兴利调节第二章1.ppt
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1、水利水能规划,主讲:刘晓民,第二章 兴利调节,2.1 水库特性2.2水库调节分类2.3 设计保证率2.4 设计代表期2.5 兴利调节计算2.6 兴利调节时历列表法2.7 兴利调节时历图解法,径流调节的概念和意义,径流调节涵义:借建造水利工程坝和水库,来控制和重新分配河川径流的变化,人工地增加或减少某一时期的流量,来适应各用水部门的需要的这种措施。,天然来水,生产、生活用水,矛 盾,调节,作用:调蓄水量 抬高水位 改变天然径流过程,任务和意义:,由建造水库,就可通过蓄和调来改变径流的天然状态,解决供与需的矛盾,达到兴利和除害的目的。任务:协调水和用水在时间和地区上的矛盾和不一致,以及统一协调各用
2、水部门之间的矛盾要求。意义:通过河流的人工改造,控制和调节天然径流(包括落差),更好地发挥河流的潜力,提高水资源的开发利用价值,进行水资源的有效管理,兴利除害。,径流调节,兴利调节,洪水调节,按调节的目的和重点分类,径流调节工具:水库,为兴利而提高枯水径流的水量调节。,为削减洪峰流量,利用水库拦蓄洪水,以消除或减轻下游洪涝灾害的调节。,2.1 水库特性,水库的定义:在河流上拦河筑坝形成人工的水池用来进行径流调节,这就是水库。一般地说,坝筑得越高,水库的容积(库容)就越大。水库的容积与库区内的地形及河流的坡降有关。根据库区河谷形状,水库可分为:河道型:河流的坡降较陡 湖泊型:库区内的地形平坦,开
3、阔,一、水库特性曲线,反映水库地形特征的曲线称为水库特性曲线。它包括:1.水库水位面积关系曲线,简称为水库面积曲线 2.水库水位容积关系曲线,简称为水库容积曲线,水库面积曲线,水库面积曲线指水库水位与水面面积的关系曲线。库区内某一水位高程的等高线和坝轴线所包括的面积,即为该水位的水库水面面积。水面面积随水库水位的变化而改变的情况,取决于水库河谷平面形状。,绘制面积曲线,一般可以根据库区地形图,用求积仪或电子版地图借助于CAD绘图软件以及利用数字化地图配备地理信息系统(GIS)的可视化方法,在等高线与坝轴线所围成的闭合地形图上,量测计算每一等高线高程所包围的面积(高程的间距可取1m、2m、5m)
4、,然后以水位为纵坐标,以水库面积为横坐标,画出水库面积曲线。,水库容积曲线,水库容积曲线指水库水位与容积的关系曲线。它可直接由水库面积特性推算绘制。两相邻等高线间的水层容积V,可按简化式(1)或较精确式(2)计算(1)(2)式中,F上,F下 相邻两等高线各自包括的水库水面面积,图中的F1和F2;Z 两等高线之间的高程差。,从库底Z底逐层向上累加,便可求得每一水位F的水库容积,从而绘成水库容积特性。,根据总库容分5级,水库蓄满时,总库容V是水库最主要的指标。通常按此值大小,把水库区分为五级:大(1)型10亿m3 大(2)型110亿m3 中 型0.11亿m3 小(1)型0.010.1亿m3 小(2
5、)型0.0010.01亿m3,静库容与动库容,静库容:入库流量为零时,水库水面是水平的。动库容:有一定入库流量(水流有一定流速)时,则水库水面从坝址起沿程上溯的回水曲线并非水平,静库容相应的坝前水位水平线以上与洪水的实际水面线之间包含的楔形库容称为动库容。,静水位,二、水库特征水位和特征库容,水库工程为完成不同任务在不同时期和各种水文情况下,需控制达到或允许消落的各种库水位,统称特征水位。相应于水库待征水位以下或两特征水位之间的水库容积,称特征库容。确定水库特征水位和特征库容是水利水电工程规划、设计阶段确定主要水工建筑物尺寸(如坝高、溢流道宽度)及估算工程效益的基本依据。,(一)死水位(Z死)
6、和死库容(V死),在正常运用的情况下,允许水库消落的最低水位称死水位。死水位以下的水库容积称死库容或垫底库容。水库正常运行时一般不能低于死水位。死库容一般用于容纳水库泥沙、抬高坝前水位和库内水深。在正常运用中,死库容不参予径流调节,也不放空,只有在特殊情况下,如排洪、检修和战备需要等,才考虑泄放其中的蓄水。,确定死水位时考虑因素:,1)保证水库有足够的、发挥正常效用的使用年限。主要是考虑留部分库容供泥沙淤积的需要。2)保证水电站的最低水位和自流灌溉必要的引水高程。水电站水轮机的选择,都有一个允许的水头变化范围,其取水口的高程也要求库水位始终保持某一高程以上。3)库区航运和渔业的要求,(二)正常
7、蓄水位(Z蓄)和兴利库容(V兴),水库在正常运用情况下,为满足设计兴利要求而在开始供水时应蓄到的高水位,称正常蓄水位(正常高水位)。正常蓄水位与死水位间的库容,称兴利库容或调节库容,用以调节径流,提高枯水时的供水量或水电站出力。正常蓄水位与死水位的高程差,称水库消落深度或工作深度。,溢洪道无闸门时,正常蓄水位就是溢洪道堰顶的高程,当溢洪道有操作闸门时,多数情况下正常蓄水位也就是闸门关闭时的门顶高程。正常蓄水位是水库最重要的特征水位之一。因为它直接关系到一些主要水工建筑物的尺寸、投资、淹没、综合利用效益及其他工作指标。大坝的结构设计、其强度和稳定性计算,也主要以它为依据。,确定正常蓄水位时的考虑
8、因素:,1)根据兴利的实际需要;2)考虑淹没、浸没情况;3)考虑坝址及库区地形地质条件;4)考虑河段上下游已建和拟建水库枢纽情况。,(三)防洪限制水位(Z限)和共用库容(V共),水库在汛期允许蓄水的上限水位,称为防洪限制水位。这个水位以上的库容就是作为滞蓄洪水的库容。只有在出现洪水时,水库水位才允许超过防洪限制水位。当洪水消退时,水库水位应回降到防洪限制水位。防洪限制水位应尽可能定在正常蓄水位之下,以减少专门的防洪库容。防洪限制水位与正常蓄水位之间的库容,称为重叠库容,或共用库容。因为它在汛期是防洪库容的一部分,汛后又是兴利库容的一部分。,不同时段的洪水特性有明显差异时,可考虑分期采用不同的防
9、洪限制水位。,(四)防洪高水位(Z防)和防洪库容(V防),当遇下游防护对象的设计标准洪水时,水库为控制下泄流量而拦蓄洪水,这时在坝前(上游侧)达到的最高水位称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时,才需确定这一水位。防洪高水位与防洪限制水位间的库容,称为防洪库容,用以拦蓄洪水,满足下游防护对象的防洪要求。当汛期各时段具有不同的防洪限制水位时,防洪库容指最低的防洪限制水位与防洪高水位之间的库容。,此水位可采用相应下游防洪标准的各种典型洪水,按拟定的防洪调度方式,自防洪限制水位开始进行水库调洪计算求得。,在水库设计中,根据水库及水文特性,有防洪库容和兴利库容完全重叠、部分重叠、不重叠(防洪限制水
10、位与正常蓄水位处于同一高程)三种形式。在中国南方河流上修建的水库,多采用前两种形式,以达到防洪和兴利的最佳结合。,(五)设计洪水位(Z设洪)和拦洪库容(V拦),水库遇大坝设计洪水时,经调洪后在坝前达到的最高水位称设计洪水位。它是正常运用情况下允许达到的最高库水位,也是挡水建筑物稳定计算的主要依据。设计洪水位与防洪限制水位间的库容,称为拦洪库容。,此水位可采用相应大坝设计标准的各种典型洪水,按拟定的调洪方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。,(六)校核洪水位(Z校洪)和调洪库容(V调洪),水库遇大坝校核洪水时,经调洪后在坝前达到的最高水位称校核洪水位。它是水库非常运用情况下允许达到的临时性最
11、高洪水位,是确定坝顶高程及进行大坝安全校核的主要依据。校核洪水位与防洪限制水位之间的库容称为调洪库容,用以拦蓄洪水,确保大坝安全。,此水位可采用相应大坝校核标准的各种典型洪水,按拟定的调洪方式,自防洪限制水位开始进行调洪计算求得。,(七)总库容(V总)和有效库容(V效),校核洪水位以下的全部库容称总库容,即V总V死V兴V调洪V共。总库容是表示水库工程规模的代表性指标,可作为划分水库等级、确定工程安全标准的重要依据。校核洪水位与死水位之间的库容,称有效库容,即 V效V总V死V兴V调洪V共。,三、水库水量损失,水库蓄水后,改变了河流的天然状态和库内外水力关系,从而引起额外水量损失。,水量损失,蒸发
12、损失,渗漏损失,结冰损失,(一)蒸发损失,水库的蒸发损失是指由于水库兴建前后因蒸发量的不同,所造成的水量 差值。蒸发损失产生的原因:修建河流前,除原河道有水面蒸发外,整个库区都是陆面蒸发,而建库以后,这部分面积由陆面面积变成水库水面,其也由原来的陆面蒸发变成水面蒸发。由于水面蒸发比陆面蒸发大,故产生了由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量。各计算时段(月、年)的蒸发损失可按下式计算,式中,h水 计算时段内库区水面蒸发深度(m);h陆 计算时段内库区陆面蒸发深度(m);计算时段内平均水库水面面积(m2);f 原天然河道水面面积(m2)。,(m3),水面蒸发 式中 E测水面蒸发皿实测水面蒸发(m
13、m)k水面蒸发皿折算系数,一般为0.650.80 E水水面蒸发(mm)陆面蒸发 Po闭合流域多年平均年降水量(mm)Ro闭合流域多年平均年径流深(mm)Eo闭合流域多年平均年陆面蒸发量(mm)E陆陆面蒸发(mm),(二)渗漏损失,水库蓄水后,水位抬高,水压增大,渗水面积加大,地下水情况也将发生变化,从而产生渗漏损失。渗漏损失可分三类:通过坝身及水工建筑物止水不严实处(包括闸门、水轮机、通航建筑物的)的渗漏损失;通过坝基及绕坝两翼的渗漏损失;由坝底、库边流向较低渗水层的渗漏损失。,近代修建的挡水建筑物,通常只考虑第类损失,经验估算式如下 或式中,W年渗水库年渗漏损失;W渗 计算时段内(年或月)水
14、库渗漏损失(m3);F库 水库年平均蓄水面积(m2);W蓄 计算时段内(年或月)水库蓄水量(m3);kl,k2 经验取值,可参阅P30,表2-1。,(三)结冰损失,严寒地区的水库,冬季水面形成冰盖,其中部分冰层将因水库供水期间库水位的消落而滞留岸边,引起水库蓄水量的临时损失。这项损失一般不大,通常多按结冰期库水位变动范围内库面面积之差乘以0.9倍平均结冰厚度估算。其他损失:水工建筑物的漏水损失量;水工建筑物的操作损失水量,如船闸过水等;水库初蓄损失水量,四、水库淤积,1、水库的淤积年限(1)水库淤积存在:当河道上修建了壅水建筑物之后,随着库区水位的抬升,水流的过水断面增大,水力坡度变缓,纵向流
15、速和紊动流速都大大地减少。原河道水流特性的这种改变,降低了水流挟沙能力,也改变了原河道的泥沙运动条件,导致了部分悬移物质和推移物质泥沙逐渐沉淀、淤积在水库中。(2)影响水库淤积的主要因素:入库水流的含沙量及多少及年内分配、水库形状、库区地形、地质特性以及水库的调度规则。(3)水库年限:在水库设计时,估计可能的年限以便判断水库的寿命和是否值得兴建。水库工作年限或寿命的衡量是着眼于水库淤积是否已相当程度上影响到水库正常(设计)功能的发挥。严格来说所谓水库“寿命”应指水库正常工作的年限,又称水库使用年限。,2.减少淤泥的措施,用设置死库容来接纳沉积的泥沙,虽是处理淤积问题的普遍方法,却只是一种消极的
16、途径,仅仅推迟了淤积严重影响的日期而已。为减少水库淤积,延长水库寿命,研究总结的主要经验,一是减少沙源;二是控制和调度泥沙。其措施有:(1)水土保持。在上游流域面上加强水土保持工作,减少水土流失。这是解决水库泥沙淤积的根本性措施。(2)上游拦沙。在重要的水库上游和来沙较多的支流上修建一些水坝,用以拦截泥沙。这种水库建成以后,在一定时期内也起拦蓄洪水作用,后期被泥沙淤满后,可开辟为耕地。(3)合理运行,调水调沙。借助枢纽泄水建筑物控制库水位及泄水时机,可以有效地调整库区淤积泥沙地分布,甚至将大量泥沙直接或间接地排向下游。分为水力排沙、水力冲刷和机械清淤三种。,五、水库的淹没和浸没,水库蓄水后,将
17、会淹没土地、森林、村镇、交通、电力和通讯设施及文物古迹,甚至城市建筑物等。由于库周地下水位抬高,水库附近受到浸没影响,使树木死亡,旱田作物受涝;耕地盐碱化;形成局部沼泽地,恶化卫生条件,滋生疟蚊;增加矿井积水,使原有工程建筑物的基础产生塌陷等。还会引起库周塌岸,毁坏农田和居民点,减小水库容积。正常蓄水位以下库区为经常淹没区,影响所及均需改线、搬迁。正常蓄水位以上一定标准的洪水回水和风浪、冰塞壅水等淹没的地区为临时淹没区,或迁移或防护,要根据具体情况确定。对于特别稀遇洪水时才出现的淹没区,要考虑其土地合理利用问题。淹没损失和移民数量的多少,常常会限制水库工程的规模,甚至会妨碍地形、地址和水资源利
18、用条件的选择。,水库淹没影响所牵涉的问题:,(1)居民的迁移安置;(2)迁移或改建淹没区内的交通运输建筑物,如铁路、公路、通讯设备及输电线路等;(3)迁移或重建淹没区内的工业企业;(4)重建水道上的建筑物,包括桥梁、河岸及港口建筑物;(5)排水系统、地下电线等等的重新安装;(6)森林的恢复;(7)用堤防保护耕地、贵重的矿藏以及游览圣地等;(8)蓄水前的库底清理等。,2.2 兴利调节分类,除了只能按天然径流供水的无调节水利水电工程外,凡具有调节库容者,均能进行一定程度的兴利调节。可按调节周期、水库任务和供水方式分类。,一、按调节周期分类,(一)日调节和周调节 30%50%,所谓调节周期,指水库的
19、兴利库容从库空蓄满放空的完整的蓄放过程。,(一)日调节,日调节的调节周期为一昼夜,即利用水库兴利库容将一天内的均匀来水,按用水部门日内需水过程进行调节。以水力发电为例,发电用水是随负荷的变化而改变的,而河川径流在一昼夜里基本上是均匀的(汛期除外),在一天24小时之内,当用水小于来水时,将多余水量蓄存在水库中,供来水不足时使用。,(二)周调节,周调节的调节周期为一周,即将一周内变化不大的入库径流按用水部门的周内需水过程进行径流调节。仍以水力发电为例,枯水期河川径流在一周之内变化不大,而周内休假日电力负荷较小,发电用水也少,这时可将多余水量存入水库,用于高负荷日发电。周调节比日调节需稍大的兴利库容
20、。周调节水库也可进行日调节。,(三)年调节,径流年调节的任务是按照用水部门的年内需水过程,将一年中丰水期多余水量蓄存起来,用以提高缺水时期的供水量,调节周期在一年以内。当水库蓄满而来水仍大于用水时,将发生弃水(由泄洪设施排往下游),通常称这种仅能存蓄丰水期部分多余水量的径流调节为季调节(或不完全年调节),而对能将年内全部来水量按用水要求重新分配而不发生弃水的径流调节,则称为完全年调节。完全与不完全调节的概念是相对的。年调节水库一般可同时进行周调节和日调节。,(四)多年调节,径流多年调节的任务是利用水库兴利库容将丰水年多余水量蓄存起来,用以提高枯水年份的供水量。这时,水库兴利库容可能要经过若干丰
21、水年才能蓄满,然后将蓄水量在若干个枯水年份里用掉,其调节周期要超过一年。多年调节水库一般可同时进行年调节、周调节和日调节。,对于水力发电,通常把具有一定的兴利库容,有能力调节天然日径流量的水电站,称为蓄水式电站。而把无调节和仅能进行日调节的水电站(其日电能受控于天然径流),称为径流式电站。,二、按水库任务分类,(1)单一任务径流调节,如灌溉径流调节、工业及城市生活给水径流调节、水力发电径流调节等。(2)综合利用径流调节,即具有两种以上任务的水库的径流调节。,三、按水库供水方式分类,(1)固定供水 水库按固定要求供水,与供水期水库水量和蓄水量无关,如工业及城市生活给水多属这种类型的径流调节。(2
22、)变动供水 水库供水随蓄水量和用户不同的要求而变动,如灌溉按农田需水要求供水;水电站按电力负荷要求供水等。,四、其他分类,(1)反调节 下游水库按照用水部门的需水过程,对上游水库泄流的再调节。河流综合利用中,经常出现上游水库为水力发电进行日调节造成下泄流量和下游水位的剧烈变化而对下游航运带来不利的影响,水电站年内发电用水过程与下游灌溉用水的季节性变化不一致,修建反调节水库有助于缓解这些矛盾。(2)单一水库补偿调节 补偿调节是当水库与下游用水部门的取水口间,有区间入流时,因区间来水不能控制,故水库调度要视区间来水多少,进行补偿放水,满足有关部门用水要求的调节(3)水库群补偿调节 水库群调节则是指
23、河流上有多个水库时,如何研究它们的联合运行(互相进行水文补偿、库容补偿、电力补偿),以最有效地满足各用水部门的要求。显然,这是最高形式的径流调节,也是开发和治理河流的发展方向。,2.3 设计保证率,一、设计保证率的涵义 由于河川径流的多变性,若在枯水年也要保证兴利部门的正常用水要求,则需有相当大的库容,这在技术上可能有困难,经济上也不合理。一般允许一定的断水或减少用水,这就要研究各用水部门允许减少供水的可能性和合理范围。在进行水利水电工程设计时,规定多年工作期中,用水部门的正常用水得到保证的程度,称为设计正常用水保证率,简称设计保证率。,设计保证率的衡量方式:,设计保证率一般有三种不同的衡量方
24、式:按保证正常用水的年数、按保证正常用水的历时,或按保证正常用水的数量来衡量。三者都是以多年工作期中的相对百分数表示。(1)保证正常用水的年数(年保证率P)P=正常工作年数/总年数100%=(总年数-破坏年数)/总年数100%所谓破坏年是指不能维持正常工作的任何年份,不论该年内缺水持续时间的长短和缺水数量的多少。,(2)保证正常用水的历时(历时保证率P)P=正常工作历时/总历时100%=(总历时-破坏历时)/总历时100%P与P之间的换算式:P=1-(1-P)/m 100%其中,m为破坏年份的破坏历时与破坏年份的总历时之比 采用哪种形式的设计保证率,由用水部门特性、水库调节性能及设计要求等因素
25、而定。蓄水式电站一般采用年保证率,径流式电站、大多数航运用水部门及其他不进行径流调节的用水部门,由于其日常工作是用日表示的,所以设计保证率采用历时保证率。,二、设计保证率的选择,水利水电工程设计保证率的选择是一个复杂的技术经济问题。设计保证率选得太低,正常工作遭受破坏的几率将加大,破坏所带来的国民经济损失及其他不良后果加重;相反,设计保证率定得过高,虽可减轻破坏带来的损失,但工程投资和其他费用将增加,或者不得不减小工程的效益。设计保证率理应通过技术经济计算,并考虑其他影响,综合分析确定。但由于破坏损失及其他后果涉及许多因素,情况复杂,并难以全部用货币价值准确表达,使计算非常困难,尚需继续深入研
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