利水能计算,3.1 概述,一、水利计算,水利计算的任务：从整体上提出规划，并对水资源进行合理的运用和控制。,水利计算的内容包括：对设计方案进行径流调节、洪水调节、回水和洪水演进等计算。,水利计算的参数包括：求出设计保证率、水库调节流量和有效库容的关系，确定各时段的调节流量、水库蓄水量、水库上下游水位等。,二、水能计算,在水利计算的基础上，针对水电站的设计和运行，计算出水电站的保证出力、多年平均发电量等。,3.2 水库调节性能的分类,1、按水库调节周期的长短分类,一、水库调节性能的三种分类方法,分为日调节、周调节、年调节（包括不完全年调节和季调节）和多年调节水库。,（1）日调节水库,水库库容较小，仅能将一昼夜的来水按照用水及用电要求进行径流重新分配。,（2）年调节水库,在一年中重新分配河流的水量，即把一年中洪水期多余水量存在水库中，供枯水期使用。水库的调节期为一年。,2、按水库的任务分类,分为单目标水库和多目标水库：,只能满足一个用水部门用水要求的水库称为单目标水库；,能同时满足两个以上部门用水要求的水库称为多目标水库。,3、按水库的作用分类,分为单独运转水库、联合运转水库和反调节水库：,单独运转水库：指没有其它水库配合运用的水库；,联合运转水库：指河流上下游或干支流有两个以上的水库联合运行；,反调节水库：指当水库调节方式不能同时满足两个用水部门要求时，需在该水库的下游另建水库，以满足不同用水部门用水方式的矛盾。,二、水库调节性能的判断,水库为了实现某种调节任务，必须具有适当的水库容积。一般根据水库的库容系数和调节系数来判断水库的调节性能。,1、库容系数,指水库有效库容 与入库多年平均年水量 之比。库容系数愈大，则水库的调节性能愈好。,2、调节系数,指水库在设计保证率条件下调节流量 与坝址处多年平均流量 之比。,一、水库的特性曲线,1、水库面积曲线,3.3 水库及其特性,指水库水位与水库面积之间的关系曲线。水库面积系指某一高程的等高线和坝轴线所包围的面积。,2、水库容积曲线,指水库水位与水库容积之间的关系曲线。水库容积曲线是由水库面积曲线推算而来的：,3、考虑动库容的水库容积曲线,当水库中水的流速 较大时，坝前回水所形成的附加容积占静库容的比重较大，就要考虑因回水形成的附加库容，即动库容。,二、水库的特性水位及其相应的库容,确定水库的特征水位及相应库容是水电工程规划、设计的主要任务之一。,例如，三峡水库正常蓄水位为175m；防洪限制水位为145m；防洪库容为221.5亿m3；枯水期消落最低水位（死水位）为155m；最高水位为182m；坝顶高程为185m。,水库的主要特征值如图所示：,1、死水位和死库容：水库在正常运用的情况下，允许水位消落到的最低位置为死水位，这个水位以下的库容为死库容。,2、正常蓄水位和兴利库容：水库在正常运用情况下，为满足设计的兴利要求所蓄到的高水位，该水位与死水位之间的库容为兴利库容。,3、防洪限制水位：水库在汛期来临以前和汛期中允许兴利蓄水的上限水位。它可根据防洪要求和洪水特性，在汛期不同时段分期拟定。,4、设计洪水位和拦洪库容：当大坝遇到设计标准的洪水时，允许水库达到的最高水位称为设计洪水位，该水位与防洪限制水位间的库容为拦洪库容。,5、防洪高水位和防洪库容：当水库担负下游防洪任务时，遇到防护对象设计标准洪水时，允许水库达到的最高水位称为防洪高水位，该水位与防洪限制水位间的库容为防洪库容。,6、保坝洪水位和调洪库容：当遇到大坝校核标准的洪水时，允许水库达到的最高水位称为保坝洪水位，该水位与防洪限制水位间的库容为调洪库容。,三、水库的水量损失,水库的水量损失包括水库的蒸发损失、水库的渗漏损失和结冰损失。,1、水库的蒸发损失,水库建成并蓄水后，是流域的水面面积增大，而陆地面积减少。由于水面蒸发比陆地蒸发大，所以在计算水面蒸发时必须从水面蒸发中减去原先的地面蒸发量。,2、水库的渗漏损失,渗漏损失的水量包括：,（1）通过坝基及绕过坝址两端，渗漏至下游；,（3）通过河床渗入到透水层。,（2）通过坝身的渗漏；,3、结冰损失,由于结冰而消耗的水量，只是暂时变更水的状态，一时不能利用，实际上并未从水库中流走。,3.4 径流调节计算的原理和方法,一、概述,径流调节计算的方法分为时历法和数理统计法。,水库调节计算的任务是研究入库天然径流、水库调节流量和水库蓄水之间的关系。,时历法是直接根据原始水文资料的历年入库径流过程进行调节计算，可得出调节流量、水库水位、蓄水量、弃水量等，计算结果能明显地反映出水库的运用过程。,对于重要的水利工程，必须同时用上述两种方法进行相互验证。,数理统计法是根据水文资料的统计特性，以数理统计为基础的调节计算，这种方法具有概括性，故适合于方案较多的初步计算。,二、时历法的基本原理,水量平衡方程式：,式中：,为在时段 内的入库流量；,为在时段 内的出库流量；,为在时段 内的库容变化。,通常在水量平衡方程式中以流量关系来表示，并考虑水库中的水量损失：,式中：,为天然入库流量（）；,为调节流量（）；,为取用或存入水库的平均流量（）；,为水库水量损失（）。,在水库水量平衡方程式中，天然入库流量 总是已知的。因此，调节计算要解决的问题是：,根据已知的调节流量值决定所需的水库有效容积值；根据已知的水库容积值决定调节流量。,三、时历法的列表计算,当天然来水过程和水库调节流量已知时，根据水量平衡方程式对供水期逐时段进行水库的水量平衡运算，然后有分析地依次累加供水期的不足水量，即可求得水库的有效库容，全部计算可用列表的方式进行。,例题：设流域断面的设计枯水年平均流量等于各月的用水量（），在已知来水 的情况下，试求水库的调节库容。,表中第5栏为各时段水库中的水量变化，它等于第4栏数字与时段的乘积；将表中连续有余水月份（5-11月）的余水量累加得;,同时，缺水月份（12，1-4）的缺水量的累加值为。分析这一栏的数据可知，为了保证所需要的调节流量值，需要水库的调节库容为1470。,表中第7栏的水库存水量是这样推算的：先要找出水库供水和蓄水的起止时刻。供水期从12月初开始，到4月末水库放空结束。因此，蓄水期从5月初开始算起。,弃水期的6月到10月的弃水量为,当水库在调节周期（一年）内只有一次连续供、蓄水的情况，称为水库的一次运用。,水库在调节周期内充满一回、泄空一回。在此情况下，就是水库的有效库容。,当水库在一个调节周期内连续供、蓄水的情况有二次（或多次），称为水库的二次（或多次）运用。,在此情况下，为水库的不足水量；为水库的多余水量。,当 时，水库的调节库容为 和 中的大者；当，时，为了满足调节流量的要求，就必须事先在水库中多储蓄 的水量。因此，水库的调节库容为。,上述分析原则也适用于更为复杂的多次运用情况。,水库防洪设计的内容包括为确保本身安全的设计、较核洪水的调洪计算和为水库下游防护对象防洪标准的防洪计算洪水调节计算一般都是在防洪设计标准一定的情况下，针对拟订方案进行的。,3.5 洪水调节计算,一、概述,起始调洪水位；,在进行洪水调节计算时，首先拟定若干方案。拟定方案的因素包括：,水库防洪运用方式；,泻洪建筑物型式和规模。,通过各种方案计算所求得的出库洪水流量和水位过程线，并确定与各种洪水标准相应的防洪库容和洪水位，然后可对每一方案进行防洪效益和投资计算，以便进行综合分析和比较，选取最优方案，为决定水库的有关参数和泻洪建筑物型式、尺寸提供依据。,洪水调节计算的基本任务是：,洪水进入水库后形成的洪水波运动，在一般情况下属不恒定流状态，其特点是库区各断面的水力要素（流速、流量等）都是随时间变化的，常用圣维南方程组来表示：,二、调洪演算的基本原理,（1）连续方程（水量平衡方程式）,（2）动力方程式,以上方程组很难得出精确的分析解，一般是采用忽略方程式中次要因素，用简化了的近似解。水库调洪计算普遍采用瞬态法，这种方法的物理概念较明确，但在计算中需作较大的简化。,式中：为过水断面面积；为流量；为沿水流方向的距离；为时间；为水位；为断面的平均流速；为水力半径；为系数；为重力加速度；,对于连续方程（水量平衡方程式）,可以作如下解释：,（1）在一般的水库调洪计算中，只考虑连续方程式，把水库水面当成是水平的，即水库库容与水库水位成函数关系，忽略动力方程对调洪的影响，因而比较简单，并能获得较满意的结果。,水库调洪计算的方法有如下三种：,（2）在进行水库调洪计算时，认为水库实际水面与水平面之间的库容（即动库容）也参与调洪，这样就使计算工作量增大，但计算成果较第一种方法要更接近实际。,（3）对于多沙河流中的调洪计算，需考虑泥沙冲淤的因素才能得到较满意的结果。,已知入库洪水过程线，求最大下泻流量 及其相应调洪库容水库 的调洪计算如下图所示：,把连续方程写成以下有限差的水量平衡方程式：,以下介绍第一种调洪计算的方法:,式中：,为选用的计算时段；为计算时段始末的入库洪水流量；为计算时段始末的出库洪水流量；为计算时段始末水库的蓄水量。,在上式中，由于入库洪水过程线是已知的，故对于任一时段初而言，时段初的库水位及其相应的蓄水量 以及，都是已知的。时段末的 和 是未知数，一个方程中有两个未知数是不能独立求解的。设水库下泻流量 与蓄水量 之间的关系（防洪运用方式）为：,上述关系与泻洪建筑物的型式和尺寸有关：,（1）当泻洪建筑物为溢洪道时，下泻流量的计算式为,式中：为非淹没自由溢流时的槛顶水头；为溢洪道宽度；为流量系数。,（2）当泻洪建筑物为隧道式孔口，下泻流量的计算式为,式中：为泄洪底孔的中心水头；为底孔断面积；为流量系数，由试验取得。,对于不同的泻洪建筑物，上述下泻流量的计算式还有其它形式。一般可概括为下泻流量和水库蓄水量（或泻流水头）的关系式：,水库调洪演算实际上就是求解水量平衡方程式和下泻流量方程式:,即可得到下泻流量过程线，从而可以得出最大下泻流量 及其相应的调洪库容。,三、调洪计算的方法,（1）将入库流量过程线（即设计洪水过程线）分成若干时段，其时段 的长短取决于入库过程线涨率的大小，使时段内的入库流量过程线近似于直线为原则。在某些情况下，时段可不相等；,根据调洪计算的原理，水库调洪计算所采用的方法有列表法、图解法和图解分析法等。,（2）假定第一时段末的出库流量；,列表法计算的步骤为：,第一时段内的出流总量为,第一时段内的入流总量为,（3）计算第一时段内的入流总量及出流总量，其差值即为本时段内水库蓄水量的增值。,此时段内水库蓄水量的变化值为,（5）根据 查水位库容曲线，得第一时段末的水库水位；,（4）将 加上第一时段初水库的蓄水量，得第一时段末水库的蓄水量,（6）以 查水位泻流关系曲线 得到出流。若 与第（2）项假定的出流 相符，则试算结束；否则需再假定 重复上述步骤试算，直到符合为止；,试算法精度较高，工作量也大，通常在详细计算时采用。,（7）第一时段末的出流量即为第二时段初的出流量。依此类推，就可以求出整个出流过程线。显然，这样试算的结果实际上已经满足了水量平衡方程式和水位泻量方程式。,同一坝前水位，库区流量愈大，所形成的回水面愈高，则动库容愈大；,四、考虑动库容的调洪计算方法,、动库容的主要性质,水库动库容的大小主要由库区流量与坝前水位所决定。其一般特性为：,同一库区流量，坝前水位愈高，回水水面愈平，则动库容愈小；,由于回水水面愈靠近水库末端愈高，因此动库容主要集中在回水尾部。,2、计算方法,水库调洪演算一般以库区水面为平面的静库容作为计算依据,故以上介绍的调洪计算是在静库容曲线的基础上进行的。,当坝前水位不高及分布在库尾的动库容所占比例较大时，就必须以动库容曲线为基础进行调洪计算，即把 曲线换算为 曲线。该曲线可根据拟订的洪水建筑物型式、尺寸和动库容曲线来制作。,将水量平衡方程式改写为,则 曲线可用下列关系来绘制,逐时段联解上述两式，可求得各时段下泄流量过程线。,五、洪水演进计算,河槽洪水演算是利用河段中的水量平衡关系把上游断面洪水过程线演算成下游断面的洪水过程线:,洪水演进计算的方法甚多，现仅介绍其中的马斯京干法（或称为示储流量法）。,示储流量法的基本思想是，将河段的槽蓄量视作两部分组成：,反映稳定流作用的棱柱体槽蓄量；,反映不稳定流作用的楔形体槽蓄量。,其中，则是入流 和出流 的函数,该方法引用“示储流量”（反映槽蓄量大小的一种流量）与河段槽蓄量 成单一线性关系：,严格地说，要使示储流量 与槽蓄量 成单一线性关系，只有在 下的水流形成稳定流时的流量 才能满足上述关系。,对每个河段来说，与 是常数，不随洪水特性而变（为楔蓄形状系数）。,马斯京干法认为 与、之间的函数关系是线性的，即：,故：,或：,式中：为示储流量 关系曲线的坡度。,马斯京干槽蓄曲线方程式为：,在 时段的始末，上式为：,将上式与水量平衡方程式联立求解,得：,对于每一个河段，只要选定 值及 值后,则可求得系数、及,代入上式就能根据上断面过程及下断面起始流量计算出下断面的流量过程。,根据、与 的定义，可以证明：,该式可供推求系数时校核用。,，值的确定一般采用试算法：因为 的选定是槽蓄量曲线 成单一直线 的条件。,假定各种不同的 值作为这次洪水的 关系线：,若 为直线，则 值的假定正确；否则不对。关系线的坡度即为。,取多次洪水过程（实测的水文资料）作相同的分析，就可确定河段的，值。,3.6 设计保证率和设计代表期的选择,一、水电站的设计保证率,水电站的设计保证率是指水电站正常工作不受破坏的机率。,水电站正常工作的破坏，不仅可能由于枯水期水量不足而引起，而且可能由于洪水期水头减少而发生。,1、年保证率,指多年期间水电站正常工作年数占运行总数的百分比：,2、历时保证率,指多年期间水电站正常工作的历时占运行总历时的百分比：,年保证率或历时保证率的采用，视用水部门的特性、水库调节性能及计算要求等因素而定。一般年（或多年）调节水库采用年保证率，而日调节或径流式水电站采用历时保证率。,二、水电站设计代表年及设计代表期的选择,在水电站的设计中采用长系列的水文资料进行水能调节计算，可以获得比较精确的结果，但计算工作量很大，尤其在进行多方案比较时工作量就更大，故在实际工作中常采用简化方法，即从水文资料中选一些代表年份或代表期进行计算。,选取与设计枯水年相应的来水较丰年，即,1、水电站设计代表年的选择,对无调节、日调节或年调节水电站，一般选用三个代表年份进行计算。这些年份称为设计代表年，其中包括枯水年、平水年和丰水年。其中：,选取长系列径流资料中保证率与设计保证率一致的年份作为枯水年；,选取保证率约为50%的年份作为平水年；,的年份作为丰水年。,设计枯水年的选择方法有以下几种：,（1）按年水量选择设计枯水年,根据长系列年径流资料，计算并绘制年水量保证率曲线。根据水电站设计保证率 在 曲线上查得，然后在径流系列中找出与相近的一年作为设计枯水年。,（2）按调节流量选择设计枯水年,根据某一可能的调节库容方案，利用此方案进行调节计算，求出逐年的调节流量值，其中，为计算的年数。在此基础上，计算并绘制出调节流量保证率曲线。选择等于或接近于水电站设计保证率 的年份作为设计枯水年。,（3）按出力选择设计枯水年,计算 年供水期的平均出力,求出其保证率曲线，选择其保证率 等于或接近于设计保证率 的年份作为设计枯水年。,应当指出，水电站的出力取决于年水量的大小、水量年内分配对调节流量的影响和对水头的影响这三个因素。,上述三种方法的比较：,按水量选年法没有考虑径流年内分配和水头特性，而只考虑了水量因素。因此枯水期可能不满足设计保证率的要求。这种方法只适用于初步计算；,按调节流量选年法除考虑了年水量的因素外，进一步考虑了调节流量因素；,按出力选择设计枯水年则全面考虑了所有因素计算成果的精度高。但计算工作量大。,三、水电站设计代表期的选择,对多年调节水电站则需选择包括若干年的系列，即代表期进行计算。代表期的选择需满足下列条件：,设计代表期的平均流量应与多年平均流量接近；,在设计代表期内应有一个或几个完整的调节周期。,设计代表期必须包括各种典型的年份（如丰水年、平水年和枯水年）；,设计代表期年水量的离势系数应与长系列的离势系数接近；,3.7 水电站的水能计算,一、水能计算的基本原理,通过径流调节计算，可以确定出水电站调度期内各时段的调节流量、水库的蓄水量、弃水量和水库水位等。,但这些计算结果还不能满足水电站设计与运行的要求，还需进行水电站的出力和发电量等水能指标的计算。,水电站的出力按下式计算,由上式可计算出任何时期 内的发电量,在实际计算中采用离散求和代替上式,年调节水电站的任务是将一年内的水量通过水库重新分配，以满足各用水部门的要求。,与径流调节计算类似，水能计算方法有时历法和数理统计法两大类。以下将介绍时历法，并针对年调节水电站进行水能计算。,采用时历法进行水能计算时，又分为等发电流量调节计算法和等出力调节计算法两种：,等发电流量 调节计算法假定调节流量和水头在计算出力时互不影响，计算简单，可用于初步计算；,等出力调节 计算法考虑了调节流量、水头与出力三者的相互影响，可用于较详细的计算。,二、保证出力计算,年调节水电站的保证出力 是指水电站在供水期的平均出力。以下采用时历法的等流量计算调节进行计算。,这种计算是在正常蓄水位和死水位已经选定（即已知兴利库容）的