五强溪水电站水资源规划与利用课程设计(方案四)

河海大学文天学院课程设计

---------水资源规划与利用

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目录

1 基本情况 (3)

1.1流域概况 (3)

1.2开发任务 (3)

1.3设计任务 (4)

1.4设计前提 (4)

1.5设计内容 (5)

1.6设计原始资料 (5)

2 兴利计算 (9)

2.1 基本资料整理 (10)

2.2 死水位的确定 (10)

2.3 保证出力计算 (13)

2.4 水电站必需容量选择 (14)

2.5 水电站调度图绘制 (15)

2.6 重复容量选择与多年平均电能计算 (16)

3防洪计算 (17)

3.1 水库调洪计算 (18)

3.2 坝顶高程的确定 (19)

附表 (22)

附图 (29)

一、基本情况

1.1 流域概况

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%，流域雨量充沛，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。

1.2 开发任务

五强溪水电站是以发电为主、兼有防洪、航运和灌溉等效益的综合利用工程。其开发任务分述如下：

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源、常德、汉寿三县及常德市所属平原河网地

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，是它的基本防洪任务。

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，沅水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。

1.3 设计任务

本次设计任务是对五强溪水电站的诸方案（即正常蓄水位）已给的情况下，进行水库的兴利与防洪计算，确定各方案水利设备的参数，水库的调节操作方式及计算水利指标，并通过经济分析，比较方案之优劣。

1.4 设计前提

1．本水利枢纽是以发电、防洪为主要目标的综合利用水库；

2．水电站参加系统工作，发电设计保证率P=87.5%（按年份计）；

3．水电站的备选方案（正常蓄水位）见表1.1；

表1.1 备选方案正常蓄水位表

4．本水利枢纽根据国家规定属一级，以千年一遇洪水为设计标准，万年一遇洪水为校核标准，电站使用年限为50年计；

5．水库库区蒸发渗漏等水量损失不大，故在初步设计阶段暂时不考虑；

6．水库下游有防洪要求，设计标准为二十年一遇洪水，安全泄洪流量q安=20000m3/s。

1.5 设计内容

1．水电站死水位选择及保证出力N P计算；

2．水电站装机容量选择；

3．绘制水电站调度图的防破坏线，加大出力辅助线，确定汛期限制水位；

4．求重复容量，计算水电站多年平均电能；

5．进行防洪计算，确定各种防洪特征水位及坝顶高程；

6．求水利指标；

7．经济计算，比较方案优劣。

1.6 设计原始资料

1．坝址以上流域面积F=83800km2；

2．坝址断面历年月平均流量资料（见附表一）；

3．水库水位～面积、库容曲线见表1.2；

4．坝址下游水位流量关系曲线见表1.3；

5．为改善下游通航条件，确定五强溪航运基荷按10kw计；

6．船闸操作需要耗用10m3/s，此部分流量不能用来发电；表1.2 水库水位～面积、库容曲线表

表1.3 坝址下游水位流量关系曲线表

7．每年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35.0m3/s，此部分流量亦不能用来发电；

8．在沅水规划中，五强溪水电站上游将干流的虎皮溪及酉水的风滩（已建成）梯级，其尾水水位124m及114.2m，各正常蓄水位方案对上游风滩的影响见表1.4；

表1.4 各正常蓄水位方案对上游风滩的影响

9．沅水尾闾洪灾情况、洞庭湖分分蓄洪提防基本情况见表1.5、1.6；

表1.5 沅水尾闾历年洪灾情况

历年较大洪水所需拦洪量单位：108m3

表1.6

11．水库最大吹程15km，设计风速12km/s；

12．各方案泄洪建筑物参数见表1.7；

表1.7 各方案泄洪建筑物参数表

二、兴利计算

沅水五强溪水电站水库正常蓄水位共有120m、115m、108m、100m 四个方案，本次设计将对这四个方案进行比较，并选定最优方案。本次设计只针对方案四进行计算。即计算方案选的正常蓄水位为100米。

2.1 基本资料整理

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。灌溉用水按5月下旬至9月下旬的灌溉季节每月扣除35 m3/s（5月扣除11.7 m3/s，七、八月扣除35 m3/s，9月扣除22.3m3/s）；船闸运行用水按每月10 m3/s的流量扣除，从而得到新的年平均发电流量表（附表三）。

2.2 死水位的确定

死水位影响因素比较复杂，需考虑保证水库灌溉要求、满足泥沙淤积要求、保证水电站最低水头要求以及航运、养殖等其它要求。本次设计对死水位的确定采用简化处理的办法，主要考虑水库的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三个因素。各方案分述如下：

2.2.1 正常蓄水位100m方案（方案四）

1．水库的使用寿命及泥沙淤积

水库在使用年限内满足防淤要求的死水位Z1=76.20m；

2．灌溉、航运、养殖及旅游等综合利用要求，水库削落的最低水位不得小于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%。

（1）任意假定最小发电流量q（0），并相应下游Z下（0）。

最小发电流量取q（0）=568m3/s，查表得下游水位Z下（0）=49.55m。

（2）极限削落深度

=（Z正－Z下（0））×35%=(100－49.55) ×35%=17.66m 死水位：Z3=Z正－=100－17.66=82.34m

（3）Z死(0)=max(Z1，Z2，Z3)=max(76.80，82.00，82.34)=82.34m；

（4）根据Z3(0)长系列计算各年供水期调节流量q p=567.79 m3/s，并满足| q（0）－q p|=0.21 m3/s＜ε=1m3/s，则Z死=Z死（0）=82.34m。即死水位为82.34m，相应死库容5.55亿m3。

2.3 保证出力计算

本次设计要求长系列等出力操作；用试算法逐年求解以下方程组：

V t-I,V t——t时段初、末水库蓄水量；

Q t——t时段平均入库流量（新系列）；

q t—— t时段平均发电流量；

H t——t时段平均水头；

V t——供水期末水库蓄水量。

2.3.1 计算方法

对某一特定年份求解步骤如下：

1．设N p=N(0)

（1）设q t=q(0)(q t为t时段发电流量)；

（2）V t=V t-1+(Q t－q t)Δt (当V t＞V兴+V死，取V t=V兴+V死)

（3）由V均=(V t+V t-1)/2查水位库容曲线得到Z上；

由q t查坝址下游水位流量关系曲线得到Z下；

（4）N t=Kq t(Z上－Z下)

（5）若|N t－N p|＜ε1,转下时段；否则

q t=q(0)+(tN p－N t)/[K(Z上－Z下)]，转（2）步骤计算。

2．求年最小水库蓄水量V e;

3．若|V e－V死|＜ε2，转下一年；否则

N p=N(0)+K[(Z正+Z死)/2－Z下](Z死－V e)/T供转（1）步骤计算。

求出各年的供水期平均出力后，据设计保证率可求出N p。

2.3.2 计算结果

本次设计采用程序计算，各方案具体参数及结果如下：

1．方案四：正常库容18.490亿m3，死库容5.73亿m3，兴利库容12.76亿m3。设计保证出力N p=21.46万kw。

2.4 水电站必需容量选择

必需容量包括工作容量与备用容量两部分。

2.4.1 工作容量计算

本设计缺少电力平衡的资料，采用经验方法确定工作容量如下（按方案四计算）：

1．保证出力中部分担任航运基荷：

N工基=10 （万kw）

2．N峰为担任峰荷工作容量

N峰= N p－N工基=21.46－10=11.46（万kw）

3．按以下关系确定峰荷工作容量

N工峰= 3.08N峰＋7=42.07 （万kw）

4．水电站工作容量

N工= N工峰＋N工基=42.07＋10=52.07（万kw）

2.4.2 备用容量计算

本设计电站担任系统负荷用及事故备用容量，方案四取值见表2.1。

表2.1 各方案备用容量表

2.4.3 电站必需工作容量

经计算，沅水五强溪水电站方案四必需工作容量见表2.2。

表2.2 各方案必需工作容量表

2.5 水电站调度图绘制

本次毕业设计要求从兴利要求出发对水电站调度要求作两条线，一条是基本调度线——防破坏线；一条是加大出力辅助线。

2.5.1 防破坏线

防破坏线按下列步骤计算确定。

1．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．年从供水期水期末开始，按N p 等出力逆时序操作，求得各年迟蓄方案水库蓄水量过程线。具体求解方程组：

其具体求解流程如下： （1）设q t =q (0)；

（2）V t-1=V t －(Q t －q t )Δt (V t 起始值为V 死) （当V t-1＜V 死，取

V t-1=V死）；

（3）V均=(V t+V t-1)/2查水库水位库容曲线得到Z下；

（4）N t=Kq t(Z上－Z下)；

（5）若|N t－N p| ＜ε，转前时段，否则

q t=q(0)+(N p－N t)/〔K(Z上－Z下)〕，转（２）步骤

3．将各年迟蓄方案水库蓄水量过程线点在一张图，并取其外包线，即为防破坏线。

此外包线，实际上是各条蓄水量过程线的同时纵坐标最大值，在具体操作时，可在计算机算完第（２）步后，直接给出外包线各点坐标，当然最后采用值，还应输出结果作适当分析修正，使防破坏线更可靠。

经采用程序计算，方案四防破坏线的结果见表2.3。

表2.3 各方案防破坏线计算结果表

2.5.2 防洪限制水位确定

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，方案四防洪限制水位和相应库容分别为：

方案四：防洪限制水位为95.67m，库容为18.490亿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。

2.6 重复容量选择与多年平均电能计算

2.6.1 重复容量选择

水电站在洪水期往往会产生大量弃水，为了利用弃水增发季节性电能，节省火电站的燃料消耗，增加一部分装机容量，由于它不能替代火电站的工作容量，因而称它为重复容量。

本次设计N重采用经济利用小时数h经济=2500h。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，本次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N t=N p。

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N t=N i。

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。

现以方案四计算重复容量的选择及多年平均电能计算。假设重复容量N重等于0、10、20、30、40、50万kw时，分别计算新系列多年平均发电量E及重复容量年利用小时数h，计算结果见表2.6。因重复容量年利用小时数h均小于h经济=2500h，故方案四重复容量为47.73万kw。

表2.6 重复容量计算表（方案四）

2.6.2 装机容量的确定

装机容量由必须容量和重复容量确定，但由于回水对上游风滩电站的影响，方案四的装机容量分别为：

方案四：N y=N必+N重=67.30+47.73=115.03万kw。

2.6.3 多年平均电能计算

利用上述计算结果点绘N y（N y=N必+N重）～E的关系图，查得各方案多年平均发电量。

方案四：E=34.37亿kw.h；

三、防洪计算

3.1 水库调洪计算

五强溪水库工程等别为一等，按P=0.1%洪水标准设计、P=0.01%洪水标准校核。水库下游防洪标准为P=5%，安全泄洪量q安=20000m3/s。本次设计防洪计算的任务包括上述三种洪水标准的调洪计算。

利用五强溪水库入库典型洪水，调洪计算采用多级调节方法，具体的调洪规则如下：

1．起调水位为汛前限制水位。

2．当水库洪水流量小于汛前限制水位相应的下泄能力，且小于安全泄量时，控制闸门，让泄流量等于来水量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．当自由泄流量超过安全泄量时，控制q t=q安，直至调节计算结束，所得最高水位为防洪高水位。

5．当水库水位不及防洪高水位时，控制q t=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，它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。

自由泄流时采用公式：Q=1.77nBH3/2；

孔口出流是采用公式：Q=nωμ(2gH)1/2；

μ=0.99－0.53a/H

对于千年一遇洪水调节计算得设计洪水水位及相应最大下泄流量，对万年一遇洪水进行调节计算得校核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推求求得，但对于自由泄流情形则需求解隐式方程组。

V t=V t－1+[(Q t+Q t－1)/2－(q t+q t－1)/2]×Δt

q=f(v)

本次设计按如下步骤试算求解：

①、假定q t=q(0)；

②、V t=V t－1+[(Q t+Q t－1)/2－(q t+q t－1)/2]×Δt；

③、由V t查q=f(v) 曲线得相应下泄流量q(1)；

④、若|q(0)－q(1)| <ε，转下时段，否则假定q(0)=q(1)重新进行计算。

⑤、确定防洪高水位、设计洪水位及校核洪水位，确定相应库容。

方案四水库调洪计算结果见表3.1。

方案四水库调洪计算详细结果见附表

表3.1 水库方案四调洪计算成果表

3.2 坝顶高程的确定

坝顶高程计算公式如下：

坝顶高程1=设计洪水+风浪高+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；

Δh=0.0208V5/4D1/3

式中V为风速，以m/s计，设计风速12m/s，校核洪水时风速乘以0.8；D为吹程，为15km计。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。

经计算：Δh设计=1.15m；Δh校核=0.87m。则方案四坝顶高程为：方案四：坝顶高程1=108.95+1.15+0.7=110.80m；坝顶高程2=112.43+0.87+0.5=113.80m。坝顶高程=max｛坝顶高程1，坝顶高程2｝=113.80m。

五强溪水电站各项水利指标见表3.2。

表3.2 水利指标成果统计表