大工13秋水利水能规划》辅导资料十八.docx
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大工13秋水利水能规划》辅导资料十八
水利水能规划辅导资料十八
主题：
期末总复习第二部（共二部）
学习时间：
2014年1月27日－2月2日
内容：
这周我们将进行本门课程的期末总复习二。
希望下面的内容能加深同学们对相关知识的理解。
一、学习要求
对课程下半部分知识点进行梳理
二、主要内容
（一）水库兴利调节分类
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。
调节性能与水库库容的对应关系：
周期越长，调节性能越好，相应的库容也越大。
按调节周期分：
1.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，按用水部门的日内需水过程进行调节。
电力负荷的日变化规律。
2.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。
一个时间段内，用电的周变化规律。
3.年调节：
年内河川径流变化甚大，丰水期和枯水期的来水量相差悬殊。
径流年调节的任务是按照用水部门的年内需水过程，将一年内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。
根据径流年内的丰、枯变化，以丰补枯的调节。
4.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的多余水量蓄存起来，用以提高枯水年的供水量。
多年的丰枯变化，以丰水年补枯水年。
按水库任务分：
单一任务径流调节、综合利用径流调节
按水库供水方式分：
固定供水、变动供水
其它分类
1.反调节水库：
下游水库按用水需求，对上游水库的泄流的再调节。
2.单一水库补偿调节：
水库与下游区间来水之间的互相补偿。
3.库群补偿调节：
有水文、库容、电力补偿。
（二）调节周期的概念
建造所谓的调节周期，是指水库的兴利库容从库空到蓄满再到放空的完整的蓄放过程。
调节周期越长，水库的调节性能越好，相应的库容也越大。
（三）工作保证率与设计保证率
1.工作保证率：
水利水电部门的正常工作的保证程度，称为工作保证率。
工作保证率有不同的表示形式。
一种是按照正常工作相对年数计算的“年保证率”，它指多年期间正常工作年数占运行总年数的百分比，即
另一种工作保证率表示形式是按照正常工作相对历时计算的“历时保证率”，指多年期间正常工作历时（日、旬或月）占总历时的百分比，即
年保证率与历时保证率之间的换算式为
P=[1-（1-P
）/m]×100%
式中m为破坏年份的破坏历时与总历时之比，可近似按枯水年分供水期持续时间与全年时间的比值来确定。
2.设计保证率：
拟建水利水电工程需要选定一个合理的工作保证率，该选定的工作保证率势必成为水利水电工程规划、设计时的重要依据，称为设计保证率。
（四）设计代表年
在水利水电规划设计中，常常选择有代表性的枯水年、中水年与丰水年作为设计典型年，分别叫做设计枯水年、设计中水年以及设计丰水年，其中以设计枯水年的效益计算成果代表恰恰满足设计保证率要求的工程兴利情况，设计中水年代表中等来水条件下的平均兴利情况，设计丰水年则代表多水条件下的兴利情况。
对于年调节水电站，满足设计保证率要求的关键在设计枯水年的供水期。
因此，可根据水文资料和用水要求，划分各年一致的供水期，计算各年供水期天然水量并绘制供水期水量的频率曲线，由设计保证率即可在曲线上查出供水期水量保证值以及相应的年份。
（五）设计枯水、中水系列
多年调节水库的调节周期长达若干年，应选择包括多年的径流系列进行水利水能计算。
设计多年径流系列是从长系列的资料中选出的有代表性的短系列。
1、设计枯水系列
对于多年调节，由于水文资料的限制，能获得的完整调节周期数是不多的，难以应用枯水系列频率分析法选择设计枯水系列。
通常采用扣除允许破坏年数的方法加以确定，即先按下式计算设计保证率条件下正常工作允许破坏的年数
式中n表示水文系列总年数。
然后，在实测资料中选出最严重的枯水年组，并从该年组最末一年起逆时序扣除允许破坏年数
，余下的即为所选的设计枯水系列。
2、设计中水系列
为探求水库运用的多年平均状况，一般取10-15年作为代表期，称为设计中水系列，选择时要求：
①系列连续径流资料至少要有一个以上完整的调节循环；
②系列中年径流均值应等于或接近于多年平均值；
③系列应包括枯水年、中水年、丰水年，它们的比例关系大体上与长系列一致，使设计中水系列的年径流变差系数CV与长系列的相近。
（六）兴利调节计算概念和分类
根据国民经济有关部门的用水要求，利用水库重新分配天然径流所进行的计算，称为兴利调节计算。
对单一水库，计算任务是求出各种水利水能要素的时间过程以及调节流量、兴利库容和设计保证率三者间的关系，作为确定工程规模、工程效益和运行方式的依据。
对于具有水文、水力、水利及电力联系的水库群，径流调节计算还包括研究河流上下游以及跨流域之间的水量平衡，提出水文补偿、库容补偿、电力补偿的合理调度方式。
按照对原始径流资料的描述和处理方式的差异，兴利调节计算方法主要分为时历法和概率法两大类。
时历法是以实测径流资料为基础，按历时顺序逐时段进行水库水量蓄泄平衡的径流调节计算方法，其计算结果也是按历时顺序给出；概率法是应用径流的统计特性，按概率论原理，对入库径流的不均匀性进行调节的计算方法，成果以调节流量、蓄水量、弃水量、不足水量等的概率分布或保证率曲线的形式给出
（七）长系列法
年调节水库兴利调节计算的长系列法是将水库坝址断面河流多年来水过程系列和灌区供水系列，逐年按时历列表法进行逐时段（月或旬）的水量平衡计算，其具体计算方法有不计损失和计入损失两种。
前者常用于方案比较阶段，或作为计入损失法的初步调算方案，水库兴利库容的最后确定必须考虑水库的水量损失。
长系列法求出的年调节水库兴利库容的保证率概念比较明确，成果精度较高，在水库工程的技术设计阶段常用这种方法。
但此法要求较长的资料系列，计算工作量大，在初步规划阶段，不大方便进行多方案比较。
（八）代表期法
年调节水库兴利调节计算的长系列法需要较长的来水和用水资料，当资料缺乏或者资料不足时，这种方法就不能应用。
即使有较长的实测资料系列，因计算工作量大，在中小型水库的规划设计中不便于多方案比较，而常采用实际代表年法或设计代表年法来进行调节计算，通过一年的调节计算，确定出符合设计保证率的年调节兴利库容。
1、实际代表年法
实际代表年法就是选用某种年型的实测来水过程以及灌溉用水过程为代表，进行调节计算来推求水库的兴利库容及其蓄水、泄水过程。
实际代表年法又分为单一选年法、库容排频法和实际干旱年法。
2、设计代表年法
当采用实际代表年法有困难时，可采用设计代表年法。
设计代表年法就是先在设计站或者参证站或灌区选择符合设计要求的一个或几个实际年的径流年内分配资料及用水年内分配资料为典型，然后以设计年来水量和设计年用水量分别放大或缩小典型年的来水过程线和用水过程线成为设计过程线，典型年的选择应该满足下列条件：
（1）典型年的年水量与设计年的年水量要比较接近。
（2）典型年的来、用水年内分配对工程比较不利，即要求调节计算得出较大的兴利库容。
设计代表年法采用来、用水同频率只在来、用水有较好相关关系时才是正确的，否则由此求得的兴利库容不见得就符合设计保证率。
（九）防洪标准和调洪计算原理
洪水在水库中行进时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间而变化，其流态属于明渠非恒定流。
根据水力学，明渠非恒定流的基本方程，即圣维南方程组为：
洪水入库后，其运动是属于不稳定流。
水库沿程的水位、流速和过水断面等均随时变化，可用圣维南方程组表示。
由于圣维南方程组一般很难求得精确的解析解,实用中多采用瞬态法,直接差分法及特征线法等近似解法。
水库调洪计算的实用方法可分为静库容法及动库容法。
静库容法假定库内流速趋近于零，库水面为水平的，即库容与坝前水位成单值函数关系，忽略动力方程对调洪的影响，将连续方程写成有限差的水量平衡方程并建立水库下泄流量与水库蓄水量之间的关系。
动库容法指水库尾部地形开阔或回水尾端库水面曲线上翘显著，动库容（实际库水面与水平库面间的库容）不容忽视时，按不稳定流计算方法逐段进行洪水演算。
这种方法的工作量很大。
实际应用采用回水曲线法和近似法。
（十）瞬态法
瞬态法，即用有限差值来代替微分值，并加以简化，以近似地求解一系列瞬时流态。
它的特点是比较简单，宜于手算。
瞬态法将圣维南方程组进行简化，则得专用于水库调洪计算的实用公式如下：
瞬态法计算时存在问题：
Q2与V2同在一个等式中，并且二者相关。
解决办法：
试算法，其过程是：
1.假设Q2，求V2，并依二者的关系，求V2对应的Q，与Q2比较，如吻合，则试算结束，若送差别较大，则修正Q2，继续试算；
2.假设V2，求Q2，并依二者的关系，求Q2对应的V，与V2比较，如吻合，则试算结束，若送差别较大，则修正V2，继续试算。
（十一）列表试算法
在水利规划中，常需要根据水工建筑物的设计标准或下游防洪标准，按工程水文中所介绍的方法，推求设计洪水流量过程线。
因此，对调洪计算来说，入库洪水过程及下游允许水库下泄的最大流量均是已知的，调洪计算就是在这些初始的已知条件下，推求下泄洪水过程线、拦蓄洪水的库容和水库水位的变化。
原理：
依据时段内的水量平衡，逐时段计算下泄洪水过程，和相应的水位、库容变化。
已知：
入库洪水过程，水位—库容关系曲线，水位—泄流量关系曲线，调洪初始条件。
列表试算法的计算步骤如下：
（1）由已知的水库水位容积关系曲线V=f（Z）和泄流计算公式，求出下泄流量与库容的关系曲线q=f（V）；
（2）选取合适的计算时段∆t，以秒为计算单位；
（3）对任一时段∆t，假设初始时刻的q2，然后将其代入水量平衡方程，求出V2，查q-V曲线得到q2’。
若q2与q2’不相等，则重新假设q2，并试算，直至本时段q2与q2’相等时为止，再转向下一时段计算。
（4）将各时段计算结果绘制成曲线，供查阅。
（十二）资金时间价值以及基本计算公式
资金是国民经济中物资的货币表现。
资金在建设和生产过程中不断地循环运动。
水利工程建设资金的运动包括流通、建筑安装、回到流通三个阶段。
由于剩余劳动的存在，资金在每一次循环运动中产生增值。
资金在循环中产生的增值就是资金的时间价值。
考虑资金时间价值的经济计算方法，称为动态经济计算方法。
按照动态经济计算方法，一笔资金在不同时间发生，其价值不同。
在水利建设项目经济评价中，采用动态经济评价方法可有效地防止或减少建设资金积压，促进水利工程缩短建设周期，尽早发挥效益。
动态经济计算方法是水利经济计算的主要方法。
在动态经济分析计算中，采用资金流程图来表示资金发生的时间状况。
资金流程图由表示时间的水平轴和表示资金的竖向箭头组成。
投入（如投资、年运行费等）用指向时间轴的箭头表示，产出（如效益）用离开时间轴的箭头表示。
在动态经济计算方法中，用复利的方式表示资金时间价值。
年初投入资金（现值）P，因资金发生增值，年末（即第二年年初）资金的本利和（即终值）F应大于P。
（1）终值计算公式
式中P——现值；
F——终值；
i——年利率，又称折现率；
n——年数。
终值计算公式用于由现值计算若干年后的终值。
（2）现值计算公式
现值计算公式用于计算若干年后的终值其现值是多少。
需注意，以上公式均为复利计算公式（复利俗称“利滚利”，复利和固定利息，如日常生活中银行存款利息是不同的）。
按照《水利建设项目经济评价规范》，资金时间价值计算的基准点应定在建设期的第一年年初。
投入物和产出物，除当年借款利息外均按年末发生和结算。
资金流程图、资金时间价值基本计算公式，以及规范关于计算基准点和投入产出发生时间的规定均应注意掌握。
（十三）水电站保证出力
水电站利用水能生产电能。
如前述，河川径流具有不均匀性和随机性，因水电站水库的调节能力是有限的，故使水电站能够提供的电能具有随机性。
在电力系统中，电力负荷是由火电站、水电站以及核电站共同承担的（目前我国核电站装机容量和发电量所占比率均很小），为使电力系统安全、可靠地满足国民经济各部门的需要，要求水电站能够按照一定保证率，比较有把握地承担电能和负荷。
保证出力是水电站在长时期工作中，相应于设计保证率的控制时段（比如供水期或枯水期）的平均出力。
保证出力的概念十分重要。
首先应明确，保证出力具有统计意义，它相应于设计保证率。
另外，保证出力虽然是“出力”，其单位是千瓦或者兆瓦，但它是一个时段的平均出力，故实际上保证出力表示的是水电站提供电能的能力，而不是承担电力系统瞬时负荷的能力。
可以说，保证出力是表示水电站能够有把握地承担多少电能的指标（水能计算中，又将符合设计保证率的水电站在控制时段内提供的电能称为保证电能。
实际上，保证电能和保证出力的意义相同，只是表达方式不同）。
再有，保证出力的控制时段是指水电站发电受到限制的时段。
一般情况下，水电站发电量受水量限制，控制时段就是枯水期或供水期，但也可能有其他情况。
如低水头径流式电站，丰水期可能因水头减小，发电受到限制。
又如有的水利枢纽可能因为综合利用的其他要求，使发电受到限制。
对于类似这样的情况，保证出力的控制时段需另作具体分析。
还应当明确，保证出力实际上是水电站正常工作的最小平均出力。
（十四）负荷曲线和电能累积曲线
在一个区域中，将各种发电站用输电线路联系起来统一向用电户供电称为电力系统。
电力系统的容量和发电量应满足国民经济各个部门的需要。
电力系统的负荷是随时变化的。
目前，电力还不能大规模地储存，故系统中各种电站的发电出力需按照负荷的变化而变化。
电力系统负荷图即为反映电力系统负荷随时间变化的图线。
（1）电力系统日负荷图
电力系统日负荷图及电能累计曲线。
日负荷图纵轴表示电力负荷（单位为万千瓦或者兆瓦），横轴表示时间（单位为小时）。
电力系统日负荷图表示在一天之内负荷随时间变化的情况。
按照负荷变化的情形，日负荷图可分为峰荷、腰荷、基荷三个区。
日电能累计曲线表示电力负荷与其相应的日电能的关系。
不同负荷在日负荷图中对应的面积即为日电能，在图中以横坐标表示。
（2）电力系统年负荷图
电力系统年负荷图又分为年最大负荷图和年平均负荷图。
年最大负荷图表示系统每天的最大负荷在一年中的变化情况。
年平均负荷图表示系统每日的平均负荷在一年内的变化情况。
电力系统的年最大负荷图和电力系统的平均负荷图实际上都进行了简化，即认为在一个月内日最大负荷和日平均负荷是不变的，故两种年负荷图都呈阶梯形。
需注意，日负荷图和年负荷图存在对应关系。
（十五）电力系统的容量组成
从不同角度进行分析，电力系统的容量组成情况不同。
进行规划设计时，对于电力系统的容量应按照需要分别考虑，此时可将电力系统的装机容量看为由以下几部分组成：
1、最大工作容量。
满足系统最大负荷要求的容量称为最大工作容量。
系统的最大工作容量应等于电力系统的年最大负荷值。
2、备用容量。
备用容量又包括：
1）负荷备用容量。
即为平衡系统的跳动负荷（突荷）而设置的备用容量。
系统负荷的变化是不平缓的，有时（如大型机电设备启动、大量用户同时开始用电等）可能出现集中增加的负荷，此时需由负荷备用容量来平衡。
2）事故备用容量。
当系统中机组突然出现故障时，需要替补机组投入运行，为此设置的备用容量为事故备用容量。
3）检修备用容量。
为保证正常工作，系统中的机组要定期检修。
检修是有计划进行的，可尽量安排在用电负荷低落时进行。
但如负荷低落时不能安排全部机组建修，则需设置专门的备用容量，称为检修备用容量。
上述最大工作容量与备用容量之和又称为系统的必需容量。
系统除设置必需容量外，还要设置重复容量。
重复容量设置在水电站上。
因河流洪水和枯水的水量相差很大，而水电站的调节能力是有限的。
枯水期或者供水期水电站只能提供保证出力（保证电能）。
对于承担电力系统负荷来说，水电站所能承担的最大工作容量只能按照保证出力来考虑。
但如在水电站上仅仅设置必需容量（包括最大工作容量和备用容量），则水量较大时，会有相当一部分水能，由于水电站装机容量的限制无法被利用，造成水能的浪费。
为了充分利用水能，在水电电站必需容量以外再设置一部分容量，在丰水期工作，代替火电站发电，减少煤耗。
而这部分容量在枯水期由于水量限制，不能用于平衡系统负荷，称为重复容量。
电力系统设置的重复容量对于平衡系统负荷来讲似乎是多余的（与火电站的装机重复），但应当看到，从充分利用水能的角度出发，重复容量是应当设置的。
按照电力系统实际运行时的工作状况，系统装机容量又可分为工作容量、备用容量、空闲容量和受阻容量。
其中工作容量和备用容量是正处于工作状态或备用状态的容量。
空闲容量是可以投入运转，但由于系统负荷较小，不需要投入工作的容量。
受阻容量是由于机组检修或出现故障等原因，不能投入运行的容量。
显然，在实际运行中以上各部分容量是随时变化和相互转换的。
三、相关例题
计算题：
某水库坝址断面处有1958年至1995年的年最大洪峰流量资料，其中最大的三年洪峰流量分别为7500m3/s、4900m3/s和3800m3/s。
由洪水调查知道，自1835年到1957年间，发生过一次特大洪水，洪峰流量为9700m3/s，并且可以肯定，调查期内没有漏掉6000m3/s以上的洪水，试计算各次洪水的经验频率，并说明理由。
【参考答案】：
实测系列长度：
n=1995-1958+1=38（年）
考证期系列长度：
N=1995-1835+1=161（年）
各次洪水经验频率计算如下表6.1所示
表6.1各次洪水经验频率计算表
特大洪水序号
一般洪
水序号
洪峰流量
（m3/s）
各次洪水经验频率
理由说明
1
9700
考证期内最大洪水，因此排在考证期第一位。
2
7500
N内第二大洪水，因为调查期内没有漏掉6000m3/s以上的洪水。
2
4900
一般洪水，在n年内第二大洪水。
最大的已经在N中排位，但在n中要空位。
3
3800
一般洪水，在n年内第三大洪水。
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