水资源规划及利用5到8章

水资源规划及利用知识概要第五章防洪减灾1.洪水是暴雨、急骤冰雪溶化、风暴潮和水库溃坝等自然或自然——人为因素引起的江河湖泊水量增加、水位上涨或海水侵袭淹没部分陆地的现象。按洪水成因可分为：暴雨洪水，风暴潮，冰雪融水，冰凌型洪水。洪水致灾因素：自然因素，是产生洪水和形成洪灾的主导因素；社会因素，包括人口增多、社会经济发展等，造成洪水灾害不断加重；研究洪灾成因，应在关注自然因素作用的同时，着重人类活动对洪水成灾规律和防洪安全的影响，人类活动的影响主要表现在以下几个方面：①植被破坏，水土流失加剧，入河泥沙增多；②围湖造田，与河争地，河湖泄蓄洪能力降低；③防洪工程标准低，病险多，抗洪能力弱；④非工程防洪措施不完善，难以适应防洪减灾的要求；⑤蓄滞洪区安全建设不能满足需要，运用难度大。洪灾：一般是指因河水或湖水泛滥淹没城市和农村所引起的灾害。涝灾：指的是因降雨使土地过湿造成农作物生长不良而减产的现象，或因雨后地面排泄不畅而产生大面积积水使社会财产受损。（明涝和渍涝）由于水灾和涝灾往往同时发生，有时也难以区分，因此，水、涝灾害常统称为洪水灾害。洪灾损失：经济损失：指洪水淹没造成的可用货币计量的各类损失，故又称有形损失，主要包括：工业、农业、交通、邮电、居民房屋、家庭财产以及各种其他损失等。非经济损失：指洪水引起的难以用货币计量的损失，故又称为无形损失，如生态环境的恶化，文物古迹的破坏，灾民伤亡与精神痛苦，灾区疾病流行及其对民众健康的影响，正常生活工作秩序与环境破坏造成的社会混乱，由于房屋财产损失而使人们的日常生活水平骤然下降，以及洪灾对国家的政治稳定和国际声誉的不利影响等。洪水灾害产生的不利影响：对经济发展的影响，对自然生态环境造成严重危害，对社会生活产生多方面的影响，对国家事务产生影响。2.防洪工程措施是以修建工程的手段，达到控制洪水、减少洪灾的作用，多属于工程技术问题。防洪非工程措施：主要考虑洪灾程度和风险程度，根据保护对象的重要程度不同，实行不同程度的保护。因此，采用法令、行政、经济、技术等手段和通过国家、地方和集体、个人之间的合作，预先安排，以减少洪灾损失，属于规划管理问题。防洪工程措施和防洪非工程措施的作用不同，不能相互替代。3.防洪标准定义各种防洪保护对象或水利工程本身要求达到的防御洪水的标准。通常以频率法计算的某一重现期的设计洪水为防洪标准，或以某一实际洪水(或将其适当放大)作为防洪标准。当水库不承担下游防洪任务时，按水库工程水工建筑物防洪标准，选定合适的设计洪水和校核洪水的流量过程线，作为水库调洪计算的原始资料。防护对象的防洪标准防护对象的防洪标准应以防御的洪水或潮水的重现期表示。对特别重要的防护对象，可采用可能最大洪水表示。可能最大洪水是指河流断面可能发生的最大洪水，由最恶劣的气象和水文条件组合形成，是永久性水工建筑物非常运用情况下最高标准的洪水，可用水文气象法或数理统计法估算。根据防护对象的不同需要，其防洪标准可采用设计一级或设计、校核两级。4.河道整治规划是根据河道演变规律和兴利除害要求，为治理、改造河道所进行的水利工程规划。河道整治规划一般包括洪水、中水、枯水三种整治。5.堤防是沿河流、湖泊、海洋或行洪区、分洪区、水库库区的周边修筑的挡水建筑物，是世界上最早广泛采用的防洪工程。堤防按其所在位置不同，可以分为河堤、湖堤、海堤、围堤和水库堤防五种。因各自工作条件不同，故其规划设计要求也有所差别。这里主要介绍河堤规划。干堤设计标准较高，支堤防洪标准一般低于同流域的干堤。堤线布置应遵循下列原则：河堤的堤线应与河势流向相适应，并与大洪水的主流线大致平行；一个河段两岸堤防的间距或一岸高地一岸堤防之间的距离应大致相等，不宜突然放大或缩小；堤线应力求平顺，各堤段平缓连接，不得采用折线或急弯；堤防工程应尽可能利用现有堤防和有利地形，修筑在土质较好、比较稳定的滩岸上，留有适当宽度的滩地，尽可能避开软弱地基、深水地带、古河道、强透水地基；堤线应布置在占压耕地、拆迁房屋等建筑物少的地带，避开文物遗址，利于防汛抢险和工程管理。6.调洪演算原理9.水库防洪设计防洪设计中Z防、Z设、Z校的确定。防洪设计的主要流程及成果有哪些？防洪高水位及防洪库容的推求防洪高水位：当遇下游防护对象的设计洪水时，在坝前达到的最高水位即为防洪高水位。防洪库容：防洪高水位与汛期防洪限制水位之间的库容即为防洪库容。防洪高水位推求过程:t1时刻Q=q汛限，闸门全开。，水位逐渐上升。至t2时刻，q=q安，于是用闸门控制，使q=q安，水位继续上升，闸门逐渐关小。至t3时刻，Q降落得重新等于q，水库水位达到最高，闸门也不再关小。t3以后是水库泄水过程，水库水位逐渐回降。在t1时刻以前，使q=Q设计洪水位及拦洪库容的推求设计洪水位：水库遇大坝设计洪水时，在坝前达到的最高水位称设计洪水位。拦洪库容：设计洪水位与汛期防洪限制水位之间的库容即为拦洪库容。下游有防洪要求时t1前，q=Q，Z↑，q↑；t2时Q=q汛限，闸门逐渐关小;t2~t3间用闸门控制q使q=q安，以满足下游防洪要求;至t3时，Z=Z防，因确保水工建筑物的安全，不再控制q，而是将闭门全部打开自由溢流;t4时刻，Zmax，qmax校核洪水位及拦洪库容的推求校核洪水位：水库遇大坝校核洪水时，在坝前达到的最高水位称设计洪水位。调洪库容：校核洪水位与汛期防洪限制水位之间的库容即为调洪库容。10.分洪是指把河道的部分超额洪水经分洪道直接分流入海、入湖，或进入其他河流，或绕过防洪保护区在其下游返回原河道。分洪区是指利用河道两侧的低洼圩垸，或利用附近的湖泊、洼地加修围堤而形成的用来分蓄洪水的区域。分洪区的全部工程措施称为分洪工程，一般包括进洪设施、分洪道、分(蓄)洪区及其安全避洪设施以及排洪设施等。蓄洪是指将进洪设施分泄的洪水直接或经分洪道进入湖泊或洼地围成的区域蓄存起来，起蓄洪或滞洪作用。这样的区域称为蓄洪区。在河流、湖泊涨水期，蓄洪区只蓄不泄，通过蓄洪起到降低河流、湖泊水位的作用。在河流、湖泊水位回落后再将蓄洪区的水量泄放出去。行洪是指汛期在筑有堤防的河流或河段，洪水在两堤之间的安全宣泄。行洪区是指河道两侧或河岸之间用以宣泄洪水的区域。河道包括河槽和滩地两部分。在一些江河行洪区内仍有居民从事农业生产活动，有些还有群众居住。滞洪是指为短期阻滞或延缓洪水行进速度而采取的措施，其目的是与主河道洪峰错开。这样的区域称为滞洪区。第六章水能利用1水流出力是单位时间内的水能。集中水能的方法：集中落差和引取流量。通常采用的集中水能的方式主要有：坝式:坝后式、河床式、坝内式、坝旁式引水式混合式2水电站的出力：电站全部发电机组出线端送出功率之和（kW）。N＝9.81ηQH＝KQHK=9.81η=η机η电η传H=Z上-Z下-H3水电站保证出力，是指水电站在长期工作中符合水电站设计保证率要求的一定计算期的平均出力。是反映水电站在设计枯水条件下的动能效益指标，是水电站规划设计阶段确定其装机容量的重要依据。电力负荷：即用电户对电力系统提出的出力要求。电力系统的负荷：把电力系统内的工业，农业和市政及交通运输等用户在同一时间内对电力系统的处理叠加起来。4采用以下3个指标值反映日负荷图的特征：（1）基荷指数α，α值越大，基荷占负荷图的比重越大，表示系统用电情况比较平稳。（2）日最小负荷率β，β值越小，表示日高峰负荷与日低谷负荷的差别越大，日负荷越不均匀。（3）日平均负荷率γγ值越大，表示日负荷变化越小。5水电站的技术特性:（1）出力和发电量是随天然径流量和水库调节能力有一定的变化。（2）工作位置及发电量受水库综合利用的影响。（3）水电站的年运行费用与所生产的电能量无关，因此在丰水期内应尽可能多发水电，以节省系统燃料消耗。（4）水电站适宜担任系统的调峰、调频和事故备用等任务。机组开停灵便、迅速，火电站的特点:（l）只要保证燃料供应，火电站可以全年按额定出力工作，不像水电站那样受天然来水的制约。（2）一般说来，火电站适宜担任电力系统的基荷，这样单位煤耗较小。6电站的装机容量：该电站上所有机组的额定容量之和。所有电站的装机容量之和即为电力系统的装机容量。在规划设计阶段，店里系统总的装机容量N系，装N’’系，工:系统最大工作容量，即为了满足系统最大负荷要求而设置的容量。N系，备：系统备用容量，包括负荷备用容量，检修备用容量，事故备用容量N系，重：系统重复容量，由水电站额外增设的这部分容量，（为了利用弃水，增加季节性电能）并非为了保证系统正常工作所必需，在苦水季节不能代替火电站工作。N系，装=N’’系，工+N系，备+N系，重=N’’系，工+N系，必从运行角度来看：N系，装=N系，可+N系，阻=N系，工+N系，备+N系，空+N系，阻7水电站的装机容量是指水电站所有机组额定容量的总和，由水电站最大工作容量、备用容量和重复容量所组成。水电站最大工作容量：是指设计水平年电力系统负荷最高（一般出现在冬季枯水季节）时水电站能担负的最大发电容量。是根据设计枯水年来确定的，可能使无调节或调节性能差的水电站在汛期产生弃水。在确定水电站的最大工作容量时，须进行电力系统的电力（出力）平衡和电量（发电量）平衡及系统容量平衡。系统电力平衡系统中所有各电站的出力之和必须随时满足系统的负荷要求。系统电量平衡系统中所有电站在任一时段内的发电量之和必须与系统在该时段内的电量需求相平衡。系统容量平衡分析确定系统内所有水、火电站在电力系统负荷图上各时段所承担的工作容量及各种备用容量，并检查有无空闲容量和受阻容量。8水电站保证电能：水电站在与其保证出力相对应的计算期内能提供的电能。9各类调节性能的水电站的运行方式总结：★无调节水电站的运行特征是：任何时刻的出力主要决定于河中天然流量的大小。枯水期：担任基荷。丰水期：仍只宜于担任基荷；只有当天然流量所产生的出力大于系统的最小负荷时，水电站应担任基荷和一部分腰荷，这时还会发生弃水。无调节水电站在不同水文年的运行方式设计枯水年：①枯水期:水电站以最大工作容量或大于最大工作容量的某个出力运行。②丰水期：即使以其全部装机容量运行，有时仍不免有弃水。丰水年：可能全年均需要用全部装机容量在负荷图的基荷部分运行。可能全年均有弃水。★日调节水电站的一般工作特性日调节水电站的工作特征是：除弃水期外，在任何一日内所能生产的电能量，与该日天然来水量时（除其他水利部门用水）所能发出的电能量相等。原则上是在不发生弃水情况下，应尽量让日调节水电站担任系统的峰荷，以充分发挥水轮发电机组能迅速灵活适应负荷变化的优点。☆水电站进行日调节，对电力系统所起的效益可归纳为以下3方面：（1）日调节水电站在枯水期一般总是担任峰荷，让火电站担任基荷；从而节省煤耗，降低系统的运行费用。（2）在一定的保证出力情况下，日调节水电站比无调节水电站的工作容量可更大一些，能更多地取代火电站的容量；可减少系统的总投资。（3）丰水期，日调节水电站全部装机容量逐步由峰荷转到基荷运行；可增加水电站的发电量，相应减少火电站的发电量与总煤耗，从而降低系统的运行费用。☆解决矛盾的措施：（1）对水电站的日调节进行适当的限制；（2）在水电站下游修建反调节水库以减小流量、水位和流速的波动幅度。☆日调节水电站在不同季节的运行方式：一年内不同季节来水流量变化很大，日发电量变化也大。在水电站装机容量已定的条件下，为了充分利用河水流量，避免弃水，日调节水电站在电力系统年负荷图上的工作位置，应随着来水的变动情况加以调整。（1）设计枯水年枯水期：峰荷（以最大工作容量工作）丰水期：腰荷用E辅助线和N辅助线确定工作位置（双辅助线法）。书本P203（2）丰水年枯水期：峰荷和部分腰荷初汛后期：可能已有弃水，以全部装机容量担任基荷汛后的初期：来水可能仍较多，担任基荷★年调节水电站的运行方式年调节在一年内按来水情况一般可划分为供水期、蓄水期、弃水期和不蓄不供期（也称按天然流量工作期）四个阶段。设计枯水年运行方式：供水期，蓄水期、弃水期和不蓄不供期书本P204丰水年运行方式：书本P205★多年调节水电站的运行方式:多年调节水库一般总是同时进行年调节和日调节。其径流调节程度和水量利用率都比年调节水库的大。通常是全年均承担峰、腰荷。10水电站最大工作容量的确定书本P207---212各类调节性能的水电站重复容量和备用容量的确定书本P212-----217有关规程规定：水电站：大修周期2~3年，30天/台火电站：大修周期1~1.5年，45天/台11水电站装机容量的选择及分析书本P217-----22212以发电为主的水库特征水位的选择★水库正常蓄水位的选择水库正常蓄水位是指水库在正常运用情况下，为满足设计兴利要求在开始供水前应蓄到的最高水位。不同调节性能的水库蓄到正常蓄水位所需的时间长短不同（多年调节、年（季）调节、日调节和无调节）。正常蓄水位是水库或水电站的重要特征值，它直接影响整个工程的规模以及有效库容、调节流量、装机容量、综合利用效益等指标。一般来说，无调节水电站在任何时候水库水位保持在正常蓄水位不变，日调节水库每天在水电站调节峰荷以前应维持在正常蓄水位，只有在汛期有排沙要求的特殊情况下，才要降低水库水位运行，年调节水库一般在每年供水期前可蓄到正常蓄水位，多年调节水库要在连续发生若干个丰水年后才能蓄到正常蓄水位。在一般情况下，当由较低的正常蓄水位方案增加到较高的正常蓄水位时，开始时各动能指标增加较快，其后增加就逐渐减慢。正常蓄水位比较方案的拟定首先定出正常蓄水位的上限值与下限值，然后在此范围内拟定若干个比较方案。正常蓄水位上下限方案的拟定下限方案主要根据各水利部门的最低兴利要求拟定。（发电：尽量满足电力系统对拟建水电站所提出的最低发电容量与电量要求。灌溉或城镇供水：尽可能满足地区发展规划及最必需的工农业供水量。）上限方案拟定主要考虑下列因素：（1）库区的淹没、浸没损失。（2）坝址及库区的地形地质条件。（3）河流梯级开发规划方案。尽量“首尾相接”。（4）蒸发、渗漏损失。（5）人力、物力、财力及工期的限制。一般可拟定4～6个方案供比较选择。选择正常蓄水位的步骤和方法1.拟定水库的消落深度。规划阶段通常采用简化法：以发电为主的水库：根据经验统计，可用水电站最大水头H’’的某一百分比初步拟定水库的消落深度h消，从而定出各个方案的调节库容。对于以灌溉、供水为主的水库，其消落深度可适当增加些，尽可能增加兴利库容，减少弃水，增加调节流量。2．根据初估的工程规模，选择设计保证率，选择设计代表年或设计代表系列。3．用简化法进行径流调节与水能计算，求各方案的保证出力、多年平均发电量、装机容量、保证供水量及灌溉面积等。4．求出各方案之间有关水利动能参数的差，对水利动能参数较小的方案，选择恰当的替代方案。5．计算各方案及其替代方案的投资、年运行费，然后求得各方案的年费用NF1、替代方案的年费用NF2及系统的年费用（NF系=NF1+NF2），以便进行水利动能经济比较，从中选出最有利方案。以发电为主的水库：如果其他综合利用要求相对不大，或者其效益在各正常蓄水位方案之间差别不大。直接计算各个方案水电站的年费用AC水、替代火电站的补充年费用AC火和电力系统的年费用AC系＝AC水＋AC火。按系统年费用最小准则选出经济上最有利的正常蓄水位。应该说明，在正常蓄水位选择时，应进行综合评价，以保证所选出的水库规模符合地区社会经济发展的要求，而且是技术上正确、经济上合理、财务上可行的方案。★各水利部门对死水位的要求设计死水位，是指水库在正常运行情况下允许消落的最低水位，一般情况下，水库水位在死水位和正常蓄水位之间变动，其变幅即为消落深度如果设计电站是梯级开发的下级电站，应该让电站的死水位定得较高，可以使得上级水库的出库径流经过本电站时利用的平均水头也比较高，进而可以增加这部分径流的发电量。下级电站的入库径流包括上级水库的出库径流和区间径流。如果设计电站是上级电站，则应该让水库死水位定得低一点，则兴利库容比较大，枯水期的调节流量比较大，并提高其保证出力。1．发电的要求在已定的正常蓄水位下，随着水库消落深度的加大，兴利库容及调节流量均随着增加；另一方面，死水位的降低，相应水电站供水期内的平均水头却随着减小，因此其中存在一个比较有利的消落深度，使水电站供水期的电能最大。为便于分析，可以把水电站供水期的电能E供划分为两部分，一部分为蓄水库容电能E库，另一部分为来水量产生的不蓄电能E不蓄。E供=E库+E不蓄E库=0.00272ηV兴供E不蓄=0.00272ηW供供对于水库电能E库，死水位Z死越低，V兴就越大，虽然供水期平均水头供要小一些，但是其减小的影响一般小于V兴增加的影响，所以水库的消落深度越大，E库就越大，只是增量越来越小。而对于不蓄电能E不蓄，由于供水天然来水量W供是一定的，因而死水位越低，供就越小，E不蓄也就越小。所以，两者求和，当水库的消落深度为某一个值时，供水期电能可能出现最大值E’’供。对于蓄水期发电情况类似，水库也存在一定的消落深度，使得水电站蓄水期内的电能达到最大值E’’蓄.但因为蓄水期电能E蓄中不蓄电能一般占主要部分，故蓄水期的E’’蓄比供水期的E’’供所要求的消落深度小一些。水电站在枯水年全年所发的电能E枯年=E枯供+E枯蓄，两者叠加，可以得到最大值E枯年与水库消落深大的关系曲线，中水年的丰水年也是如此。此时对应的消落深度的关系：丰水年＞平水年＞枯水年。由于水电站在遇到设计枯水年或者设计枯水年系列时，供水期末水库水位才会消落到死水位，因此在电站建成后运行期间，为了获得更多电能，每年的消落深度是变化的，所以可以适当调整死水位，即运行期内水库的死水位不是固定不变的。⊙其他部门对死水位的要求若下游有灌溉，工业用水或者航运要求时，应该根据径流调节所需的兴利库容选择死水位。如果综合利用各部门所要求的死水位比发电要求的高，则可以按发电要求选择死水位；如果低于，应该根据主次要求选择死水位，当水库主要任务是发电时，在尽量满足综合利用的要求下，按照发电要求选择死水位。◆选择死水位的步骤和方法1.方案拟定以发电为主的水库，选择死水位时应考虑水电站在设计枯水年供水期（年调节水库）或设计枯水年系列（多年调节水库）获得最大的保证出力，而在多年期内获得尽可能多的发电量，同时考虑各水利部门的综合利用要求以及对上下游梯级水电站的影响，然后对各方案的水利、动能、经济和技术等条件进行综合分析，选择比较有利的死水位。在已定的正常蓄水位条件下，根据库容特性、综合利用要求、地形地质条件、水工、施工、机电设备等要求，确定死水位的上、下限，然后在上、下限之间，拟定若干个死水位方案进行比较。选择水库死水位的上限，一般应考虑下列因素:①通常为获得最大多年平均年电能的死水位，比为获得最大保证出力的死水位高。因此水电站水库的上限方案，应稍高于具有最大多年平均年电能的死水位。②对于调节性能不高的水库，应尽可能保证能进行日调节所需的库容。③对于调节性能较高的水库，尽可能保持具有多年调节性能。选择水库死水位的下限，一般应考虑下列因素：①如水库具有综合利用要求，死水位的下限不应高于灌溉、城市供水及发电等引水所要求的高程；②考虑水库泥沙淤积对进水口高程的影响；③死水位也不能过低，要考虑进水口闸门制造及启闭机的能力或水轮机制造厂家所保证的最低水头。（3）根据对以发电为主的28座水库资料的统计，最有利的消落深度均在水电站最大水头的20％～40％范围内变动，其平均值约为最大水头的30％。对于综合利用水库，或对下游梯级水电站有较大影响的龙头水库，或者完全多年调节水库，其消落深度一般为最大水头的40％～50％左右。2水利动能计算（1）求出各方案的水库消落深度和兴利库容；然后对每个方案用设计枯水年或枯水年系列资料进行径流调节，得出各个方案的调节流量及平均水头。（2）对各个死水位方案，计算保证出力和多年平均年发电量，通过系统电力电量平衡，求出各个方案水电站的最大工作容量、必需容量与装机容量。3经济计算(1)计算各个方案的水工建筑物和机电设备的投资以及年运行费，求出不同死水位方案的年费用AC水。(2)计算各个方案替代电站补充的必需容量与补充的年电量，求出不同死水位方案替代电站的补充年费用AC火。(3)根据系统年费用最小准则（AC系＝AC水十AC火为最小），并考虑综合利用要求以及其他因素，最终选择合理的死水位方案。4选定死水位方案根据系统年费用最小准则，并考虑综合利用要求以及其他因素，最终选择合理的死水位方案。★防洪限值水位的选择在综合利用水库中，Z汛限与Z防和Z蓄之间的相互关系，可以归结为防洪库容的位置问题。现分三种情况进行讨论。（1）Z汛限＝Z蓄防洪库容与兴利库容不结合（2）Z防＝Z蓄防洪库容与兴利库容完全结合（3）Z汛限