《水 利 水 能 规 划》自学指导书.docx
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《水利水能规划》自学指导书
《水利水能规划》
学习指导书
2005年6月
第一部分总论
（一）本课程性质、教学目的及主要容
本课程是水利水电工程专业的一门重要的专业必修课程。
本课程教学目的是使学生在修完水力学，工程测量、工程经济，工程水文学等专业基础课程学习的基础上，尤其是通过工程水文学的学习，掌握了工程运行期间的来水、洪水、泥沙等要素的分析预测原理与方法的基础上，进一步掌握合理确定水资源开发利用方式、开发规模和可能产生的效益，并初步拟定工程的调度运用方案的有关概念、原理与方法。
为学生学习水工建筑物、水利工程施工等后续专业课程，以及今后从事流域水利规划及水利水电工程的规划、设计、施工与管理打好基础。
本课程的主要容为兴利调节，洪水调节，水能计算，水电站及水库主要参数选择，水库调度等。
（二）本课程特点及学习要求
本课程是一门规划类课程，综合性强，涉及知识面广，密切联系生产实际。
学习本课程，必须具有较好的水力学，工程测量、工程经济，工程水文学等基础，同时，努力了解水利生产实际，了解水利建设有关的国家政策及规，培养系统的、整体的观念，培养综合问题与解决问题的能力。
学习本课程过程中，应多看参考书、规和生产实例，理解概念和方法思路，掌握计算原理和基本的计算方法，并对近年水利水能规划的新问题、新要求、新理论及方法有所了解。
（三）教材及参考书
1．教材
周之豪等编《水利水能规划》（第二版），水利水电
2．主要参考书
（1）詹道江，叶守泽编《工程水文学》（第三版）
水利水电，2000
（2）叶守泽编《水文水利计算》水利水电，1992
（3）蒋金珠编《工程水文及水利计算》水利水电，1992
（4）《水电工程水利计算规》DT/T5105－1999
（5）《水利工程水利计算规》SL104－95
（6）《江河流域规划编制规》SL201－97
（7）《中小河流水能开发导则》SL221－98
（8）《水利水电工程等级划分及设计标准》SL252－2000
（9）《小水电水能设计规程》SL76－94
（四）教学时间安排
章节
名称
每章学时
面授学时
自学学时
备注
绪论
4
2
2
1
水资源综合利用
6
4
4
2
兴利调节
20
6
14
3
洪水调节
20
6
14
4
水利水电经济计算与评价
与《水利经济》课程重复，不作要求。
5
水能计算
20
4
16
6
水电站及水库主要参数选择
20
4
16
7
水库群水利水能计算
13
1
12
8
水库调度
11
1
10
合计
114
28
88
第二部分各章自学指导
绪论
学习要求
了解水资源的概念，我国水资源现状，水资源开发利用的原则，我国水利水电建设成就与展望。
重点与难点提示
水资源开发利用的主要原则（补充）
1、可持续开发利用
（1）不掠夺性开发，保持代际水资源平衡；
（2）与本地区经济、社会、生态、环境协调发展；
（3）与上下游地区协调发展，优化配置水资源。
2、综合利用水资源；
3、尽量以最小投资获得最大的综合效益；
4、工程措施与非工程措施并重。
第一章水资源的综合利用
学习要求
了解水资源开发利用的主要措施及有关的基本概念，国民经济各部门用水要求及矛盾协调，水利水能规划的主要容。
重点与难点提示
一、目前水资源开发利用与保护的主要措施（补充）
1、工程措施
灌溉、水力发电、城镇及工业供水、防洪及治涝、航运、水产、水利旅游、生态保护、治污、水土保持、河道疏浚等。
2、非工程措施
水资源优化配置与管理、洪水预报预警、河库优化调度、洪旱灾害保险、国土规划、工农业结构调整、发展节水技术和治污技术等。
二、水力发电
1、基本原理及水能计算公式；
2、河川水能资源的基本开发方式。
三、防洪与治涝
原理及主要工程措施。
四、灌溉
1、灌溉工程。
2、灌溉用水量计算：
灌溉制度、灌溉方式（灌水方法）、灌水定额、灌溉定额、毛灌水量、净灌水量、灌溉水利用系数等。
五、其它措施
任务、意义、措施。
六、水利水能规划的主要容
1、主要容
2、主要步骤
七、各水利部们间的矛盾及其协调
矛盾的主要方面，解决的一般原则。
认真研究教材所举实例。
思考题
1、目前水能开发有哪几种主要方式？
各有何特点？
2、目前防洪工程措施一般有那些？
各自作用如何？
堤防、水库、分洪蓄洪工程在一个防洪体系中一般启用顺序如何？
3、试分析水库防洪与兴利的矛盾，如何协调，谈谈你的看法。
第二章兴利调节
学习要求
掌握水库特性、兴利调节分类等水利水能计算基本概念，理解兴利调节计算的任务及原理，掌握年调节水库兴利调节计算的时历列表法、多年调节水库兴利调节计算的概率法。
自学说明
本教材本章容编得较杂乱，有大量篇幅介绍目前已很少采用的图解法；将第五章涉及的等出力计算亦提到本章讲述，故同学们自学有一定困难。
为便于同学们学习和理解，建议大家看“主要参考书
（2）或（3）相应章节”。
本指导书对该章容作适当调整，删去原第七节（图解法），增加对死水位选择等容的简单介绍。
重点与难点提示
第一节水库特性
一、库面积、容积特性曲线
曲线的绘制及其作用。
二、库特征水位及相应库容*
定义、作用、相互关系。
三、水库水量损失
蒸发损失、渗漏损失产生原因及一般估算方法。
四、水库淤积
南方少沙地区淤积估算常用方法（补充）：
1、多年平均年淤积量
V年淤＝
式中：
——坝址断面悬移质多年平均含沙量，
，实测资料计算或查水文手册获得；
——坝址断面多年平均年径流量，
，实测资料计算或查水文手册获得；
——入库泥沙沉积率，％；
——淤积体空隙率，
；
——泥沙干容重，
；
——推移质年入库量与悬移质年入库量经验比值，％；
——年塌岸量，
，
2、淤积库容
V淤＝T·V年淤
式中：
T——水库正常使用年限，一般规定小型水库20～30年，中型50年，大型50～100年。
五、水库淹没与浸没
水库淹没与浸没概念，对国民经济、生态环境、工程投资等影响。
第二节兴利调节分类
水库调节周期、日调节、年调节、多年调节概念，调节类型的判别。
水库调节性能判别一般有三种方法：
1、灌溉、供水水库根据来用水与设计保证率判别：
分析n年来用水资料中，可能进行年调节（数年来水大于用水）的年数，与设计保证率对比分析可判断水库调节类型。
例如：
分析某灌溉水库50年来、用水资料，有40年来水大于用水。
若灌溉设计保证率取90％，则水库应建成多年调节水库？
若灌溉设计保证率取70％，则水库可建成年调节水库？
2、根据水库库容系数β（V兴/W。
）初步判别：
β>30%可进行多年调节；8%～30%可进行年调节。
3、对发电水库，因用水与水库规模有关而事先无法确定，不能采用第一种方法。
一般选择设计枯水年来水资料，计算完全年调节库容,即假设年平均用水流量等于年平均来水流量，推求供水期总缺水量或累计缺水量，即为完全年调节库容，若水电站水库拟定的兴利库容大于完全年调节库容（进行年调节要求的最大库容），则水库可进行多年调节。
第三节设计保证率
年保证率、历时保证率概念，设计保证率的选择。
补充：
水库死水位选择
选择原则：
综合考虑泥沙淤积需要、灌溉引水和发电最小水头要求、库区航运和水产及生态环境对最小水深要求、工程投资及效益等因素，通过方案比较优选。
第四节设计代表期
一、设计代表年的概念、用途、选择方法。
二、设计径流系列的概念、用途、选择方法。
第五节兴利调节计算
一、任务
在来水条件一定的前提下，确定用水量（调节流量）、兴利库容、设计保证率三者之间的关系。
为最终通过方案比较确定上述三个参数提供依据。
三类课题。
二、灌溉为主的水库兴利调节计算的一般程序（补充）
1、分析拟定若干可行的灌溉方案，计算用水量，并选择设计保证率；
2、对每一方案，在已知来水、用水、设计保证率和水库兴利调度方式的条件下推求兴利库容和水库蓄放水过程（水库运用过程）；
3、计算各方案投资、效益等经济技术指标，进行方案比较优选。
但在生产实际中，由于灌溉效益难以计算，一般对灌溉工程不做定量的经济技术方案比较，只根据当地农业发展需要及前期规划成果对灌溉围做宏观分析，选择灌溉方案。
第六节兴利调节时历列表法
一、根据用水、设计保证率确定兴利库容（以年调节为例）
长系列法：
每年（调节年度）求一个兴利所需库容，对各年库容进行频率计算求得符合设计保证率的兴利库容。
代表年法：
选择符合设计保证率的代表年（设计枯水年或实际枯水年）求该年兴利所需库容作为设计兴利库容。
代表年的选择一般以年来水量或以年来水和灌溉期（或枯水期）来水同时控制经频率分析选年，灌溉水库一般选实际代表年（不缩放），供水水库选设计代表年（同倍比或同频率缩放）。
代表年也可以根据用水选择。
对某一年度兴利所需库容的计算方法如下：
1、不计水量损失的年调节计算
⑴根据来水和用水组合情况判断确定兴利所需库容大小
兴利所需库容V等于年度最大累计缺水量,可从年度末逆时序累加缺水量（遇缺水加、遇余水减，取累计过程中的最大值）。
⑵计算水库运用过程，即水库为满足兴利要求调节径流过程中，各月（旬）初、末水库蓄水量和各月（旬）弃水量。
水库运用过程不仅与来、用水及兴利库容大小有关，也与水库的兴利调度方式有关。
兴利为主的水库，尤其是中小型水库较多采用早蓄方案，即：
遇余水蓄，蓄满（兴利库容）弃、余缺水放。
对这类水库，可按此蓄放水规则从年度初起逐月（旬）列表进行水量平衡计算，推求水库运用过程。
表格计算完毕后应进行校核计算。
2、考虑水量损失的年调节计算
水库蒸发与渗漏损失的存在相当于使来水减少或用水增加，因此，考虑水量损失后缺水量增加，需要的兴利库容较不考虑损失时大。
考虑水量损失的年调节计算关键是合理估算出水量损失的大小。
水库蒸发与渗漏损失的大小除了与库区水面、陆面蒸发量以及水库水文地质条件（渗漏系数）有关外，还与水库各月（旬）蓄水量及相应的水面面积有关，而水库各月（旬）蓄水量的计算又必须以兴利库容作为蓄水上限控制，却又正是未知待求的。
因此，计算时一般先不计损失求得兴利库容、水库各月（旬）蓄水量及相应的水面面积，初步估计水量损失，最终通过逐步逼近或简化方法求得考虑损失的兴利库容。
自学时应通过教材中的算例理解这两类方法。
生产实际中，为简化计算，一般按多年平均情况估算各年各月（旬）蒸发与渗漏损失。
年蒸发损失强度按多年平均E水-E陆计，并按实测水面蒸发多年平均月份配比分配；水库蓄水量和水面面积按多年平均值V死+V兴/2和相应水面积计；估算出多年平均情况估算各年各月（旬）蒸发与渗漏损失后从来水中扣除得到净来水量用于调节计算，后面的水能计算亦如此。
二、根据兴利库容确定调节流量
调节流量——来水经水库调节后能提供的可用水量。
调节流量取决于来水及用于调节径流的兴利库容大小。
由于已知水库蓄水期（初为库空，末为蓄满）的总可用水量为蓄水期来水量W蓄减去蓄水期水量损失W损并减去蓄满兴利库容V兴，故可求得蓄水期可提供的平均可用水流量
同理，可求得供水期可提供的平均可用水流量
上述公式应用时应注意的两个问题（教材P45）很重要，应理解：
1、应先判断水库调节类型才能正确进行计算。
年调节水库的蓄水期和供水期均为若干月，多年调节水库则分别为丰水年组和枯水年组。
2、两式均需试算求解。
蓄水期和供水期划分要由来水和用水即Q调的组合情况进行判断，而Q调待求，故T蓄、T供无法事先确定，只能假设后求出Q调，再与来水配合判断假设是否合理。
三、根据既定兴利库容和水库操作方案推求水库运用过程
1、定流量操作
本节一、
（一）、2已有介绍。
2、定出力操作
暂不要求自学，今后结合水能计算学习该容。
第七节兴利调节时历图解法（不要求自学）
第八节多年调节计算
（一）时历试算法
该方法概念清楚、操作方便。
便于编程计算，在有长系列来用水资料时（30年以上）被生产单位广泛使用。
方法步骤如下：
1、选择设计代表期来、用水系列资料（年数n）；
2、假设一个V兴；
3、假设第一年初水库水库蓄水量。
系列前几年为连续枯水年时取库满，连续丰水年时取库空，一般情况取V死＋V兴/2;
4、从第一年第一个月（旬）开始推求水库蓄放水过程：
遇余蓄、蓄满弃、遇缺放、放空仍缺水则计该年供水破坏，下月（旬）从V死继续演算直到系列末；
5、统计供水破坏年数T破，计算供水保证率
6、若P＝P设，则假设的为所求，否则重复第2～6步。
（二）时历法之二——长系列逐年库容分析法
——对长系列来用水资料，逐年分析保证该年供水所需库容V年i，（当某年来水小于用水的枯水年，其库容应联系前面的年份一起推求累积缺水量确定），然后对V年频率计算求V兴。
例如某多年调节水库逐年库容计算表（部分）
年份
第1年
第2年
第3年
第4年
余缺水量
50
-30
20
-25
22
-20
25
-30
所需库容
30
35
20
38
（三）数理统计法之合成总库容法
多年调节水库调节周期较长，一般无法获得若干个循环周期资料，难以象年调节水库那样用时历法进行P设、Q调、V兴关系计算，故常采用数理统计方法（概率法）。
数理统计法是一大类方法，本节只介绍其中的一种——合成总库容法。
该方法将V兴人为划分为多年库容V多和年库容V年两部分。
V多定义为年际水量调节需要的库容，与各年来、用水量的组合有关，与来、用水量年分配无关，而各年的来水、用水量的大小是可以用其频率曲线来表示的。
故V多可采用概率方法推求。
V年定义为年径流调节需要的库容，用时历法选代表年进行计算。
一、确定多年库容
由于同学们在数理统计课程中未学习两个随机变量的概率组合理论，故自学本部分有一定困难。
但至少应理解和掌握以下容：
⑴模比系数K、调节系数α、库容系数β的概念；
⑵普列什柯夫线解图及其应用条件、应用方法。
二、确定年库容
了解确定V年一般原则与方法。
补充：
水库正常蓄水位比较和选择时应考虑的主要因素
1、工程的综合效益；
2、水库淹没损失及造价；
3、水库蓄水条件（库区地形、水文地质等）；
4、淹没限制（公路、铁路、重要古迹等）；
5、水库回水对上游水利工程的影响；
6、水库运行后对下游水利工程的影响；
7、对生态环境的影响；
8、其它
思考题
1、水库有那些特征水位及库容？
2、什么是水库的淹没和浸没？
水库的经常淹没和临时淹没围一般如何确定？
3、什么叫日调节、年调节、完全年调节、多年调节？
如何对水库调节类型进行初步判断?
4、什么是设计代表年？
如何选择设计代表年？
5、采用代表年法推求年调节水库兴利库容时，应选择什么代表年的来用水资料进行计算？
如何计算？
请写出主要步骤（考虑损失）。
6、进行水库死水位和正常蓄水位比较优选时，主要应考虑那些因素？
第三章洪水调节
学习要求
掌握水库洪水调节基本概念、防洪计算任务及一般计算程序、调洪计算原理及试算法。
重点与难点提示
第一节水库调洪的任务与防洪标准
一、水库的调洪作用、防洪标准的概念。
二、水库防洪计算的任务及一般程序
1、任务
确定泄洪建筑物型式与尺寸、防洪特征水位及相应库容、最大下泄流量之关系，为最终通过方案比较确定上述参数提供依据。
2、一般程序（补充）
1）拟定比较方案：
一般拟定若干泄洪建筑物型式与尺寸、防洪限制水位、水库调洪方式（水库防洪调度运用方式），组成若干比较方案；
2）调洪计算：
对于每一个方案，对不同设计标准的洪水进行调节计算，模拟水库调节洪水时库容、水位、下泄流量变化过程，推求最高库水位（最大蓄水量）、最大下泄流量。
如对大坝校核洪水调洪计算求得校核洪水位、调洪库容、校核情况最大下泄流量。
同理，通过对不同设计标准的洪水进行调节计算，可求得某一方案对应的水库各种防洪特征水位及库容、最大下泄流量，为进一步确定坝高、上游淹没、泄洪建筑物设计、下游防洪设计，以及今后的水库运行调度等提供依据。
3）方案比较优选
计算大坝造价、上游淹没损失、泄洪建筑物造价、下游堤防培修费用、工程运行费用等，选择总费用最小方案。
第二节水库调洪计算原理
调洪计算的关键是如何在已知入库洪水过程、泄洪建筑物型式与尺寸、防洪限制水位、水库调洪方式的前提下，模拟水库调节洪水时水蓄水量、水位、下泄流量变化过程，并求得最大值。
模拟水库调节洪水时水蓄水量V、下泄流量q的变化过程，需要使用时段水量平衡方程（式3－2）和水库泄流曲线（式3－4），从第一时段初开始（防洪限制水位及相应库容），逐时段计算
、
。
（3－2）
（3－4）
当某时段水库按拟定的调洪方式采用控制泄流,即按规定流量泄流时，时段末
已知，由式（3－2）可直接求得
；当某时段水库按拟定的调洪方式采用自由泄流,如敞开闸门泄流时，
与库水位
和水库蓄水量
相应变化，
、
均未知待求，此时必须联解式（3－2）和（3－4）求解。
自学时，要理解两个方程。
对于（3－4），还应掌握该曲线的计算与绘制方法。
第三节水库调洪计算的列表试算法
对某时段，联解式（3－2）和（3－4）求
、
一般有试算法和图解法两类方法，其中试算法较为灵活和精确，适用性强，也便于编程计算，是目前生产中采用的主要方法；图解或半图解法在过去计算条件落后时曾因能节省计算工作量而流行一时，随着计算机应用普及，目前已很少使用。
试算法一般逐时段列表进行计算，每个时段均需试算几次，求得
、
，表中只需列出各时段试算结果。
每个时段的试算过程可用以下计算框图描述：
已知
q2=q2′？
是进入下时段试算
令q2=q2′否
学习试算法调洪计算时应注意以下几点:
1、计算时段长△t的选择
△t太小则计算工作量大，太大则计算误差大。
一般要求必须有洪峰点，且能控制洪水过程线的明显转折点。
洪水涨落流量接近直线变化时，△t可取大些，但从调洪起算时刻到洪峰流量时刻之间一般不应少于3个时段。
试算法并不要求各时段△t相等。
2、调洪计算起始时刻的选择
调洪计算起始水位为防洪限制水位，计算起始时刻为库水位开始变化的时刻（如图3－2中的库水位起涨点，图3－5a、b、c中的t1时刻），该起始时刻的流量可根据水库泄洪建筑物型式和拟定的水库调洪方式计算确定。
自学时应对此认真分析，理解掌握其方法。
3、调洪计算中不同泄流情况采用不同的计算方法
对于控制泄流情况，如图3－5a、b中的t2～t3段,规定按q安泄流，时段末
已知，由式（3－2）可直接求得
;当水库自由泄流，如图3－5a、b中的t1～t2段、b中的t3以后段，采用试算法逐时段求解。
水库调洪过程中何时改变泄流方式，以及控制泄流时对下泄流量值的具体规定，取决于拟定的水库调洪方式，即水库防洪调度方式。
对此同学们理解可能有一定难度，在下一节自习时应着重解决该问题。
4、最大下泄流量qm、最大库容Vm及相应的最高库水位Zm的确定
调洪过程中的qm、Vm应该出现在q～t与Q～t退水段交点，该交点qm值可通过改变△t试算获得，或将两线绘于一图查得。
Vm由qm查q～V曲线，Zm由Vm加防洪限制水位以下库容后查Z～V曲线。
第四节水库调洪计算的半图解法（删去，不要求自习）
第五节其它情况下的水库调洪计算
理解水库常见的几种调洪方式（图3－5）及相应情况的调洪计算列表法。
思考题
1、水库防洪计算的任务及一般程序是什么？
2、水库本身及下游防护对象的防洪标准是如何确定的？
请用一个你所了解的实例简单描述水库对下游的防洪任务。
3、水库的q～V曲线如何计算？
请分步说明。
4、请用文字描述图3－5b情况的调洪方式，并说明如果用于模拟计算的入库洪水是大坝设计洪水，则t1、t3、t4时刻的库水位应该是什么特征水位？
第五章水能计算及水电站在电力系统中的运行方式
学习要求
了解水能计算的与容；掌握水能计算原理和基本方法，水电站
和
计算方法；了解系统负荷图、容量组成、水电站在电力系统中的工作特性等概念。
自学说明
本章的水能计算容与第二章“兴利调节”的第3～6节容密切相关，故应联系起来自学。
更正：
教材P108第6行“水电站下游水库流量关系曲线”应更正为“水电站下游水位流量关系曲线”。
重点与难点提示
第一节水能计算的目的与容
一、水能计算基本公式
1、时段平均出力公式，各变量含义及单位；
2、时段发电量公式，各变量含义及单位；
二、水能计算的目的
1、规划设计阶段
对发电为主的水库，拟定若干正常蓄水位和死水位方案，对每一方案推求电站保证出力Np、多年平均年发电量
、装机容量N装等指标，最终通过经济技术分析和方案比较优选方案。
2、电站运行阶段
在水电站及水库主要参数已定的情况下，根据来水情况、用水要求及电力系统负荷等情况，推求水电站各时段出力和发电量。
三、水能计算的列表法
该方法是在已知各时段来水、发电用水条件下推求各时段出力和发电量。
其中：
1、可供发电流量Q电，对于发电为主的水库电站可采用教材第二章中P45和本指导书P8介绍的定流量法或教材第二章中P47介绍的定出力法推求。
2、各时段平均的上游水位、下游水位、平均出力、发电量计算请结合例5－1认真理解。
3、例5－1未考虑水头损失（沿程及局部水头损失），水头损失计算方法可参考有关水力学或水电站方面的书籍。
四、水电站保证出力Np、多年平均年发电量
的概念和计算方法
应掌握不同调节类型水电站保证出力Np和多年平均年发电量
计算方法，年调节和多年调节电站供水期平均出力计算要掌握等流量法和等出力法两种方法。
第二节电力系统的负荷图
电力系统负荷图是电站规划设计和电力系统调度管理的重要依据。
自学中必须理解：
1、日负荷图及其特征值、分区概念，日电能累计曲线。
2、年负荷图及其表示方法。
3、设计水平年的概念。
水电站规划设计时依据的负荷图应根据当地设计水平年的国民经济发展规划，并考虑丰、平、枯不同来水情况和不同季节（或月份）来拟定。
例如你在设计中见到某日负荷图的图名可能是“××电力系统设计水平年（2010年）冬季典型日负荷图”。
规规定设计水平年为第一台机组发电后的第5～10年。
第三节电力系统的容量组成及各类电站工作特性
一、电力系统的容量组成
电力系统、容量组成、各组成部分容量的概念。
二、各类电站技术特点
着重了解水电站的工作特点（相对于火电而言）。
第四节水电站在电力系统中的运行方式
结合水电站的工作特点，理解不同类型水电站在不同时期的运行方式，即在系统负荷图上的工作位置。
这对于下面学习水电站装机容量确定和水电站运行调度非常重要。
思考题
1、什么叫水电站的保证出力、保证电能？
对于无调节、日调节、年调节、多年调节电站，保证出力具体定义有何不同？
2、对一个年调节水电站，如果采用等流量法推求调节流量（可供发电流量），请简要写出推求某代表年各月出力和发电量的主要步骤。
3、日负荷图一般用什么特征值划分为哪3个区域？
日电能累计曲线有何作用？
4、
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