河海函授水资源毕业设计.docx
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河海函授水资源毕业设计
毕业设计（论文）
水资源规划（方案Ⅳ）
指导老师：
姓名：
学号：
专业：
水利水电工程
学习形式：
函授
时间：
2014年4月
前言
水利计算是根据国民经济建设项目的需要，综合考虑上、下游和各部门的要求全面规划，合理安排，研究流域水资源的规划、开发利用和综合治理，通过一定的工程措施调节自然径流，以达到兴利和减免灾害的目的。
本次毕业设计是对湖南省沅陵县境内的五强溪水库进行水利计算。
根据设计任务书的要求,对五强溪水库正常蓄水位分别为120m、115m、108m、100m的四个方案的死水位、调节流量、保证出力、防破坏线、多年平均电能和调洪计算六个方面进行计算，本次采用正常蓄水位100m,方案4进行分析计算。
本文是在任黎老师悉心指导下完成的。
通过本次设计，使我对水利计算和水资源规划的理论知识有了进一步提高，并对水利的兴利和除害方面的重要性有了深刻的认识，对水利计算和水资源规划理论和运用有了更深的了解。
由于在本次设计过程中，时间仓促，同时自己的知识水平也较为有限，设计计算中存在一定的不妥之处，恳请指导老师提出宝贵意见。
前言
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）见表1.1
表1.1备选方案正常蓄水位表
方案
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
正常蓄水位（m）
120
115
108
100
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1.2；
4．坝址下游水位流量关系曲线见表1.3；
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1.2水库水位～面积、库容曲线表
高程（m）
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
面积（km2）
0
7.240
20.503
39.491
64.988
111.184
187.915
297.288
462.987
647.004
容积
108m3
0
0.241
1.592
4.521
49.692
18.490
33.346
57.349
95.058
151.578
m3/s.月
0
9.175
60.65
172.13
369.0
703.96
1269.57
2183.43
3619.11
5770.97
表1.3坝址下游水位流量关系曲线表
水位
m
流量
m3/s
水位
m
流量
m3/s
水位
m
流量
m3/s
水位
m
流量
m3/s
48.5
204
53.0
3320
57.5
9470
66.0
25200
49.0
350
53.5
3360
58.0
10300
67.0
27200
49.5
545
54.0
4420
59.0
12000
68.0
29300
50.0
795
54.5
5040
60.0
13700
69.0
31600
50.5
1120
55.0
5720
61.0
15600
70.0
33800
51.0
1490
55.5
6450
62.0
17500
71.0
36000
51.5
1900
56.0
7200
63.0
19300
72.0
38300
52.0
2350
56.5
7950
64.0
21200
73.0
40300
52.5
2820
57.0
9700
65.0
23200
74.0
43400
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1.4；
表1.4各正常蓄水位方案对上游风滩的影响
方案（正常蓄水位）
Ⅰ（120m）
Ⅱ（115m）
Ⅲ（108m）
Ⅳ（100m）
减少
风滩
N（kw）
0.284
0.02
0
0
E（亿kw.h）
0.228
0
0
0
9．沅水尾闾洪灾情况、洞庭湖分分蓄洪提防基本情况见表1.5、1.6；
表1.5沅水尾闾历年洪灾情况
年份
常德最大
流量（m3/s）
洪灾情况
1927
24800
酉水特大洪水，尾闾未见灾情记载
1931
29700
尾闾淹田100万亩，淹死3049人
1933
30400
桃源淹田11.4万亩，汉寿受灾11.5万人
1935
29900
尾闾淹田93万亩，淹死3430人
1938
20600
黔阳淹5万余亩，尾闾未见灾情记载
1943
28600
沅陵、桃源灾情较重，常德、汉寿未见灾情记载
1949
24700
尾闾淹田71万亩，受灾35万人
1954
24300
尾闾淹田73万亩
1969
27300
尾闾淹田4.7万亩，受灾3.3万人
1970
22900
安江一带灾情严重，尾闾无灾
1974
21700
表1.6历年较大洪水所需拦洪量单位：
108m3
年份
1933
1931
1935
1949
1969
1954
1970
1974
1938
拦洪量
15.2
13.6
10.1
待算
6.5
6.2
2.31
1.38
0.31
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1.7；
表1.7各方案泄洪建筑物参数表
方案
泄洪建筑物
Ⅰ（120m）
Ⅱ（115m）
Ⅲ（108m）
Ⅳ（100m）
溢
洪
坝
孔数
10
12
12
14
坝顶高程（m）
108
101
94
84
孔口尺寸（宽×高）
15×12
15×14
15×14
15×16
中
孔
孔数
1
1
1
0
底坎高程（m）
82
82
82
0
孔口尺寸（宽×高）
13×8
13×8
13×8
0
13．经济预算资料：
（1）永久建筑物（含闸门设备）：
包括：
拦河坝、水道厂房、航道建筑、鱼道建筑、交通建筑、房屋建筑及其他。
坝底高程30m。
各方案投资估算见表1.8。
表1.8各方案投资估算表（枢纽土建）
最大坝高（m）
104
94.5
87.5
78.5
投资估算（万元）
61850
56350
53817
21019
（2）机电设备各方案投资估算见表1.9。
表1.9各方案投资估算表（机电设备）
装机容量（万瓦）
175
150
110
92
机电投资估算（万元）
28805
27981
25808
18190
（3）各方案的临时工程、其他工程和费用（包括施工机械、其他费用）、预备费用各方案投资估算见表1.10。
表1.10各方案投资估算表（其它费用）
方案
Ⅰ（120m）
Ⅱ（115m）
Ⅲ（108m）
Ⅳ（100m）
投资（万元）
71333
65816
62854
56028
（4）水库补偿（移民及淹没补偿）各方案投资估算见表1.11。
表1.11各方案投资估算表（补偿费用）
方案
Ⅰ（120m）
Ⅱ（115m）
Ⅲ（108m）
Ⅳ（100m）
补偿费（万元）
80000
57093
38547
24989
14．泥沙资料
坝址多年平均含沙量0.258kg/m3，多年平均输沙率513kg/s，风滩建库后，五强溪坝址多年含沙量0.19kg/m3，年淤积669万m3。
2原始资料复核
2.1长系列径流资料整理
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。
即每月扣除10m³/s的船闸操作耗用的流量，及在每年5月下旬至9月下旬的灌溉季节扣除平均35.0m³/s的灌溉流量（5月扣除11.7m³/s），得到新的供发电计算使用的径流序列（以下称新序列，见附表二），以此进行调节计算。
2.2水库库容曲线
依据资料提供的水库水位及容积，点绘出水位—容积关系曲线，如图2–1所示。
高程（m）
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
面积（km2）
0
7.240
20.503
39.491
64.988
111.184
187.915
297.288
462.987
647.004
容积
108m3
0
0.241
1.592
4.521
9.692
18.490
33.346
57.349
95.058
151.578
m3/s一月
0
9.175
60.65
172.13
369.0
703.96
1269.57
2183.43
3619.11
5770.97
图2–1水位—库容曲线
2.3坝址下游水位流量关系曲
依据资料提供的坝址下游的水位及流量，点绘出水位—流量关系曲线，如图2–2所示。
水位m
流量
m³/s
水位m
流量m³/s
水位m
流量
m³/s
水位m
流量
m³/s
48.5
204
53
3320
57.5
9470
66
25200
49
350
53.5
3860
58
10300
67
27200
49.5
545
54
4420
59
12000
68
29300
50
795
54.5
5040
60
13700
69
31600
50.5
1120
55
5720
61
15600
70
33800
51
1490
55.5
6450
62
17500
71
36000
51.5
1900
56
7200
63
19300
72
38300
52
2350
56.5
6450
64
21200
73
40300
52.5
2820
57
8700
65
23200
74
43400
图2–2水位流量曲线图
3死水位选择
死水位的影响因素复杂，通常要通过方案比较才能确定，而且它与正常蓄水位、装机容量及其它兴利指标相互制约、相互影响，要严格求解必须利用系统分析方法。
本设计对死水位的确定采用简化处理，主要考虑水库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。
使用寿命及泥沙淤积
使用寿命按50年计，年淤积量为669万m³
=669×50=33450万m³
查水位—容积曲线，确定在使用年限内满足防淤要求的死水位Z1=76.20m；
2、灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求，水库消落的最低水位不小于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%。
本设计采用程序计算，得到死库容为218.22m3/s.月,查水位库容曲线，确定死水位为82.34m。
4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。
本设计利用程序计算保证出力，计算结果见表4–1。
依方案Ⅳ设计要求，本电站发电设计保证率P=87.5%，故由表可查得其设计保证出力为NP=21.46万千瓦。
将保证出力按大小次序排列，绘制出相应的频率曲线图，如图4–1。
表4-1保证出力
年份
保证出力
频率
1953
284272.4
50
1965
314098.4
21.88
1967
427376.1
6.25
1968
214617.9
87.5
1963
246595.2
68.75
1952
195541.8
93.75
1961
252699.5
62.5
1972
242836
71.88
1969
252763
59.38
1976
199195.6
90.63
1978
339733.3
18.75
1970
248607.1
65.63
1951
456101.4
3.13
1980
258716.8
56.25
1975
372132.9
12.5
1981
236869
75
1964
351087.3
15.63
1977
386442.6
9.38
1962
288906.3
43.75
1955
311045.3
25
1958
236294.7
78.13
1957
293791.3
37.5
1971
232673.5
81.25
1959
186533
96.88
1973
265916.7
53.13
1966
292579.2
40.63
1979
284875.6
46.88
1954
304582.2
28.13
1956
215936.8
84.38
1974
303271.6
31.25
1960
299337.6
34.38
图4–1保证出力频率曲线图
5水电站装机容量的选择及多年平均电能计算
5.1水电站必须容量选择
必需容量包括工作容量与备用容量两部分。
本设计缺少电力平衡资料，故采用经验方法确定工作容量如下：
（1）保证出力中部分担任航运基荷：
N航基=10（万千瓦）
（2）设N峰为担任峰荷的保证出力：
N峰=Np-10（万千瓦）
（3）按以下关系确定峰荷工作容量：
N工峰=3.08N峰+7（万千瓦）
（4）水电站工作容量N总=N工峰+N航基（万千瓦）
本设计电站担任系统负荷备用及事故备用容量取值为N备=25万千瓦
表5-1必需容量计算表单位：
万千瓦
设计保证出力NP=87.5%
21.46
航运基荷保证出力
10
峰荷保证出力
11.46
峰荷工作容量
42.30
水电站总工作容量
52.30
备用容量（负荷备用及事故备用）
15
必需容量
67.30
由表5-1可知，水电站必需容量为67.30万千瓦。
5.2水电站调度图绘制
对兴利而言，本课程设计对水电站调度图只要求作两条线，一条是基本调度线——防破坏线；一条是加大出力辅助线。
防破坏线的绘制
防破坏线的绘制步骤如下：
1．选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．逐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；
3．将各年迟蓄方案水库蓄水量过程线点绘在一张图上，并取其外包线，即为防破坏线。
以上第2步采用等出力逆算法逆时序求解以下方程组：
Vt-1=Vt-（Qt-qt）×Δt
Nt=KqtHt
式中符合意义同前。
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=K·qt·（Z上-Z下）
（5）若丨Nt-Np丨＜ε，转前时段，否则qt=q（0）+（Np-Nt）／（K（Z上-Z下）），转
（2）。
第3步中的外包线，实际上是各条蓄水量过程线的同时刻纵坐标最大值，在具体操作时，可以在步骤2完成之后，直接给出外包线上各点坐标，当然最后采用值，还应视输出结果作适当分析修正，使防破坏线更可靠。
本设计采用程序计算，防破坏线计算结果如表5-2所示，防破坏线见图5-1
表5-2
月份
水库蓄水量（m3/s.月）
本方案
3
218.22
4
218.22
5
218.22
6
358.6
7
523.41
8
565.57
9
662.73
10
703.96
11
639.54
12
545.34
1
432.93
2
406.14
3
218.22
图5-1防破坏线图
（二）防洪限制水位的确定
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的前提下，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，得到防洪限制水位基本等于正常蓄水位，即95.67m，相应库容为14.02亿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为0。
（三）加大出力辅助线的绘制
在汛期防洪限制水位与防破坏间为加大出力区，水库位于此区时，水电站应加大出力工作，适当向系统多提供电量。
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，本设计采用简化方法确定该辅助线，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。
计算结果见表5-3：
表5-3加大出力辅助线参数表
正常水位
100m
死水位（m）
82.34
汛限水位（m）
95.67
Z1t（m）
85.67
Z2t（m）
89.01
Z3t（m）
92.34
V1t（亿m3）
7.11
V2t（亿m3）
9.05
V3t（亿m3）
11.36
三条辅助线将加大出力区分成四个区域，第i区的加大出力值为：
Ni=Np+（Ny－Np）÷4×i
计算结果见表表5-4：
表5-4加大出力值计算表
正常水位
100m
Np（万kw）
21.46
Ny（万kw）
67.30
N1（万kw）
32.92
N2（万kw）
44.38
N3（万kw）
55.84
5.3重复容量和装机容量的确定
（一）重复容量的选择
在丰水年的全年或汛期的水量会有富余，若仅以必须容量工作会产生大量弃水，为了充分利用此部分水量发电，以减少火电站的煤耗，水电站还额外设置一部分容量，称为重复容量。
本设计采用重复容量经济利用小时数（h经济=2500小时）作为反映重复容量的合理指标。
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。
重复容量的选择步骤如下：
（1）假定若干重复容量0，△N，2△N，3△N…..等万千瓦；
（2）按调度原则对每一装机容量（Ny=N必+N备）计算多年平均电能
（用新系列长系列操作）；
（3）计算补充千瓦年利用小时数h利=△E/△N；
（4）点汇N重~h利；
（5）据h经济，确定重复容量N重；
现假设重复容量N重等于0、2、4、6、8万kw时，分别计算新系列多年平均发电量
及重复容量年利用小时数h利，重复容量计算表见表5-5。
表5-5重复容量计算表
N必
（万kw）
N重
（万kw）
Ny
（万kw）
（亿kw.h）
E
（亿kw.h）
h利
67.30
0
67.30
34.37
67.30
2
69.30
34.81
0
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