刘磊五强溪水电站水资源规划1.docx

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刘磊五强溪水电站水资源规划1

毕业设计报告

设计题目：

水资源规划

姓名：

刘磊

学号：

3120132117

专业：

水利水电工程

指导教师：

孙老师

提交日期：

2015/3/22

河海大学水利水电工程学院

2015年03月

摘要

沅水五强溪水库位于湖南省沅陵县境内，是一个以发电为主，兼有防洪、航运和灌溉等效益的综合利用大型水库。

流域雨量充沛，水量丰富，坝址多年平均流量2060m³/s，年水量649亿m³，坝址位于沅水干流最后一段峡谷出口处，岩性坚硬，地形地质条件良好，具备修建高坝的自然条件。

本次毕业设计是在给定备选方案Ⅰ（即正常蓄水位为120m）情况下，进行五强溪水库的兴利计算、防洪计算以及经济分析计算。

在兴利计算中，主要包括对设计原始资料进行整理，绘制各类曲线；录入调试计算机程序；考虑三方面因素，确定水库死水位；计算保证出力；采用经验方法确定水电站必须容量；绘制水电站防破坏线，确定水库防洪限制水位；选择重复容量、计算多年平均电能以及确定水库有关参数等内容。

在防洪计算中，利用水库调节计算程序求得本方案的防洪高水位、设计洪水位。

校核洪水位及相应的最大下泄流量；根据计算公式求得坝顶高程。

在经济计算中，计算下游防洪效益（负费用）；计算资金流程，求出折算年费用；计算投资与运行费用；列出本方案经济计算成果统计表。

关键词：

水库兴利计算防洪计算经济计算

前言

本次《水资源规划》毕业设计，主要通过对实际水利工程的水利分析计算，加深理解水资源规划的基本概念、基本理论和工程设计计算的基本方法。

把以往所学基础理论和专业知识运用到实际工程中，初步利用已掌握的水工专业技术知识，分析解决工程中的实际问题，锻炼和提高工程设计实际动手能力，为尽快适应工作环境打下良好基础。

本次设计以五强溪水电站为设计对象。

该水库是一座以发电为主、兼防洪、航运、灌溉等效益的综合利用大型水库，是湖南省最大的水电电源点。

本次设计利用已有的水文资料，在给定备选方案的前提下，进行库的兴利与防洪计算，确定给定方案的水利设备参数、水库调度操作方式及计算各项水利指标，并利用已知的概算投资，进行经济分析。

本次设计内容主要是对给定水库兴利水位方案Ⅰ，进行死水位的选择计算及保证出力的计算；水电站装机容量的选择；水电站调度图防破坏线的绘制；汛期限制水位的确定；重复容量、水电站多年平均电能的计算；进行水库防洪计算，确定各种防洪特征水位及坝顶高程，确定水库各项水利指标；进行经济计算等。

目录

摘要

前言

1综述1

2原始资料复核2

2.1长系列径流资料整理2

2.2水库库容曲线2

2.3坝址下游水位流量关系曲3

3死水位选择4

4保证出力计算5

5水电站装机容量的选择及多年平均电能计算6

5.1水电站必须容量选择6

5.2水电站调度图绘制7

5.3重复容量和装机容量的确定11

5.4多年平均电能计算12

5.5水库有关参数计算12

6防洪计算13

6.1水库洪水调节计算13

6.2坝顶高程的确定15

7经济计算16

7.1投资计算16

7.2年运行费计算17

7.2.1正常年运行费17

7.2.2初期运行费17

7.3下游防洪效益计算18

8结束语21

参考文献22

附表23

附图30

1综述

五强溪水电站位于湖南省沅陵县境内，上离沅陵县城73km，下距常德市130km。

坝址控制流域面积83800km2，占沅水总流域面积的93%，流域面量充沛，水量丰富，坝址多年平均流量2060m3/s，年水量649×108m3，并有1925年以来的水文资料和核实的历史洪水资料。

坝址位于沅水干流最后一段峡谷出口处，岩性坚硬，地形地质条件良好，具备了修筑高坝的自然条件。

在沅水规划中，五强溪水电站为沅水干流最后第二个梯级，上游接虎皮溪及酉水的风滩（已建成）梯级，是一个以发电为主，兼有防洪、航运效益的综合利用水库，系湖南省最大的水电电源点。

五强溪水电站开发的主要任务如下：

1、发电

五强溪水电站建成后投入华中电网，主要供电范围为湖南省。

2、防洪

沅水下游赤山以西的桃沅、常德、汉寿三县及常德市所属平源河网地区，统称沅水尾闾。

这个地区地势低洼。

全靠提防保护，共保护人口106万，农水159万亩。

现有河道的泄洪能力20000m3/s，如遇1927、1931、1933、1935、1943、1949、1954、1969等年洪水重现，河道均不能完全承泄，防洪标准仅为5年一遇。

五强溪水库靠近沅水尾闾，控制全流域面积的93%，解决尾闾防洪问题，是它基本防洪任务。

3、航运

五强溪水电站的航运效益为改善水库区和坝下游河道的通航条件。

沅水是湘西的水上交通动脉，其干流全长1550km，通航里程为640km,但航道险滩很多。

五强溪水库修建以后，坝址以上，沅陵以下河段成为常年深水区，其险滩都将淹没。

下游航道，确定五强溪航运基荷按10万kw相应流量考虑，枯水流量加大，上、下游航道均可改善。

4、灌溉

每年自5月下旬至9月下旬为灌溉季节，在该季节自水库上游直接引走的灌溉流量平均为35m3/s。

2原始资料复核

2.1长系列径流资料整理

设计原始资料给定的流量是坝址断面历年平均流量，考虑工程实际，现对其平均流量（附表一）数据进行处理：

扣除灌溉和船闸用水。

即每月扣除10m³/s的船闸操作耗用的流量，及在每年5月下旬至9月下旬的灌溉季节扣除平均35.0m³/s的灌溉流量（5月扣除11.7m³/s），得到新的供发电计算使用的径流序列（以下称新序列，见附表二），以此进行调节计算。

2.2水库库容曲线

依据资料提供的水库水位及容积，点绘出水位—容积关系曲线，如图2–1所示。

高程（m）

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

面积（km2）

0

7.240

20.503

39.491

64.988

111.184

187.915

297.288

462.987

647.004

容积

108m3

0

0.241

1.592

4.521

9.692

18.490

33.346

57.349

95.058

151.578

m3/s一月

0

9.175

60.65

172.13

369.0

703.96

1269.57

2183.43

3619.11

5770.97

图2–1

2.3坝址下游水位流量关系曲

依据资料提供的坝址下游的水位及流量，点绘出水位—流量关系曲线，如图2–2所示。

水位m

流量

m³/s

水位m

流量m³/s

水位m

流量

m³/s

水位m

流量

m³/s

48.5

204

53

3320

57.5

9470

66

25200

49

350

53.5

3860

58

10300

67

27200

49.5

545

54

4420

59

12000

68

29300

50

795

54.5

5040

60

13700

69

31600

50.5

1120

55

5720

61

15600

70

33800

51

1490

55.5

6450

62

17500

71

36000

51.5

1900

56

7200

63

19300

72

38300

52

2350

56.5

6450

64

21200

73

40300

52.5

2820

57

8700

65

23200

74

43400

水位流量曲线图

图2–2

3死水位选择

死水位的影响因素复杂，通常要通过方案比较才能确定，而且它与正常蓄水位、装机容量及其它兴利指标相互制约、相互影响，要严格求解必须利用系统分析方法。

本设计对死水位的确定采用简化处理，主要考虑水库使用寿命及泥沙淤积；灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求；水轮机最小水头的限制。

1、使用寿命及泥沙淤积

使用寿命按50年计，年淤积量为669万m³

=669×50=33450万m³

查水位—容积曲线，确定在使用年限内满足防淤要求的死水位Z1=76.69m；

2、灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求，水库消落的最低水位不小于Z2=82.00m；

3、水轮机最小水头的限制，水库削落深度不大于水电站最大水头的35%。

本设计采用程序计算，得到死库容为553.31m3/s.月,查水位库容曲线，确定死水位为96.12m。

4保证出力计算

本次设计要求长系列等出力操作；用试算法逐年求解。

本设计利用程序计算保证出力，计算结果见表4–1。

依方案Ⅰ设计要求，本电站发电设计保证率P=87.5%，故由表可查得其设计保证出力为NP=41.33万千瓦。

将保证出力按大小次序排列，绘制出相应的频率曲线图，如图4–1。

表4-1

保证出力计算

年份

保证出力（千瓦）

频率（%）

1951

552269.6

37.5

1952

621584.9

21.88

1953

778217.4

3.13

1954

413259.2

87.5

1955

491985.2

68.75

1956

400946.8

90.63

1957

500799.1

65.63

1958

522533.1

62.5

1959

446322.1

75

1960

375784.3

96.88

1961

612676.3

25

1962

541571.2

46.88

1963

658750.9

12.5

1964

549477.9

40.63

1965

705537.8

6.25

1966

413512.9

84.38

1967

705275.6

9.38

1968

658020.6

15.63

1969

581164.7

31.25

1970

546736.9

43.75

1971

468874.2

71.88

1972

624658.4

18.75

1973

443848.8

78.13

1974

385649.1

93.75

1975

538808.4

53.13

1976

597524.6

28.13

1977

534005.8

56.25

1978

573817.1

34.38

1979

426484.5

81.25

1980

539339.6

50

1981

530436.6

59.38

保证出力频率曲线图

图4–1

5水电站装机容量的选择及多年平均电能计算

5.1水电站必须容量选择

必需容量包括工作容量与备用容量两部分。

本设计缺少电力平衡资料，故采用经验方法确定工作容量如下：

（1）保证出力中部分担任航运基荷：

N航基=10（万千瓦）

（2）设N峰为担任峰荷的保证出力：

N峰=Np-10（万千瓦）

（3）按以下关系确定峰荷工作容量：

N工峰=3.08N峰+7（万千瓦）

（4）水电站工作容量N总=N工峰+N航基（万千瓦）

本设计电站担任系统负荷备用及事故备用容量取值为N备=30万千瓦

表5-1必需容量计算表单位：

万千瓦

设计保证出力NP=87.5%

41.33

航运基荷保证出力

10

峰荷保证出力

31.33

峰荷工作容量

103.5

水电站总工作容量

113.5

备用容量（负荷备用及事故备用）

30

必需容量

143.5

由表5-1可知，水电站必需容量为143.5万千瓦。

5.2水电站调度图绘制

对兴利而言，本课程设计对水电站调度图只要求作两条线，一条是基本调度线——防破坏线；一条是加大出力辅助线。

（一）防破坏线的绘制

防破坏线的绘制步骤如下：

1．选择设计保证率范围内的径流系列（新系列）资料。

（从原始系统中剔除来水小于设计枯水年的年份）；

2．逐年从供水期水期末开始，按Np等出力逆时序操作，求得各年迟蓄方案水库蓄水量过程线；

3．将各年迟蓄方案水库蓄水量过程线点绘在一张图上，并取其外包线，即为防破坏线。

以上第2步采用等出力逆算法逆时序求解以下方程组：

Vt-1=Vt-（Qt-qt）×Δt

Nt=KqtHt

式中符合意义同前。

其具体求解流程如下：

（1）设qt=q（0）；

（2）Vt-1=Vt—（Qt-qt）·Δt（Vt起始值为V死）（当Vt-1＜V死，取Vt-1＝V死）；

（3）V均=（Vt+Vt-1）/2查水库水位库容曲线得到Z下；

（4）Nt=K·qt·（Z上-Z下）

（5）若丨Nt-Np丨＜ε，转前时段，否则qt=q（0）+（Np-Nt）／（K（Z上-Z下）），转

（2）。

第3步中的外包线，实际上是各条蓄水量过程线的同时刻纵坐标最大值，在具体操作时，可以在步骤2完成之后，直接给出外包线上各点坐标，当然最后采用值，还应视输出结果作适当分析修正，使防破坏线更可靠。

本设计采用程序计算，防破坏线计算结果（转化成水位）如表5-2所示，防破坏线见图5-1。

表5-2防破坏线计算表

月份

库蓄水量（m³/s.月）

相应水位（m）

3

716.61

100.27

4

553.31

96.12

5

767.6

101.4

6

1243.12

109.62

7

2181.45

120

8

2058.87

118.88

9

2183.44

120

10

2028.83

118

11

1829.8

116.66

12

1587.08

114.25

1

1260.07

109.86

2

1015.25

106.1

3

553.31

96.12

防破坏线图

图5-1

（二）防洪限制水位的确定

防洪限制水位是体现防洪与兴利相互结合的重要参数，选择恰当，可在不影响兴利可靠性的前提下，降低大坝高度，节省投资。

本设计以获得最大结合库容为原则选择。

根据五强溪水电站洪水资料分析，该库洪水最迟发生在7月底，8月初，故防洪限制水位取值为7月底，8月初防洪线上的坐标值。

经计算并查水库水位库容曲线，得到防洪限制水位基本等于正常蓄水位，即120m，相应库容为57.35亿m³。

防洪限制水位作为调洪演算的起调水位，并据此可求出结合库容为0。

（三）加大出力辅助线的绘制

在汛期防洪限制水位与防破坏间为加大出力区，水库位于此区时，水电站应加大出力工作，适当向系统多提供电量。

但加大出力范围较大，为减少操作的任意性，在该区中增加三条辅助线，本设计采用简化方法确定该辅助线，具体如下：

Zit=Z死+（Z防限－Z死）×i/4

式中：

Zit为第i条加大出力线t时刻的坐标。

计算结果见表5-3：

表5-3加大出力辅助线参数表

正常水位

120m

死水位（m）

96.12

汛限水位（m）

120

Z1t（m）

102.09

Z2t（m）

108.06

Z3t（m）

114.03

V1t（亿m3）

20.99

V2t（亿m3）

29.85

V3t（亿m3）

41.69

根据表绘出加大出力辅助线如图5-2。

加大出力辅助线

图5-2

三条辅助线将加大出力区分成四个区域，第i区的加大出力值为：

Ni=Np+（Ny－Np）÷4×i

计算结果见表表5-4：

表5-4加大出力值计算表

正常水位

120m

Np（万kw）

41.33

Ny（万kw）

143.5

N1（万kw）

66.87

N2（万kw）

92.42

N3（万kw）

117.96

5.3重复容量和装机容量的确定

（一）重复容量的选择

在丰水年的全年或汛期的水量会有富余，若仅以必须容量工作会产生大量弃水，为了充分利用此部分水量发电，以减少火电站的煤耗，水电站还额外设置一部分容量，称为重复容量。

本设计采用重复容量经济利用小时数（h经济=2500小时）作为反映重复容量的合理指标。

补充千瓦利用小时数计算是确定重复容量的关键，但其核心是计算不同重复容量的多年平均电能，多年平均电能的计算与调度图或调度规划有关，本设计调度按以下规则操作：

1、当时段初水位位于防破坏线内时，时段出力Nt=Np；

2、汛期时段初水位位于加大出力区时，按加大出力线工作，即Nt=Ni；

3、段初水位在防破坏线以上时，使时段水位尽可能向防破坏线上靠，同时要考虑装机容量的限制；

4、当满装机发电，且水位超过Z防限或Z正时，才允许弃水。

重复容量的选择步骤如下：

（1）假定若干重复容量0，△N，2△N，3△N…..等万千瓦；

（2）按调度原则对每一装机容量（Ny=N必+N备）计算多年平均电能

（用新系列长系列操作）；

（3）计算补充千瓦年利用小时数h利=△E/△N；

（4）点汇N重~h利；

（5）据h经济，确定重复容量N重；

现假设重复容量N重等于0、5、10、15、20万kw时，分别计算新系列多年平均发电量

及重复容量年利用小时数h利，重复容量计算表见表5-5。

表5-5重复容量计算表

N必

（万kw）

N重

（万kw）

Ny

（万kw）

（亿kw.h）

△E

（亿kw.h）

h利

143.50

0

143.50

73.51

143.50

5

148.50

74.27

0.76

1520

143.50

10

153.50

75.14

0.87

1740

143.50

15

158.50

75.9

0.76

1520

143.50

20

163.50

76.63

0.73

1460

因重复容量年利用小时数h均小于h经济=2500h，故重复容量为0。

（2）装机容量的确定

装机容量由必须容量和重复容量确定，故Ny=N必+N重=143.50万kw。

5.4多年平均电能计算

由于回水对上游风滩电站的影响，应扣除风滩电站的多年平均减少电能0.228亿kw.h，故方案Ⅰ多年平均发电量：

E=73.51－0.228=73.282亿kw.h。

5.5水库有关参数计算

当确定装机容量之后，按调度图和调度原则采用长系列调节计算求得弃水量，进而求出多年平均弃水流量Q弃，按式：

其中：

Q0—五强溪电站多年平均流量。

便可求得径流利用系数η。

由于本电站无弃水，故不用求η。

6防洪计算

6.1水库洪水调节计算

五强溪水电站防洪计算任务包括三种标准洪水的调洪计算，下游防洪标准为P=5%，大坝设计标准为P=0.1%，大坝校核标准为P=0.01%，洪水调节计算分别见附表三、四、五。

调洪计算采用多级调节方法，调洪规则如下：

（1）起调水位为汛前限制水位。

（2）当水库洪水流量小于防洪限制水位相应的下泄能力且安全泄量时，控制闸门，让泄流量等于来水量（qt=Qt）水库水位维持在汛期水位不变。

（3）当水库入流量超过汛前限制水位相应的下泄能力，而小于下游安全泄量时，打开闸门自由泄流，水库水位上升，下泄量随之增大。

（4）当自由泄流量下泄量超过安全泄流量时，控制qt=q安，直至调节计算结束，所得最高水位为防洪高水位。

对大坝防洪标准按（5）调节。

（5）当水库水位不及防洪高水位时，控制qt=q安，当水库水位升高至防洪高水位时，闸门全开，自由泄流，得调洪后的最高水位。

溢洪设备的选择本身是一个经济问题，他是权衡上下游洪灾损失的重要参数，而且泄洪设备还受材料最大应力强度及闸门结构限制；下游岩基状况及消能设备情况的影响，本课程设计不要求作溢洪设备选择。

本水库有溢洪孔与溢洪道两大类泄洪设备，水流流态有孔与自由泄流两种。

自由泄流采用公式：

孔口出流采用公式：

式中n为溢洪道孔数，B为闸门宽，H为堰顶水头，ω为每孔溢洪道过水面积=宽×高；μ为系数，根据模型试验：

，其中：

a=闸门开启高度，当闸门全开时，a即为闸门高度。

对千年一遇洪水调节计算得设计洪水位及相应最大泄流量，对校核洪水进行调节计算得校核洪水位及相应最大下泄流量，并根据求得的校核洪水位，确定总库容。

在调洪计算过程中，对闸门控制泄流情形，利用水量平衡方程式递推求得，十分简单。

但是对于自由泄流情形，则需求解以下隐式方程组：

q=f（V）

式中：

Vt-1、Vt为t时段始、末水库蓄水量；Qt-1、Qt为t时段始、末入库洪水流量；qt-1、qt为t时段始、末出库流量；△t为时段长；q=f（V）为泄洪能力曲线，它为当孔、闸全开时的水库蓄水量为V与水库下泄量的关系线。

本课程设计采用如下步骤试算求解：

（1）设qt=q（0）

（2）

（3）有Vt查q=f（V）曲线得相应下泄流量q

（1）

（4）若

，转下时段，否则假定转q（0）=q

（1）转

（1）

本设计采用程序计算，调洪结果见表6-1：

表6-1水库调洪计算成果表

项目

单位

方案一

正常蓄水位

m

120

正常库容

亿m3

57.35

汛限水位

m

120

汛限库容

亿m3

57.35

死水位

m

96.12

死库容

亿m3

14.53

防洪高水位

m

122.33

防洪库容

亿m3

7.56

设计洪水位

m

131.70

校核洪水位

m

135.29

调洪库容

亿m3

65.45

总库容

亿m3

122.80

6.2坝顶高程的确定

堰顶高程计算公式为：

坝顶高程1=设计洪水+风浪高1+安全超高1

坝顶高程2=校核洪水+风浪高2+安全超高2

坝顶高程=max﹛坝顶高程1，坝顶高程2﹜

风浪高的计算公式：

式中：

V为风速12m/s，校核洪水时风速乘以0.8；D为吹程15km。

安全超高由规范据坝质、坝型而规定（0.5～1.0m）。

设计洪水时取0.7m，校核洪水时取0.5m。

计算得：

Δh设计=1.15m；Δh校核=0.87m。

坝顶高程1=131.70+1.15+0.7=133.55m；

坝顶高程2=135.29+0.87+0.5=136.66m。

坝顶高程=max｛坝顶高程1，坝顶高程2｝=136.66m。

五强溪水电站各项水利指标见表6-2：

表6-2水利指标汇总

项次

项目

单位

指标

项次

项目

单位

指标

1

正常高水位

m

120

12

校核洪水最大泄流量

m3/s

42940　

2

设计洪水位

m

131.70　

13

保证出力

104kw

41.33

3

校核洪水位

m

135.29　

14

工作容量

104kw

113.5

4

死水位

m

96.12

15

备用容量

104kw

30

5

防洪限制水位

m

120

17

重复容量

104kw

0

6

防洪高水位

m

122.33　

18

重复容量年利用小时数

h

0

7

总库容

108m3

122.80　

20

装机容量

104kw

143.5

8

兴利库容

108m3

42.82

21

多年平均发电量

108kw.h

73.51　

9

防洪库容