工程水文学与水力计算基础设计—课程设计.doc

2013 届课程设计工程水文学与水力计算基础设计学生姓名 学 号 所属学院 专 业 班 级 指导教师 日 期 塔里木大学课程设计前 言 本设计是工程水文与水力计算基础课程学习的最后一个实践环节，是对课程作业的综合补充。对加深课程理论的理解和应用具有重要意义。此次课程设计目的是为了加强我对工程水文与水力计算基础课程设计知识的进一步了解，学习工程水文与水力计算基础课程设计的主要过程。提高工程水文与水力计算基础课程的计算，设计的处理能力。培养正确熟练运用设计规范、手册、各种标准图集及参考书的能力。通过实际工程训练，初步建立工程水文计算，水力计算基础课程协调统一的思想。我的设计任务是根据已有的资料设计年径流计算、确定兴利库容和正常蓄水位和调洪库容的推求，并按照设计指导的要求进行初步设计。由于初次设计，经验不足，难免有错误和不妥之处,请老师批评指正。目录一、基本资料11.1水文站年径流资料11.2水位和库容、面积关系11.3死库容11.4灌溉用水量21.5蒸发损失水量和渗漏损失水量21.6洪水过程线21.7溢洪道尺寸41.8风浪4二、任务42.1、设计年径流计算42.2、确定兴利库容和正常蓄水位42.3、调洪库容的推求4三、设计年径流计算53.1设计标准：53.2 样本处理：53.3 统计参数计算63.4 计算经验频率73.5 选配理论频率曲线73.6 实际年径流年内分配8四、确定兴利库容和正常蓄水位94.1不计损失时的年调节计算94.2计损失时的年调节计算10五、 调洪库容的推求125.1溢洪道尺寸的拟定125.2绘出水库水位与下泄流量关系曲线125.3水库水位与下泻流量关系曲线135.4推求防洪特征库容和水位165.5水库坝顶高程的确定20参考文献21致 谢22一、基本资料 沙河上游山丘区经常发生暴雨洪水，且时有山洪爆发。下游沿河两岸近20万亩农田及县城等经常遭受洪水的侵袭。另一方面，流域内塘坝很少，拦蓄的地表径流不多，农业灌溉深感困难。为解除洪水对下游地区灾害，拦蓄地表径流以灌溉农田和养殖水产，拟在上游水文站附近拦河筑坝，兴建水库。据来水、用水情况，暂定调节性能为年调节。1.1水文站年径流资料水文站以上集水面积148.5平方公里，对实测水位资料审查和扦补延长，得到水文站年径流资料如表1-1,年径流量年内分配见表1-6。表1-1 水文站历年年平均流量统计表年份19591960196119621963196419651966196719681969流 量m3/s1.811.902.303.092.082.642.151.711.811.342.59年份19701971197219731974197519761977197819791980流量m3/s2.261.611.302.781.863.362.163.900.661.662.92 经流域水文调查，获得以下有关历史枯水资料： 本流域历史上旱灾和枯水现象较少。1934年及1978年为历史上罕见的干旱年。1934年旱灾严重，自4月底到10月底，连续6个月未下雨。河槽流量很小。1978年因特旱，年降水量不足700mm，为有实测水位记录以来三十多年中的最低水位。 对以上两年的年降水进行比较，可知1978年比1934年要小。由此推断1978年径流量也比1934年的年径流量小。 依据调查访问并结合历史文献考证，了解到自1892年以来未发生过比上述两次更为严重的旱情，故认为这两年可以连续排位，其最大重现期为：N=1980-1829+1=152年因1934年的年径流量无法估算出来，故只能对1978年作特小值处理。1978年的年径流量为152年最小值。1.2水位和库容、面积关系由地形图上量得水库水位和库容、面积关系见表1-2。水库水位G（m）1012.416171819202122232425库容V（104m3）03 380157221822952383248625972725287521025211902面积F（km2）04.727.527.929.7210.9211.3214.3215.7216.3218.72表1-2 水库水位G-库容V、面积F关系1.3死库容该水库有效运用期n=100年，在此期间的淤沙总量经计算Vs=378104米3，查水库-库容曲线图，得水位为12.4米，灌区的田面高程为14.35米，根据灌溉最小水头的要求，确定水库的最低水位为15.8米。综合以上两方面，结合建库后库内水产养殖的要求，确定死水水位G死为16.0米，相应的死库容V死为1570104米3。1.4灌溉用水量 根据水库灌区作物布局，初步规划水库自流灌溉53928亩耕地，同时库区内还有2800亩耕地需提水灌溉，总计56728亩，灌区为砂壤土。通过灌区实验，获得水库灌区中旱年的水稻灌溉资料，算得灌区灌溉用水量过程见成果表1-3。表1-3 水库灌区灌溉用水量过程表月 份567891011总 计毛综合用水量（104米3）176.6517.1795.01063.6586.3535.022.63696.21.5蒸发损失水量和渗漏损失水量蒸发损失水量计算成果见表1-4，渗漏损失量以各月蓄水量的1计。月份123456789101112全年蒸发量7.568.4413.0216.7221.3225.1229.8234.1221.9217.3212.228.73216.24表1-4 沙河水库蒸发损失量年内分配表 (mm)1.6洪水过程线水文站仅有14年实测洪水资料，无法直接用洪峰流量和洪量资料推求设计洪水，但该流域有一定数目的实测暴雨资料可推求设计洪水。经水文计算，其设计洪水成果如下：1.6.1大坝设计标准采用P=1%，校核标准P=0.1%，P=1% ，P=0.1%洪水过程线经水文计算见表51.6.2下游防洪设计标准P=2%，当发生P=2%的设计洪水，允许下泄流量g安=100米3/秒，当入库洪水超过P=2%时，主要考虑大坝安全。P=2%洪水过程线见表1-5。时段（t=2小时）012345678910P=2% Q（m3/s）3.29.538.922.113.410.58.577.536.597.929.5P=1% Q（m3/s）3.210.34323.914.411.39.127.987.099.5837.2P=0.1% Q（m3/s）3.211.646.92616.7139.729.878.9610.4942.2时段（t=2小时）1112131415161718192021P=2% Q（m3/s）85117.2299.2407.2711.2573.2330.2249.2257.2249.2240.2P=1% Q（m3/s）109.2139.2349.2464.2813.2672.2386.2291.2300.2290.2278.2P=0.1% Q（m3/s）157.2184.2401.2523.2964.2719.2425.2376.2389.2381.2353.2时段（t=2小时）2223242526272829303132P=2% Q（m3/s）222.2211.2187.2144.2123.2109.280.675.170.16461.2P=1% Q（m3/s）253.2238.2211.2161.2137.2121.28983.377.9P=0.1% Q（m3/s）296.2287.2268.2201.2195.2182.2136.2129.2119.2表1-5 设 计 洪 水 过 程 线 表1-6 年径流年内分配表 （）年份月 平 均 流 量年平均流量12345678910111219590.3612.6793.132.491.444.690.50.8610.943.121.130.3791.8119600.1550.4332.73221.866.851.560.4030.434.2371.750.291.919610.993.655.737.291.333.860.410.730.372.090.890.262.319620.492.554.39.9124.5022.814.740.551.013.831.130.913.0919630.5770.9583.0823.855.191.843.280.190.652.861.790.6932.0819640.6292.8933.1476.267.780.252.790.6361.424.191.2740.4112.6419650.9684.495.9723.232.811.61.860.570.433.20.650.692.1519660.4612.7812.953.443.7390.7321.290.630.4371.211.550.31.7119670.2550.5434.027.854.310.6361.410.5440.4590.1931.220.2591.8119680.651.940.7582.3622.020.611.50.791.122.950.990.391.3419691.0131.9484.0927.9026.1383.20.540.450.693.061.560.4872.5919700.9174.3415.7991.491.554.740.410.731.223.881.30.7432.2619710.1450.6790.8351.242.115.930.610.7781.944.360.410.3531.6119720.3543.513.111.591.171.280.440.6360.451.081.590.4011.319730.4171.8526.1886.0078.0330.861.540.6991.034.0912.030.6132.7819740.5781.8132.2274.2022.83820.860.740.733.851.990.4921.8619750.3492.8334.2077.157.895.640.741.171.255.3363.0640.6913.3619760.7321.1183.944.2073.9033.740.90.81.892.4511.850.3892.1619770.6334.6157.9028.3689.791.740.82.120.854.1522.8980.8123.8919780.2540.4580.130.2120.2063.140.550.361.030.340.130.210.6619790.8211.2332.8073.7322.30831.150.4911.940.9810.2581.6619800.2333.0714.896.7428.0683.792.081.551.341.2371.340.3392.921.7溢洪道尺寸水库下游有防洪要求。初步拟定采用闸门控制的开敞式溢洪道。堰顶高程为16.0米，溢洪道宽度B为7.5米。溢洪道下泻流量计算公式，根据模型实验成果，溢洪道出流流量计算公式q=MBh3/2中的系数M=1.44。因溢洪道有闸门控制，故防洪限制水位低于正常蓄水水位。 1.8风浪多年平均最大风速V为18米/秒，水面吹程D为3 公里，大坝为土石坝，倾斜坝坡，其迎水面坡高tg=1/3,有浆砌石块石护坡（K=0.77）。设计条件下的设计风速取多年平均最大风速的1.5倍，校核条件下的设计风速即为多年平均最大风速。二、任务2.1、设计年径流计算（1） 设计标准（2） 样本处理（3） 统计参数计算（4）计算经验频率（5）选配理论频率曲线（6）实际年径流年内分配2.2、确定兴利库容和正常蓄水位（1）不计损失时的年调节计算（2）计损失后的年调节计算2.3、调洪库容的推求（1）溢洪道尺寸的拟定（2）绘出水库水位与下泄流量关系曲线（3）制作调洪计算工作曲线（4）推求防洪特征库容和水位（5）绘制P=2%和P=1%的洪水过程线和下泄流量过程线三、设计年径流计算3.1设计标准：有设计资料可知，该水库的有效运营期为100年，则设计是的实际标准应采用百年一遇的流量设计；又考虑到该水库修建在沙河上游山丘区，并且此地区经常发生暴雨洪水，且时有山洪爆发。说明突发因素较多。另外考虑到保护下游沿河两岸近20万亩农田，养殖水产及县城的因素。校核流量采用千年一遇的设计标准。又参考灌溉与排水工程设计规范GB50288-99，年径流标准用P=80%。 即：设计标准按百年一遇设计，校核标准按千年一遇设计，灌溉保证率采用P=80%。3.2 样本处理：样本处理采用矩法处理，其具体步骤如下：（1） 将原始资料按年份分别列于表3-1的第1栏和第2栏；（2） 将原始资料按流量由大到小排列，列入表3-1的第4栏，并且按大小顺序编号，列于表3-1的第3栏；（3）样本均值； 式中：-从1959年至1980年的平均流量 （ ）； -从1959年至1980年的年数； -各年的年平均流量 （ ）； -1，2，3，4，5，6， （4）计算模比系数，并列于表3-1的第5栏； 式中：-为表3-1第4栏的流量大小，（）； -为1959年至1980年的平均流量，（ ）（5） 计算列于表3-1的第6栏；（6） 计算列于表3-1的第7栏；（7） 计算频率； 式中: P-为频率； m-为此行的序号值（1，2,3,4,5.)； n-为从1959年至1980年的年数样本处理结果如表3-1所示； 表3-1 流量经验频率计算表年份洪峰流量Qi序号由大到小排列Qi模比系数 频率 Ki/%1234567819591.810 13.890 1.7874 0.7874 0.6200 4.3478 19601.900 23.360 1.5439 0.5439 0.2958 8.6957 19612.300 33.090 1.4198 0.4198 0.1762 13.0435 19623.090 42.920 1.3417 0.3417 0.1168 17.3913 19632.080 52.780 1.2774 0.2774 0.0769 21.7391 19642.640 62.640 1.2130 0.2130 0.0454 26.0870 19652.150 72.590 1.1901 0.1901 0.0361 30.4348 19661.710 82.300 1.0568 0.0568 0.0032 34.7826 19671.810 92.260 1.0384 0.0384 0.0015 39.1304 19681.340 102.160 0.9925 -0.0075 0.0001 43.4783 19692.590 112.150 0.9879 -0.0121 0.0001 47.8261 19702.260 122.080 0.9557 -0.0443 0.0020 52.1739 19711.610 131.900 0.8730 -0.1270 0.0161 56.5217 19721.300 141.860 0.8546 -0.1454 0.0211 60.8696 19732.780 151.810 0.8317 -0.1683 0.0283 65.2174 19741.860 161.810 0.8317 -0.1683 0.0283 69.5652 19753.360 171.710 0.7857 -0.2143 0.0459 73.9130 19762.160 181.660 0.7627 -0.2373 0.0563 78.2609 19773.890 191.610 0.7398 -0.2602 0.0677 82.6087 19780.660 201.340 0.6157 -0.3843 0.1477 86.9565 19791.660 211.300 0.5973 -0.4027 0.1621 91.3043 19802.920 220.660 0.3033 -0.6967 0.4854 95.6522 总计47.8800 47.8800 22.0000 0.0000 2.4332 3.3 统计参数计算（1）样本均值； 式中：-从1959年至1980年的平均流量，（ ）； -从1959年至1980年的年数； -各年的年平均流量，（ ）； -1，2，3，4，5，6， （2）计算变差系数： 式中：-变差系数； -模比系数； -从1959年至1980年的年数3.4 计算经验频率 式中: P-为频率； m-为此行的序号值（1，2，3，4，5.)； n-为从1959年至1980年的年数计算的结果如表3-1的第8栏所示。3.5 选配理论频率曲线（1）在频率格纸上点绘经验频率点据；（2）假定一组参数、Cv、Cs作为初始值。为减少盲目性，应该先按照上述公式进行计算；(3) 选定线形，一般用PIII曲线；(4) 先根据、Cv、Cs的初试值，通过查武汉大学叶守则主编的水文水利计算附表2，得出相应于不同频率p的值，列入表3-2中第（2）栏，乘以得相应的值，列入表3-2中第（3）栏。将理论频率曲线绘在机率格纸上，目估配线，是否与经验频率曲线吻合，如不理想，重新选定一组参数、Cv、Cs再次配线；(5) 最后根据频率曲线与经验点据的配合情况，从中选择一条与经验点据配合最佳的曲线作为采用曲线。表3-2 理论频率曲线选配计算表频率P/%第一次配线第二次配线123450.12.194.765 2.445.309 11.833.982 24.352 51.543.351 1.643.569 101.43.046 1.473.199 201.242.698 1.282.785 500.972.111 0.982.132 750.781.697 0.751.632 900.641.393 0.591.284 950.561.219 0.511.110 990.440.957 0.370.805 （6） 绘制频率曲线图，如图3-1所示图3-1 流量频率曲线（7） 最后确定，并且有图1可推求出百年一遇的设计标准流量为4.352，千年一遇的校核流量为5.309。3.6 实际年径流年内分配(1)通过对年、月径流量资料的审查分析，认为22年的实测资料具有较好的可靠性、一致性和代表性。(2)确定设计年值由图1，查P=80%灌溉保证率对应的流量为。(3) 代表年的选择设计典型年常用于水电工程，而较少用于灌溉工程。因为灌溉用水与气象资料有关，作物需水量大小，取决于当年蒸发量资料，灌溉水量的多少，取决于降水情况。如用设计典型年法，设计来水过程可按代表年月径流过程缩放求得，但与之相应的设计年的灌溉用水量、蒸发量和降水量确很难处理。所以灌溉工程不用设计典型年，而用实际典型年。典型年内分配采用年径流与设计年径流量相近、分配不利（汛期水量较丰）的原则，并对灌溉用水不利（69月来水与常年同期径流相比，水量偏少）年份，经分析采用两个典型年。（1967年、1968年）见表3-3表3-3 代表年年内径流分配年份月平均流量 年平均流量12345678910111219710.1450.6790.8351.242.115.930.610.7781.944.360.410.3531.6119720.3543.513.111.591.171.280.440.6360.451.081.590.4011.3四、确定兴利库容和正常蓄水位4.1不计损失时的年调节计算对典型年的实际年内分配列表进行调节计算，从对供水保证率可靠方面考虑，取得兴利库容。计算结果如表4-1所示 表4-1 列表法年调节计算（一回运用） (万)年.月来水量灌溉用水量来水量-用水量早蓄方案迟蓄方案余水（+）亏水（）水库月末蓄水量弃水量水库月末蓄水量弃水量1971.101167.78535632.7800632.780632.7811106.2722.683.67716.45083.671294.5594.55811094.551972.0194.8294.82905.82094.822849.14849.141754.96843.55.643832.98832.982225.38362.561676.484412.13412.132225.38412.132088.615313.37176.6136.772225.38136.772225.386331.78517.1185.322040.062040.067117.85795677.151362.911362.918170.351063.6893.25469.66469.669116.64586.3469.6600合计4607.663696.23136.842225.38911.46911.46校核4607.66-3696.2=911.463136.84-2225.38=911.46由上表可知，余水期只需要蓄2225.38万。即可满足本年用水需要则。4.2计损失时的年调节计算 （1）绘制水库水位、库容、面积关系曲线(1) 计算结果如表4-2所示11塔里木大学课程设计表4-2 计入损失的年调节计算 （万）年 . 月来水量灌溉用水量来水量用水量水库蓄水量月平蓄水量月平均水面面积水库水量损失考虑损失后的用水量M=W用+W损 W来M水库蓄水量V弃水量W弃余水（+）亏水（）蒸发渗漏总损失W损=W蒸+W渗余水（+）亏水（）标准（mm）W蒸标准（%）W渗1971.101167.78535632.7815701886.396.1817.310.69 以当月水库蓄水量的1%计18.86 29.56 564.56 603.22 1570.00 2202.782173.22 11106.2722.683.672244.6157.6312.29.31 22.45 31.75 54.35 51.92 2286.452225.14 1294.5594.552333.7257.168.716.24 23.34 29.57 29.57 64.98 23812290.12 1972.0194.8294.822428.417.687.545.79 24.28 30.07 30.07 64.75 2475.822354.86 2849.14849.142900.397.968.426.70 29.00 35.71 35.71 813.43 3324.963168.30 3832.98832.983560.179.161311.91 35.60 47.51 47.51 785.47 3795.383953.77 4412.13412.133795.389.6516.716.12 37.95 54.07 54.07 358.06 315.29 3795.383996.54 5313.37176.6136.773795.389.6521.320.55 37.95 58.51 235.11 78.26 78.263795.383996.546331.78517.1185.323702.729.5825.124.05 37.03 61.07 578.17 246.39 3610.063750.15 7117.85795677.153271.4858.5729.825.54 32.71 58.25 853.25 735.40 2932.913014.74 8170.351063.6893.252486.2857.6934.126.22 24.86 51.09 1114.69 944.34 2039.662070.41 9116.64586.3469.661804.835.821.912.70 18.05 30.75 617.05 500.41 15701570.00 合计4607.663696.23136.842225.38216.07175.82 342.10 517.91 4214.11 2820.09 2426.54 393.55 由上表求得，比不计水量损失的，增大了。查关系曲线（图 6-1），得。13塔里木大学课程设计五、 调洪库容的推求5.1溢洪道尺寸的拟定水库下游有防洪要求，初步拟定采用闸门控制的开敞式溢洪道。堰顶为16.0m,闸门高度为，再加上安全超高0.4m,最后得闸门高度为3.5m。经过经济和水文特征评价，基本资料已给出溢流堰宽度为7.5 m，经调洪效果综合比较防洪限制水位为18.5 m.。5.2绘出水库水位与下泄流量关系曲线取计算时段为小时，假定洪水到来时，水位刚好保持在防洪限制水位，此时闸门前已具有一定的水头，如果打开闸门，则具有较大的泄洪能力。在无预报的情况下，应控制泄洪，逐渐开启闸门使下泄流量与入库流量相等，如图5-1的开始a 段所示。从a点以后，入库流量开始大于闸门全部开启时下泄流量。这时为使水库有效泄洪，应将闸门全部打开，形成自由泄流，如图5-1的ab段所示。当下泄流量达到时，水库水位仍在上涨，为了使下泄流量不超过，必须将闸门逐渐关闭，形成固定泄流方式，如图5-1的bc段。下游防洪设计标准P=2%，大坝设计标准P=1%，在这种情况下，水库调洪任务应首先满足下游防护对象的安全要求，使上游水库调洪后的下泄流量不超过 ,并得相应的和相应的防洪高水位。其中即是在水库蓄水达到之前，水库按下泄；当水库蓄水达到时，说明这次洪水的大小已超过下游设计洪水标准，下游防洪要求不能满足，但应保证水工建筑物的安全，把闸门全部打开，形成自由溢流，至e点泄洪能力达到最大植，所增加的防洪库容为。水库的防洪库容。图5-1 水库洪水多级调节示意图5.3水库水位与下泻流量关系曲线5.3.1列表计算曲线根据堰流公式 溢流堰的泄流能力,； 出流系数，取1.44； 溢流堰宽度(m)； 堰顶水头(m)表5-1 沙河水库关系计算库水位Z（m）16.017.018.019.020.021.022.023.0堰顶水头H(m)01234567泄流能力q010.830.5556.1286.4120.75158.73200.02库容157021802950383048605970725087505.3.2绘水库库容曲线Z V 及蓄泄曲线q V,如图5-2图5-2 沙河水库库容曲线Z V 及蓄泄曲线q V5.3.3推求下泄流量过程线用列表试算法来联立求解水量平衡方程和动力方程 Q1，Q2-时段t始末的入库流量; q1，q2 -时段t始末的泄水流量; V1，V2-时段t始末的水库蓄水量。以求得水库的下泄流量过程线,见图5-3，试算过程见表5-2表5-2 沙河水库（P=2%）调节计算(调洪演算)时间t(h)时段t(h)023.26.354.5706.354.57335018.529.512.7335018.5224.217.4224.217.42438.935.7335018.5230.5