水电能源学PPT课件

1、第一章 水利系统及其组成水电能源学1.1 水资源的综合利用及河流的梯级开发第一章 水利系统及其组成 地面和地下水源是一种重要的自然资源，称为水资源。水资源的综地面和地下水源是一种重要的自然资源，称为水资源。水资源的综合利用主要包括：合利用主要包括： 防洪、治涝、水力发电、农田灌溉、工业和居民给水、水路运输、防洪、治涝、水力发电、农田灌溉、工业和居民给水、水路运输、游览和环境治理等。游览和环境治理等。一、水资源的综合利用一、水资源的综合利用第1页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 在一条河流上，从上游到下游有一系列的水电枢纽、形成阶梯形布在一条河流上，从上游到下游有一系列的水电枢纽、

2、形成阶梯形布置，称为梯级开发。置，称为梯级开发。二、河流的梯级开发二、河流的梯级开发向家坝向家坝三峡三峡葛洲坝葛洲坝水布垭水布垭高坝洲高坝洲隔河岩隔河岩长江长江清江清江第2页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 水利系统由库坝系统、进水和输水系统、厂房及厂区系统、水轮发水利系统由库坝系统、进水和输水系统、厂房及厂区系统、水轮发电机组和控制设备组成。电机组和控制设备组成。1. 水利系统及其组成一、库坝系统一、库坝系统 通过建坝，集中水头并形成水库，库和坝相互联系。通过建坝，集中水头并形成水库，库和坝相互联系。上Z下ZHQ第3页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 通过进水口、

3、压力管道，闸阀等，将水引入水轮机。通过进水口、压力管道，闸阀等，将水引入水轮机。二、进水和输水系统二、进水和输水系统进水口闸门进水口闸门及拦污栅及拦污栅调压井调压井蝴蝶阀蝴蝶阀导叶导叶 水轮机水轮机 厂房是安装水、机、电各种设备的场所。厂房是安装水、机、电各种设备的场所。三、厂房及厂区系统三、厂房及厂区系统第4页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 水轮发电机组由水轮机和同步发电机组成。水轮发电机组由水轮机和同步发电机组成。四、水轮发电机组四、水轮发电机组发电机水轮机水轮机调速器励磁调节器变压器电网断路器第5页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 水轮发电机组的出力与库坝系

4、统水力要素的关系为水轮发电机组的出力与库坝系统水力要素的关系为QHP81. 9式中，式中， 为流量、为流量、 为水头、为水头、 为能量转换效率。为能量转换效率。QH 其中，水轮机将水能转换为旋转机械能；发电机将旋转机械能转换其中，水轮机将水能转换为旋转机械能；发电机将旋转机械能转换为满足电网要求的电能。为满足电网要求的电能。第6页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学1.3 水电能源的特点 水能是一种非常优越的能源水能是一种非常优越的能源 水能是一种再生能源；水能是一种洁净能源；水能可以综合利用。水能是一种再生能源；水能是一种洁净能源；水能可以综合利用。 水电能源可以储备水电能源可以储

5、备 发电与用电必须保持平衡发电与用电必须保持平衡,而电能又无法储存。为了协调发电与用电而电能又无法储存。为了协调发电与用电的矛盾，可以利用水库对河川的径流进行调节，即利用水库先把输入的矛盾，可以利用水库对河川的径流进行调节，即利用水库先把输入的水能储蓄起来，然后按照系统的需要，供水电站使用。的水能储蓄起来，然后按照系统的需要，供水电站使用。第7页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 担负电力系统的调峰、调频任务担负电力系统的调峰、调频任务 由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机组担

6、任调峰、调频的任务。由于水动很大，因此系统中应有一部分机组担任调峰、调频的任务。由于水电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统的调峰、调频任务。的调峰、调频任务。 担负电力系统的事故备用担负电力系统的事故备用 由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事故备用容量。故备用容量。 第8页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学一、洪涝灾害一、洪涝灾害1 1、洪水灾害产生的原因洪水灾害产生的原因1.4 洪涝灾害和水库的防洪作用 流域来水过大；

7、流域来水过大； 河道泻通不畅。河道泻通不畅。 两个原因之间不同的相互关系就构成了不同程度的洪水灾害。两个原因之间不同的相互关系就构成了不同程度的洪水灾害。第9页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学2 2、涝灾产生的原因涝灾产生的原因 降雨集中，地面径流聚集在盆地、平原，积水过多或地下水位过高；降雨集中，地面径流聚集在盆地、平原，积水过多或地下水位过高； 积水区排水系统不健全，或因外河（湖）洪水顶托倒灌，或地下水积水区排水系统不健全，或因外河（湖）洪水顶托倒灌，或地下水位不能及时降低。位不能及时降低。第10页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学二、水库的防洪作用二、水库的防洪

8、作用 水库的防洪作用包括：水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库水库的防洪作用包括：水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库上游防洪上游防洪. 通过水库的蓄洪、滞洪后，使下游防护区在遭遇频率符合防护标准通过水库的蓄洪、滞洪后，使下游防护区在遭遇频率符合防护标准的洪水时，流经河道某控制点的下泻流量或水位高程不超过允许的限的洪水时，流经河道某控制点的下泻流量或水位高程不超过允许的限定值，从而保证防护区免受洪水灾害。定值，从而保证防护区免受洪水灾害。 1 1、水库下游防洪水库下游防洪三峡水库武汉Q)(QfZ 长江第11页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学2 2、水利枢纽本身的防洪水利枢纽本

9、身的防洪 防止因洪水漫顶而引起水工建筑物溃塌，保证水工建筑物本身的安防止因洪水漫顶而引起水工建筑物溃塌，保证水工建筑物本身的安全。同时也避免因溃坝而给下游带来灾难性的洪灾。全。同时也避免因溃坝而给下游带来灾难性的洪灾。3 3、水库上游防洪水库上游防洪 指一定水库水位以上的水库地区不允许淹没的防洪问题。指一定水库水位以上的水库地区不允许淹没的防洪问题。1Z2Z第12页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 水库防洪是在保证水工建筑物安全的前提下，用足够的库容来拦蓄水库防洪是在保证水工建筑物安全的前提下，用足够的库容来拦蓄洪水，水库通过防洪库容或预泄，留出部分库容来拦蓄洪水，以削减洪水，水

10、库通过防洪库容或预泄，留出部分库容来拦蓄洪水，以削减洪峰，改变天然洪水过程，满足下游防洪要求，而且蓄留一部分洪水，洪峰，改变天然洪水过程，满足下游防洪要求，而且蓄留一部分洪水，在枯水期供兴利使用。在枯水期供兴利使用。 水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库上游防洪三者之间相互水库下游防洪、水利枢纽本身的防洪和水库上游防洪三者之间相互制约，因此需要合理调度制约，因此需要合理调度.第13页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学洪水流量洪水流量滞洪拦蓄的洪水水库水位蓄洪水库水位ZQZQqQQqtttt第14页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 水库的调洪作用主要是通过改变天然洪水

11、过程线，使下泻流量不超水库的调洪作用主要是通过改变天然洪水过程线，使下泻流量不超过下游河道的允许泻量。这种洪水过程的变形主要体现在防洪库容中过下游河道的允许泻量。这种洪水过程的变形主要体现在防洪库容中蓄水量的变化上，即调节水量的充蓄与泻放。蓄水量的变化上，即调节水量的充蓄与泻放。 天然洪水过程经过水库时所发生的变化与水库的容积特性、泻洪建天然洪水过程经过水库时所发生的变化与水库的容积特性、泻洪建筑物的型式和尺寸，以及水库的运行方式有关。筑物的型式和尺寸，以及水库的运行方式有关。第15页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 1.5 兴利用水的要求和特点一、水力发电一、水力发电 集中水头

12、，调节流量，向电网提供电能。集中水头，调节流量，向电网提供电能。二、灌溉二、灌溉 合理的人工灌溉是保证农业稳产的重要措施。合理的人工灌溉是保证农业稳产的重要措施。三、供水三、供水 对居民和工业给水的供水。对居民和工业给水的供水。四、航运四、航运 航运不消耗水量，但对流量和流速有要求。航运不消耗水量，但对流量和流速有要求。五、鱼业五、鱼业 渔业不消耗水量，但对水质有要求。渔业不消耗水量，但对水质有要求。第16页/共238页第一章 水利系统及其组成水电能源学 1.6 各水利部门之间的矛盾一、用水数量上的矛盾一、用水数量上的矛盾二、用水时间上的矛盾二、用水时间上的矛盾三、水库容积使用上的矛盾三、水库

13、容积使用上的矛盾第17页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学第二章 河川径流与水文过程的随机模拟 河川径流是一种随时间变化的连续过程河川径流是一种随时间变化的连续过程 ，每年的变化过程，每年的变化过程不可能完全一致。不可能完全一致。这是由于影响水文现象变化的因素非常复杂，各因素本身在时间上这是由于影响水文现象变化的因素非常复杂，各因素本身在时间上又不断地发生变化，未来河川径流量的大小无法确知，具有不重复性又不断地发生变化，未来河川径流量的大小无法确知，具有不重复性的特点，这就是所谓随机性，或者说河川径流是一个典型的随机过程。的特点，这就是所谓随机性，或者说河川径流是一个典型的随机过

14、程。)(tQQ 第18页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学从长期观测资料中可以看到，河川径流量的变化总有比较明显的洪从长期观测资料中可以看到，河川径流量的变化总有比较明显的洪水期和枯水期，即表明河川径流的变化具有一定的周期性，这对于认水期和枯水期，即表明河川径流的变化具有一定的周期性，这对于认识河流和利用河流有很大作用；识河流和利用河流有很大作用；另一方面，河川径流具有地区性，相邻流域的水文现象就有一定的另一方面，河川径流具有地区性，相邻流域的水文现象就有一定的相似规律，这就利用相似流域较长的观测资料延长和插补另外河流短相似规律，这就利用相似流域较长的观测资料延长和插补另外河流短

15、缺的资料。缺的资料。第19页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2.1 径流的形成 径流是指降落在流域表面的雨水，由地面与地下向径流出口断面汇径流是指降落在流域表面的雨水，由地面与地下向径流出口断面汇集的水流流量。其中，来自地面的部分称为地面径流，地下部分称为集的水流流量。其中，来自地面的部分称为地面径流，地下部分称为地下径流。地下径流。每当流域上有降雨时，河流中的水位就有起伏变化，也就有一个相每当流域上有降雨时，河流中的水位就有起伏变化，也就有一个相应的流量过程。应的流量过程。出口断面)(tQ第20页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 典型的洪水过程如图所示：典型的

16、洪水过程如图所示：涨水段峰段退水段Qt第21页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学将降雨过程与流量过程相比较，可得出：将降雨过程与流量过程相比较，可得出： 流量变化过程比降雨过程平缓；流量变化过程比降雨过程平缓； 流量过程线的历时比降雨的历时长得多；流量过程线的历时比降雨的历时长得多； 通过流域出口断面的径流量比降雨小。通过流域出口断面的径流量比降雨小。QFtt第22页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学一、径流的形成过程一、径流的形成过程 径流的形成过程分为产流阶段和汇流两个阶段。径流的形成过程分为产流阶段和汇流两个阶段。 对一次降雨过程，降雨量中只有一部分形成径流，

17、称为产流量；不对一次降雨过程，降雨量中只有一部分形成径流，称为产流量；不形成径流的部分称为损失量，其中包括：雨期蒸发、植物截留、填洼形成径流的部分称为损失量，其中包括：雨期蒸发、植物截留、填洼和补充土壤缺水量。和补充土壤缺水量。损失量径流量降雨量WWW第23页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 降雨损失量的一般情况为：降雨损失量的一般情况为： 一般植被条件下，次洪截留量小于一般植被条件下，次洪截留量小于3 35mm5mm； 填洼量一般在填洼量一般在101050mm50mm之间；之间； 雨期蒸发量与温度和日照有关；雨期蒸发量与温度和日照有关； 下渗量与土壤类别、植被条件及土壤含水量

18、有关。在土壤干燥，下渗量与土壤类别、植被条件及土壤含水量有关。在土壤干燥，植被良好的地区，次洪的下渗量可达植被良好的地区，次洪的下渗量可达100mm100mm以上。以上。 第24页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学1 1、产流过程产流过程（1 1）蓄满产流蓄满产流 指一次降雨在土壤缺水量未满足以前不产生径流，在土壤缺水蓄满指一次降雨在土壤缺水量未满足以前不产生径流，在土壤缺水蓄满以后，降雨全部形成径流。以后，降雨全部形成径流。 蓄满产流主要决定于降雨量与前期土壤的含水量，而不决定于降雨蓄满产流主要决定于降雨量与前期土壤的含水量，而不决定于降雨强度。蓄满产流的条件为：强度。蓄满产流

19、的条件为： CWW 式中：式中： 为土壤含水量（为土壤含水量（ ） ； 为田间持水量（为田间持水量（ ）。）。mmWCWmm 蓄满产流适合于我国南方的湿润及半湿润地区。蓄满产流适合于我国南方的湿润及半湿润地区。 第25页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学（2 2）超渗产流超渗产流 一次降雨在超渗前全部降雨量都是损失量，不产流。超渗后才产生一次降雨在超渗前全部降雨量都是损失量，不产流。超渗后才产生一定的地面径流。一定的地面径流。 超渗产流在降雨后能否产生一定的地面径流，除与前期土壤的含水超渗产流在降雨后能否产生一定的地面径流，除与前期土壤的含水量有关外，主要决定于降雨强度。量有关外

20、，主要决定于降雨强度。 产生地面径流的条件为：产生地面径流的条件为：fi 式中：式中： 为降雨强度；为降雨强度； 为下渗强度；单位均为（为下渗强度；单位均为（ ）。）。 immf 蓄满产流适合于我国西北的干旱地区。蓄满产流适合于我国西北的干旱地区。 第26页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 蓄满产流的降雨蓄满产流的降雨产流关系符合下列水量平衡方程产流关系符合下列水量平衡方程 mmWWMERP式中：式中： 为次洪降雨量及总产流量；为次洪降雨量及总产流量； 为雨期蒸发量；为雨期蒸发量； 为包气带达为包气带达 土壤含水量；土壤含水量； 为降雨初期包气带土壤含水量；为降雨初期包气带土壤

21、含水量； 以上单位均为（以上单位均为（ ）。）。 RP,EmmWWMCWmm（3 3）降雨降雨产流关系产流关系第27页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2 2、汇流过程汇流过程 降雨产生的径流汇集到河网后，又从上游流向下游，最后流经流域降雨产生的径流汇集到河网后，又从上游流向下游，最后流经流域出口断面称为汇流过程。出口断面称为汇流过程。 流域的汇流过程包括坡地和河网两个汇流阶段：流域的汇流过程包括坡地和河网两个汇流阶段： 坡地汇流是指水体在坡面上的流动；坡地汇流是指水体在坡面上的流动； 当水流由坡面补给河槽，沿河网继续运动就进入河网汇流阶段。当水流由坡面补给河槽，沿河网继续运动就

22、进入河网汇流阶段。 坡地和河网在汇流特性上是存在差异的。坡地和河网在汇流特性上是存在差异的。第28页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 在流域坡面，水流不断发生水平和垂向运动。在降雨期间及以后，在流域坡面，水流不断发生水平和垂向运动。在降雨期间及以后，沿坡面垂向，伴随着产流形成地面流、地下流及壤中流三种不同水源沿坡面垂向，伴随着产流形成地面流、地下流及壤中流三种不同水源的径流。其中：的径流。其中：（1 1）坡地汇流的特性）坡地汇流的特性 地面流的流速不大，一般为地面流的流速不大，一般为0.10.2m/s，但流程短，通常不出数百，但流程短，通常不出数百米。所以通常汇流历时往往只有几

23、十分钟；米。所以通常汇流历时往往只有几十分钟； 地下水流速小，常以地下水流速小，常以m/d计，所以汇流历时长，以日月计；计，所以汇流历时长，以日月计； 壤中流的流速则介于地面流和之间地下流。壤中流的流速则介于地面流和之间地下流。 第29页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 在河网汇流阶段，汇流特性受制于河槽的水利条件，各种水源就一在河网汇流阶段，汇流特性受制于河槽的水利条件，各种水源就一致了。致了。（2 2）河网汇流的特性）河网汇流的特性 河网由河段组成，河网汇流的基本规律受着程度不同的流域调蓄作河网由河段组成，河网汇流的基本规律受着程度不同的流域调蓄作用，还有各支流间洪水波的相

24、互干扰影响，因此更加复杂。用，还有各支流间洪水波的相互干扰影响，因此更加复杂。 河网的汇流速度比坡地大的多，常以河网的汇流速度比坡地大的多，常以m/s计，但因汇流路径长，河计，但因汇流路径长，河网汇流的历时视流域的大小而定，可达几个小时甚至几天。网汇流的历时视流域的大小而定，可达几个小时甚至几天。 第30页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学二、影响径流形成的因素二、影响径流形成的因素 河川径流的形成是一个极其复杂的过程，受流域气候因素、地理因河川径流的形成是一个极其复杂的过程，受流域气候因素、地理因素和人类活动因素的影响。素和人类活动因素的影响。 1 1、气候因素的影响：主要通过

25、降雨和蒸发表现出来。气候因素的影响：主要通过降雨和蒸发表现出来。 2 2、地理、地理因素的影响：包括有流域地形、流域面积、流域地质和土壤因素的影响：包括有流域地形、流域面积、流域地质和土壤特性。特性。 3 3、人类活动因素的影响：人类对自然环境的改变必然会影响径流过、人类活动因素的影响：人类对自然环境的改变必然会影响径流过程。程。第31页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2.2 年径流量的变化及其年内的分配 年径流量计算的目的：年径流量计算的目的： 揭露年际水量的变化与年内水量分配的规律，从而预告未来的径流揭露年际水量的变化与年内水量分配的规律，从而预告未来的径流趋势，为水利水电

26、工程的合理修建和运行提供水情依据。趋势，为水利水电工程的合理修建和运行提供水情依据。 目前的科学技术水平还不能对径流作出长期定量的预报。因此，只目前的科学技术水平还不能对径流作出长期定量的预报。因此，只能应用数理统计理论寻求年径流的统计规律，以便取得工程设计和应能应用数理统计理论寻求年径流的统计规律，以便取得工程设计和应用中的水文数据，以满足工程实际的需要。用中的水文数据，以满足工程实际的需要。第32页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学一、频率曲线一、频率曲线 在水文现象的发生、发展和演变过程中，包含着必然性的一面，也在水文现象的发生、发展和演变过程中，包含着必然性的一面，也包含

27、着偶然性的一面。偶然现象虽然有其不确定的一面，但经过观察包含着偶然性的一面。偶然现象虽然有其不确定的一面，但经过观察大量的同类现象后，也会发现它具有规律性的一面，而且这种规律性大量的同类现象后，也会发现它具有规律性的一面，而且这种规律性与它出现的机会（概率、频率）联系在一起。与它出现的机会（概率、频率）联系在一起。 径流的频率曲线描述了河川径流的统计特性。径流的频率曲线描述了河川径流的统计特性。第33页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 古典概率的定义为古典概率的定义为 应用条件：应用条件：式中，式中， 为为 中所包含的基本事件总数；中所包含的基本事件总数； 为基本事件总数。为基

28、本事件总数。nmAP)(mAn 试验的样本空间的元素为有限个；试验的样本空间的元素为有限个； 试验中每个基本事件出现的可能性相同。试验中每个基本事件出现的可能性相同。第34页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 由于在古典概率的应用中需要把所有的事件都罗列出来，并判断是由于在古典概率的应用中需要把所有的事件都罗列出来，并判断是等可能的，因此有很大的局限性。等可能的，因此有很大的局限性。 若某一事件不能归结为古典概率事件，可通过试验来估计概率。如若某一事件不能归结为古典概率事件，可通过试验来估计概率。如果总共试验果总共试验 次，事件次，事件 出现出现 次，则事件次，则事件 的频率为的

29、频率为mAnAnmAf)(第35页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 当试验的次数当试验的次数 不大时，不大时， 有明显的随机性（波动），但是当有明显的随机性（波动），但是当 时，时， 。这就是所谓隐含在随机现象中的规律性。这就是所谓隐含在随机现象中的规律性统计规律。统计规律。n)( Afn)()(APAf 在水文计算中，常采用频率曲线来表达。同时，频率曲线又分为经在水文计算中，常采用频率曲线来表达。同时，频率曲线又分为经验频率曲线和理论频率曲线。验频率曲线和理论频率曲线。第36页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学1 1、经验频率曲线、经验频率曲线 如经验频率计算的

30、简单公式为：如经验频率计算的简单公式为： 经验频率是根据过去的统计资料，按数值大小排列，用经验公式求经验频率是根据过去的统计资料，按数值大小排列，用经验公式求出相应的频率。出相应的频率。式中：式中： 频率；频率； 系列的项数；系列的项数； 顺序（大顺序（大小）中的项数。小）中的项数。%100*nmP mPn第37页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 经验频率曲线的计算如图所示。由此可见经验频率的意义经验频率曲线的计算如图所示。由此可见经验频率的意义为为 。kkQ1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q1m2m3m4m5m6m7m8mkQP%100%500)()(kkQQPQP第38页/共

31、238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 在水文计算中，常用的经验频率公式还有：在水文计算中，常用的经验频率公式还有： 由于水文序列一般都不很长，就必然存在资料代表性不足与推求小由于水文序列一般都不很长，就必然存在资料代表性不足与推求小概率径流之间的矛盾。概率径流之间的矛盾。海森公式海森公式 数学期望公式数学期望公式%100*5.0nmP%100*1nmP第39页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 频率往往与重现期联系起来，其关系为：频率往往与重现期联系起来，其关系为： 当研究枯水期时（当研究枯水期时（ ），）， ； 当研究洪水流量时（当研究洪水流量时（ ），重现期），重现期

32、 为频率的倒数为频率的倒数 ；%50PTPT1%50P)1(1PT 例如，当例如，当 时，在洪水流量的计算中称重现期为百年一遇。时，在洪水流量的计算中称重现期为百年一遇。%1P第40页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2 2、理论频率曲线、理论频率曲线 许多研究者都认为偏态分布更适合河川径流的特征，其中最典型的许多研究者都认为偏态分布更适合河川径流的特征，其中最典型的是是 曲线。一般说，从无数条河川各个不同的径流特征数字的研曲线。一般说，从无数条河川各个不同的径流特征数字的研究中，运用此类曲线获得的丰富经验证明它与经验资料相当符合，因究中，运用此类曲线获得的丰富经验证明它与经验资

33、料相当符合，因此目前在实际计算工作中，该曲线得到普遍应用。此目前在实际计算工作中，该曲线得到普遍应用。 但是必须指出：水文随机变量服从何种分布，目前还没有充分的论但是必须指出：水文随机变量服从何种分布，目前还没有充分的论证。证。IIIP 第41页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 曲线的计算式为：曲线的计算式为：式中：式中： 众值出现的概率；众值出现的概率； 众值至曲线起点的距离；众值至曲线起点的距离； 偏态偏态半径。半径。其中：其中：IIIP dxdaedxyy100yad;2;2)4(2svssvCCdCCCa;414221442022sCvCssCeCCCyss第42页/共

34、238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学变差系数：变差系数：偏态系数：偏态系数：;2vsCC ;)(1112niivXXnXXCkQP%100%500曲线IIIP 第43页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学二、径流量的表示方法二、径流量的表示方法 通常表示径流的方法有以下几种：通常表示径流的方法有以下几种：1 1、流量、流量Q 指单位时间内通过某一断面的水量指单位时间内通过某一断面的水量( ) ( ) 。通常用某时段内平均。通常用某时段内平均流量表示，如：日平均、月平均、年平均和多年平均流量。流量表示，如：日平均、月平均、年平均和多年平均流量。sm /32 2、径流总量、径流

35、总量 指在一固定的时段（日、旬、月、年或多年）内径流某一断面的总指在一固定的时段（日、旬、月、年或多年）内径流某一断面的总水量水量 、 （亿立方（亿立方 ）。）。W3m3810 m第44页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学3 3、径流深度、径流深度Y 指计算时段内的径流总量平均分布在出口断面以上的流域上所得到指计算时段内的径流总量平均分布在出口断面以上的流域上所得到的水层深度的水层深度 。mmFWKY/1式中：式中： 单位换算系数；单位换算系数； 流域面积。流域面积。1KF4 4、径流模数、径流模数 指单位面积上的平均流量指单位面积上的平均流量MFQKM/210002K式中：式中

36、： ，为由，为由 （公升）的换算系数。（公升）的换算系数。Lm 3第45页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学5 5、模比系数、模比系数 指某时段（年、月、旬、日）的径流模数（或流量）与其多年平均指某时段（年、月、旬、日）的径流模数（或流量）与其多年平均数值之比数值之比KoiMMK/6 6、径流系数、径流系数 指任何时段内的径流深度指任何时段内的径流深度 与同一时期内降落在受水面上降水量与同一时期内降落在受水面上降水量 之比之比YXXY /第46页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学三、年径流及其年内分配三、年径流及其年内分配 多年平均年径流量是反映河川径流量最重要的水

37、文特征值之一，是多年平均年径流量是反映河川径流量最重要的水文特征值之一，是水利工程规划、设计和运行的基本依据。水利工程规划、设计和运行的基本依据。第47页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 通常采用河川流域的水量平衡方程式来研究影响年径流的因通常采用河川流域的水量平衡方程式来研究影响年径流的因素，以年为时段的流域水量平衡方程式为素，以年为时段的流域水量平衡方程式为式中：式中： 流域的年径流量；流域的年径流量； 流域的年降水量；流域的年降水量； 流域的年流域的年蒸发量；蒸发量； 时段始末的流域蓄水量的变化；时段始末的流域蓄水量的变化； 时段始末的时段始末的流域之间的交换水量。流域之

38、间的交换水量。wuzxyyxzuW第48页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 用以往长期实测年径流系列来反映未来年径流变化时，应对实测年用以往长期实测年径流系列来反映未来年径流变化时，应对实测年径流系列进行以下审查：径流系列进行以下审查：可靠性审查：鉴定原始数据的准确程度和可靠程度；可靠性审查：鉴定原始数据的准确程度和可靠程度；一致性审查：考虑人类活动对径流量影响的修正；一致性审查：考虑人类活动对径流量影响的修正；代表性审查：审查样本资料的统计特征能否很好地反映总体的统计特代表性审查：审查样本资料的统计特征能否很好地反映总体的统计特征。征。第49页/共238页第二章 河川径流与水

39、文过程水电能源学四、在径流资料不足的情况下，设计年径流的计算四、在径流资料不足的情况下，设计年径流的计算 在水文计算工作中，常常会遇到实测资料短缺的情况，无法保证计在水文计算工作中，常常会遇到实测资料短缺的情况，无法保证计算的精度和可靠性。因此，必须设法展延年、月径流系列。算的精度和可靠性。因此，必须设法展延年、月径流系列。 若本流域的下游测站（或相邻流域的某一测站）掌握长期实测径流若本流域的下游测站（或相邻流域的某一测站）掌握长期实测径流资料，便可利用它作为参证站。资料，便可利用它作为参证站。1 1、径流资料的展延方法、径流资料的展延方法设计站参证站流域第50页/共238页第二章 河川径流与

40、水文过程水电能源学 将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年径流量的相关直线。径流量的相关直线。设年Q参年Q第51页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 参证站的选择依据：参证站的选择依据： 参证站与设计站的年径流应具有同一成因的共同基础；参证站与设计站的年径流应具有同一成因的共同基础； 参证站应具有长期实测资料，有较好的代表性；参证站应具有长期实测资料，有较好的代表性； 参证站与设计站之间有足够长的一段同期观测资料，以便建立两者参证站与设计站之间有足够长的一段同期观测资料，以便建立两者的相互关系。的相互关

41、系。第52页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2 2、设计年径流的计算、设计年径流的计算 根据年径流的长期实测资料（或展研资料），运用频率计算的方法，根据年径流的长期实测资料（或展研资料），运用频率计算的方法，寻求其频率曲线。计算步骤为：寻求其频率曲线。计算步骤为： 对年径流资料系列进行合理性审查；对年径流资料系列进行合理性审查； 把年径流量按递减次序排列，用经验频率公式（常用数学期望公式）把年径流量按递减次序排列，用经验频率公式（常用数学期望公式）计算每个数值的经验频率，并作出经验频率曲线；计算每个数值的经验频率，并作出经验频率曲线； 采用采用P-IIIP-III曲线解决经验频

42、率曲线外延的问题；曲线解决经验频率曲线外延的问题； 计算年径流。计算年径流。第53页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学例题例题1 1：在某河流下游修建水库，该处流域面积为：在某河流下游修建水库，该处流域面积为12001200平方公里，具有平方公里，具有1956-19591956-1959年和年和1964-19661964-1966年的实测径流资料，需要延长该系列，以提供年的实测径流资料，需要延长该系列，以提供水库水文设计依据。水库水文设计依据。年分年分1952195319541955195619571958195919601961设计站设计站15.412.525.07.00参证站

43、参证站8.7316.517.0015.04.676.617.74年分年分1962196319641965196619671968196919701971设计站设计站40.412.03.76参证站参证站8.1362.368.937.075.656.268.93实测年平均流量表第54页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学解：选择该河流上游水库作为参证站，该处流域面积为解：选择该河流上游水库作为参证站，该处流域面积为820820平方公里，具平方公里，具有有1952-19711952-1971年较长的实测径流资料。两站的各年的实测年平均流量系列年

44、较长的实测径流资料。两站的各年的实测年平均流量系列如表。如表。 将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年径将设计站与参证站同步的资料点绘成径流相关点据，并定出两站年径流量的相关直线。流量的相关直线。设年Q参年Q第55页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 根据相关线即可求出该流域设计站缺测年份的年径流，供水文水利设根据相关线即可求出该流域设计站缺测年份的年径流，供水文水利设计时应用。计时应用。年分年分1952195319541955195619571958195919601961设计站设计站13.625.727.415.815.412.525.07.0010.31

45、2.1参证站参证站8.7316.517.0015.04.676.617.74年分年分1962196319641965196619671968196919701971设计站设计站12.715.940.412.03.7613.911.08.829.7713.9参证站参证站8.1362.368.937.075.656.268.93第56页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学例题例题2 2：在某河流上修建水库，其坝址处：在某河流上修建水库，其坝址处2222年的径流系列如下表所示，试年的径流系列如下表所示，试绘制经验频率曲线，并求设计频率为绘制经验

46、频率曲线，并求设计频率为P=85%P=85%的年平均流量。的年平均流量。年分年分19601961196219631964196519661967196819691970流量流量11313613410813492178145131105111年分年分19711972197319741975197619771978197919801981流量流量11713916219715992107169193127121第57页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学解解：（：（1 1）计算径流系列的）计算径流系列的年平均流量年平均流量（2 2）计算平均流量的模比系数）计算平均流量的模比系数smnQQ

47、nii/6 QKii（3 3）计算经验频率）计算经验频率%1001nmP第58页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学（4 4）计算）计算变差系数和偏态系数变差系数和偏态系数（5 5）计算理论频率曲线）计算理论频率曲线dxdaedxyy10;2vsCC ;)(1112niivXXnXXC0.010.1125102050759095991.981.781.551.481.371.281.170.980.850.740.680.5827524821620619117816213611810394.580.6(%)PpKpQ在理论频率曲线查得在理论频率曲线查得P=

48、85%P=85%的年平均流量为的年平均流量为smQP/1073%85第59页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2.3 洪水分析与计算一、洪水成因及其客观规律一、洪水成因及其客观规律 我国河川的径流量一般多集中在年内一定的季节中，即所谓的我国河川的径流量一般多集中在年内一定的季节中，即所谓的“汛汛期期”。由于有些年份的汛期水量过于集中，就可能形成洪水灾害。由于有些年份的汛期水量过于集中，就可能形成洪水灾害。 洪水主要是由暴雨所形成。我国洪水的一般特征为：洪峰流量大，洪水主要是由暴雨所形成。我国洪水的一般特征为：洪峰流量大，洪水总量也大，汛期时间长。洪水总量也大，汛期时间长。第60页

49、/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学对洪水研究的重要性为：对洪水研究的重要性为：（1 1）设计洪水的大小决定了水工建筑物的基本尺寸及其造价；）设计洪水的大小决定了水工建筑物的基本尺寸及其造价；（2 2）若设计洪水偏大，虽然水工建筑物安全，但投资过大并造成损）若设计洪水偏大，虽然水工建筑物安全，但投资过大并造成损失；过小，则可能招致水工建筑物被毁，而转为生命攸关的安全问题；失；过小，则可能招致水工建筑物被毁，而转为生命攸关的安全问题；（3 3）在综合利用水库的调度中将会造成损失。）在综合利用水库的调度中将会造成损失。第61页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学二、设计洪水

50、二、设计洪水 设计洪水是根据流域洪水形成的客观规律，结合水利工程任务、规设计洪水是根据流域洪水形成的客观规律，结合水利工程任务、规模和要求而拟订的某一设计标准的洪水。模和要求而拟订的某一设计标准的洪水。 当这种洪水来临时，既要确保大坝的安全，又要使其万一失事情况当这种洪水来临时，既要确保大坝的安全，又要使其万一失事情况下，不致遭受意想不到的损失。因此，在设计水工建筑物时，需要正下，不致遭受意想不到的损失。因此，在设计水工建筑物时，需要正确选择某一洪水作为设计的依据。确选择某一洪水作为设计的依据。第62页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学 在水文计算中，往往以洪水的重现期作为客观标

51、准，一般称此重现在水文计算中，往往以洪水的重现期作为客观标准，一般称此重现期为设计标准，相应的某一设计标准的洪水称为设计洪水。期为设计标准，相应的某一设计标准的洪水称为设计洪水。 实践中具体采用哪一种频率的洪水作为设计标准，应当根据经济和实践中具体采用哪一种频率的洪水作为设计标准，应当根据经济和安全两个原则考虑。安全两个原则考虑。第63页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学三、设计洪水的计算三、设计洪水的计算 设计洪水的计算内容包括：设计洪峰流量设计洪水的计算内容包括：设计洪峰流量 、设计洪水总量、设计洪水总量 与设与设计洪水过程线计洪水过程线 三个部分。三个部分。)(tQtpQp

52、tst0QsttdttQW0)(0tpQW)(tQ第64页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学设计洪水的计算方法有：设计洪水的计算方法有：1 1、由径流资料计算设计洪水：、由径流资料计算设计洪水： 如果有长期的水文资料，可直接计算；如果有长期的水文资料，可直接计算；2 2、由暴雨资料计算设计：、由暴雨资料计算设计： 当缺少实测资料，而有雨量资料时，可采用暴雨资料推求；当缺少实测资料，而有雨量资料时，可采用暴雨资料推求；3 3、由水文气象资料推求设计洪水：、由水文气象资料推求设计洪水： 运用水文气象学理论，从洪水物理成因的观点出发，推求流域的可运用水文气象学理论，从洪水物理成因的观点

53、出发，推求流域的可能最大暴雨，然后再转化为可能最大洪水。能最大暴雨，然后再转化为可能最大洪水。第65页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学四、设计洪峰流量的计算四、设计洪峰流量的计算 在观测资料较充分的条件下，常通过频率计算推求设计频率的洪峰在观测资料较充分的条件下，常通过频率计算推求设计频率的洪峰流量、其计算方法与年径流量基本相同。以下仅就一些不同之处进行流量、其计算方法与年径流量基本相同。以下仅就一些不同之处进行说明。说明。第66页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学1 1、样本选择、样本选择 在洪水资料选样时在洪水资料选样时, ,必须保证样本的独立性必须保证样本的

54、独立性. .由于每年有多次洪水由于每年有多次洪水, ,因因而每年就有多个洪峰及洪量。一般在每年的洪水资料中，只选用一个最而每年就有多个洪峰及洪量。一般在每年的洪水资料中，只选用一个最大的洪峰，这样在大的洪峰，这样在 年的实测径流资料就选用了年的实测径流资料就选用了 个每年最大的洪峰流个每年最大的洪峰流量量 组成一个组成一个 项系列作为频率计算的样本。这是目前项系列作为频率计算的样本。这是目前广泛采用的一种选样法。广泛采用的一种选样法。nn), 3 , 2 , 1(niQin第67页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学2 2、特大洪水的处理、特大洪水的处理要从有限的洪水实测资料中推求

55、算出百年一遇、甚至千年一遇的洪要从有限的洪水实测资料中推求算出百年一遇、甚至千年一遇的洪水，就必然存在着资料代表性不够和推求稀遇洪水之间的矛盾。解决水，就必然存在着资料代表性不够和推求稀遇洪水之间的矛盾。解决这个矛盾有效的方法是通过调查历史洪水和对特大洪水的处理来提高这个矛盾有效的方法是通过调查历史洪水和对特大洪水的处理来提高资料的代表性。资料的代表性。特大洪水不仅是指比一般洪水大得多的稀遇洪水，而且通过对洪水特大洪水不仅是指比一般洪水大得多的稀遇洪水，而且通过对洪水调查考证，能够确定出它的大小和重现期的洪水。调查考证，能够确定出它的大小和重现期的洪水。第68页/共238页第二章 河川径流与水

56、文过程水电能源学3 3、洪水频率计算、洪水频率计算在洪水频率计算中充分考虑历史特大洪水在洪水频率计算中充分考虑历史特大洪水, ,使计算的设计洪水成果使计算的设计洪水成果具有相对稳定性。具有相对稳定性。由于特大洪水值不能与观测系列中的其它值同等看待。因此其均值由于特大洪水值不能与观测系列中的其它值同等看待。因此其均值和变差系数的计算方法也有所不同。和变差系数的计算方法也有所不同。在进行洪水频率计算时，是否考虑对历史特大洪水的处理在进行洪水频率计算时，是否考虑对历史特大洪水的处理, ,其结果有其结果有较大区别。较大区别。第69页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学例如：某水电站在例如：

57、某水电站在19951995年进行规划时，根据年进行规划时，根据1818年的实测资料计算出千年的实测资料计算出千年一遇的洪峰流量为年一遇的洪峰流量为 然而然而19961996年发生了洪峰流量为的特大洪水，将此作为特大年发生了洪峰流量为的特大洪水，将此作为特大洪水处理，计算出千年一遇的洪峰流量为洪水处理，计算出千年一遇的洪峰流量为 若再加入调查的历史特大洪水进行频率计算，得到千年一遇的洪峰若再加入调查的历史特大洪水进行频率计算，得到千年一遇的洪峰流量为流量为 比增加了比增加了56%56%；smQ/1260031sm /131003smQ/19700321Q比增加了比增加了80%80%；smQ/22

58、600331Q第70页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学设有年实测的洪峰流量资料如图。同时，在年实测资料以外有设有年实测的洪峰流量资料如图。同时，在年实测资料以外有一次历史洪水。一次历史洪水。nn年N年nN 年nNQ第71页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学假定缺测的年中洪水均值与现有的年实测资料的均值假定缺测的年中洪水均值与现有的年实测资料的均值相等，则除去历史洪水相等，则除去历史洪水 以外的以外的 年中，全部洪峰流量的年中，全部洪峰流量的总和为：总和为：NQ)(nN n) 1(NnQNnii1) 1(则包括历史洪水则包括历史洪水 在内外的在内外的 年洪峰流量均值

59、为：年洪峰流量均值为：NQn)1(11niiNNQnNQNQ第72页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学同样假定缺测的同样假定缺测的 年中洪水均方差与现有的年中洪水均方差与现有的 年实测资料年实测资料的均方差相等，即的均方差相等，即则除去最大值则除去最大值 的的 年中洪水离均差平方的总和为年中洪水离均差平方的总和为)(nN nniNinnNQQnDD12)(1NQ) 1(NniNiQQnN12)(1第73页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学故包括最大值故包括最大值 在内的变差系数为在内的变差系数为式中：式中： 为历史特大洪水的模比系数；为历史特大洪水的模比系数； 为为

60、 年实测流量的模比系数。年实测流量的模比系数。NQniNiNnnnNVNQQnNNQQNQQDC122)(1)(11niinknNNKN122) 1(1) 1(1NNNQQKNiiQQKn第74页/共238页第二章 河川径流与水文过程水电能源学五、设计洪量的计算五、设计洪量的计算设计洪量的计算方法与设计洪峰流量的计算方法大体相同。其中：设计洪量的计算方法与设计洪峰流量的计算方法大体相同。其中： 各年的最大洪峰流量资料可从实测资料中查取；各年的最大洪峰流量资料可从实测资料中查取； 各年的最大洪峰流量可利用水文年鉴上该年的洪水要素摘录表统计各年的最大洪峰流量可利用水文年鉴上该年的洪水要素摘录表统计