水资源课程设计说明书

合肥工业大学课程设计任务书

目录

第1章工程规划概况 (2)

1.1 梅山水库简介 (2)

1.2 梅山水库兴利调度原则…………………………………………………………..

2.

1.3梅山水库调洪原则 (2)

第2章规划方案设计 (3)

2.1 规划任务 (3)

2.1.1 设计典型年的选择 (3)

2.12 兴利调度计算任务 (4)

2.13 防洪调度计算任务 (4)

2.2 计算方法及具体过程 (4)

2.2.1 兴利调度 (4)

2.2.2 防洪调度 (7)

第3章规划调度方案结果与分析讨论 (8)

3.1 兴利调度 (9)

3.2防洪调度 (9)

3.2.1 基本原理 (13)

3.2.2 方法与我的思考过程 (14)

3.2.3防洪调度的结果及分析 (15)

第4章结语………………………………………………………………….…15.

4.1 课程学习……………………………………………………………………………1

5.

4.2 个人感想 (16)

参考文献

附：兴利计算表格

调洪计算表格

Matlab程序（水位库容spline拟合）

原始数据表格

第一章工程规划概况

1.1梅山水库简介

梅山水库简介：梅山水库位于淮河支流史河上游的安徽省金寨县境内，东与淠河西源为邻，西与灌河隔岭为界，南源于大别山北麓，北距史河入淮口130km。水库流域南北长约70km，东西宽约40km，流域面积1970km2。梅山水库按500年一遇洪水设计，5000年一遇洪水校核，设计洪水位137.66m，校核洪水位139.93m，正常蓄水位128.0m，汛限水位125.27m，死水位94.00m，总库容22.64亿m3，兴利库容9.57亿m3，调洪库容5.0亿m3，死库容1.26亿m3，为年调节水库。梅山水库现有水电站装机容量为4万kW，4台发电机组，单机最大过水流量29.8m3/s，电站主要结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水入横排头水库。现状情况下多年平均发电量为9925万kW·h。

1.2 梅山水库兴利调度原则

梅山水库兴利调度原则：非汛期为5-10月，汛期为6-9月，其中9月为过渡期，即从9月份开始水库开始慢慢蓄水，并在9月末时保证水库水位在死水位和正常高水位之间，10-5月份水库处于非汛期，这段时间保证水库水位在死水位和正常高蓄水位之间，并保证非汛期末时水库水位在死水位与汛限水位之间。

1.3 梅山水库调洪原则

梅山水库调洪原则：从汛限水位125.27m起调，设计洪水位139.17m。电站装机4台，为安全计，按3台发电机组满载下泄流量，其余泄流设备均关闭，但水库水位上涨到防洪高水位时，除泄水底孔外其余泄流设备均全开，按泄流能力下泄，不受下游及淮河干流限制；之后水库来水较小时，按维持设计蓄洪水位控制下泄，但最小下泄流量不小于3台机组发电流量。

第二章规划方案设计

2.1 规划任务

水资源规划与利用课程设计的设计课题是：梅山水库优化运行调度。主要有兴利与调度两方面的优化方案设计。

2.1.1设计典型年的选择

根据梅山水库的长系列入库水量资料，定出设计保证率为

10%，50%，90%的设计

典型年。 选择步骤：

Step1将各年的各月各旬来水量在Excel 表格中自动求和，求出每年每月的天然来水量之和；

Step2将每年的各月来水量在求和得到1969-2008年各年的来水量总和； Step3将各年的来水量之和进行从大到小排序, 并列出序号： Step4按照经验频率公式：

i p =

1

m

n （m 为不小于该来水量的次数） Step5算出频率后，按照10%，50%，90%选择三个典型年,即可。

表一：设计典型年的选择

2.1.2 兴利调度计算任务

兴利调度方案有以下两个：

方案一：正常蓄水位：128 m，汛限水位：125.27 m。

方案二：正常蓄水位：128 m，汛限水位：124.57 m。

按照1.2所叙的调度原则，运用《水资源规划与利用》课程的基本知识，进行水量平衡计算，计算总发电量并对两方案进行比较。

2.1.2 调洪调度计算任务

调洪调度方案为：

汛限水位125.27m，防洪高水位132.2，控泄流量73m3/s

对于1969年丰水年进行调洪计算，设计水库洪水调度方案，并附图。

2.2计算方法及具体过程

2.2.1兴利调度

兴利调度的资料有“梅山水库各年入库流量（1969-2008）统计表”、“梅山水库各年需水量统计表（1969-2008）”、“梅山水库各月耗水率统计表”。

按照兴利调度原则，汛期为6-9月，非汛期为5-10月，每年（水文年10月份-9月份）调度都从10月份初以正常蓄水位128米开始起调，即以此时的水库的兴利库容全部蓄满为起算点，已知兴利库容、来水量、需水量、起调水位，即可进行水量平衡计算，计算期为旬。

调节过程水位必须满足的规则：

1.在非汛期5-10月份水位在死水位与正常蓄水位之间，若低于死水位则不能满足供水，正常供水被破坏；若高于正常蓄水位则发生弃水，以保持正常蓄水位。

2.在汛期6-9月份，水库水位保持在死水位与讯限水位之间。若低于死水位，则有缺水；若高于讯限水位，则发生弃水。

3.在汛期末的9月份，为过渡期，水位开始从讯限水位上涨，允许达到正常蓄水位（如果来水较丰时）。

计算步骤：

step1.在excel 中制好兴利调节的表头，输入来水量，需水量数据，开始进行水量平衡计算。

step2.从10月份正常蓄水位开始起调，进行水量平衡计算。 step3.

水量平衡计算完成后，进行水量校核。即：

n

n n

i

i

i

n

n n

i

i

i

-=-=∑∑∑∑∑∑来

需弃

来

需弃

Q

Q Q Q

Q Q

step4.进行发电量的计算。计算公式为

,QT

W ηη

=

其中为每月的平均耗水率

step5.进行两方案比较。

1971年（方案二）兴利调节计算示例

step1.输入1971年的相关数据，计算期为旬（注意入库流量W 的单位万m 3）； step2.输入需水量；

step3计算时先从非汛期开始（从10月上旬），整个非汛期为10、11、12、1、2、3、4、5月。假定10上旬水库处于正常蓄水位 （128m ），然后计算不足和多余水量，每一旬的不足或多余水量等于∑∑需水量－来水量(之所以这样取可以再后来的计算过程中直接利用Excel 的自动填充功能)若得到的数值为正，则表示不足水量，若得到的数值为负，则表示多余水量。以此类推即得到１９７１年的每一旬的多余或不足水量。

Step4计算出全年每一旬的不足或多余水量时，便可以计算时段末的水库蓄水量，从非汛期开始计算，刚开始时水库处于正常蓄水位128米，所对应的库容为135880万m 3

。刚开始时从10月上旬到11月上旬水库均有多余水量，多余多少就弃掉多少水量，水位保持128米不变。到11月中旬水库存在不足水量（由于需水量大于来水量），于是水库开始放水，放掉的水量等于不足水量。到11月下旬时水库又出现多余水量，此时在保证水位在128m 的前提下先蓄满兴利库容再把多余的水量弃掉。12月上、中旬时水库又出现不足水量，此时需要从正常蓄水位128米的库容中再次放掉一部分水量弥补不足水量。12月下旬时出现多余水量，此时应全部蓄水，以抬高水位靠近128米，不能超过128米，以保证非汛期时水库水位在死水位和正常蓄水位之间。按照此方法以此类推，如果水位

达到128米那么水库多水就把多余的水全部弃掉，如果水库水位未达到128米那么如果存在多余水量就全部蓄入水库，而当水库缺水时应保证水库水位位于死水位以上，以满足淤沙等要求。

Step5到5月中旬时经过调节水库水位位于128米，由于需在五月末把水位降到汛限水位，以保障汛期时留有足够的库容应对可能到来的洪水。所以在5月下旬时把水位降到124.57米，把多余的水全部弃掉，因此一般在5月下旬有集中弃水的过程。

Step6进入汛期以后，最高不能超过124.57米，进入六月后，上、中、下旬均有多余水，把多余的水量全部排掉。进入七月，上旬时有多余的水，把其全部排掉，中、下旬时出现水量不足，这时应从水库放水满足下游部门的需水要求。8月时，虽然整月都出现多水现象，但不能弃水，要把水全部蓄起来。九月是个过渡期，这一时期应慢慢蓄水，到月底时把水位控制在死水位和正常蓄水位之间，但如果还有多余水量，还应放水满足下游蓄水要求。

Step7计算水库出库总流量，Q总=Q需水+Q弃水，即出库总流量=水库需水流量+水库弃水流量。

Step8计算水库旬发电量，在计算时应注意水电站最大过水能力为119.2m3/s,当水库总出

流量小于119.2时，按公式

QT

W

η

=(W为发电量，单位为万kw.h ，Q为出库总水量，万

m3，η为耗水率,m3/kw.h) 。当水库总出流量大于119.2时，Q按119.2计算。并把相对应的旬发电量输入表格，最后把各旬的发电量叠加，便得到1971年的总发电量。

2.2.2防洪调度

防洪调度的资料有“梅山水库水位库容关系”、“梅山水库泄量水位关系”“梅山水库1969年7月份各时段洪水过程”。

按照洪水调度原则，相应的水库洪水调度过程为：

step1当洪水流量未超过控泄流量（73m3/s）时，下泄流量等于洪水流量，当洪水流量超过控泄流量时，由于闸门及其他泄流设备均关闭，所以此时水位开始从讯限水位（125.27m）上涨。

Step2水位上涨到防洪高水位（132.2 m），此时为保证水库的安全，此时除泄水底孔外其余泄流设备均全开，按最大泄流能力下泄。即进入洪水调度阶段：开始时由于洪水流量比较大，下泄流量小于洪水流量，水位仍然在上升，

Step3到来水流量比较小时，水位即会回降至防洪高水位，之后按照控泄流量下泄即可满足洪水调度要求。

第三章方案设计过程与结果分析

3.1兴利调度

1.兴利调度设计方案采用两种不同的讯限水位方案，得到的总发电量见下表：

表一：兴利调节各年方案比较

结论：

1.两种方案的结果总发电量一样，可能是因为资料不足，需水量和弃水量之和不一定全部用来发电，所以实际的发电量还会受到更多的因素的影响，会小于计算值；采用综合评价方法，如AHP 、模糊数学等方法，才会使方案之间更具有可比性。

2.兴利调度要注意水文年的概念，如水文年的1969年指的是日历年的1968年10月到1969年9月。

3.要注意理解前2.2.1所叙的兴利调度的规则，无论是什么年份均假设10月份达到正常蓄水位，只要此时有多余水量即发生弃水而不管前一年份的干旱情况（由于水库是年调节水库，所以这种情况在特枯年份才会发生，一般均不会）。

3.2防洪调度

调洪计算在7月3号0:00之前下泄流量即为洪水来水流量，到0：00时大于73m3/s ，来水量大于下泄量，水库开始蓄水，水位从讯限水位上涨，在此过程中，下泄流量保持73m3/s 不变，所以不需要试算，即利用公式：

12122111

()t ()t=V 22

Q t q t Q Q q q V ?-?=

+?-+?- 其中Q 、q 、1V 均为已知值，选取t=3 h ?即可进行水量平衡计算得到下一时段的2V ，再利用()V f Z =关系即可确定各时段的水位。

直至7月11号6：00如果继续按73m3/s 下泄流量，则会达到防洪高水位，故在6:00初就应打开闸门，以最大过流能力下泄，开始试算。

3.2.1 基本原理

水量平衡方程：12122111

()t ()t=V 22

Q t q t Q Q q q V ?-?=+?-+?- 下泄流量与水位之间关系：

q f =（h ）

水库库容与水位之间的关系：

()Z f h =

利用上两式即可得到：

()q f V =

联立方程组：

121221()11

()t ()t=V 22

q f V Q t q t Q Q q q V =?-?=

+?-+?- 即可以在理论上解出任意时段的蓄水量，进行水量平衡计算，根据水位控制闸门等措施，达到合理安排洪水调度的目的。

3.2.2 方法与我的思考过程：

对于上式，属于高次方程组，一般采用试算法进行。我在暑假大学生数学建模比赛过程中学习了Matlab 软件，采用Matlab 与Excel 联合运行的方式达到了试算的目的。

开始时，我觉得可以用多项式进行拟合，得到

111212012120

()()b n n n n n n n n q f h h h h h Z f h h h h h ----==+==++ a a +a +a +a b b +b +b

那么就相当于将高阶方程简化为了低阶的方程，可以在Excel 表中利用自动填充功能很

快得到收敛的水位值Z 。

但是在拟合泄量水位关系时，发现拟合的多项式无论次数达到多少均不能得到很好的结果，例如采用四次时前段数据拟合较好，但是后段数据不好，五次方正好相反，用差分函数diff 时得到的次数非常高，当然对于库容水位关系可以采用简单的二次式拟合，结果已经非常理想。

图一：水位库容拟合的二次关系曲线（式一）

图二：水位泄量拟合的四次关系曲线（式二）

2

V h h

=-+（式一）

64.22891997010517.139690099431109.120301004

432

=-+-+

h h h h

q0.01366846 6.125520871025.5103889776005.878916142104469.38570136（式二）

所以如果采用这种多项式拟合并不好，可能误差会非常的大。当时就否定了这样的

方案，现在想想如果采用水力学公式：

()B q f h Ah ==

可以利用lnq 与h 之间的线性关系，可能也会得到不错的结果 在这之后我就采用了Matlab 中的spline 函数，进行三次样条差值，得到了水位库容关系、下泄量与水位差值到0.01的结果（当然实际上还可以再精确，但显然也没有必要）。 然后可以利用Excel 的功能进行各时段的计算，具体计算步骤为： Step1在第一行输入前一时段的入库流量，蓄水位，蓄水量，下泄流量；

Step2在第二行输入本时段的入库流量，在以下各列中输入公式（注意此时一定要绝对引用（例如$A$2）第一行的单元格）：

水库蓄水量V ，水库入库流量Q 平均值，q 平均值，蓄水量的变化量v2-v1 ； Step3假设水位为133.6,133.5,133.4,133.3,133.2,将水位值分别输入到第二行、第三行、第四行……相应列中，将水位数值载入Matlab 中，分别在程序”shuiweikurong ”、”shuiweixieliang ”(程序见附页)中，调用spline 函数，即可得到以n ×1矩阵(方便直接粘贴到Excel 表格中)形式输出的yy (即各水位对应的库容矩阵)、yyy （即各水位对应的泄量矩阵）；

Step4再将得到的矩阵值粘贴到：V2和下泄流量q 列中；

Step5下拉各列自动填充手柄，即可得到各水位对应的按照水量平衡方程：

12122111

()t ()t=V 22

Q t q t Q Q q q V ?-?=

+?-+?- 得到的本时段蓄水量2V ；

Step6将用Matlab 得到的'2V 与2V 进行比较：

'22'22'220

Z h V V V V V V ><=，假设的水位应上升，假设的水位应下降

，试算结束,取下一时段的=

Step7按照前面的规则，找出精确度为0.1的上限和下限（该例中的133.3和133.4）

max min h 和h

将精确度提高到0.01（133.1/133.2/133.3/133.4/133.5/133.6/133.7/133.8/133.9、）；

Step8回到步骤三，在Matlab 中得到更精确的差值结果，继续进行；

Step9得到满足要求的水位既可作为本时段的水位0h 值，并可得到相应的蓄水量和水库

下泄流量。

Step10.计算下一时段时只需将第一行数据换成本时段的数据（即入库流量、蓄水量、下泄流量），下一时段的入库流量改成下一时段的入库流量值即可，其他的不变，可以保持公式不变，相应的精确度为0.1的水位蓄水量等值自动会发生变化，只需简单的进行步骤七，进行精确度为0.01的水位试算工作。

3.2.3防洪调度的结果：

1.利用前面所叙的步骤可以算出水库水量及水库水位随时间的变化过程如下图所示。

图三：水库调度入库流量与下泄流量时间关系图

图四：水位时间关系图

2.由上面两图可知：

水库的调度过程为：

第四章结语

4.1 课程学习

对于水库调度的过程的设计与规划，对于各种特征水位、特征库容有了更多的理解，比如以前对于防洪高水位并没有很深的认识，进过这次调节之后明白了1969年的洪水应该大于下游设计洪水的设计标准，当达到防洪高水位时，水库应不再考虑下游防洪要求，进行自由泄流，保证大坝的安全。

对于文献[2]中“水库在汛期控制运行中，必须将防洪高水位作为一个重要的控制水位。当出现的洪水不超过下游防洪标准水洪水时，应控制水库最高蓄水位不超过此水位，同时应确保下游的防洪安全。当出现超过下游防洪标准的大洪水时，水库蓄水位将超过防洪高水位。一旦出现这种情况，应尽快改变水库运用方式，不再以满足下游防洪要求为目的，而应转变为从水库的安全角度出发，合理加大水库的控泄流量。以及当出现超过下游防洪标准的大洪水时，则确保水库安全成为首要任务，下游发生洪水灾害损失已在所难免。”通过规划方案的设计与学习，对这段话的内容有了更深的认识。

4.2 个人感想

通过为期一个星期的课程设计过程，让我收获了不少，也有许多感想。对于以前大学生数学建模竞赛的失败，一直没有意识到其实成功与失败已经不重要了，重要的是学习到了很多解决工科工程中问题的重要手段，比如AHP综合评价，遗传算法，系统决策的规划方法，还有比较好用的工程软件，比如lingo、Matlab等，以及数学建模的思想。在这次课程设计中，就用到了Matlab。其实在这之前我并不是太熟悉其编程程序，比如spline函数，之前也并不是太熟悉，比如如何解决Excel表格数据以矩阵形式复制进去，?的形式读入就碰到了很大的麻烦，最后参阅文献[3]才通过调用reshape函数以1n

得到解决，另外多项式的拟合对于高次的多项式拟合，系统默认的小数点后是四位，造成输出系数为1.0008,0.0000

+，就得不到高次方前的系数，最后用format short进

e

行设置得到了结果，总之对这个过程有很多收获。

最后，个人觉得我结合Matlab和Excel进行的试算表格的设计，在应用上还算是比较方便的，先祖略的估计精度为0.1的水库水位，再精确到0.01，利用Excel公式的绝对引用及自动填充功能，算下个时段时可以直接植入相应表格中的位置，计算的过程并不复杂。

如果用曲线拟合的公式，也可以直接在Matlab中编程实现更快捷的试算过程，可能过程会更加快捷，有待研究。

参考文献

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[2]顾圣平,田富强,徐得潜. 水资源规划及利用[M]. 北京中国水利水电出版社2009

[3]董静薇. Matlab 7.0 高级语言程序设计[M]. 北京:人民邮电出版社 2009

[4]周建兴. Matlab 从入门到精通[M]. 北京:清华大学出版社 2008

[5]王琦. Matlab 基础与运用实例精粹[M]. 北京:清华大学出版社 2008

[6]何俊仕,林洪孝. 水资源规划及利用[M]. 北京:中国水利水电出版社 2006

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