工程水文与水力计算卓强.doc

工程水文与水力计算课程设计说明书 课程名称： 工程水文及水利计算题目名称： 赋石水库水利水电规划班 级： 10级水利水电2班姓 名： 卓强 学 号： 指导教师： 陈艳霞 2023年12月25日成绩评阅教师日期一、设计任务：1.选择水库死水位；2.选择正常蓄水位；3.计算电站保证出力和数年平均发电量；4.选择水电站装机容量；5.推求设计标准和校核标准的设计洪水过程线；6.推求洪水特性水位和大坝坝址顶高程。二、流域自然地理简况，流域水文气象资料概况：1、流域和水库情况简介西苕溪为太湖流域一大水系（图KS2-1），流域面积为2260km2，发源于浙江省安吉县天目山，干流全长150km，上游陡坡流急，安城以下堰塘遍布，河道曲折，排泄不畅，易遭洪涝灾害，又因流域拦蓄工程较少，灌溉水源局限性，易受旱灾。赋石水库是一座防洪为主，结合发电、灌溉、航运及水产养殖的综合运用水库，位于安吉县丰城西10km，控制西苕溪重要支流西溪，坝址以上流域面积328km2。流域内气候温和、湿润，数年平均雨量1450km。流域水系及测站分布见图KS2-1。2.水文气象资料情况在坝址下游1Km处设有潜渔水文站，自1954年开始有观测的流量资料。通过频率计算，得各设计频率的设计年径流量，选择典型年，计算缩放比，成果见表KS2-3。典型年径流过程见表KS2-4。根据调查1920239月1日在坝址附近发生一场大洪水，推算得潜渔站洪峰流量为1350m3/s。这场洪水是发生年份至今最大的一次洪水。缺测年份内，没有大于1160m3/s的洪水发生。经初步审查，可降雨和径流等实测资料可用于本次设计。表KS2-3 设计年径流量及典型年径流量代表年设计频率设计年径流量（m3/s）典型年典型年径流量缩放比枯水年P=85%5.5619735.351.039中水年P=50%7.5019577.111.055丰水年P=15%10.3719679.951.042表KS2-4 潜渔站设计年径流过程 月份枯水典型年Q中水典型年Q丰水典型年Q月份枯水典型年Q中水典型年Q丰水典型年Q314.006.4711.1090.044.3223.20418.606.9312.80100.412.817.65519.5020.8023.00111.701.421.3661.318.2427.60120.753.600.4475.2121.803.9710.701.100.8480.065.501.2421.882.336.113根据地区用电规定和电站的也许情况，发电规定为保证出力不能低于，发电保证率为，灌溉和航运任务不大，均可运用发电尾水得到满足。4水库水位容积曲线，如表KS25所示。表KS25 水 位 容 积 曲 线水位48505255606570容积00.10.62.38.018.035.7水位75808182838485容积60.394.4102.8111.3120.0129.0138.6水位868788899091容积148.3158.8170181.5194.5207.05水电站下游水位流量关系曲线，见表KS26 。表KS26 水 位 流 量 关 系 曲 线水位 46.046.246.446.646.847.047.2流量01.03.67.311.916.220.56根据实测泥沙资料得数年平均含沙量，泥沙干容重，泥沙沉积率，孔隙率，推移质与悬移质淤积量之比值，水库设计使用年限为年，对于淤积设计，尚需加安全值。7本省生产的机型有HL263LJ100（即混流式263型，主轴金属蜗壳，转轮直径），单机容量为，适应最小水头为。8赋石水库属级建筑物，因此设计洪水标准为，校核洪水标准为，水库下游保护区防洪标准为。9赋石水库原设计采用雨量资料推求设计洪水，现采用流量资料来推求设计洪水，以作比较。历年洪峰、1d洪量、3d洪量、7d洪量如表KS27所示。表KS27 潜渔站洪峰及定期段洪量登记表年份洪峰24小时洪量三天洪量七天洪量195470227.94 58.40 19552848.17 3.30 195674829.80 36.00 195740222.80 37.19 52.46 19582008.72 15.85 22.15 195923711.13 19.80 32.90 196047815.70 20.80 33.20 196165952.50 79.10 88.20 196258543.70 49.20 53.10 196316055.60 86.60 95.90 196440914.32 31.70 40.70 196551015.62 24.40 27.00 19662329.50 14.00 25.40 196724411.82 19.00 28.00 19681679.90 18.40 35.50 196938720.90 32.80 48.40 197030517.20 31.90 35.60 197150023.40 31.80 35.30 19721085.34 10.20 12.23 197348419.87 42.85 197428716.16 39.05 197516611.58 22.05 19761198.29 19.95 19772387.61 20.45 10典型洪水过程线如表KS28所示。表KS28 典型洪水过程线（1963年）时段流量时段流量时段流量时段流量1217134106056252784313230359505724579411426036864582358033153173776059224813616335386606021282431736239617612058349183734047062192845319350413706318085502033042306641618648213154326065155874722305442356614588462329345227671308944242934624068118904325445472536911891412657548269701039239276754927771979337288055028672929435299155129573859534301000522907482963331106053263757997323211305427776659831331160552657755993011泄洪建筑物型式尺寸。溢洪道为使用堰型，净宽，堰顶高程。泄洪洞洞径，进口底坎高程。根据以上尺寸计算得泄流曲线如表KS29所示。 表KS29 泄洪建筑物泄流曲线水位808182838485流量332336341347351354水位868788899091流量3583623704818741460三、设计年径流量及其年内分派的推求1、设计年径流量的计算由已知资料得，频率为85%、50%、15%的年径流量如下表1表1 潜渔站设计径流量代表年设计频率设计年径流量（m3/s）典型年典型年径流量缩放比枯水年P=85%5.5619735.351.039中水年P=50%7.5019577.111.055丰水年P=15%10.3719679.951.0422、设计年径流量的年内分派根据年、月径流资料和代表年的选择原则，拟定丰、中、枯三个代表年。并按设计年径流量为控制用同倍比方法缩放各代表年的逐月年内分派如下表2.表2 潜渔站典型年径流量年内分派 月份设计枯水年设计中水年设计丰水年典型年缩放比设计年典型年缩放比设计年典型年缩放比设计年3月14.001.03914.566.471.0556.8211.101.04211.584月18.601.03919.346.931.0557.3112.801.04213.355月19.501.03920.2820.801.05521.9423.001.04223.996月1.311.0391.368.241.0558.6927.601.04228.797月5.211.0395.4221.801.05523.003.971.0424.148月0.061.0390.065.501.0555.801.241.0421.299月0.041.0390.044.321.0554.5623.201.04224.2010月0.411.0390.432.811.0552.967.651.0427.9811月1.701.0391.771.421.0551.501.361.0421.4212月0.751.0390.783.601.0553.800.441.0420.461月0.701.0390.731.101.0551.160.841.0420.882月1.881.0391.962.331.0552.466.111.0426.37四、水库死水位的选择1、绘制水库水位容积曲线表3 水位容积曲线 水位（m）48505255606570758081容积（106m3）00.10.62.381835.760.394.4102.8水位（m）82838485868788899091容积（106m3）111.3120129138.6148.3158.8170181.5194.52072.绘制水电站下游水位流量关系曲线表4 水位流量关系曲线 水位（m）46.046.246.446.646.847.047.2流量（m3/3）01.03.67.311.916.220.53.根据泥沙资料计算水库的淤积体积和水库相应的淤积高程（按50年为设计年限）T年后泥沙的淤积量为根据水位容积曲线，查曲线求得在此基础上加上安全值,得4.根据水轮机的情况拟定水库的最低死水位 由于每月的设计流量不同，在这里取最大的流量作为设计流量基准，又水轮机的水位流量关系可得5.综合各方面情况拟定水库死水位 五、选择正常蓄水位 根据本地区的兴利规定，发电方面规定保证出力不低于800kw，发电保证率为85%，灌溉及航运任务不大，均可运用发电尾水得到满足，因此，初步拟定正常蓄水位为79.9m。六、保证出力和数年平均发电量的计算1.保证出力的计算以死水位为起始水位，按等流量调节方式计算各设计年的出力过程和发电量过程，其各个时期的平均出力就是该时期的保证出力。在这里，我们分别对丰、中、枯三个设计年以月为时段进行水能计算，计算出各月的水流出力。其中枯水年的水能计算见下表，丰水年、中水年的水能计算见附表1和附表2。且由上面，我们求得正常蓄水位为79.9，死水位为62.81m，由水位容积曲线查曲线得水库的兴利库容为，即30.69m3/s月；死库容为，即5.14m3/s月。 计算环节：（1）用试算法计算各月的发电用水；（2）由余缺水量和死库容计算水库各月末水库蓄水，其时段初、末值平均值填入表中，并且查水位容积曲线即得上游月平均水位。（3）由发电用水查下游水位流量关系曲线得下游水位。（4）用上游水位减去下游水位，减去预留水头损失，得水头。（5）根据公式：出力N=AQH净求得各月出力，其中A=7.5。表5 枯水年出力计算（保证出力）时段 (月份)天然来水(m3/s)发电用水(m3/s )余水量局限性水量月末水库蓄水(106m3)平均蓄水(106m3)月平均水位(m)下游水位(m)水头损失（m）平均水头(m)出力Ni (KW)流量(m3/s)水量(万m3)流量(m3/s)水量(万m3)（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）（9）（10）（11）（12）（13）（14）13.50 314.557.78 6.77 17.78 31.28 22.39 66.10 0.546.63 18.97 1107 419.337.78 11.55 30.34 61.62 46.45 72.00 0.546.63 24.87 1451 520.267.78 12.48 32.78 94.40 78.01 76.30 0.546.63 29.17 1702 61.364.70 3.34 8.77 85.63 90.01 78.80 0.546.50 31.80 1121 75.415.41 42.81 70.20 0.546.53 23.17 940 80.064.70 4.64 12.19 73.44 36.72 70.50 0.546.51 23.49 828 90.044.70 4.66 12.24 61.20 67.32 76.30 0.546.51 29.29 1032 100.434.70 4.27 11.22 49.98 55.59 73.20 0.546.51 26.19 923 111.774.70 2.93 7.70 42.29 46.14 71.80 0.546.51 24.79 874 120.784.70 3.92 10.30 31.99 37.14 71.20 0.546.51 24.19 853 10.734.70 3.97 10.43 21.56 26.78 66.20 0.546.51 19.19 676 21.955.02 3.07 8.06 13.50 17.53 64.50 0.546.52 17.48 658 取设计枯水年供水期的平均出力为保证出力，则该水库的保证出力为：出力历时曲线如下：1、 数年平均年发电量及装机容量的拟定枯水年年平均出力为N1=1014(KW)又由附表1，2得，丰水年年平均出力为N2=1985.40 (KW)中水年年平均出力为N3=1528.29 (KW)则数年平均年发电量为E=装机容量为N装=1.36107/3440=3953(KW)七、推求各种设计标准的设计洪水过程线本水库为大（2）型水库，工程等级为级，永久性水工建筑级别为2级。下游防洪标准为5%，设计标准为5%，校核标准为0.1%，需要推求5%、1%、0.1%设计洪水过程线。1、按年最大值选样方法在实测资料中选取年最大洪峰流量及各历时洪量，根据洪水特性和防洪计算规定，拟定设计历时为七天，控制历时为一天和三天，因而可得洪峰和各历时的洪量系列。2、因七天洪量只有19571972年，所以可以用相关分析方法延长插补。（用三天洪量与七天洪量进行相关分析）表6 三天洪量与七天洪量相关计算表 年份三天洪量七天洪量KXKYKX-1KY-1(KX-1)2(KY-1)2(KX-1)(KY-1)195737.1952.461.1381.2600.138 0.260 0.0190 0.0676 0.0359 195815.8522.150.4850.532-0.515 -0.468 0.2652 0.2190 0.2410 195919.8032.900.6060.790-0.394 -0.210 0.1552 0.0441 0.0827 196020.8033.200.6370.798-0.363 -0.202 0.1318 0.0408 0.0733 196179.1088.202.4212.1191.421 1.119 2.0192 1.2522 1.5901 196249.2053.101.5061.2760.506 0.276 0.2560 0.0762 0.1397 196386.6095.902.6512.3041.651 1.304 2.7258 1.7004 2.1529 196431.7040.700.9700.978-0.030 -0.022 0.0009 0.0005 0.0007 196524.4027.000.7470.649-0.253 -0.351 0.0640 0.1232 0.0888 196614.0025.400.4290.610-0.571 -0.390 0.3260 0.1521 0.2227 196719.0028.000.5810.673-0.419 -0.327 0.1756 0.1069 0.1370 196818.4035.500.5630.853-0.437 -0.147 0.1910 0.0216 0.0642 196932.8048.401.0041.1630.004 0.163 0.0000 0.0266 0.0007 197031.9035.600.9760.855-0.024 -0.145 0.0006 0.0210 0.0035 197131.8035.300.9730.848-0.027 -0.152 0.0007 0.0231 0.0041 197210.2012.230.3120.294-0.688 -0.706 0.4733 0.4984 0.4857 总计522.74666.0415.999 16.002 006.8045 4.3737 5.3230 平均32.6741.63所以有：A.均值 B均方差C相关系数D回归系数 EY倚X的回归方程即所以可根据得出的回归方程以及已知的三天洪量可把缺少的七天的洪量值，列入下表。表7 潜鱼站洪峰及定期段洪量登记表 年份洪峰Qm(m3/s)24小时洪量W（106m3）三天洪量W（106m3）七天洪量W（106m3）195470227.9458.4067.2719552848.1713.3022.31195674829.8036.0044.94195740222.8037.1952.4619582008.7215.8522.15195923711.1319.8032.90196047815.7020.8033.20196165952.5079.1088.20196258543.7049.2053.101963116055.6086.6095.90196440914.3231.7040.70196551015.6224.4027.0019662329.5014.0025.40196724411.8219.0028.0019681679.9018.4035.50196938720.9032.8048.40197030517.2031.9035.60197150023.4031.8035.3019751085.3410.2012.23197348419.8742.8551.77197428716.1639.0547.98197516611.5822.0531.0319761198.2919.9528.9419772387.6120.5429.442、 对洪峰和各时段洪量系列进行频率计算，用目估适线法求得相应的参数分别将历年洪峰、一天洪量、三天洪量、七天洪量频率计算及参数拟定过程列于附表3、附表4、附表5、附表6中。计算环节如下：3.1 将原始资料按大小顺序排列；3.2用公式计算经验频率，并将x与p相应点绘于频率格纸上；3.3 计算系列额数年平均降水量3.4 计算各项的模比系数，其总和应等于n；3.5 计算各项的，其总和应为零；3.6 计算各项的；3.7 计算变差系数3.8选定Cs与Cv 的倍数关系，查表得Kp值，得出各种相应频率的Xp值，绘制XpP曲线，根据其与经验点据的配合情况，进行参数调整，最终曲与经验点据配合最佳的曲线参数。从而可得各设计频率的洪峰和洪量的参数如下：洪峰： 均值为417 CV=0.65 CS=2.0一天洪量：均值为19.48 CV=0.71 CS=2.1三天洪量：均值为32.29 CV=0.61 CS=1.8七天洪量：均值为41.24 CV=0.48 CS=1.43、 洪峰和洪量成果合理性分析由洪峰和洪量的附图中可以看到，一天、三天、七天的洪量分布曲线变化一致，且没有相交，与洪峰分布图的变化也比较一致，因此，认为这次的解决成果是可以运用的。5、选择典型洪水过程线按照选择原则，由于1963年的资料比较完整，且精度较高，属于实测数据，因此选择1963年为典型年，其洪水过程线即为典型洪水过程线。6、 用分段同频率放大法推求设计洪水过程线6.1 计算洪峰、洪量。 由典型洪水过程线得其洪峰、最大24小时洪量、最大三天洪量、最大七天洪量。由公式可推得洪峰、洪量。洪峰取33时，Qm=1160 （）;最大24小时洪量取1841时，W1m=55.60 （）；最大三天洪量取1586时，W3m=86.60（）；最大七天洪量取1963年的七天洪量，W7m=95.90（）；6.2 计算放大倍比、P=5%,1%,0.05%时，由附表3、4、5、6得各时段设计值，并求得其放大倍比列于表8。表-8 放大倍比频率放大倍比0.05%1864.2 111.23 155.68 168.54 1.61 2.00 1.32 1.88 1%1335.7 70.10 99.91 104.92 1.15 1.26 0.89 0.73 5%918.0 47.14 70.36 78.85 0.79 0.85 0.69 1.24 典型1160.0 55.50 89.06 95.90 6.3 将不同频率下的各时段洪量在相应的倍比下放大，得其设计洪水过程线。其计算数据见附表7、8、9，其洪水过程线图见附图1（P=5%）、2（P=1%）、3（P=0.05%）。八、 推求水库防洪特性水位1、 泄洪规则及起调水位起调水位（防洪限制水位）为78.4m，相应库容为V1=83.5106m3。根据水库下游防洪规定，等于或小于2023一遇的洪水，只放发电用水（17m3/s），其余所有拦蓄在水库里，超过2023一遇的洪水，溢洪道和泄洪洞共同泄洪，自由泄流。2、防洪高水位的计算 对2023一遇的洪水过程线，除下泄发电用水（17m3/s）外，其余蓄在水库，则总蓄水量加在防洪限制水位上，则可得防洪高水位。2023一遇洪水，P=5%,.运用水平分割法割除其发电用水量，所以 由水位容积曲线查得：Z=87.6m。即防洪高水位为h=87.6 m3、 设计洪水位的计算用百年一遇洪水过程，从防洪限制水位开始，先按发电流量（17m3/s）下泄，其余蓄在水库里，待蓄至防洪高水位后，即打开溢洪道闸门和泄洪洞闸门，自由泄流，通过调洪演算，得设计洪水位、拦洪库容和相应最大下泄流量。应用单辅助线图解法计算，其环节如下：3.1 计算绘制辅助曲线。3.2 推求下泄过程。3.3求解设计洪水位、拦洪库容、最大下泄流量。计算图表见附表10、11，相关的图见附图4、5，计算结果如下：=381.2 m3/sZ设=88.4m,V拦=174.5-83.5=91 （106m3）4、 校核洪水位的计算方法与设计洪水计算相同，用2023年一遇设计洪水过程来进行计算。计算结果如下：=458m3/sZ校=88.9m,V拦= 180.3-83.5=96.8（106m3）5、 坝顶高程计算已知： 5.1 求。 查表得 由公式 得 又由于 计算得到 由公式 计算得到 又 求得 据 得 5.2 求。 由公式 求得 5.3 坝顶高程计算 对于设计情况 求得 最后拟定坝顶高程为： 附表1 丰水年出力计算（保证出力）时段 (月份)天然来水(m3/s)发电用水(m3/s )余水量局限性水量月末水库蓄水(106m3)平均蓄水(106m3)月平均水位(m)下游水位(m)水头损失（m）平均水头(m)出力Ni (KW)流量(m3/s)水量(万m3)流量(m3/s)水量(万m3)2月28.183月11.5811.5828.1828.18 68.6846.790.521.391857.72 4月13.3513.3528.1828.18 68.6846.860.521.322134.67 5月23.9917.266.73174446.5237.35 70.2947.050.522.742943.69 6月28.7917.2611.53298975.5161.02 75.1447.050.527.593571.53 7月4.146.632.4964569.0672.29 77.0846.560.530.021492.74 8月1.296.635.34138455.2262.14 75.3546.560.528.291406.72 9月24.2017.266.94179973.2164.22 75.7347.050.528.183647.90 10月7.987.9873.2173.21 77.2246.630.530.091800.89 11月1.426.635.21135059.7166.46 76.1346.560.529.071445.51 12月0.466.636.17159943.7251.72 73.2246.560.526.161300.81 1月0.886.635.75149028.8236.27 70.1046.560.523.041145.66 2月6.376.620.256428.1828.50 68.7546.560.521.691076.91 平均1985.40 附表2 中水年出力计算（保证出力）时段 (月份)天然来水(m3/s)发电用水(m3/s )余水量局限性水量月末水库蓄水(106m3)平均蓄水(106m3)月平均水位(m)下游水位(m)水头损失（m）平均水头(m)出力Ni (KW)流量(m3/s)水量(万m3)流量(m3/s)水量(万m3)2月28.183月6.826.8228.1828.18 68.6846.570.521.611105.35 4月7.317.3128.1828.18 68.6846.600.521.581183.12 5月21.949.8712.07312959.4743.83 71.5446.720.524.321800.29 6月8.698.6959.4759.47 74.8446.670.527.671803.39 7月23.009.8713.13340393.576.49 77.7046.720.530.482256.28 8月5.806.780.98