水利计算及水资源规划课件

第一章径流调节基本资料及水库特征径流调节：通过水库操作使来水过程适应需水过程的要求。调节计算所需基本资料：

1.河川径流特性

2.用水部门的需水特性

3.水库特性第一节国民经济各用水部门的需水特性及要求国民经济各用水部门在利用河川径流量方面有着多种形式：如居民及工业的给水，农业的灌溉，水电站的发电，天然河道及渠化河道的通航与木材的浮运，鱼道和鱼塘的操作，以及废水净化和水上游乐等。用水的需要是随河流所在地区而不同。它主要取决于流域内的国民经济主要形式，工矿、农业的分布及种类，水陆交通运输情况，动力经济状况，城市和居民点分布，洪涝旱灾情等。因此，需要了解这些部门的以及整个国民经济的发展计划，才能定出流域或水库地区各用水部门的当前和未来的用水需要。由于水利措施非短期可建成，其服务年限也较久，故用水情况不是针对眼前情况，而应当充分估计未来用水需要的增长水平，定出工程完工投入运用后若干年的需求水平作为设计第一期工程的依据。同时，以工程运用更长一些年数后的需求水平作为设计校核和作为假想远景发展的指导参考性数据。用水的需要，虽然各部门各有特点，不尽相同，但也有一些共同的基本特点：首先，很多用水部门，在某一定的用水量和供水程序条件下，工作是最有成效的，生产率是最高的。其次，需水量的多少常随生产规模的扩大而有渐进性的变化再如，某些企业对需水有周期性变化的要求。给水的需水特性及要求给水：指城市或农村的民用给水与工业用水。给水的要求不但要有足够的水量，而且应符合水质的要求。他的特点：（1）对水质要求较高。居民用水和以水为原料的工业用水，对水的气味、溶解质的组成和含量，以及微生物的数量，都有一定要求，不应超过规定数量。（2）给水有日与年的周期变化。居民用水及工业用水有日周期的变化，它是靠水厂的蓄水池调节来适应的，而年内变化较小，一般夏天较多，冬天较少。（3）要求供水的保证程度高。因为供水的中断会对人民生活造成很大不便，工业缺水会引起减产或停工。工业给水中，作为生产原料的用水，其比重通常不大，多为工艺用水，这些用水的特点是它们并不消耗水量。因此，在水源供应紧张地区，应考虑工业排放水的循环利用，特别是对一些用水量大的工厂，如造纸长等。这对于减轻水源的各种污染，保护水质，更具意义。农业灌溉水的需水特性及要求农作物的适宜水分的保持，除了大气的有效降水补给之外，还需从农田水利措施中不断提供补充，以弥补天然降水在时间和数量上的不足，着就是农业的灌溉用水。灌溉用水的特点：

1.具有明显的季节性

2.灌溉用水量具有多变性

3.灌溉对缺水的适应性比其他用水部门大水力发电用水特性1.电能变化特性日变化周变化年变化

N‘’---日最大负荷曲线

N‘---日最小负荷曲线

N---月平均负荷曲线年负荷图水力发电用水特性2.水电站的需水特性

N=γQH（kgfm/s）

γ——水容重（=1000kg/m3）；

Q——发电流量，单位为m3/s；

H——落差，单位为m；

N——出力，单位为kgfm/s。因1kw=102kgfm/s,于是N=9.80QH（kw）

故发电流量Q=N/9.80H（m3/s）

N=9.8η水η电QH=kQHN——出力，单位为kw；

k——效率系数和单位换算常数的综合，实际中取7.5~8.8。当有其他电源配合时可根据河川径流丰枯程度，在较大范围内变动用水量，水多时多用，少时少用。航运用水特性与铁路、公路等其他运输方式相比内河航运成本低、运输量大天然河道因浅滩、急流、礁石等，常使河道受阻；或因在枯水季河道水量减少，航道水深不足，阻碍航运。利用水库调节径流，改善航运条件的方法：连续放水：水库在枯水季全期不断地泄放一定水量，以维持下游一定的最低水位或设计航深。断续放水：每隔一定时间由水库泄放一定水量，可以连续若干时日，利用泄放水量增加航深。利用渠化河道增加航深改善航运条件：筑坝抬高水库上游水位形成回水。综合需水图根据个用水部门的年和逐月的需水图，即可绘制综合需水图。水库进行综合利用时，主要从以下几点编制综合需水图：1）取水地点和回泄地点；2）需水的水质；3）需水的年内各月分配和日内各小时的分配；4）需水保证率的不同。正常供水缩减供水第二节水库的设计标准和设计保证率一.防洪标准

——指水利工程所能防御洪水的能力。一般用重现期T或累计频率P表示：

P=1／T×100%

例如百年一遇洪水，重现期T=100年；累计频率P=1%。防洪标准分为两类：１.水工建筑物的防洪标准为保证大坝等水工建筑物自身安全而拟定的防洪标准。取决于：建筑物的规模、等级，并分为正常运用（设计标准）和非常运用（校核标准）两种情况。２.下游防护对象的防洪标准当这种标准的洪水发生时，通过下游河道的最大泄量，不超过河道的允许泄量或控制水位。

取决于：对象的重要性、历史洪水灾害情况、工程的防洪能力及政治经济影响，结合具体条件。第二节水库的设计标准和设计保证率二.兴利用水标准

1.设计保证率的含义

研究各用水部门允许减少供水的可能性和合理范围，定出多年工作期中，用水部门的正常用水得到保证的程度。

设计保证率的衡量方式：保证正常用水的年数（年保证率P）

P=正常工作年数/总年数×100%=（总年数-破坏年数）/总年数×100%

所谓破坏年是指不能维持正常工作的任何年份。保证正常用水的历时（历时保证率P‘）

P’=正常工作历时/总历时×100%=（总历时-破坏历时）/总历时×100%

保证正常用水的数量

设计保证率的选择由用水部门特性、水库调节性能及设计要求等因素决定。第二节水库的设计标准和设计保证率2.设计保证率的选择

目前主要是根据各部门用水性质、要求、重要性，以及生产实践所积累经验来规定设计保证率。

1）灌溉设计保证率南方高于北方自流灌区高于提水灌区地区作物种类灌溉设计保证率（%）缺水地区以旱作物为主以水稻为主50~7070~80丰水地区以旱作物为主以水稻为主70~8075~95第二节水库的设计标准和设计保证率2）水力发电的设计保证率根据水电站所在电力系统的负荷特性、系统中的水电容重的比重、水电站规模及其在电力系统中作用、河川径流特性以及水库调节程度等决定。

3）给水设计保证率一般采用95%~99%电力系统中水电容量的比重（%）25以下25~5050以上水电站设计保证率（%）80~9090~9595~98第二节水库的设计标准和设计保证率3）航运设计保证率保证率频率法：统计年限中各年内高于和等于某一水位的天数占全年天数的百分比。用各年该保证率的水位进行频率计算，按表列保证率确定设计最低通航水位。综合历时曲线法：统计年限中各年内高于和等于某一水位的天数占总天数的百分比。航道等级保证率频率法保证率（%）综合历时曲线法保证率（%）一~二98~99≥98三~四95~9895~98五~六90~9590~95第二节水库的设计标准和设计保证率三.设计标准、设计保证率与可靠性、风险的关系

可靠度S：研究对象在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。

风险度R：研究对象在规定条件下和时间内不能完成规定功能的概率。

S+R=1

在坝体安全设计中，一方面是估算坝址处洪水的可能变化以及垮坝的可能性。而另一方面是选定安全设计洪水。而这些工作是以定量的风险评估为基础的。要求估算出垮坝的可能性及在当前和预期未来条件下垮坝所造成的后果。

保证率是可靠度的一种特殊的简化形式。设计保证率就是考虑到多年运行中这种供水失效风险，而事先规定的使正常供水得到满足的可靠程度。公元1912年云南螳螂川上的石龙坝水电站建成，为中国大陆最早的水电站公元1960年浙江建德新安江水电站，中国第一座自己勘测、设计、施工和自制设备的大型水电站第三节水库的特性曲线、特征水位和特征库容一.水库的特性曲线

在河流上拦河筑坝形成人工的水池用来进行径流调节，这就是水库。

☺面积特性曲线：水库水位~水库面积关系

☺容积特性曲线：水库水位~水库容积关系

水库水位~面积~容积曲线第三节水库的特性曲线、特征水位和特征库容静水库容：水库水体静止，水面水平时的库容。动库容：有一定的入库流量时，静库容与契形库容的总和。

第三节水库的特性曲线、特征水位和特征库容动库容的计算：回水曲线法和近似法首先假定某一入库流量Q1和若干坝前不同水位，根据力学公式，求出一组水面曲线；其次，将水库分段，求出每段相应于回水曲线的平均水位位置。根据位置确定面积，这样就可以求出不同回水曲线每段的容积。最后，将各段库容相加，得到以某一入库流量为参数的总的动库容曲线。

二.水库的特征水位和特征库容

1.死水位和死库容

死水位：在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位。确定死水位时考虑因素：

1）保证水库有足够的、发挥正常效用的使用年限。

2）保证水电站的最低水兴和自流灌溉必要的引水高程。

3）库区航运和渔业的要求2.正常蓄水位和兴利库容正常蓄水位：在正常运行条件下，为了满足兴利部门枯水期正常用水，水库在供水开始时应蓄到的最高水位。

确定正常蓄水位时的考虑因素：

1）根据兴利的实际需要

2）考虑淹没、浸没情况

3）考虑坝址及库区地形地质条件

4）考虑河段上下游已建和拟建水库枢纽情况二.水库的特征水位和特征库容3.防洪限制水位和结合库容防洪限制水位：水库在汛期允许蓄水的上限。结合库容：防洪限制水位与正常蓄水位之间的库容。4.防洪高水位和防洪库容

防洪高水位：当水库下游有防洪要求时，遇到下游防护对象的设计标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位。防洪库容：防洪限制水位与防洪高水位之间的库容。二.水库的特征水位和特征库容5.设计洪水位和拦洪库容设计洪水位：当遇到大坝设计标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位。拦洪库容：防洪限制水位与设计洪水位之间的库容。确定设计洪水位时的考虑因素：

1）拦河坝为土坝、堆石坝时应设置开敞式溢洪道。

2）设置部分泄洪底孔和中孔。

3）泄洪设备的选择应考虑经济性和技术可靠性。

4）闸门及启闭设备选择应满足洪水调度方面要求。6.校核洪水位和调洪库容校核洪水位：当遇到大坝校核标准洪水时，水库经调洪后，坝前达到的最高水位。调洪库容：校核洪水位以下的全部水库库容。“三峡”工程三峡工程主要经济技术指标项目名称单位指标（备注）水库正常蓄水位

防洪限制水位

枯季消落水位

设计洪水位

校核洪水位

总库容

防洪库容

水库库面面积

m

m

m

m

m

亿m3

亿m3

km2175(初期156)

145(初期135)

155(初期140)

175

180.4

393

221.5

1,084第四节水库的水量损失

水库建成以后，天然水流情况发生变化，削减了洪峰，增加了枯水流量。同时，库区水位及库边地下水位抬高，水面加宽，水深增大，流速减小；库区内的水流挟沙、蒸发、渗漏、水温、水质等水情亦起了变化。当然，水库的水量也会产生了无益损失，如水库蒸发损失、渗漏损失等。一.水库的蒸发损失

水库的蒸发损失是指由于水库兴建前后因蒸发量的不同，所造成的水量差值。蒸发损失产生的原因：修建河流前，除原河道有水面蒸发外，整个库区都是陆面蒸发，而建库以后，这部分面积由陆面面积变成水库水面，其也由原来的陆面蒸发变成水面蒸发。由于水面蒸发比陆面蒸发大，故产生了由陆面面积变为水面面积所增加的额外蒸发量。

△W=1000(E水-E陆)FvE水=ŋE皿式中

E皿——水面蒸发皿实测水面蒸发（mm）

ŋ——水面蒸发皿折算系数，一般为0.65~0.80E水——水面蒸发（mm）

E陆=Eo=Po-Ro式中Po——闭合流域多年平均年降水量（mm）

Ro——闭合流域多年平均年径流深（mm）

Eo——闭合流域多年平均年陆面蒸发量（mm）

E陆——陆面蒸发（mm）

Fv——建库增加的水面面积，取计算时段始末的平均值。二.渗漏损失

建库之后由于水位抬高，水压力的增加，水库蓄水量的渗漏损失也随之增大。

水库主要的几种渗漏损失：

1）经过能透水的坝身，以及闸门、水轮机等的渗漏

2）通过坝址及坝的两翼渗漏

3）通过库底流向较低的透水层或库外的渗漏。

一般可按渗漏理论的达西公式估算渗漏的损失量。

若以一年或一月的渗漏损失相当于水库蓄水容积的一定百分数来估时，则计算渗漏损失时初步采用数据：

1）水文地质条件良好0~10%/年或0~1%/月

2）透水性条件中等10~20%/年或1.5~3%/月

3）水文地质条件较差20~40%/年或1.5~3%/月

三.其他损失

1）结冰损失。北方地区气候寒冷，冬季水库水面形成冰盖。年调节水库每年泄空一次，冬季枯水期水库供水时水位随之下降，水库面积缩小，有一部分冰盖附着库岸，相应于这部分冰盖的水量，当时不能利用，故为结冰损失。

2）水工建筑物的漏水和操作所损失的水量。第五节库区淹没、浸没和水库淤积一.库区淹没、浸没

淹没问题：水库在修建时由于蓄水而造成一定范围的淹没，将使库区原有耕地及建筑物被废弃，居民、工厂和交通线路被迫迁移改建，这就造成损失。

淹没损失和移民数量的多少，常常会限制水库工程的规模，甚至会妨碍地形、地址和水资源利用条件的选择。水库淹没影响的问题：

（1）居民的迁移安置；（2）迁移或改建淹没区内的交通运输建筑物，如铁路、公路、通讯设备及输电线路等；（3）迁移或重建淹没区内的工业企业；（4）重建水道上的建筑物，包括桥梁、河岸及港口建筑物；（5）排水系统、地下电线等等的重新安装；（6）森林的恢复；（7）用堤防保护耕地、贵重的矿藏以及游览圣地等；（8）蓄水前的库底清理等。

百万大移民三峡水库将淹没陆地面积632平方公里，涉及湖北省、重庆市的20个县(市)。1991至1992年，长江水利委员会会同库区各级地方政府，逐村挨户进行了调查、丈量和统计。三峡水库淹没涉及城市2座、县城11座、集镇116个；受淹没或淹没影响的工矿企业1599家；水库淹没线以下共有耕地2.45万公顷；淹没公路824.25公里，水电站9.22万千瓦；淹没区房屋总面积为3459.6万平方米；淹没区居住的总人口为84.41万人。考虑到建设期间内的人口增长和二次搬迁等其他因素，三峡水库移民安置的动态总人口将达110余万人。高峡出平湖，最后水将淹到175米此标记处故居已消失在90米水下，老农遥望故土时心情复杂故土被淹，离家小鸟远眺三峡沧桑变化

二、水库的淤积问题

1、水库的淤积年限

（1）水库淤积存在：当河道上修建了壅水建筑物之后，随着库区水位的抬升，水流的过水断面增大，水力坡度变缓，纵向流速和紊动流速都大大地减少。原河道水流特性的这种改变，降低了水流挟沙能力，也改变了原河道的泥沙运动条件，导致了部分悬移物质和推移物质泥沙逐渐沉淀、淤积在水库中。

（2）影响水库淤积的主要因素：入库水流的含沙量及多少及年内分配、水库形状、库区地形、地质特性以及水库的调度规则。

（3）水库年限：在水库设计时，估计可能的年限以便判断水库的寿命和是否值得兴建。水库工作年限或寿命的衡量是着眼于水库淤积是否已相当程度上影响到水库正常（设计）功能的发挥。严格来说所谓水库“寿命”应指水库正常工作的年限，又称水库使用年限。2、泥沙淤积量计算一般情况下特别在规划和初设阶段，常采用较简单的方法来估算泥沙淤积量，即假定河流携带的泥沙有一部分沉积在水库中，而且泥沙淤积呈水平状增长，计算水库使用T年后的淤沙总容积：

年淤积量：

式中：T－水库正常使用年限（年），按规定小型水库T＝20～30年，大型水库T＝50～100年；

V沙年＝多年平均淤沙容积（m3/年）

－多年平均含沙量（kg/m3

）

W0

－多年平均年径流量（m3

）

m－库中泥沙沉积率（％），视库容的相对大小或水库调节程度而定；

P－淤积体的孔隙率－泥沙颗粒的干容重（kg/m3

）当沙粒的干容重＝2.0～2.8，淤泥的孔隙率P＝0.3～0.4时，则对悬移质泥沙：对悬移质推移质以及塌岸存在时：V塌－库岸平均年坍塌量（m3

）－推移质淤悬移质的比值三、减少淤泥的措施用设置死库容来接纳沉积的泥沙，虽是处理淤积问题的普遍方法，却只是一种消极的途径，仅仅推迟了淤积严重影响的日期而已。为减少水库淤积，延长水库寿命，研究总结的主要经验，一是减少沙源；二是控制和调度泥沙。其措施有：（1）水土保持。在上游流域面上加强水土保持工作，减少水土流失。这是解决水库泥沙淤积的根本性措施。（2）上游拦沙。在重要的水库上游和来沙较多的支流上修建一些水坝，用以拦截泥沙。这种水库建成以后，在一定时期内也起拦蓄洪水作用，后期被泥沙淤满后，可开辟为耕地。（3）合理运行，调水调沙。借助枢纽泄水建筑物控制库水位及泄水时机，可以有效地调整库区淤积泥沙地分布，甚至将大量泥沙直接或间接地排向下游。分为水力排沙、水力冲刷和机械清淤三种。

6月3日消息：三峡工程库区泥沙问题，日前经科研工作者研究表明，该库区发电和通航中的泥沙问题有望解决。据介绍，三峡水库宜昌站年平均输沙量达五点三亿吨，如泥沙问题处理不好，不仅会影响水库防洪、发电效益的正常发挥，缩短水库的使用寿命，而且可能影响长江黄金水道的畅通。经科技工作者研究表明，三峡水库的泥沙问题采用“蓄清排浑”的水库调度方式，借助工程建筑物布置上采取的一系列排沙工程措施，配合恰当的调度和辅助清淤，可以保证工程正常效益的发挥。第六节水库的环境影响

建国以后，我国以建成大、中、小型水库86000多座，总库容为4000多亿立方米。这些水库在防洪、灌溉、发电、航运、给水、水产、旅游等方面起到了巨大的作用，但有些水库也给环境带来了一些不利影响。在修建水库，注意经济效益的同时，必须重视建库对环境的影响，兼顾社会效益和生态环境效益。在水库规划、设计和施工的各阶段，特别是管理阶段，应经常调查和观测水库对环境的影响，在提高水库效益的基础上，防止水质污染、维持生态平衡和美化环境。一、库区影响

1.人口迁移：权衡建库的得失时，迁移人口和淹没土地是一项有决定性的因素，是一个需要慎重处理的问题。

2.清理库区：

如未能认真清库，将影响捕鱼和污染水质。

3.名胜古迹：对名胜古迹和有纪念的建筑物应当迁移保护。

4.滑坡、坍岸：当陡峻的山谷蓄水时，或在库水位骤降时，库区内往往发生滑坡。库周为黄土地带容易发生坍岸。

5.地下水位的变化：水库蓄水使地下水位上升，其后果：影响农业生产；低洼地带的沼泽化；土壤盐碱化；建筑物地基发生沉陷、蚊虫孳生等。

6.诱发地震自6月1日三峡工程截流蓄水以来，库区水位正在以每日3米的速度爬高，到6月15日，水位线将达到135米。为防止沿江两岸垃圾、漂浮物污染水体，阻塞大坝，影响蓄水发电，重庆团市委向全市青年志愿者发起了“万人清漂”大行动。连日来，上万名志愿者日夜奔忙在长江两岸上百个清漂点，清除江岸垃圾，打捞江面漂浮物。图为万州区十七码头“清漂”现场。

7.改变气候：大面积水域的产生改变了自然面貌，使气象条件发生变化，甚至影响生态平衡。

8.水温变化：水为不良热导体，水库水温的变幅随水深而变小，水温也随水深增加而减低。

9.水质变化：（１）、含盐量。水库上游来水经水库稀释，降低出水量的含盐度；在高温、水浅地带，由于水面蒸发量大，致使含盐度升高。（２）、肥力变化。水库蓄水后，库区内生物死亡，增加了水库内的肥料，有利于水中小生物、微生物的繁殖，促进鱼类生长。如清库不彻底，过多植物在库底分解，使水质变坏。带过多肥力的盐类水源入库，不利于水生物生长。

10.泥沙淤积使库容减少，降低效益，影响通航、发电。

11.卫生问题库边周围形成了大面积浅水区，增加了疟疾、血吸虫病的传播。

中新社重庆七月二十三日电(范卉周建飞)重庆市卫生局副局长周英杰今天下午在此间表示，三峡成库后，库区存在血吸虫病流行的潜在威胁。目前重庆市已着手建立血吸虫病预防控制机制。周英杰说，由于长江三峡流域的地理特点，重庆市历史上从未发现有传染血吸虫病例报告，属血吸虫病非流行区。但是，三峡库区形成以后，水流变缓，积水面积扩大，逐渐形成泥沙淤积，库区支流形成冲击洲。水库冬水夏库的运行方式，将会使库岸一百四十五米至一百七十五米水位之间形成洲滩，以及成库后温度、湿度都将向有利于钉螺生长繁殖的方向变化。二.枢纽范围内影响

水利枢纽为保持通航、鱼类回游、流筏而设有升船设备、鱼道、筏道等，其作用是为保持拦截河道的环境平衡。三峡工程永久船闸2号平台开始施工的绿化图案。当天，美化船闸工作在三峡工程永久船闸1、2号平台全面展开，船闸试通航的各项准备工作已基本完成。

三.水库下游影响

1.泄水：为泄洪、发电和下游用水需向下游泄水，但由于水库中水的温度、泥沙含量、溶解氧的分布，随水深而变化。各需水部门可从不同深度引水。

2.维持河道：若下游不需引水，水库也应该泄放一相当少的水量，维持河道不干涸。

3.河道水温：水库的下泄水流多数来自水库深层，因而库下游相当长河水受库水温的影响，夏季河水低于建库前，冬季高于建库前。

4.河床变化：水库泄水时可能破坏原有河道的冲淤平衡，发生新的冲淤变化。

5.干拓土地：水库控制了一般洪水，缩小了下游洪水经常的淹没范围，并促使地下水位下降。原来不能耕种的沼泽地可以干拓成良田。第二章径流（量）的调节计算第一节径流调节的分类1按调节的目的和重点分2按服务对象和用途分3按调节周期分4其他形式的调节建造水库是调节河川径流，解决来水需水矛盾的一种普遍积极的方法。可以从不同角度对径流调节的形式进行分类。1按调节的目的和重点分洪水调节：重点在于削减洪峰和下泄洪水流量。枯水调节：为了增加枯水期的供水量，以满足各用水部门的要求。2按服务对象和用途分可以分为灌溉、发电、给水、航运及防洪排涝等的调节。目前一般水库都是以一、二个目标为主的多用途综合利用径流调节3按调节周期分即按照一次蓄泄循环的时间来分。可以分为无调节、日（周）调节、年（季）调节和多年调节。水库的相对库容愈大，它调节径流的周期就愈长，调节和利用径流的程度也愈高。日（周）调节一般见于发电水库。径流变化不大，而电负荷则在白天黑夜和工作日周末间差异甚大。水库即把夜间和周末负荷少时的多余水，蓄存起来增加白天和工作日的发电水量。年（季）调节我国河川径流季节变化大，洪水期和枯水期相差悬殊，而用水部门需水量变化不大。这就需要对一年范围内进行天然径流的重新分配。4其他形式的调节补偿调节见于水库与下游用水部门的取水口间，有区间入流时。水库要视区间来水多少进行补偿放水。反调节当进行日调节的水库下游有灌溉取水或航运要求时，需要对已调节过的放水过程重新调节。库群调节研究河流上多个水库的联合运行。是最高形式的径流调节，开发和治理河流的发展方向。第二节径流（量）的调节计算原理和基本方法有计划的改变水库泄水孔的开度来控制和调节水库的出流，就有了水库的充蓄和泄降。径流调节计算把整个调节周期分为若干较小的计算时段，按时段进行水量平衡计算。公式如下：V=(Q入-Q出)T（2-1）T—计算时段

V--T内水库蓄水量的变化，蓄为正，泄为负

Q入--T内平均入库流量Q出--T内自水库取用或消耗的平均流量，包括各

利部门的用水流量ΣQ用，蒸发损失流量Q蒸及渗透损失流量Q渗，已经水库蓄满后产生的无益弃水流量Q弃等。公式（2-1）可写成V/T=Q入-ΣQ用-Q蒸-Q渗（2-2）

一般用迭代试算法才能求解1假定一个时段末的水库水位。

2计算时段平均水位相应的需水量。

3再进行水量平衡计算，求出时段末水位。4与假定值比较，如不相等重新假设计算。日调节水库，T以小时为单位。年调节水库，T一般以月为单位。水量平衡作调节计算的两大类方法：时历法：先调节后频率统计的方法。数理统计法：先频率统计后调节计算的方法。

第三节年调节水库调节流量与有效库容的关系径流调节的任务(来水确定的情况下)：

1根据调节流量决定水库的有效库容。

2已定水库有效库容，求解调节流量。计算方法1列表法

2差积曲线图解法

3简化水量平衡方程式1列表法调节计算设用水部门需水流量已知（表2-1第3栏）水利计算多用水利年，即蓄泄过程的起迄点。T一般采用常数，取平均值T=30.4d=2626560s水量常用流量*时段这种单位表示。蓄水多少（水库库容）取决于亏水期所缺水量。表2-1一回运用和多回运用调节库容大小不仅与相邻的余亏水量有关，而且还与余水期的数目和排列次序有关。考虑损失之调节计算用试算法逆时序进行水量平衡计算。库空时为死库容实用上不需如此复杂迭代，可用简单方法估计水量损失。表2-22图解法调节计算1过程线：直接以流量的逐时变化Q~t来表示的曲线2常累积曲线：从某原始时刻算起到各时刻的累积水量变化W~t曲线3差积曲线：从流量过程线上减去一常数流量值Q0（常取研究期内的平均流量），然后把Q-Q0累积。图2-5常累积曲线调节计算步骤1平行移动需水累积曲线，使切来水累积曲线于M点。2再平行移动需水累积曲线，使与来水累积切于M点下方N点。3两切线之间的垂直距离即为所需之调节库容V。差积曲线调节计算步骤1图解法同上。

2实际计算中因差积曲线上切点显著，故常省去上切线。3图解法对多回运用调节计算特别方便，如图2-4（b）4对以知库容求最大可能之调节流量时，用图解法较列表法更为方便。如图2-83用简化水量平衡方程式进行调节计算把整个调节周期只划分成两个计算时段—蓄水期和供水期进行水量平衡计算。V=Q调T供-W供

Q调=（W供+V）/T供注意问题：

1供水期T供的确定是否正确。特别在多回运用或已知库容调节流量时，T供往往要试算确定。

2必需检验一下蓄水期末水库能否保证蓄满，即W蓄-Q调×T蓄≥V第四节年（季）调节水库保证供水量与设计库容的关系天然来水量和年内分配不同的情况下，调节流量和水库所需库容的相互关系。两个途径：

1长系列操作法

2典型年法1长系列操作法根据N年来水资料和给定的需水计算每年的库容。把此N个库容看成随机变量，用经验频率公式

P=M/（N=1）绘成经验频率曲线。长系列操作法其设计保证率概念明确，凡条件许可均应按长系列操作法确定参数。图2-92典型年法下列情况可采用设计典型年法：

1无资料地区，或者资料不足时。

2精度要求不高，例如初步规划阶段。关键是设计典型年的推求和来水过程线的选择。方法有两种

1同倍比法

2同频率法同倍比法以年水量为控制：

1

先对坝址断面的年径流资料进行统计分析，确定其线型及三个统计参数Q0、CV、CS。

2由年径流统计参数计算相应于需水保证率的年径流量QP。

3从实测资料中选择年径流量与QP接近且年内分配有代表性的一年或几年作为典型年，其年平均流量为Q典。

4计算缩放倍比K=QP/Q典，再用此K值遍乘该典型年实测各月平均流量，得设计典型年。5对所推求的设计典型年进行调节计算，求得调节库容或调节流量。当所取设计典型年不止一个时，为安全起见，可选偏不利者作为设计值。同频率法具体计算步骤如下：

1

根据实测资料，统计每年最枯1个月水量W1，连续最枯2个月水量W2，……直到连续最枯11个月水量W11及年水量W年，并对上述各个时段水量进行频率计算，求得各个时段设计频率的水量W1P、W2P……W11P、W年P。为减少工作量，可选几个时段计算。

2从实测资料中选择各时段水量都较接近设计值的一年为典型年，其2个月、4个月、6个月几年水量分别为W2典、W4典、W6典、W年典。

3

按倍比K2P=W2P/W2典来缩放典型年中最枯连续两个月的水量，按K2-4=（W4P-W4P）/（W4典-W2典）来缩放连续最枯4个月中的另外2个月。依次类推，可求得同频率设计年典型过程线。

4对此同频率设计典型过程线进行调节计算，得设计库容或保证的调节流量。

3库容、调节流量与设计保证率三者关系径流调节的最一般任务是：在来水确定的情况下，计算库容、保证供水量和设计保证率三者之间的关系，为选择水利规划方案提供数据。结束语谢谢大家！下面欢迎张伟芳同学上台给大家讲课。第五节时历法多年调节计算

由水量平衡原理我们可以把水库分为：年（季）调节水库、完全年调节水库和多年调节水库。由于完成一次蓄洪循环往往需要好几年，所以在用时历法进行多年调节计算时，所需要的水文资料远较年调节时长，一般应在30年以上且代表多年变化的典型，否则所得结果不可靠。多年系列的径流差积曲线的一部分如图2-10所示：

与年调节一样，根据图2-10上求得之W1、W2、……各值，按经验频率公式作出图2-9（a）那样的V~P关系曲线，由需水保证率P可查得相应的设计库容V。同样，可以解决已知库容求调节流量。图2-11所示为已知库容的多年径流系列的差积曲线的一部分，把多年来水差积曲线上下移动一段距离刚好等于给定的库容。

由图2-11可见，即使在多年调节中，弃水仍不可免，而水库在多数年份供水季末均蓄至正常蓄水位，仅在第5及7~9年水库起了多年调节作用。

在多年调节水库中，由于库容大，水量损失有时颇为可观。可近似地取设计枯水年组水库平均库位来估计各种损失水量，然后从调节流量QH中扣去损失流量得净调节流量；或把这部分损失水量加到库容上去，使库容增大以抵消此部分水量之损失。第六节数理统计（机率理论）在径流调节中的应用一、基本出发点在径流多年调节计算中，应用数理统计理论的必要性和可能性，是基于以下原因：

1.时历法的缺陷

2.径流变化的数理统计规律

3.调节计算成果进行综合概括的可能性

为了便于综合和推广应用，在径流调节计算中常采用一套相对值：а为径流调节系数QH为调节流量Q0为多年平均流量

β为库容系数

V为有效库容

W0为多年平均径流量在应用数理统计时首先，利用了径流多年变化的一定的规律性其次，径流变化的频率曲线可以概括为几个统计参数因此在多年调节计算中，数理统计便成了有力的工具。二、频率曲线的组合频率曲线的组合计算通常有三种；

1.频率组合公式计算设x及y为二独立变量，见图2-12（a），x及y之多年变化可分别用频率曲线来表示，如图2-12（b）及（c）。

2.图解法

频率公式的计算也可以用简单的作图方法来完成。整个图解步骤归纳如下：第一步：频率曲线y用几级阶梯来简化近似。第二步：频率曲线x之横坐标根据各个阶梯宽度压缩。然后将它们分别叠加到相对应之y频率曲线的阶梯上。第三步：将迭加后之诸频率曲线之横坐标在同一水平线上相加，得组合后之z频率曲线如图2-13（c）所示。上述组合频率公式及图解方法也可应用于局部频率曲线之组合。当x、y间又相关关系，并设x依y而相关，那x的频率曲线不是一条而是一族以y为参数的条件频率曲线（图2-14）X的条件频率曲线绘制方法如下：设x与y成线性关系，其回归方程为

x0、y0随机变量x，y的均值

σx、αy随机变量x，y的方差

xy相应于一定的y值的一组x的条件均值

xy的条件均方差σxy则为：其变差系数：至于条件偏态系数通常假定为，于是就可以查雷布金表绘制出x倚某个y值的频率曲线。3.理论分析法当两个随机变量x、y其各自的机率分布曲线已知时，为求两个变量所组成的某种函数z=f（x，y）的机率分布规律，需解决函数的机率分布曲线的类型及统计参数。对二参数的Г分布：α形状参数

β比尺参数

Г（a）Gamma函数独立的几个具又相同参数α和β的Г变量之和也是一个Г分布，其形状和比尺参数为：一般情况下，则假定组合后函数之分布曲线为已知设z=x±y则有当z由二个以上变量组成时，即：z=z1+z2+z3+……+zn

则有z0=z10+z20+z30+……+zn0上式如写成常用之变差系数Cv之关系，则为式中bi=xi0/x10

上述公式可以简便地解频率组合问题，但是分析法有一定的限制，因为：（1）分析法仅适用于函数z为简单的和差或积的形式，还不能解z=f（x,y）的一般关系形式。（2）变量本身的频率曲线常常不能以理论频率曲线来代表和概括。目前，常用的多年调节计算方法又分为三大类：第一类：组合（或合成）总库容法第二类：直接总库容法第三类：随机模拟法

第七节合成总库容法由图2-15可见，总库容可以分成两大部分——年库容β年和多年库容β多。如图2-15中虚线所表示的来水量，多年库容的大小只与年需水量和年来水量大小及排列次序有关。一、克-曼（克利茨基和曼凯里）第二法计算多年库容先研究年径流相互独立的情况

k<α-β，绝对缺水年（断水年），机率为S1=1-Pα-β（图2-16）K≥α，绝对足水年，出现机率为Pα

α﹥K﹥α-β，中等水量年（条件断水年），出现机率为N1

再来对这些条件断水年研究连续两年的水量平衡，两年的总来水量为k1+k2，两年总用水量为2α，则

k1+k2﹤2α-β，绝对断水年，发生机率为S2

k1+k2≥2α，绝对足水年2α﹥k1+k2﹥2α-β，条件断水年，发生机率为N2

用同样的方法，得连续三年之水量平衡。依次类推，不确定范围越来越小，最后收缩到很小范围

于是水库供水破坏机率为：S=S1+S2+S3+S4+……或者水库供水保证率：P=1-S1-S2-S3-S4-……=1-S

利用克-曼二法可以解决已知来水、用水及多年库容求供水保证率。当已知来水、用水及保证率P求所需多年库容时，要用试算内插的办法求解。克-曼在发展其第二法的基础上，提出了分析法。方法的要点在于，首先假定多年径流过程为马尔柯夫单链其次以条件断水年之频率线段之中值代替全线然后通过数学推导，得出计算公式。最后我们还要对计算成果进行修正。二、线解图

普莱希可夫最早于1939年作成Cs=2Cv的线解图（图2-17）。已知径流多年变化的统计特征值Cv，用水α及所需保证率P，则由相当之P的线解图，由Cv及α可查得β多，即为多年库容。当Cs﹥

Cv，

α0为流量频率曲线中最小模比系数值若设m为Cs与

Cv之比值，则例如：Cv=0.3，Cs=3Cv，α=0.8，β=0.25，求P

因Cs≠2Cv，则：

由直线内插法求得供水保证率：

年径流间相关关系的存在，往往使连续枯水年组增长，所需多年调节库容也相应有所增大。因此对于年径流序列相关比较明显的河流应考虑这一因素，不然会使所得库容偏小，偏于不安全。三、水库蓄水量频率法注意：在调节过程中，要为满和空之间各种可能水位的一条频率曲线。其一般步骤如下（图2-18）：（1）任意假定一个年初蓄水量，如图2-18（a）所示（2）作年来水频率曲线（2-18（b））（3）把图2-18（b）迭加于（a），B点合于A，如图2-18（c）（4）求第二年年终之水库蓄水量频率线，如图2-18（d）（5）求所得各分段曲线之纵坐标等于年初蓄水量和年来水量和（6）图2-18（d）中α与α+β之间阴影表示各种蓄水量之频率（7）把图2-18（d）阴影按横向相加得第二年末之水库蓄水量频率线

（8）如此连续运算最后得出一稳定之蓄水量频率线

稳定蓄水量频率线可由任意原始水位开始求。水利要素的多年变化情况有时历法和数理统计两类。数理统计法以上述蓄水量频率曲线法最为方便，如图2-19（a）阴影部分所示。弃水频率曲线，缺水频率曲线及稳定的水库蓄水量频率曲线三者合之，就可得调节后流量频率曲线，如图2-19（b）所示。四、水库工作情况（水利要素）

的频率曲线

五、年库容计算多年调节水库中的年库容取决与枯水年组第一年汛期之多余水量或枯水年组前一年丰水年。典型年的选择原则：（1）就年水量而论，应取年来水量刚好等于年需水量的那些年份作为典型年较为安全。（2）年内分配可取多年平均分配比例之过程图。多年调节水库的总库容为β总=β多+β年对于总库容而言，在实际水库运用中，总库容并不是按硬性划分年库容与多年库容来起调节径流作用的。第八节直接总库容法高尔德在莫兰水库存储理论及其模型的基础上提出了直接总库容法。具体的数据说明如下：

设有N年实测资料如表2-3。总有效库容为600（m3/s）.月，均匀蓄水流量100m3/s。试求水库供水保证率。1.划分水库蓄水状态把水库库容划分成k种状态，每份的库容增量为：△V=V/（k-2）水库状态：0，1，2，……

，k-1；水库蓄水量：0，0~△V，△V~2△V，……，（V

-△V）~V，V。

泰奥建议k的数值如下：取k=4，则△V=600/（4-2）=300（m3/s）.月，4种状态如下：水库状态0123水库蓄水量00~300300~600600[（m3/s）.月]（平均150）（平均450）Cv＜0.50.5~＜1.01.0~＜1.5≥1.5k102030402.求水库状态转移概率矩阵对本例每年初水库蓄水量又4种状态。先研究年初水库处于状态0时的情况，利用列表法、图解法可求得各年末水库蓄水量及水库正常供水破坏情况，其结果如表2-4所示。用状态转移矩阵来表示状态转移，并可在表2-5的状态转移矩阵中相应格内注上该年，把表2-5中每个元素中的年数除以实测资料的年数N（本例为5年）即得转移概率。表2-5所示的状态转移矩阵，取决于来水特性、蓄水需求、水量损失及水库操作方式等。3.求供水破坏机率与水库初始状态的关系用径流调节方法可以求得正常供水破坏的情况（表2-4）。例如当年初水库状态为0时，五年中破坏二年，即破坏机率为0.4或五年中破坏6个月，即破坏机率为6/（5×12）=0.1。同理，可用同样方法计算状态1，2，3时的破坏机率，计算结果如表2-6所示。4.计算书库稳定状态概率先任意假定第一年初水库的状态，如从状态0开始进行概率演算，即由状态转移概率矩阵与年初库位状态概率作矩阵乘积可计算第一年末水库之状态之概率。其计算结果如下：

其它两种计算方法，转移概率矩阵逐次平方法和解联立方程组法。后者要点是因为对于稳定状态有所以有因其是不独立的，故要求增加一个条件：P0+P1+P2+P3=1.0

解得P0=0.1579，P1=0.4736

P2=0.3685，P3=0

这一结果与前一方法结果相同。5.计算水库破坏供水保证率由于水库供水破坏的机率只与年初水库所处状态有关，而稳定的水库状态概率代表水库正常运行时，年末（初）水库蓄水情况，故只要前面计算步骤中3、4两步结果相乘即得正常供水遭受破坏的机率，如表2-7所示。本法的优点：（1）本法不必把总库容划分为年和多年库容（2）可以计入蓄水量、损失水量随时间和水库蓄水量的变化及考虑水库操作方式（3）计算的起讫时刻可以任意选择，不一定要按水利年度本法的缺点：（1）计算工作量大，当库蓄状态分段数较多时，需要借助电子计算机（2）只适用于年径流间是相互独立的第3章水电站水能计算

第一节水能计算的基本方程和主要方法一、水能计算的基本概念天然河流的能量是一种尚未开发的资源，这是河流的潜在能源，可用下面方法来确定。设有水体W，自上游断面1-1流经下游断面2-2（如图）。由水利学知识可知，含蓄在该水体内上下断面的能量分别为两个能量之间的差值就是W在该河段中消耗的能量用下式表示：单位为kgf*m假设上下断面流速及其分布情形是相同的，且其平均压力也相等，即：。则刚才的式子可以表示成：（3-4）。在天然的河道情况下，这部分能量的消耗在水流的内部摩擦，夹带泥沙及克服沿程河床阻力等方面，可以利用的部分往往很小，且能量分散。为了充分利用两断面能量，就要有一些水利设施如壅水坝、引水渠道、隧洞等，使落差集中，以减小沿程能量消耗，同时把水流的位能，动能转换成为水轮机的机械能，通过发电机再转换成电能。由于水能利用取决于落差和流量两个因素，且受地形、经济条件等限制，所以水电站开发方式，因地区而异。如水电站集中落差的方式来分类，则有蓄水式水电站，引水式水电站和混合式水电站3类。

选择何种开发形式，取得多少能量，主要通过技术经济比较，而水能计算的目的是定出水电站的一些基本技术生产指标（或称动能指标）如出力及发电量，水电站的工作情况及这些动能指标与参变数（正常蓄水位，死水位等）之间的关系，以供规划设计、方案选择之用。确定水电站动能指标值的计算，称为水能计算，或叫水能调节计算，它是水利计算的一个专门部分。水电站的出力计算可应用公式（3-4）。设发电流量为Q（）。在△t秒内，有水体W=Q△t通过水轮机流入下游，则由公式（3-4）可得水量W下降H所做的功：由物理概念，单位时间内所做的功叫功率，故水流的功率是单位为kgf*m/s。一般的电力计算中，把功率叫出力，并用kW作为计算单位：1kW=102kgf*m/s。通过变换可得：上面两个式子都是计算出力的理论公式，但运行中由于这样那样的水头损失实际出力要小一些。这些水头损失△H也可以用水力学公式来计算，所以净水头此外，由水能变为电嫩能够的过程中也都有能量损失，令为总效率系数（包罗水轮机、传送带和发电机效率），则：由此可知水电站出力大小与n、Q、H有关。我们可以看出，水能计算不是一般的水利计算，首先他并不是单纯利用水量，而是利用水量与落差的乘积所代表的能量，有一个水头利用问题。其次，水能计算必须考虑到落差和效率的影响，效率系数不是固定不变动的，他与出力、水头、下泄流量等有关。下图为某类型水轮机运转综合特性图。1、表明H一定时，随N而变化，其间有一个效率最高值，当出力不变时，也随H而变，其间也偶有一个最大值。2、图中为额定水头，它表示在该水头以上，机组可以可以发出额定出力（也称额定容量）。在额定水头以下，机组可以发出的最大出力随H之减小而减小。这是因为3、水头越小，受阻容量越大，因此在运行时水头有一定范围，在次范围内水轮机效率较高，出力受阻较小。这个范围一般以最小水头不小与最大水头的60%~70%来控制。应该指出，各种型号的水轮机有不同的运转综合特性曲线。但是考虑水头损失和不同效率的水能计算，往往相当复杂，所以实际计算中，通常把机组效率作为常数来近似处理。这样，水能计算基本方程式可写成（3-8）K为机组效率的一个综合效率系数，称为出力系数，由水轮机模型实验提供，也可以参考下表选用类型大型水电站中型水电站小型水电站直接连用皮带转动经两次转动出力系数8.58.07.0~7.56.56.0二、水能计算内容在前面我们已经知道，径流调节计算的任务是解决来水、需水，设计保证率和库容四者之间的关系。水能计算的任务，广义的说，和径流调节一样，也是解决这四者之间的关系。经常遇到的水能计算任务是确定电站效益与工程规模之间的关系。由于用户需要的是电能，因此除供水量外尚需考虑水头因素，它比一般的径流调节计算要复杂一点。

电站效益通常用保证出力和多年平均电能两指标来衡量，而工程规模则以水库正常蓄水位和有效库容、引水渠道尺寸及电站装机容量为指标。它们之间的关系由于影响因素多比较复杂，通常难以用数学方程式来表达。所以在工程规划设计时，总是先拟订若干个不同正常蓄水位方案来分别计算。首先根据地形、地质、淹没条件，对可能考虑的水库正常蓄水位拟订几个方案，然后对每个方案分别进行水能计算，确定最有利的死水位，保证出力，装机容量，多年平均电能等。显然，正常蓄水位越高，调节库容越大，保证出力、装机容量，多年平均电能也越大，起发电效益也越显著，然而水电站投资也越大。这样可以通过不同方案的综合经济比较来选定合理的正常蓄水位，保证出力，装机容量和多年平均电能，这些就是水能计算或水能设计的主要内容。三、水能计算的基本方程和主要方法

水能计算最基本的任务就是计算水电站动能指标----保证出力和多年平均电能。水电站出力公式为：如果考虑水头损失，则该水头损失值也是q的函数。因此，上式又可以表示为：（3-9）下游水位在无弃水的情况下，与下泄流量q是固定关系，一般用下游水位~流量关系曲线表示，次曲线为便于分析或电算，也可以用指数函数来选配，如：（10）a跟n是常数。Q和水库水位的关系，则可以用水量平衡方程来表达，即：（3-11）如果库容曲线也可以库水位h的函数形式表示，列如3次多项式：（3-12）则把关系式（10）（11）（12）代入（9）即可以的出按时序t作水能调节计算之基本微分方程式：（3-13）h是自库底起算之库水位高程或落差；Ho是下游水位基准点距库底之高差如图：因有：（3-14）其中A表示水库面积故利用（12）（14）可将微分方程式（13）写成下列最终形式：当Q（t），N（t）的函数形式（即它们的年内变化过程）已经给出，及A（h）为已知时，结合以知h的边界（起始）条件来求解上述微分方程，就可得出全年水库蓄泄曲线h（t）的解析式。但是，一般情况下，上述非线性微分方程的求解过程是困难的。因此实际计算中，常不得不用其他方法，如数值解法和列表试算法、图解法等来求解。（1）数值计算法。这是解微分方程的一种近似解，有欧拉法、梯形法、龙格—库塔法等（可以参看有关书籍）。此种方法要多次迭代，计算工作量颇大，随着电子计算机的广泛应用，它还是挺有前途的。（2）列表试算法。这是一种试算方法，她不是直接用积分求解出力微分方程，而是通过求解水量平衡微分方程式（11）及式（9）、（10）（12）来代替。由于式（9）（11）为隐函数，故须试算求解，具体解法是先将微分方程式（11）改为有限差：通过假定某个位置的q平均，逐步求解各个方程式。如果与假定值不符，再重新假定（如表）。列表试算法K=8.3时段△t月天然流量Q电站出力N发电流量Q水库蓄放流量△Q水库初末蓄水量V水库弃水量Q弃水库平均蓄水量*月上游平均水位（m）下游平均水位（m）平均落差H计算出力电量12345678910111213假定94.052559.520055149012125219260.19.9552559.518867161012725319260.99.56以下数据略（3）图解法为减少工作量，避免试算，常用图解法。这类方法很多，有马丝砌司机等的图解法，半图解法和通用工作曲线图等等，各有特点。下面介绍一种比较简便的半图解法。水能调节计算一般是在已给各时段出力下，连续的联解水量平衡方程和动力方程式（3-8）。设以V1代表时段初水库蓄水量，V代表时段平均库蓄水量，则水量平衡方程可改写成下式：将已知变量移向左端，未知变量移向右端，得：（3-16）根据以给定的N值由动力方程式B=kqH，结合库容曲线V=f(h)和下游Z~q关系线来求解。这一隐函数求解步骤，一般需要试算，为避免这一点，故宜先列表计算出各种N、q值下的（V/△t+q/2）值并绘成（V/△t+q/2）~N~q关系曲线，以供查用。此曲线组（如图）称水能计算工作曲线，也可称动力方程曲线。利用式（16）和图就可以方便的进行水能调节计算。如需要逆时序计算时，其水量平衡方程式