水利水能规划课程设计指导书水工专业.docx
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水利水能规划课程设计指导书水工专业
水利水能规划课程设计指导书（2010水工专业）
水利水能规划
课程设计指导书与任务书
巨娟丽向友珍编写
（水工专业用）
西北农林科技大学
水利与建筑工程学院水资源与环境工程系
二〇一一年一月
第一部分课程设计指导书
一、课程设计目的和要求?
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二、课程设计的内容?
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（一）水文分析计算?
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（二）水利计算?
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三、课程设计说明书格式及要求?
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四、课程设计时间安排?
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五、成绩考核与评定?
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六、主要参考资料?
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5第二部分课程设计任务书?
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第一部分课程设计指导书
一、课程设计目的和要求
（一）目的
《水利水能规划》课程设计是继《工程水文学》和《水利水能规划》课程之后的实践教学环节，是依据经水文分析计算后提供的设计年径流、设计洪水、泥沙特征等成果，按照工程设计标准，通过兴利调节计算、水能计算和调洪计算等，分析确定水资源利用工程的规模，并为水资源利用工程的调度运行提供相应的特征参数。
通过课程设计，学生将所学的理论知识应用于工程实践，全面掌握水利水能规划的计算原理、方法，了解水资源利用工程设计中水利计算部分的基本程序，训练学生的知识运用能力与实际动手能力。
同时，设计过程中利用计算机作为计算工具，巩固了学生的计算机操作知识，以提高学生综合素的培养。
（二）要求
任课教师提前布置设计的内容与任务，学生集中在课程设计专门教室独立完成，教师全程辅导。
在设计时应着重理解水资源利用工程中水利水能计算和分析的全过程和各个环节间的前后联系与配合关系。
要求每个学生独立完成，课程设计结束后，学生每人提交课程设计书说明书一份，按规范要求打印。
要求设计思路正确，结论可靠，成果质量高。
二、课程设计的内容
（一）水文分析计算
根据工程设计要求，水文计算内容包括基本资料的搜集整理和复核、径流分析计算、设计洪水计算、泥沙分析计算、水位分析计算和水位流量关系拟定、气象要素水面蒸发水质水温和冰情分析计、水文测报系统设计、其他水文要素分析计算。
水文计算依据的资料系列应具有可靠性、一致性和代表性。
工程地址和邻近河段缺乏实测水文资料时，应根据设计要求及早设立水文测站或增加测验项目。
水文计算方法应科学、实用，对计算成果应进行多方面分析，检查论证其合理性。
水文资料短缺地区的水文计算，应采用多种方法，对计算成果应综合分析，合理选定。
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水文计算应深入调查研究，搜集、整理、复核基本资料和有关信息，并分析水文特性及人类活动对水文要素的影响。
1、设计年径流分析的计算
（1）分析依据
a）水利水电工程水文计算规范SL278-2002
b）小型水力发电站水文计算规范SL77-94
c）水利水电工程设计洪水计算规范SL44-93
（2）分析方法
设计年径流分析时，根据资料情况不同，采用的方法有所区别：
a）当具有长期（30年以上）实测资料时，首先对年径流资料进行可靠性、一致性、代表性分析。
在工程实践中，如果资料的一致性遭受破坏，一般主要采用分项调查法对资料进行还原。
对资料的代表性主要采用长短系列对比分析法进行分析；其次对通过“三性审查”的资料进行频率分析，求得年径流的统计参数和不同频率情况下的年径流值；最后通过对实测径流年内变化过程分析，按照一定的原则选择典型年，采用同频率或同倍比的方法分析不同频率年径流的年内分配过程。
b）当具有短期实测资料时，首先对上下游、干支流或相似流域具有长期观测资料的水文测站进行分析，选择参证站；其次，根据参参证站资料对设计站的资料进行插补展延，求得其长期进流系列。
最后采用频率分析方法，求得年径流的统计参数和不同频率情况下的年径流值及其年内分配过程。
c）当无实测资料时，通常采用水文比拟法、等值线图法或者经验公式求得年径流的统计参数和不同频率情况下的年径流值及其年内分配过程（参考教材）。
对一些无调节的水利水电工程，还要求对日流量进行分析计算，主要提供日流量～频率历时曲线。
（3）提供成果
年径流频率曲线、年径流频率计算成果（表1）、不同频率年径流的其年内分配过程（表2）、日流量～频率历时曲线。
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表1***（工程名称）年径流频率计算成果表
表2***（工程名称）部分频率年径流量的年内分配
2、设计洪水分析
（1）分析依据
设计洪水分析依据水利水电工程设计洪水计算规范SL44-93。
不同类型的水利工程设计洪水分析的深度和内容有一定的差异。
对具有调节能力的水库工程，要求分析设计洪水过程线；而对无调节能力的工程，如堤防、桥梁、涵洞以及引水式水电站，一般只要求分析设计洪峰流量。
对设计洪水计算过程中所依据的基本资料计算方法及其主要环节采用的各种参数和计算成果应进行多方面分析检查论证其合理性，计算短缺资料地区设计洪水和可能最大洪水时应尽可能采用几种方法对各种方法计算的成果应进行综合分析合理选定。
对大型工程或重要的中型工程用频率分析法计算的校核标准设计洪水应计算抽样误差，经综合分析检查后如成果有偏小的可能应加安全修正值一般不超过计算值的20%。
当工程设计需要时可用水文气象法估算可能最大暴雨再推算可能最大洪水。
（2）分析方法
根据资料情况不同，采用的方法也不同：
a）当坝址或其上下游临近地点具有30年以上实测和插补延长洪水流量资料，并有调查历时洪水时，应采用频率分析法计算设计洪水。
b）工程所在地区具有30年以上实测和插补延长暴雨资料，并有暴雨洪水对应
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关系时，可采用频率分析法计算设计暴雨，推求设计洪水。
c）工程所在流域内洪水和暴雨资料均短缺时可利用邻近地区实测或调查暴雨和洪水资料进行地区综合分析估算设计洪水。
（3）提供成果
年最大洪峰流量及不同历时洪量频率曲线、年最大洪峰流量及不同历时洪量统计参数、不同重现期年最大洪峰流量及不同历时洪量值（表3、表4）），设计洪水过程线。
（二）水利计算
水利水能规划应根据项目所在的江河自然条件、河流特点及社会发展的要求，按照保证工程安全及综合利用水资源使获得的经济、社会和环境总体最佳的原则，分析计算综合治理规划和工程设计方案的各项水利指标。
水利工程防洪、治涝及灌溉、供水、发电的设计标准和设计保证率应根据各部门要求及规范规定确定。
水利工程的设计水平年，应根据其重要程度和工程寿命确定。
一般水利工程可采取设计和远景两个水平年。
其具体内容主要包括确定水库兴利库容、正常蓄水位的水库兴利调节计算，确定水电站多年发电量、装机容量的水电站水能计算以及确定水库防洪高水位、设计洪水位、校核洪水位及坝高的调洪演算。
1、综合利用水库工程的水利计算
对兼有防洪和兴利任务的综合利用水库，应按拟定的防洪、兴利特征水位和库容方案进行径流调节计算，并就各方案的防洪限制水位进行全面分析比较。
对预留在正常蓄水位以上的专门防洪库容，宜研究在汛后用于增加兴利效益的可能性。
（1）分析依据
水利工程水利计算规范SL104-95
（2）分析方法
综合利用水库径流调节计算应主要采用时历法。
对于调节程度较高的大型水库，5
宜同时采用概率法或随机模拟法相互校核，选取偏于安全的成果作为设计值。
对设计保证率以外枯水年份的水库调度，应根据开发任务的主次关系或不同用户要求保证程度的高低，按不同的折扣供水。
对于无替代措施的用水部门，宜尽可能给予一定的保证供水量。
综合利用水库防洪计算可以根据资料条件、计算手段和工具，选用试算法、半图解法和图解法等。
（3）提供成果
兴利调节计算表、防洪计算表（或图），水库各特征水位、特征库容，大坝高程。
2、水电站水能计算
（1）分析依据
小水电水能设计规程SL76－94；小水电水能设计简明手册；
（2）分析方法
A）无调节或日调节水电站
无调节或日调节水电站的水能指标计算由上游来水过程决定。
根据电站取水口处多年日平均流量系列绘制日流量历时曲线或日流量保证率曲线，当资料缺乏或为了简化工作量可采用丰、平、枯三个典型年的日平均流量资料绘制日流量历时曲线或日流量保证率曲线。
无调节或日调节水电站的保证出力计算应根据日流量历时曲线，按各种流量时的相应水头和选择的出力系数计算出力，并绘制出力历时曲线或出力保证率曲线。
对应于电站设计保证率的出力即为保证出力。
无调节或日调节水电站的保证电量应为电站设计保证出力对应的电量。
无调节或日调节水电站多年平均发电量的计算应根据电站出力保证率曲线，计算绘制装机发电量关系曲线，并结合电站装机容量的选择确定。
B）年调节水电站
年调节水电站的水能指标计算可根据丰、平、枯三个典型代表年的来水过程进行计算，必要时也可用长系列来水过程进行计算。
当已知典型年的天然来水过程和水库特性，要求计算出力和发电量指标时，可采用等流量调节计算。
当已知水电站按负荷图工作的出力变化过程、其它用水部门用水量及水库特征水位（正常蓄水位或死水位），要求确定所需兴利库容及水库蓄泄过程；或者已知兴利库容，要求计算水库蓄泄过程和出力保证程度时，可用试算法列表进行计算。
年调节水电站保证出力和保证电量计算可按下述方法进行：
a.长系列法计算：
即根据某一正常蓄水位方案，确定出水库极限工作深度，用列表法求出各年枯水期平均出力，并作出枯水期平均出力保证率曲线，计算相应保6
证出力和枯水期保证电量。
b.设计枯水年法计算:
即根据长系列资料绘制枯水期水量或调节流量保证率曲线，用设计保证率查出相应枯水期水量，选择一个接近的设计年份将其修正到设计值，并作为设计枯水年来水流量资料，列表计算其出力，确定其相应于电站设计保证率的保证出力和枯水期保证电量。
年调节水电站多年平均发电量的计算可根据年水量频率曲线，确定丰、平、枯三个典型年的来水量，在年径流资料中选出相近年份，按水量加以修正后得到三个代表年份的来水过程，并用列表法进行能量指标计算，求出各种典型年的发电量后取其平均值确定。
C）多年调节水电站
多年调节水电站水能指标的计算可采用时历法或数理统计法进行。
时历法计算可采用列表法或水量差积曲线法进行，其保证出力可按相应于设计保证率的连续供水年组电站发出的平均出力计算。
数理统计法进行径流调节计算采用查曲线图法进行。
D）灌溉为主或有其它供水任务的水库水电站
灌溉为主或有其它供水任务的水库水电站水能指标的计算，应根据国民经济发展需要，分清主次、合理安排，在水量分配上统筹兼顾，确定综合用水量及综合利用水库的兴利库容以及水电站的用水过程，然后用列表法进行水能计算。
（3）提供成果
A）无调节或日调节水电站：
日平均出力～频率（历时）关系曲线、出力～多年平均发电量关系曲线、装机～装机年利用小时数关系曲线，保证出力、保证电量、装机容量、多年平均发电量。
B）年调节水电站或多年调节水电站：
水能计算表、保证出力、保证电量、装机容量、多年平均发电量。
三、课程设计说明书格式及要求
课程设计说明书应由封面、设计目录、正文、参考文献、附录（程序及不能放在正文部分的图表）构成。
其中正文的主要内容如下：
（1）概况：
包括流域水文、气象、地质、地貌、社会经济、水利工程（包括已建和在建）等，同时对流域内水文、气象站点的分布、观测年限等做介绍，附工程位置图。
（2）水文分析计算成果。
（3）兴利调节计算：
死库容（死水位）的确定、兴利调节计算方法、成果。
（4）水能分析：
各种参数的选择和确定，水电站动能指标的计算，水电站各种7
容量的分析及计算
（5）调洪计算：
泄流方案的拟定，起调水位的选择，调洪计算方法、成果。
四、课程设计时间安排
（1）教师讲解课程设计及任务布置（0.5天）
（2）设计年径流及其年内分配分析计算（1.5天）
（3）设计洪水过程线的分析（1天）
（4）水库兴利调节计算和水能计算（1.5天）
（5）总结及报告撰写（0.5天）
五、成绩考核与评定
课程设计的成绩评定根据考勤、设计成果按五级记分制的方法进行。
在设计期间，考查学生的出勤率、设计态度等方面。
设计成果的检查，着重检查设计书、图表等的完整性和正确性。
考察学生对所学知识的掌握、理解和综合运用能力。
设计成绩按优秀、良好、中等、及格和不及格五级评定，参考标准如下：
优秀：
思路清晰、方法正确、结果合理、图表规范；
良好：
基本达到上述要求；
中等：
能够完成以上内容；
及格：
基本完成所要求的内容；
不及格：
未达到以上要求。
六、主要参考资料
（1）中华人民共和国行业标准.水利工程水利计算规范SL104-95.
（2）中华人民共和国行业标准.小水电水能设计规程SL76－94
（3）水利部水利水电规划设计院，长江流域规划办公室.水利动能设计手册.水利电力出版社.1988
（4）叶守泽主编.水文水利计算.水利电力出版社.1992刘光文.水文分析与计算.水利水电出版社.1989
（5）叶秉如.水利计算及水资源规划.水利电力出版社.1995
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第二部分课程设计任务书
设计题目一径流式水电站设计任务书
一、流域概况
党河发源于疏勒南山的崩坤达坂、音德尔大坂、大雪山、宰力木克和党河南山东部的巴音泽尔肯乌勒、克普腾伦达坂、古穆博里达岭的冰川群，源地终年积雪，有冰川分布，水源主要依靠冰川融雪水、泉水和降水补给，流域内有冰川336条，冰川面积259.64km2，冰川储量123.904亿m3，雪线高度4800m，冰川融水年补给量约
1.2302亿m3，约占党河全年径流量的34.9%。
发源地海拔最高高程5620m，沿河道有野马河、清水沟河等较大支流汇入，山地植被较好。
河流自东南流向西北于肃北县城东南约6km的水峡口流出山口，经过肃北县城向西北，至西千佛洞东山附近的党河水库折向北，引入敦煌市城区及党河灌区等地，消失于耕地、戈壁，潜入疏勒河。
党河流域地貌可分为上游祁连山脉、中游沙漠戈壁和下游平原区，党河水峡口以上为上游，上游山势陡峭，地势较高，河道比降大，植被较好，气温低，蒸发较弱，降水易形成径流，上游山区为径流形成区，水峡口以上峡谷河段平均比降约11.8?
，河流在到达出山口时水量最大，出山以后，因渗漏、蒸发损失和人工引用，水量逐渐减少。
水峡口至党河水库段为中游，党河出水峡口下行几十公里至党河水库段为中游沙漠戈壁区，中游段两岸戈壁连绵，除肃北县附近有少量土地引用河水灌溉和阿克塞县城镇饮用引水外，其余均为荒漠戈壁。
河道在西千佛洞东山和南湖东山之间穿过，该河段河谷下切，河岸岩基裸露，在两岸岩基之间建成党河水库，经过当河水库后折向北流。
党河水库以下至哈拉诺尔为下游平原区，下游为径流消耗区，也是党河灌区绿洲，灌区土质肥沃，渠系纵横，良田阡陌，气候适宜耕种，是我省重要的粮油棉主产区之一。
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党河流域深居内陆，降雨稀少，降水基本消耗于蒸发。
除大暴雨外，一般均不能形成地表径流，河川径流以地下潜流溢出补给和冰川融雪补给为主，四季变化比较均匀，党河在党河水库以上流域面积为16970km2，水峡口以上流域面积为14154km2，党城湾水文站以上流域面积为14325km2，自源头（冷水河）到哈拉诺尔，干流全长390km。
党河流域内有肃北蒙古族自治县（牧业）、敦煌市（农业）和阿克塞哈萨克族自治县（牧业）三县市。
党河流域有多个部门设立的多处气象观测站。
水文部门设立的有月牙湖水文站、党城湾水文站、党河水库水文站、千佛洞水文站、沙枣园水文站等，附带观测降水等气象要素；气象部门设立的有敦煌市气象站、肃北县气象站和阿克塞县气象站；党河月牙湖水文站只有1955～1967年共9年实测资料，主要监测降雨量、蒸发量、水温、冰情等，肃北县气象站具有1950年～2002年共计53年实测气象资料，肃北县气象站距离党河第B级水电站最近，公路里程约16km，观测资料完整，最能反映工程区气象实况，观测时间长，资料均已正式刊布。
所以，以肃北县气象站作为气象设计代表站，月牙湖水文站作为气象设计参证站。
二、气象特性
党河流域位于河西走廊腹地，远离海洋，地处蒙新荒漠地带，地理纬度和海拔较高，是内陆河流，气候类型属典型的干旱大陆荒漠性气候。
其气象特征为：
气候干燥，年降水量少，蒸发强烈，日照时间长，冬季寒冷，夏季热，年温差大，日温差大，多风沙。
流域内年降水量在空间分布上为南多北少，降水量随着海拔高程的增加而增大。
受地形影响，上游山区降水多，下游灌溉平原区降水少，山区年降水量一般为200～280mm左右，平原区在100mm上下。
降水在季节上分配也不均匀，夏季（6～8月）雨10
量集中，冬季（10～2月）雨雪稀少。
山区气温低，灌区气温高，年平均气温随海拔高度增加而降低。
蒸发与气温的分布特点相同，年平均蒸发量随着气温的增高而增大。
山区气温低蒸发量小，灌区气温高蒸发量大。
以肃北县气象站为设计代表站，年平均气温6.3℃，历年极端最高气温34.7℃，历年极端最低气温-25.1℃，最早初霜期9月22日，最晚初霜期11月13日，最早终霜期3月16日，最晚终霜期5月21日，最长无霜期186天，最短无霜期136天，平均无霜期161天；最早初雪9月24日，最晚初雪11月17日。
年平均降水量140.8mm，最大年降雨量247.3mm，最小年降雨量34.5mm；年平均蒸发能力2493.3mm，多年实测最大蒸发量3089.2mm，多年最小蒸发量1027.5mm，最大冻土深度117cm。
以月牙湖水文站为参证站，年平均气温0.6℃，历年极端最高气温28.4℃，历年极端最低气温-39.6℃，最早初霜期7月1日，最晚初霜期10月24日，最早终霜期3月23日，最晚终霜期6月30日，最长无霜期214天，最短无霜期6天，平均无霜期53天；最早初雪7月13日，最晚初雪10月10日，最早终雪5月9日，最晚终雪6月17日，年平均降水量69.9mm，最大年降雨量102.2mm，最小年降雨量34.5mm；年平均蒸发能力1074.7mm，多年最大蒸发量1133.8mm，多年最小蒸发量998.6mm，四季多风，春季大风尤多，风向多为西北风，但在山区受地形影响较大，一般顺着河谷的方向。
开始结冰日期最早8月20日，开始结冰日期最晚10月11日，全部融冰日期最早3月30日，全部融冰日期最晚6月12日，冰期天数最长289天，最短214天，平均249天，大部分年份的冰期出现在封冻现象，实测岸冰厚度最大0.26m。
二、水文资料
党河干流从1944年4月开始设水文站，从上到下先后设立了水文站多处，计有党河川、沙枣园、西千佛洞、党城湾、党河水库、月牙湖等站，党河川、西千佛洞、11
沙枣园、月牙湖站已撤消。
党城湾站、党河水库站现属甘肃省水文水资源勘测局管辖。
两站均为国家基本水文站，资料精度较高，但资料系列长短不一，
西千佛洞水文站：
1944年4月由前甘肃省水利林牧公司设立，位于敦煌市西南南湖店，控制面积16980km2，1955年6月因测验河段不适宜，于1955年8月上迁15km设沙枣园站。
党河川水文站：
1946年6月由前甘肃省水利林牧公司设立，站址在肃北县芦草湾马王庙西，1947年5月20日撤消。
沙枣园水文站：
1954年8月由甘肃省农林厅水利局设立，位于敦煌市西南沙枣园，控制面积16600km2，观测至1971年底，因1970年后半年动工兴建党河水库，于1971年12月又下迁2km（即党河水库坝下300m处）设沙枣园
（二）站，观测至1975年底；1976的正式将沙枣园
（二）站改名为党河水库（下）站。
月牙湖水文站：
1958年6月由甘肃省水利厅设立，站址位于肃北县月牙湖，月牙湖站控制面积9309km2，1968年1月撤消。
沙枣园
（二）站：
1971年12月由甘肃省水电局水文站设立，由上游沙枣园站下迁2km设该站，集水面积16958km2。
党河水库（坝上）站：
为水库站，1976年6月由甘肃省水电局水文总站设立，地址在甘肃省敦煌市西南党河水库坝上。
党城湾水文站：
1965年8月21日由甘肃省水文总站设立，位于肃北县城南党河上，观测资料至今。
党河第B级水电站位于该站上游约15km处，党城湾水文站可作为该水电站的水文设计代表站。
党河干流水文测站基本情况见表2—2。
表2—2党河河干流水文测站基本情况表面积单位：
km2
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三、
径流资料
党河第B级水电站工程项目位于党河水峡口上游，距党城湾水文站约15km，党河第B级水电站工程尾水渠尾端紧接水峡口水库末端，水峡口以上流域面积为14154km2，电站和水文站之间无径流汇入和引出，区间水流量损耗主要为蒸发损失，损耗量不足流量的1%，流域面积相差1.2%，可以忽略不计，所以直接利用党城湾水文站实测径流系列资料作为电站径流资料计算出力。
党河党城湾水文站为国家基本水文站，水文站现属甘肃省水文水资源勘测局管辖，该站有1965～2002年共37年实测径流资料，资料精度较高，系列较长，系列完整，可靠性良好，控制流域面积14325km2，可作为党河第B级水电站径流分析计算的依据。
党河党城湾站实测月径流资料系列表13
四、
洪水资料
（一）防洪标准
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000）规定，党河第B级水电站工程装机为1.05万kw，工程等别为Ⅳ等，工程规模为小
（1）型工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级，党河第B级水电站引水枢纽工程洪水标准按20年一遇设计，50年一遇校核，厂房建筑物的洪水标准按30年一遇设计，100年一遇校核，河道临时施工围堰按照5—10年一遇洪水设防。
（二）暴雨洪水特性
党河流域距海洋遥远，海洋对降水影响微弱，年降水稀少，气候干燥。
受季风影响，时有局地暴雨发生，大面积暴雨较少发生。
暴雨历时短，一般不超过一天，暴雨出现时间多在6～9月间。
党河的汛期有春汛和夏汛。
春汛一般出现在3～4月间，历时一个多月，由低山融雪、地下水解冻和融冰形成，所形成的洪水峰低量小，造成的威胁不大。
夏汛在6～9月间，历时三个月，由暴雨和融雪综合形成，以暴雨为主。
洪水峰高量大，峰现时间很短。
党城湾站实测洪水系列较长，实测最大流量259m/s，发生在1979年7月
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26日，次最大流量253m3/s，发生在1999年7月16日。
（三）历史调查洪水及重现期
据《甘肃省洪水调查资料（内陆河流域）》记载，党河党城湾历史上曾发生过3场大洪水，党城湾河段调查洪峰流量分别为1951年7月洪水洪峰流量231m3/s，重现期至2002年为52年；1959年7月洪水洪峰流量139m3/s，重现期至2002年为44年；1937年洪水洪峰流量642m3/s，重现期截止2002年为66年一遇。
（四）洪水基本资料
党河第B级水电站引水渠首下游约15km处为党城湾水文站，电站和水文站之间无径流汇入和引出，电站和水文站区间集雨面积相差171km2,占党城湾水文站集雨面积的1.2%，故可以直接利用党城湾水文站实测洪峰流量系列资料计算洪水作为该电站设计洪水。
党城湾水文站有1966～2002年共37年实测洪水资料，资料精度较高，系列较长，系列完整，可靠性良好，控制
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