水能利用5

第5讲河川径流与调节计算内容一、河川径流二、规划设计时要了解用户需求三、进行径流调节命题一：根据用户需求，确定工程规模命题二：由一定的工程规模，确定用户需求的程度四、进行水能计算一、河川径流1、描述流域形状特征的几个指标2、描述河川径流的几个指标3、河川径流基本特性4、年径流分析一、河川径流（在河槽里运动的水流）在我国，径流多由降雨所形成。河川径流形成的过程非常复杂，一般要经历降水、蓄渗（入渗）、产流和汇流几个阶段1、描述流域形状特征的几个指标河源、河口、干流、支流：流域面积F:流域的封闭分水线内，区域在平面上的投影面积。流域长度L:流域的轴线长度。以流域出口为中心画许多同心圆，由每个同心圆与分水线相交作割线，各割线中点顺序连线的长度即为流域长度。流域长度通常可用干流长度代替。2、描述河川径流的几个指标1）降雨量P：在T时段内，河流某一断面以上流域累积的降雨量，以(mm)计。2）径流量W：在T时段内，通过河流某一断面的累积水量称为径流量，以(m3)计3）流量Q：在单位时段内，通过河流某一断面的水量称之。以(m3／s)计。注意：根据T的不同，有日、月、季、年分，但多年平均值趋向于一较稳定值4）径流深R（相对值）在T时段内，将径流总量W平铺在流域面积F(km2)上的水深，以（mm）计；则R=W÷(1000×F)=QT/1000F5)径流系数α（相对值）在T时段内，表示降雨形成的径流量与降雨量之比长江：年均降雨量1070.5mm,年均径流量526mm黄河：464.4mm,83.2mm6）径流模数M（相对值）在T时段内，单位流域面积上的平均流量，以m3/(s.km2)计；则M=Q/F实例：某坝址控制的流域面积为380km2，多年平均降雨量788mm。有控制站的历年系列实测水文资料，计算水文参数如下：多年平均流量Q=5.51m3/s多年平均径流量W＝5.51*365*24*3600=173778232.13（m3）近似1.738亿m3径流深R＝173778232.13/(1000*380)=457.3mm径流系数α=457.3/788=0.583、河川径流基本特性多变的（随机的）河川径流年与年之间的变化是很大的。我们把年平均流量较大的那些年份称为丰水年，年平均流量较小的那些年份称为枯水年，年平均流量接近于多年平均值的那些年份称为中水年，径流的这种变化称为年际变化。具有季节性的变化规律降水在年内分配是不均匀的，有多雨季节和少雨季节，径流也随之呈现出丰水期和枯水期，或汛期与非汛期。径流在一年内的这种变化称为年内变化。不重复的明显的地区性规律在同一水文区域内，同一时期，相邻河流的径流变化具有一定的相似性，称为水文同步性。4、年径流分析（1）资料审查可靠性、一致性、代表性（2）年度选择水利年度：丰枯水交替循环的年，汛期开始作为一个水利年度的起始点，以跨日历年的形式，至下一个汛期开始前结束。以水利年度建立起一个新的年径流系列，并统计年径流量W（3）年径流量的频率分析计算将年径流量按从大到小的顺序排列，然后按以下的经验频率公式计算系列中各项的频率，称为经验频率P。P=m/(n+1)×100％以年径流量W为纵坐标，以经验频率P为横坐标，点绘经验频率点据，根据点群趋势绘出一条平滑的曲线，称为经验频率曲线经验频率曲线图0246810120%20%40%60%80%100%经验频率P年均流量二、设计标准和设计代表年（了解用户需求）（一）设计水平年1、定义作为确定水利工程规模的依据，选定国民经济达到某个发展水平的未来某一年份，即为设计水平年。对该年各用水部门的用水量作出预测，并以此作为工程的设计依据。2、表示形式：设计水平年：作为水利工程的设计依据远景水平年：作为水利工程的校核依据1、定义多年期间用水部门能保持正常供水不受破坏的机率。2、表示形式：年保证率：指多年期间正常工作年数（即运行年数与允许破坏年数之差）占总运行年数的百分比。所谓破坏年数，包括不能维持正常工作的任何年份，不论该年内缺水时间的长短和缺水数量的多少。％运行总年数＋年数运行总年数－允许破坏运行总年数正常工作年数设1001%1001P历时保证率：指多年期间正常工作的历时(日、旬或月)占总运行历时的百分比.%1001月）运行总时间（日、旬或或月）正常工作时间（日、旬设P（二）设计保证率3、设计保证率的选择以上公式主要用于计算实际运行时多年达到的工作保证率。设计时，保证率的选择按表2.1～2.2等预先选定的。确定有利的保证率，涉及的因素非常复杂。要求经济可行。因此，目前是参照《水利水利工程水利动能设计规范（试行）》中的规定来选择的。（三）设计代表年（期）的选择1、为什么要选择一些代表年或代表期的径流资料进行调节计算？2、设计代表年的选择：在规划设计中常用的设计代表年有设计枯水年、中水年和丰水年设计枯水年指与设计保证率有一定对应关系的年份，即用该年的径流资料进行调节计算求得的成果可满足设计保证率P的要求。设计中水年指年径流接近于多年平均情况的年份（50％），对该年径流资料进行调节计算所得的成果用于反映水利工程的多年平均效益。设计丰水年一般选年径流频率相当于1－P的年份为代表，对该年径流资料进行调节计算所得的成果反映丰水条件下的兴利情况设计枯水年的选择，视计算要求和简化程度的不同，采用方法不同。例（3）选择典型年选择设计保证率为P若设计保证率为P，则P对应的年份为设计保证年，又称设计枯水年；(1－P)对应的年份为设计丰水年；50％对应的年份为设计平水年；（4）设计年径流的时程分配经验频率曲线图0246810120%20%40%60%80%100%经验频率P年均流量P1-P50%三、径流调节1、径流调节基本概念1）径流调节定义广义的径流调节：人类对地面及地下径流的自然过程的一切有意识的干涉狭义的径流调节：人类对河川径流在时间和地区上的重新分配2）径流调节的作用兴利调节（或称枯水调节）：为兴利而提高枯水径流的水量调节洪水调节：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重点：兴利调节3）调节周期水库从死水位（库空）--正常水位(库满)--死水位（库空）的一次循环时间4）分类（按调节周期长短划分）：日调节、周调节、年调节、多年调节2、径流调节计算原理（水量平衡方程）根据要求，将调节周期划分为若干个计算时段（Δt可取月、旬、日、时），然后按时间顺序进行逐时段的水库水量平衡计算。末初入－出VVVWW式中：ΔW入为Δt时间内入库水量，一般为天然来水量，m3ΔW出为Δt时间内出库水量，m3ΔV为Δt时间内水库蓄水量的增减值，m3V初为Δt时段初水库蓄水量，m3V末为Δt时段末水库蓄水量，m3水量平衡方程另外表达：注意：单位换算（流量、时间、水量）（m3/s.月）是什么单位？水量W单位还可以用流量和时段相乘的形式表示：〔（m3／s）.天〕相当于86400m3〔（m3／s）.月〕相当于2.63×106m3这里月取平均的天数30.4天.tQQV)(出入出入＝QQtV/3、兴利调节计算的时历列表法命题一:已知水文资料、用户需求，估算工程规模。亦即：已知来水、用水，求：兴利库容解：1）来水、用水对照，划出水库供、蓄期.确定兴利库容。2）根据水库运用情况，从调节周期末兴利蓄水为0开始，逆时序往前进行水量平衡计算V初=V末+W入-W出遇缺水相加，遇余水相减，若V初0，令V初＝03）如此进行，便可求得各时刻所需的兴利蓄水量。4）取其最大值为该年所需的兴利库容。命题一：某年调节水库的兴利库容计算(不计水量损失，单位:万立方)(1)(2)(3)(4)=(2)-(3)(5)(6)(7)时段(月)来水量用水量余水(+)缺水(-)末蓄水量弃水运用状态7826550879252093672911028925211195152121561211552622452623235262425329552803316292305小计37853603来水与用水对比图02004006008001000时段（月）水量（m3/s.月）来水量用水量t0t1t2水库运用情况分析：t0~t1蓄水，t1~t2供水（0~t1余水＝739，t1~t2缺水＝557）V(t2)=0,V(t1)=V(t2)+557=557;V(t0)=V(t1)-7390令V(t0)=0，兴利库容：max｛V(t),t=0~2｝=557(万m3)兴利库容确定后一旦确定了水库的死水位根据水库的库容曲线就可以确定水库的正常高水位通过调洪演算，可得到防洪特征水位，最后可得到大坝高程。方法一：可先假定若干个供水期调节流量Q方案，对每个方案采用上述方法求出所需兴利库容V，然后点绘成Q～V曲线。在该曲线上根据给定的兴利库容V兴，可查定所求的供水期调节流量。图3－4调节流量与兴利库容关系曲线0兴利库容（m3）调节流量QQ调V兴命题二:已知水文资料、工程规模，估算满足用户需求的程度。亦即：已知来水、兴利库容，求：用水方法二：对于年调节水库，可直接用下式计算供水期调节流量。供水期水库可提供的可用水量包括两部分。供水期来水总量（扣除水量损失）水库的全部的蓄水（即为兴利库容）供兴供损设供供TVWWQ/在蓄水期水库应蓄满。蓄水期的可用水量应为蓄水期的来水总量（扣除水量损失）减去兴利库容，蓄兴蓄损设蓄蓄TVWWQ/应注意以下两个问题确定水库是属年调节水库：一般库容系数3％～30％时为年调节水库划定蓄、供水期（不供、不蓄期）：供水期系指天然来水流量小于用水流量，需由水库补充放水的时期。Q天Q调蓄水期系指天然来水流量大于用水流量，水库可蓄水的时期。Q天Q调其它为不供不蓄期，用水流量＝天然来水流量这种调节方式为水量最大可能利用方式例题命题二时段(月)入流量可用流量52596751779287229458103401126812147187279375469已知某水库设计枯水年入库流量资料,兴利库容为13.5亿立方,不计水量损失,无其它用水要求,求发电可用流量(m3/s)来水与用水对比图02004006008001000时段（月）水量（m3/s.月）来水量用水量四、水能计算1、水电站主要动能指标：保证出力：符合水电站设计保证率要求的一定临界期的平均出力称为保证出力。它决定水电站承担电力系统最大负荷的工作容量，为可靠性指标或容量效益指标。多年平均发电量：指水电站在多年工作时期内，每年平均所能生产的电能量。为经济性指标或电量效益指标。2、水能计算方法，可按简化的水能调节方式：按等流量调节方式按规定出力调节方式3、以年调节水库为例，计算时段月或旬命题：在已知水电站水库的正常蓄水位和死水位，即已知兴利库容的情况下，按等流量调节方式计算水电站的出力和发电量4、按等流量调节方式的水能计算步骤：1）已知兴利库容，求调节流量Q过程，以及库容V变化过程；2）根据下游水位流量关系曲线，计算调节流量对应的下游水位Z1；3）根据水库水位容积曲线，可计算库容对应的求上游平均水位Z2；4）由上\下游水位得道发电毛水头，扣去部分水头损失得道净水头H;5）由出力系数K,可得到水电站总出力过程，以及发电量过程续命题二：设某年调节水库的正常蓄水位760m，死水位720m，兴利库容为13.54亿立方。设计枯水年入库径流资料，无其他用水要求，不计水量损失。假设水头损失为1m定值，出力系数K取8.2，计算该年水电站的出力过程和年发电量，以及供水期平均出力。计算所依据的资料有：水位Z上(m)630650670700710720730740750760770库容V(亿m3)00.21.04.25.97.910.513.417.021.426.7水位(m)625625