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1、前 言,兴利除害,兴利：发电、灌溉、供水、航运、渔业、环境用水,除害：防洪、抗旱,一、水资源综合利用,三、水利计算的任务和内容 任务:在水文计算的基础上,结合国民经济的要求,综合分析,确定水利工程的规模,阐明水利工程的效益,并绘制水利工程的控制运用规程.内容:径流调节计算、水能计算、防洪计算、经济论证、水利枢纽参数选择、水库管理和控制运用等。,二、径流调节 1、概念 对天然来水过程在时、空上进行有意识的控制，以达到兴利除害的目的。这种方式称为径流调节。2、径流调节措施 水库、大坝、引水渠道,四、水利工程对环境的影响 1 淤积与冲刷的影响 2 水文状态的变化 流量、流速发生变化；水体物理、化学、
2、生物性质发生变化；地下水位抬升；沼泽化、盐碱化。3 水质的变化 有利：减少浑浊度和生化耗氧量，降低Sio2的含量等；不利：自净能力降低，固体物质沉积，水温分层，厌氧微生物发达。4 对局部气候的影响 蒸发量增加，气温变化（夏季：凉；冬季：暖），局部降水改变（夏季：减少；冬季：增加）。5 对地震条件的影响 易诱发地震,第十三章 中小型水库的兴利调节计算,13.1 水库特性曲线、特征水位及特征库容13.2 水库的设计标准13.3 水库水量损失及水库死水位选择13.4 径流调节计算的基本资料13.5 水库兴利调节计算原理与分类13.6 年调节水库兴利调节计算13.7 多年调节水库兴利调节计算,一、水库
3、特性曲线 水库面积曲线：水位与水库该水位对应水面面积的关系曲线，记Z-A。求积仪或 网格测算 水库库容(容积)曲线 水位与水库该水位对应库容的关系曲线，记Z-V。它是水库面积曲线的积分。计算公式：,第一节 水库特性曲线、特征水位及特征库容,式中，V水库容积，m3；Z0 库底高程，m;Z相邻水位间的水深，m;V与Z对应的库容，m3；A1、A2、A相邻水位的水库面积及平均值，m2。,例：,？,上述计算适合入库流量为零，水库水面水平的情况。即静库容计算。对于大型水库，入库流量导致水面线非水平，从而形成动库容（图1）。因此，绘制库容曲线时，应考虑动库容。以水位为纵坐标，总库容（动库容+静库容）为横坐标
4、,入库流量为参数绘制库容曲线。见下图。,图1,二、水库特征水位和特征库容 1.死水位(Z死)和死库容(V死)2.正常蓄水位(Z正)和兴利库容(V兴)3.防洪限制水位(Z限)和结合库容(V结)4.防洪高水位(Z防)和防洪库容(V防)5.设计洪水位(Z设)6.校核洪水位(Z校)和调洪库容(V调),V总=V死+V兴-V结+V调 兴利与防洪结合,V总=V死+V兴+V调 兴利与防洪不结合,8.总库容,7.坝顶高程 Z坝=Z校+h风+h安,第二节 水库的设计标准,保证率,年保证率,历时保证率,一、设计标准的含义 又称设计保证率。指水库在多年运行期间，用水部门正常工作得到保证的程度。,定义为：,或,二、设计
5、保证率的分类与选择 1.灌溉设计保证率 与灌区水资源情况、农作物种类等有关。书P190表13-2。灌溉设计保证率选用原则：南方比北方高；自流灌溉比提水灌溉高；大型工程较小型工程高；远景规划工程较近期工程高。基本农田建设、小型灌区：抗旱天数作为灌溉设计标准。2.供水设计保证率 95-99%,3.发电设计保证率 与电站的装机容量、电站在电力系统中的比重有关。4.航运设计保证率 一般用历时保证率表示。一、二级航道保证率为97-99%，三、四级为95-97%，五、六级为90-95%。,第三节 水库水量损失及水库死水位选择,一、水量损失,1、蒸发损失 W蒸=(E水-E陆)A库1000式中,W蒸一年水库蒸
6、发量，m3；E水、E地一年水面、陆面蒸发深度，mm；A水水库计算水面面积，Km2 2、渗漏损失 渗漏损失量与水库水位有关，即与蓄水量W蓄有关。可用下式近似描述：W渗=kW蓄,二 水库死水位的选择 确定Z死所考虑的主要因素:水电站发电所需的最低水头；下游水位+发电所需的最低水头=发电需要的死水位 自流灌溉必须的引水高程；渠首水位高程+设计灌溉流量对应水头=水库死水位 供泥沙淤积，以保证水库的正常使用年限；其中 T水库使用年限(年)；多年平均含沙量，kg/m3；W0多年平均径流量，m3；m库中泥沙沉积率(%)；p淤积体的空隙率，(0.3-0.4)；泥沙颗粒的干容重，kg/m3。航运要求；渔业要求。
7、,一、河川径流资料 历年月径流量过程 设计年径流年内分配过程二、用水部门用水过程资料 供水（民用水、工业用水）特点：a.水质要求较高；b.有日、年周期变化；c.供水保证程度较高。,河川径流资料（水库来水过程）,各用水部门用水过程资料,水库特性曲线,t,Q供,第四节 径流调节计算的基本资料,灌溉用水 特点：a.明显的季节性；b.多变性；c.适应性较大。发电用水 特点：a.日、周、季、年变化特性；b.属于变动用水过程。航运用水 环境用水,t(月),Q灌,11,3,t(月),Q电,t(月),Q航,t(月),Q环,综合用水图：将各种用水过程叠加得到水库所在地区综合用水过程。,一、兴利调节计算概念 利用
8、水库的调蓄作用，将河川径流洪水期(或丰水年)的多余水储存起来，以提高枯水期(或枯水年)的供水量，满足各兴利部门用水要求所进行的计算。将天然径流过程进行重新分配。水库蓄水量(水位)变化过程的计算。如右图所示。调节周期 T二、兴利调节计算的任务 确定水库水位变化过程，正常蓄水位和兴利库容。,Z死,Z正,蓄水,放水,T,第五节 水库兴利调节计算原理与分类,三、兴利调节计算原理 将整个调节周期划分为若干个计算时段，逐时段进行水量平衡计算，得到水库蓄水量（水位）变化过程。在任意时段内，入库水量与出库水量之差，等于水库蓄水量的变化。即(Q入-q出)t=V=V1-V2其中 q出=Q用+Q渗+Q蒸+Q弃式中
9、Q入t时段内平均入库流量（m3/s）;q出t时段内平均出库流量（m3/s）;t计算时段（月、旬）；V蓄水量的变化，V1，V2为时段初、末水库蓄水量。,Z死,Z正,蓄水,放水,t1,t2,四、分类 1.按调节周期长短分,日调节,年调节,多年调节,周调节,图中 q、Q分别为用水过程和来水过程,图中 q、Q分别为用水过程和来水过程,水库属何种调节类型，一般用库容系数来初步判断：=V兴/W0W0为多年平均年水量。30%50%，属多年调节；2%3%，属日调节；3%5%20%25%，属年调节。,完全年调节,不完全年调节,2.按径流利用程度分,第六节 年调节水库兴利调节计算,一、概述 1 任务：在来水、用水
10、和设计保证率一定的情况下，推求年调节水库的兴利库容V兴和正常蓄水位Z正。调节周期：一年（水利年），蓄水开始到放水结束。2 方法二、长序列法（一）长序列法概念,长序列法,代表年法,1.将水库坝址断面河流多年来水过程和该地区用水过程，进行逐年按时历列表法进行逐时段（月或旬）的水量平衡计算，可求出各时段的不足水量，然后有分析地累加供水期不足水量，即可得到各年的兴利库容V兴(i)(i=1,2,n)；2.将V兴(i)(i=1,2,n)从小到大排序，计算经验频率，推求兴利库容频率曲线；3.由设计保证率P VP兴,P,VP兴,（二）逐年调节计算 1 不计水量损失的年调节列表计算法,1）步骤：将来水和用水填入
11、表格；分别计算各月余水量和亏水量；亏水量的代数和为兴利库容；计算水库各月末蓄水量或水位。,2)一回运用、多回运用 一回运用 一年内只有一个余水期和一个亏水期。多回运用 一年内有多个余水期和亏水期。,Qt,qt,Q,q,V1,V2,t,一回运用,b.中间余水量同时小于前后个亏水量，则兴利库容为三者代数和。如右图(b):V兴=V2+V4-V3。V3V4,V3V2,a.中间余水量不同时小于两个亏水量，则兴利库容为两个亏水量中得较大者。如下图（a）:V兴=V2。V3V4,Qt,qt,Q,q,V1,V2,t,多回运用,V3,V4,V5,V6,已知：V1=20万m3，V2=3万m3，V3=4万m3，V4=
12、5万m3，V5=3万m3，V6=4万m3。求兴利库容。,解：由上面的原则得：V兴=6万m3,3)水库操作方式：水库操作方式不同，水库蓄水过程也不同。一般有早蓄和迟蓄两种方式。a、早蓄方案 水库在蓄水期有余水就蓄，蓄满后再弃水。采用顺时序计算 b、迟蓄方案 水库在蓄水期末有水库保证蓄满的前提下，有多余的水先弃后蓄。采用逆时序计算,P196 图13-10,例：多回运用水库兴利库容计算,例：多回运用水库兴利库容计算,2 计水量损失的年调节列表计算法,1）资料：来水过程、用水过程 只有知道水库时段初、末蓄水量，才能确定蒸发损失和渗漏损失，因此损失过程未知。2）水量平衡方程 V2-V1=(Q入-q用-q
13、损-q弃)t式中，V2，q损未知。因此需要试算。3）试算法 假定月末蓄水量V2 计算蒸发损失和渗漏损失q损由水量平衡方程得到V2判断:若V2=V2，停止计算；否则重新假定月末蓄水量V2，继续试算。,q损=q蒸+q渗,蒸发损失和渗漏损失q损,按如下计算：,试算法工作量大。一般采用简便算法。,4）简化算法 先不考虑水量损失，计算各时段（月）的蓄水量；用各时段的水库平均蓄水量计算时段的损失量；再用考虑水量损失的水量平衡方程逐时段计算。见下表,5）一个更简单的算法 适合水量损失不大且为初设阶段的水库。不考虑水量损失，计算水库兴利库容V兴；计算水库供水期的平均库容：；由 根据Z V 和Z A曲线，计算水
14、库平均水面面积；计算供水期W渗和W蒸；则V兴=V兴+W渗+W蒸。,见P200,（三）设计库容的确定 逐年调节计算得到各年的兴利库容V兴(i)(i=1,2,n)；将V兴(i)(i=1,2,n)从小到大排序，计算经验频率，推求兴利库容频率曲线；由设计保证率P推求VP兴。,P,VP兴,(四)长序列法的优点 1、设计保证率概念明确；2、成果可靠。注：资料条件（15年以上）允许，宜采用长序列法。,三 代表年法（一）设计代表年法 p204 1 推求设计年径流及其年内分配过程（第五章）；2 推求设计年用水过程；3 兴利调节计算得到兴利库容VP兴。（二）实际代表年法,实际代表年法,设计代表年法,单一选年法,库
15、容排频法,实际干旱年法抗旱天数法,选用某种年型的实测来水和用水过程为代表，进行调节计算来推求水库的兴利库容。,1 单一选年法 1）概念：单以来水或用水频率曲线为依据，选择符合或接近设计保证率、年内分配偏于不利的实际来水或用水过程和同年用水或来水过程，作调节计算，推求水库的兴利库容及该年的蓄、泄水过程。2）计算实例 书P202表13-8 书P203表13-10 3）优缺点 优点：简单；缺点：成果不稳定，库容保证率概念不明确。,原因：只考虑了来水（或用水），忽略了用水（或来水）。,2 库容排频法 1）概念：根据来水或用水频率曲线，在设计保证率左右的一定频率范围内，选择3-5个实际代表年，分别求得各
16、年的V兴，然后在所选频率范围内，将这几个库容从小到大重新排位，求出对应于设计保证率的库容作为设计兴利库容。适用条件：来水量与用水量关系不密切。2）计算实例 书P203例5 P204表13-11 3）优缺点 优点：考虑了来水、用水的组合，成果较单一选年法稳定；具有明确的保证率概念。,3 实际干旱年法抗旱天数法 适合于资料缺乏的中、小型水库。1）概念：通过灌区旱情调查及河流水情分析，根据规定的设计抗旱天数，选取实际旱情相当或接近的几个年份作为设计典型年，用这些典型年的水库来水量和灌溉用水量进行调节计算，求得各年所需的V兴，选取偏于安全的数值作为设计库容。2）计算实例（略）3）优缺点 优点：计算成果
17、更能符合实际情况。缺点：不易确定它的保证率。,四 正常蓄水位的确定 V兴+V死 Z正 确定正常蓄水位需综合考虑的因素有：1）兴利要求（拟定几种用水方案）；2）各项综合效益指标；3）库区淹没损失；4）地形地质条件；5）当上下游已建或拟建水利工程，应考虑水库对上下游水库的影响及水力衔接。,库容曲线 Z V,第七节 多年调节水库兴利调节计算,一 多年调节的概念 年调节:设计保证率对应的年来水量大于等于年用水量。多年调节：设计保证率对应的年来水量有时小于年用水量。将丰水年组多余水蓄存起来，以补充枯水年组的不足水量。即经过若干个连续丰水年，水库才能蓄满；经过若干个连续枯水年，水库才能放空。二 多年调节水
18、库兴利调节的任务 1 计算多年调节水库的设计兴利库容V兴P；2 推求多年调节水库的正常蓄水位Z正。三 多年调节水库兴利调节计算的原理 水量平衡方程,四 计算方法 五 多年调节计算长序列法的基本概念 1 根据来水、用水资料，通过逐年调节计算，求得每年所需库容V兴(i)；这里的V兴(i)计算，有时不能只考虑本年度缺水期的不足水量，还必须联系前一年或前几年的不足水量情况进行分析,即取决与连续枯水年组的总亏水量。2 绘制兴利库容频率曲线；将V兴(i)(i=1,2,n)从小到大排序，计算经验频率，推求兴利库容频率曲线；3 由设计保证率P得到V兴P.,长序列法*,数理统计法,方法,P,VP兴,库容频率曲线
19、,V2,第一年V兴(1)：第二年V兴(2)：第三年V兴(3)：第四年V兴(4)：第五年V兴(5)：第六年V兴(6)：第七年V兴(7)：,V6,V6+V8-V7,V6+V8-V7+V10-V9,V6+V8-V7+V10-V9+V12-V11,V6+V8-V7+V10-V9+V12-V11+V14-V13,V4,六、不计水量损失时,多年调节水库逐年兴利库容V兴(i)的计算 1 方法 列表法 差量累计曲线法 试算法 2 列表法 书P207表13-12 当V余V亏，则V兴=V亏；当V余V亏，则V兴=连续枯水年组的总亏水量。3 差量累积曲线法 1）根据用水量，将各水利年划分为余水期和亏水期；2）求各年余
20、水期的余水量和亏水期的亏水量，并按时序计算累计值，见表13-12第（5）栏；,3）以（来水量-用水量）为纵坐标，时序为横坐标，点绘差量累计曲线;如图13-15所示。4）在差量累积曲线上，每年从亏水期末向前作水平线与差量累积曲线相交即停止；此水平线与差量累积曲线间的最大纵坐标差值，即为该年所需库容。,t（年）,（来水量-用水量）,a,b,1,3,2,4,6,5,7,4 试算法（1）概念 先假定一个兴利库容V兴，逐时段（月）调节计算（计算表格与年调节时历列表法相同），统计用水被破坏的年数来计算保证率，如计算的保证率P与设计保证率P相等，则V兴即为所求。（2）基本步骤 计算历年逐月余水量和亏水量，如
21、表13-13第（4、5）栏所示；假定一个兴利库容V兴；从死水位开始，逐月进行水量平衡计算，遇到蓄水期就蓄，蓄满了还有余水就作弃水处理；遇亏水就供水，直到放空，放空时还缺水，则算这年供水遭到破坏；,P设,VP兴,P,V兴,如遭到破坏，下一年重新开始计算；统计供水破坏年数，计算保证率P：判断:若P=P，停止计算；否则转向步。（3）综合确定VP，兴（4）计算实例 P208 例8,5 各方法的比较 1）列表法 资料30年以上 设计保证率概念明确；成果可靠、精度高。2）差量累计曲线法 易于多方案比较，简单、明了。3）试算法 简单,七 计水量损失时，多年调节水库逐年兴利库容计算 近似法 先不考虑水量损失，计算水库兴利库容V兴P；计算水库全年平均蓄水量：；由 根据ZV 和ZA曲线，计算水库平均水面面积；计算多年平均逐月损失量W渗(t)和W蒸(t)(t=1,2,12)；见表13-14。将逐月平均水量损失加入用水系列，得到历年毛用水序列；由来水系列、毛用水系列逐年计算水库的年兴例库容V兴(i)(计算方法同前)。,本 章 小 结,水库特征水位和特征库容 水库死水位的选择 径流调节的概念及分类 设计保证率的含义及种类 水库兴利调节的原理、任务 年调节水库的兴利库容计算方法及步骤 多年调节水库的兴利库容计算方法及步骤,计算实例见P210例9,
