工程水文与水力计算卓强.docx

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

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多年平均发电量；
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.推求洪水特征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，灌溉水源不足，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利用水库，位于安吉县丰城西10km，控制西苕溪主要支流西溪，坝址以上流域面积328km2。流域内气候温和、湿润，多年平均雨量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1922年9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%
5.56
1973
5.35
1.039
中水年
P=50%
7.50
1957
7.11
1.055
丰水年
P=15%
10.37
1967
9.95
1.042

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Q
3
14.00
6.47
11.10
9
0.04
4.32
23.20
4
18.60
6.93
12.80
10
0.41
2.81
7.65
5
19.50
20.80
23.00
11
1.70
1.42
1.36
6
1.31
8.24
27.60
12
0.75
3.60
0.44
7
5.21
21.80
3.97
1
0.70
1.10
0.84
8
0.06
5.50
1.24
2
1.88
2.33
6.11

3．根据地区用电要求和电站的可能情况，发电要求为保证出力不能低于，发电保证率为，灌溉和航运任务不大，均可利用发电尾水得到满足。
4．水库水位容积曲线，如表KS2–5所示。
表KS2–5 水 位 容 积 曲 线
水位
48
50
52
55
60
65
70
容积
0
0.1
0.6
2.3
8.0
18.0
35.7
水位
75
80
81
82
83
84
85
容积
60.3
94.4
102.8
111.3
120.0
129.0
138.6
水位

86
87
88
89
90
91

容积
148.3
158.8
170
181.5
194.5
207.0

5．水电站下游水位流量关系曲线，见表KS2–6 。
表KS2–6 水 位 流 量 关 系 曲 线
水位
46.0
46.2
46.4
46.6
46.8
47.0
47.2
流量
0
1.0
3.6
7.3
11.9
16.2
20.5
6．根据实测泥沙资料得多年平均含沙量，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HL263—LJ—100（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Ⅱ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KS2–7所示。
表KS2–7 潜渔站洪峰及定时段洪量统计表
年份
洪峰
24小时洪量
三天洪量
七天洪量
1954
702
27.94
58.40

1955
284
8.17
3.30

1956
748
29.80
36.00

1957
402
22.80
37.19
52.46
1958
200
8.72
15.85
22.15
1959
237
11.13
19.80
32.90
1960
478
15.70
20.80
33.20
1961
659
52.50
79.10
88.20
1962
585
43.70
49.20
53.10
1963
160
55.60
86.60
95.90
1964
409
14.32
3170
40.70
1965
510
15.62
24.40
27.00
1966
232
9.50
14.00
25.40
1967
244
11.82
19.00
28.00
1968
167
9.90
18.40
35.50
1969
387
20.90
32.80
48.40
1970
305
17.20
31.90
35.60
1971
500
23.40
31.80
35.30
1972
108
5.34
10.20
12.23
1973
484
19.87
42.85

1974
287
16.16
39.05

1975
166
11.58
22.05

1976
119
8.29
19.95

1977
238
7.61
20.45

10．典型洪水过程线如表KS2–8所示。
表KS2–8 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
12
171
34
1060
56
252
78
43
13
230
35
950
57
245
79
41
14
260
36
864
58
235
80
33
15
317
37
760
59
224
81
36
16
335
38
660
60
212
82
43
17
362
39
617
61
205
83
49
18
373
40
470
62
192
84
53
19
350
41
370
63
180
85
50
20
330
42
306
64
161
86
48
21
315
43
260
65
155
87
47
22
305
44
235
66
145
88
46
23
293
45
227
67
130
89
44
24
293
46
240
68
118
90
43
25
445
47
253
69
118
91
41
26
575
48
269
70
103
92
39
27
675
49
277
71
97
93
37
28
805
50
286
72
92
94
35
29
915
51
295
73
85
95
34
30
1000
52
290
74
82
96
33
31
1060
53
263
75
79
97
32
32
1130
54
277
76
65
98
31
33
1160
55
265
77
55
99
30
11．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KS2–9所示。
表KS2–9 泄洪建筑物泄流曲线
水位
80
81
82
83
84
85
流量
332
336
341
347
351
354
水位
86
87
88
89
90
91
流量
358
362
370
481
874
1460

三、设计年径流量及其年内分配的推求
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%
5.56
1973
5.35
1.039
中水年
P=50%
7.50
1957
7.11
1.055
丰水年
P=15%
10.37
1967
9.95
1.042
2、设计年径流量的年内分配
根据年、月径流资料和代表年的选择原则，确定丰、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配如下表2.
表2 潜渔站典型年径流量年内分配
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
14.00
1.039
14.56
6.47
1.055
6.82
11.10
1.042
11.58
4月
18.60
1.039
19.34
6.93
1.055
7.31
12.80
1.042
13.35
5月
19.50
1039
20.28
20.80
1.055
21.94
23.00
1.042
23.99
6月
1.31
1.039
1.36
8.24
1.055
8.69
27.60
1.042
28.79
7月
5.21
1.039
5.42
21.80
1.055
23.00
3.97
1.042
4.14
8月
0.06
1.039
0.06
5.50
1.055
5.80
1.24
1.042
1.29
9月
0.04
1.039
0.04
4.32
1.055
4.56
23.20
1.042
2420
10月
0.41
1.039
0.43
2.81
1.055
2.96
7.65
1.042
7.98
11月
1.70
1.039
1.77
1.42
1.055
1.50
1.36
1.042
1.42
12月
0.75
1.039
0.78
3.60
1.055
3.80
0.44
1.042
0.46
1月
0.70
1.039
0.73
1.10
1.055
1.16
0.84
1.042
0.88
2月
1.88
1.039
1.96
2.33
1.055
2.46
6.11
1.042
6.37
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）
48
50
52
55
60
65
70
75
80
81
容积（106m3）
0
0.1
0.6
2.3
8
18
35.7
60.3
94.4
102.8
水位（m）
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
容积（106m3）
111.3
120
129
138.6
148.3
158.8
170
181.5
194.5
207

2.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）
46.0
46.2
46.4
46.6
46.8
47.0
47.2
流量（m3/3）
0
1.0
3.6
7.3
11.9
16.2
20.5

3.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.根据水轮机的情况确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.综合各方面情况确定水库死水位

五、选择正常蓄水位
根据本地区的兴利要求，发电方面要求保证出力不低于800kw，发电保证率为85%，灌溉及航运任务不大，均可利用发电尾水得到满足，因此，初步确定正常蓄水位为79.9m。
六、保证出力和多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。
计算步骤：
（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
不足水量
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

3
14.55
7.78
6.77
17.78

31.28
22.39
66.10
0.5
46.63
18.97
1107
4
19.33
7.78
11.55
30.34

61.62
46.45
72.00
0.5
46.63
24.87
1451
5
20.26
7.78
12.48
32.78

94.40
78.01
76.30
0.5
46.63
29.17
1702
6
1.36
4.70

3.34
8.77
85.63
90.01
78.80
0.5
46.50
31.80
1121
7
5.41
5.41

42.81
70.20
0.5
46.53
23.17
940
8
0.06
4.70

4.64
12.19
73.44
36.72
70.50
0.5
46.51
23.49
828
9
0.04
4.70

4.66
12.24
61.20
67.32
76.30
0.5
46.51
29.29
1032
10
0.43
4.70

4.27
11.22
49.98
55.59
73.20
0.5
46.51
26.19
923
11
1.77
4.70

2.93
7.70
42.29
46.14
71.80
0.5
46.51
24.79
874
12
0.78
4.70

3.92
10.30
31.99
37.14
71.20
0.5
46.51
24.19
853
1
0.73
4.70

3.97
10.43
21.56
26.78
66.20
0.5
46.51
19.19
676
2
1.95
5.02

3.07
8.06
13.50
17.53
64.50
0.5
46.52
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、 多年平均年发电量及装机容量的确定
枯水年年平均出力为N1=(KW)
又由附表1，2得，
丰水年年平均出力为N2=(KW)
中水年年平均出力为N3=1528.29 (KW)
则多年平均年发电量为
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Ⅱ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要求，确定设计历时为七天，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1957～1972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
KX
KY
KX-1
KY-1
(KX-1)2
(KY-1)2
(KX-1)(KY-1)
1957
37.19
52.46
1.138
1.260

1958
15.85
22.15
0.485
0.532

1959
19.80
32.90
0.606
0.790

1960
20.80
33.20
0.637
0.798

1961

79.10
88.20
2.421
2.119

1962
49.20
53.10
1.506
1.276

1963
86.60
95.90
2.651
2.304

1964
31.70
40.70
0.970
0.978

1965
24.40
27.00
0.747
0.649

1966
14.00
25.40
0.429
0.610

1967
19.00
28.00
0.581
0.673

1968
18.40
35.50
0.563
0.853

1969
32.80
48.40
1.004
1.163

1970
31.90
35.60
0.976
0.855

1971
31.80
35.30
0.973
0.848

1972
10.20
12.23
0.312
0.294

总计
522.74
666.04

0
0

平均
32.67
41.63

所以有：A.均值

B．均方差

C．相关系数

D．回归系数

E．Y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 潜鱼站洪峰及定时段洪量统计表
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）
1954
702
27.94
58.40
67.27
1955
284
8.17
13.30
22.31
1956
748
29.80
36.00
44.94
1957
402
22.80
37.19
52.46
1958
200
8.72
15.85
22.15
1959
237
11.13
19.80
32.90
1960
478
15.70
20.80
33.20
1961
659
52.50
79.10
88.20
1962
585
43.70
49.20
53.10
1963
1160
55.60
86.60
95.90
1964
409
14.32
31.70
40.70
1965
510
15.62
24.40
27.00
1966
232
9.50
14.00
25.40
1967
244
11.82
19.00
28.00
1968
167
9.90
18.40
35.50
1969
387
20.90
32.80
48.40
1970
305
17.20
31.90
35.60
1971
500
23.40
31.80
35.30
1975
108
5.34
10.20
12.23
1973
484
19.87
42.85
51.77
1974
287
16.16
39.05
47.98
1975
166
11.58
22.05
31.03
1976
119
8.29
19.95
28.94
1977
238
7.61
20.54
29.44

2、 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确定过程列于附表3、附表4、附表5、附表6中。
计算步骤如下：
3.1 将原始资料按大小次序排列；
3.2用公式计算经验频率，并将x与p对应点绘于频率格纸上；
3.3 计算系列额多年平均降水量
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Xp~P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好的曲线参数。
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=1.4
3、 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，认为这次的处理成果是可以运用的。
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18—41时，W1m=55.60 （）；
最大三天洪量取15—86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、 推求水库防洪特征水位
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。根据水库下游防洪要求，等于或小于20年一遇的洪水，只放发电用水（17m3/s），其余全部拦蓄在水库里，超过20年一遇的洪水，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20年一遇的洪水过程线，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。
20年一遇洪水，P=5%,.利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 m
3、 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，其步骤如下：
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/s
Z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2000年一遇设计洪水过程来进行计算。
计算结果如下：
=458m3/s
Z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

最后确定坝顶高程为：

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
不足水量
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

28.18

3月
11.58
11.58

28.18

68.68
46.79
0.5

4月
13.35
13.35

28.18

68.68
46.86
0.5

5月
23.99
17.26

46.52

70.29
47.05
0.5

6月
28.79
17.26

75.51

75.14
47.05
0.5

7月
4.14
6.63

69.06

77.08
46.56
0.5

8月
1.29
6.63

55.22

75.35
46.56
0.5

9月
24.20
17.26

73.21

75.73
47.05
0.5

10月
7.98
7.98

73.21

77.22
46.63
0.5

11月
1.42
6.63

59.71

76.13
46.56
0.5

12月
0.46
6.63

43.72

73.22
46.56
0.5

1月
0.88
6.63

28.82

70.10
46.56
0.5

2月
6.37
6.62

28.18

68.75
46.56
0.5

平均

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
不足水量
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

28.18

3月
6.82
6.82

28.18

68.68
46.57
0.5

4月
7.31
7.31

28.18

68.68
46.60
0.5

5月
21.94
9.87

59.47

71.54
46.72
0.5

6月
8.69
8.69

59.47

74.84
46.67
0.5

7月
23.00
9.87

93.5

77.70
46.72
0.5

8月
5.80
6.78

90.96

79.74
46.57
0.5

9月
4.56
6.78

85.21

79.24
46.57
0.5

10月
2.96
6.78

75.31

78.23
46.57
0.5

11月
1.50
6.78

61.62

76.47
46.57
0.5

12月
3.80
6.78

53.90

74.49
46.57
0.5

1月
1.16
6.78

39.33

72.12
46.57
0.5

2月
2.46
6.76

28.18

69.68
46.57
0.5

平均值

表3 潜渔站洪峰频率计算表
序号
洪峰流量

序号
洪峰流量

（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
I

1350
1.8

Ⅱ

1160
3.5

12
305

51.8

1
748

7.5

13
287

55.8

2
702

11.5

14
284

59.8

3
659

15.6

15
244

63.8

4
585

19.6

16
238

67.8

5
510

23.6

17
237

71.9

6
500

27.6

18
232

75.9

7
484

31.7

19
200

79.9

8
478

35.7

20
167

83.9

9
409

39.7

21
166

87.9

10
402

43.7

22
119

92.0

11
387

47.7

23
108

96.0

频率P（%）
第一次配线
Q均=417
CV=0.65
Cs=3CV=2.0
ФP
KP
Qp
1
3.61

5
2.00

10
1.30

20
0.61

50
-0.31