水資源規劃及利用知識概要第五章防洪減災1.洪水是暴雨、急驟冰雪溶化、風暴潮和水庫潰壩等自然或自然人為因素引起的江河湖泊水量增加、水位上漲或海水侵襲淹沒部分陸地的現象。按洪水成因可分為：暴雨洪水，風暴潮，冰雪融水，冰凌型洪水。洪水致災因素：自然因素，是產生洪水和形成洪災的主導因素；社會因素，包括人口增多、社會經濟發展等，造成洪水災害不斷加重；研究洪災成因，應在關注自然因素作用的同時，著重分析人類活動對洪水成災規律和防洪安全的影響，人類活動的影響主要表現在以下幾個方面： 植被破壞，水土流失加劇，入河泥沙增多； 圍湖造田，與河爭地，河湖泄蓄洪能力降低； 防洪工程標準低，病險多，抗洪能力弱； 非工程防洪措施不完善，難以適應防洪減災的要求； 蓄滯洪區安全建設不能滿足需要，運用難度大。洪災：一般是指因河水或湖水泛濫淹沒城市和農村所引起的災害。澇災：指的是因降雨使土地過濕造成農作物生長不良而減產的現象，或因雨后地面排泄不暢而產生大面積積水使社會財產受損。（明澇和漬澇）由于水災和澇災往往同時發生，有時也難以區分，因此，水、澇災害常統稱為洪水災害。洪災損失：經濟損失：指洪水淹沒造成的可用貨幣計量的各類損失，故又稱有形損失，主要包括：工業、農業、交通、郵電、居民房屋、家庭財產以及各種其他損失等。非經濟損失： 指洪水引起的難以用貨幣計量的損失，故又稱為無形損失，如生態環境的惡化，文物古跡的破壞，災民傷亡與精神痛苦，災區疾病流行及其對民眾健康的影響，正常生活工作秩序與環境破壞造成的社會混亂，由于房屋財產損失而使人們的日常生活水平驟然下降，以及洪災對國家的政治穩定和國際聲譽的不利影響等。洪水災害產生的不利影響：對經濟發展的影響，對自然生態環境造成嚴重危害，對社會生活產生多方面的影響，對國家事務產生影響。2.防洪工程措施是以修建工程的手段，達到控制洪水、減少洪災的作用，多屬于工程技術問題。防洪非工程措施：主要考慮洪災程度和風險程度，根據保護對象的重要程度不同，實行不同程度的保護。因此，采用法令、行政、經濟、技術等手段和通過國家、地方和集體、個人之間的合作，預先安排，以減少洪災損失，屬于規劃管理問題。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.防洪標準定義 各種防洪保護對象或水利工程本身要求達到的防御洪水的標準。通常以頻率法計算的某一重現期的設計洪水為防洪標準，或以某一實際洪水(或將其適當放大)作為防洪標準。 當水庫不承擔下游防洪任務時，按水庫工程水工建筑物防洪標準，選定合適的設計洪水和校核洪水的流量過程線，作為水庫調洪計算的原始資料。防護對象的防洪標準防護對象的防洪標準應以防御的洪水或潮水的重現期表示。對特別重要的防護對象，可采用可能最大洪水表示。 可能最大洪水是指河流斷面可能發生的最大洪水，由最惡劣的氣象和水文條件組合形成，是永久性水工建筑物非常運用情況下最高標準的洪水，可用水文氣象法或數理統 計法估算。 根據防護對象的不同需要，其防洪標準可采用設計一級或設計、校核兩級。4. 河道整治規劃是根據河道演變規律和興利除害要求，為治理、改造河道所進行的水利工程規劃。 河道整治規劃一般包括洪水、中水、枯水三種整治方案。5. 堤防是沿河流、湖泊、海洋或行洪區、分洪區、水庫庫區的周邊修筑的擋水建筑物，是世界上最早廣泛采用的防洪工程。堤防按其所在位置不同，可以分為河堤、湖堤、海堤、圍堤和水庫堤防五種。因各自工作條件不同，故其規劃設計要求也有所差別。這里主要介紹河堤規劃。干堤設計標準較高，支堤防洪標準一般低于同流域的干堤。堤線布置應遵循下列原則：河堤的堤線應與河勢流向相適應，并與大洪水的主流線大致平行；一個河段兩岸堤防的間距或一岸高地一岸堤防之間的距離應大致相等，不宜突然放大或縮小；堤線應力求平順，各堤段平緩連接，不得采用折線或急彎；堤防工程應盡可能利用現有堤防和有利地形，修筑在土質較好、比較穩定的灘岸上，留有適當寬度的灘地，盡可能避開軟弱地基、深水地帶、古河道、強透水地基；堤線應布置在占壓耕地、拆遷房屋等建筑物少的地帶，避開文物遺址，利于防汛搶險和工程管理。6.調洪演算原理 9.水庫防洪設計 防洪設計中Z防、Z設、Z校的確定。防洪設計的主要流程及成果有哪些？防洪高水位及防洪庫容的推求防洪高水位：當遇下游防護對象的設計洪水時，在壩前達到的最高水位即為防洪高水位。防洪庫容：防洪高水位與汛期防洪限制水位之間的庫容即為防洪庫容。防洪高水位推求過程: t1時刻Q=q汛限，閘門全開。，水位逐漸上升。 至t2時刻，q=q安，于是用閘門控制，使q=q安，水位繼續上升，閘門逐漸關小。 至t3時刻，Q降落得重新等于q，水庫水位達到最高，閘門也不再關小。 t3以后是水庫泄水過程，水庫水位逐漸回降。 在t1時刻以前，使q=Q設計洪水位及攔洪庫容的推求設計洪水位：水庫遇大壩設計洪水時，在壩前達到的最高水位稱設計洪水位。攔洪庫容：設計洪水位與汛期防洪限制水位之間的庫容即為攔洪庫容。下游有防洪要求時1. t1前，q=Q， Z，q ；2. t2時Q=q汛限，閘門逐漸關小;3. t2t3間用閘門控制q使q=q安，以滿足下游防洪要求;4. 至t3時，Z=Z防，因確保水工建筑物的安全，不再控制q，而是將閉門全部打開自由溢流;5. t4時刻，Zmax，qmax校核洪水位及攔洪庫容的推求校核洪水位：水庫遇大壩校核洪水時，在壩前達到的最高水位稱設計洪水位。調洪庫容： 校核洪水位與汛期防洪限制水位之間的庫容即為調洪庫容。10. 分洪是指把河道的部分超額洪水經分洪道直接分流入海、入湖，或進入其他河流，或繞過防洪保護區在其下游返回原河道。 分洪區是指利用河道兩側的低洼圩垸，或利用附近的湖泊、洼地加修圍堤而形成的用來分蓄洪水的區域。分洪區的全部工程措施稱為分洪工程，一般包括進洪設施、分洪道、分(蓄)洪區及其安全避洪設施以及排洪設施等。蓄洪是指將進洪設施分泄的洪水直接或經分洪道進入湖泊或洼地圍成的區域蓄存起來，起蓄洪或滯洪作用。這樣的區域稱為蓄洪區。在河流、湖泊漲水期，蓄洪區只蓄不泄，通過蓄洪起到降低河流、湖泊水位的作用。在河流、湖泊水位回落后再將蓄洪區的水量泄放出去。行洪是指汛期在筑有堤防的河流或河段，洪水在兩堤之間的安全宣泄。 行洪區是指河道兩側或河岸之間用以宣泄洪水的區域。河道包括河槽和灘地兩部分。在一些江河行洪區內仍有居民從事農業生產活動，有些還有群眾居住。滯洪是指為短期阻滯或延緩洪水行進速度而采取的措施，其目的是與主河道洪峰錯開。這樣的區域稱為滯洪區。第六章水能利用1水流出力是單位時間內的水能。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：壩式: 壩后式、河床式、壩內式、壩旁式 引水式 混合式2水電站的出力：電站全部發電機組出線端送出功率之和（kW ） 。N 9.81Q H K Q H K =9.81 =機電傳H =Z上-Z下-D H3水電站保證出力，是指水電站在長期工作中符合水電站設計保證率要求的一定計算期的平均出力。是反映水電站在設計枯水條件下的動能效益指標，是水電站規劃設計階段確定其裝機容量的重要依據。電力負荷：即用電戶對電力系統提出的出力要求。電力系統的負荷：把電力系統內的工業，農業和市政及交通運輸等用戶在同一時間內對電力系統的處理疊加起來。4采用以下3個指標值反映日負荷圖的特征：（1）基荷指數 ，值越大，基荷占負荷圖的比重越大，表示系統用電情況比較平穩。 （2）日最小負荷率 ，值越小，表示日高峰負荷與日低谷負荷的差別越大，日負荷越不均勻。（3）日平均負荷率 值越大，表示日負荷變化越小。5水電站的技術特性:（1）出力和發電量是隨天然徑流量和水庫調節能力有一定的變化。（2）工作位置及發電量受水庫綜合利用的影響。（3）水電站的年運行費用與所生產的電能量無關，因此在豐水期內應盡可能多發水電，以節省系統燃料消耗。（4）水電站適宜擔任系統的調峰、調頻和事故備用等任務。機組開停靈便、迅速，火電站的特點: （l）只要保證燃料供應，火電站可以全年按額定出力工作，不像水電站那樣受天然來水的制約。（2）一般說來，火電站適宜擔任電力系統的基荷，這樣單位煤耗較小。6電站的裝機容量：該電站上所有機組的額定容量之和。所有電站的裝機容量之和即為電力系統的裝機容量。在規劃設計階段，店里系統總的裝機容量N系，裝N系，工:系統最大工作容量，即為了滿足系統最大負荷要求而設置的容量。N系，備：系統備用容量，包括負荷備用容量，檢修備用容量，事故備用容量N系，重：系統重復容量，由水電站額外增設的這部分容量，（為了利用棄水，增加季節性電能）并非為了保證系統正常工作所必需，在苦水季節不能代替火電站工作。N系，裝=N系，工+N系，備+N系，重= N系，工 +N系，必從運行角度來看 ：N系，裝=N系，可 +N系，阻 =N系，工 + N系，備+ N系，空+ N系，阻7水電站的裝機容量是指水電站所有機組額定容量的總和，由水電站最大工作容量、備用容量和重復容量所組成。水電站最大工作容量：是指設計水平年電力系統負荷最高（一般出現在冬季枯水季節）時水電站能擔負的最大發電容量。是根據設計枯水年來確定的，可能使無調節或調節性能差的水電站在汛期產生棄水。在確定水電站的最大工作容量時，須進行電力系統的電力（出力）平衡和電量（發電量）平衡及系統容量平衡。系統電力平衡 系統中所有各電站的出力之和必須隨時滿足系統的負荷要求。系統電量平衡 系統中所有電站在任一時段內的發電量之和必須與系統在該時段內的電量需求相平衡。系統容量平衡 分析確定系統內所有水、火電站在電力系統負荷圖上各時段所承擔的工作容量及各種備用容量，并檢查有無空閑容量和受阻容量。8 水電站保證電能 ：水電站在與其保證出力相對應的計算期內能提供的電能。 9各類調節性能的水電站的運行方式總結：無調節水電站的運行特征是：任何時刻的出力主要決定于河中天然流量的大小。枯水期：擔任基荷。豐水期：仍只宜于擔任基荷；只有當天然流量所產生的出力大于系統的最小負荷時，水電站應擔任基荷和一部分腰荷，這時還會發生棄水。無調節水電站在不同水文年的運行方式 設計枯水年：枯水期: 水電站以最大工作容量或大于最大工作容量的某個出力運行。豐水期：即使以其全部裝機容量運行，有時仍不免有棄水。 豐水年：可能全年均需要用全部裝機容量在負荷圖的基荷部分運行。可能全年均有棄水。日調節水電站的一般工作特性 日調節水電站的工作特征是：除棄水期外，在任何一日內所能生產的電能量，與該日天然來水量時（除其他水利部門用水）所能發出的電能量相等。 原則上是在不發生棄水情況下，應盡量讓日調節水電站擔任系統的峰荷，以充分發揮水輪發電機組能迅速靈活適應負荷變化的優點。水電站進行日調節，對電力系統所起的效益可歸納為以下3方面： （1）日調節水電站在枯水期一般總是擔任峰荷，讓火電站擔任基荷；從而節省煤耗，降低系統的運行費用。 （2）在一定的保證出力情況下，日調節水電站比無調節水電站的工作容量可更大一些，能更多地取代火電站的容量；可減少系統的總投資。 （3）豐水期，日調節水電站全部裝機容量逐步由峰荷轉到基荷運行；可增加水電站的發電量，相應減少火電站的發電量與總煤耗，從而降低系統的運行費用。解決矛盾的措施：（1）對水電站的日調節進行適當的限制；（2）在水電站下游修建反調節水庫以減小流量、水位和流速的波動幅度。日調節水電站在不同季節的運行方式：一年內不同季節來水流量變化很大，日發電量變化也大。在水電站裝機容量已定的條件下，為了充分利用河水流量，避免棄水，日調節水電站在電力系統年負荷圖上的工作位置，應隨著來水的變動情況加以調整。 （1） 設計枯水年 枯水期：峰荷（以最大工作容量工作） 豐水期：腰荷 用E輔助線和N輔助線確定工作位置（雙輔助線法）。 書本P203 （2） 豐水年 枯水期：峰荷和部分腰荷 初汛后期：可能已有棄水，以全部裝機容量擔任基荷 汛后的初期：來水可能仍較多，擔任基荷 年調節水電站的運行方式 年調節在一年內按來水情況一般可劃分為供水期、蓄水期、棄水期和不蓄不供期（也稱按天然流量工作期）四個階段。設計枯水年運行方式：供水期，蓄水期、棄水期和不蓄不供期 書本P204豐水年運行方式： 書本P205多年調節水電站的運行方式: 多年調節水庫一般總是同時進行年調節和日調節。 其徑流調節程度和水量利用率都比年調節水庫的大。 通常是全年均承擔峰、腰荷。10 水電站最大工作容量的確定 書本P207-212 各類調節性能的水電站重復容量和備用容量的確定 書本P212-217有關規程規定： 水電站：大修周期23年，30天/臺 火電站： 大修周期11.5年，45天/臺11水電站裝機容量的選擇及分析 書本P217-22212以發電為主的水庫特征水位的選擇水庫正常蓄水位的選擇水庫正常蓄水位是指水庫在正常運用情況下，為滿足設計興利要求在開始供水前應蓄到的最高水位。不同調節性能的水庫蓄到正常蓄水位所需的時間長短不同（多年調節、年（季）調節、日調節和無調節）。正常蓄水位是水庫或水電站的重要特征值，它直接影響整個工程的規模以及有效庫容、調節流量、裝機容量、綜合利用效益等指標。一般來說，無調節水電站在任何時候水庫水位保持在正常蓄水位不變，日調節水庫每天在水電站調節峰荷以前應維持在正常蓄水位，只有在汛期有排沙要求的特殊情況下，才要降低水庫水位運行，年調節水庫一般在每年供水期前可蓄到正常蓄水位，多年調節水庫要在連續發生若干個豐水年后才能蓄到正常蓄水位。在一般情況下，當由較低的正常蓄水位方案增加到較高的正常蓄水位時，開始時各動能指標增加較快，其后增加就逐漸減慢。正常蓄水位比較方案的擬定 首先定出正常蓄水位的上限值與下限值，然后在此范圍內擬定若干個比較方案。正常蓄水位上下限方案的擬定下限方案主要根據各水利部門的最低興利要求擬定。（發電：盡量滿足電力系統對擬建水電站所提出的最低發電容量與電量要求。灌溉或城鎮供水：盡可能滿足地區發展規劃及最必需的工農業供水量。）上限方案擬定主要考慮下列因素：（1）庫區的淹沒、浸沒損失。（2）壩址及庫區的地形地質條件。 （3）河流梯級開發規劃方案。盡量“首尾相接”。（4）蒸發、滲漏損失。 （5）人力、物力、財力及工期的限制。一般可擬定46個方案供比較選擇。選擇正常蓄水位的步驟和方法1. 擬定水庫的消落深度。 規劃階段通常采用簡化法： 以發電為主的水庫：根據經驗統計，可用水電站最大水頭H的某一百分比初步擬定水庫的消落深度h消，從而定出各個方案的調節庫容。對于以灌溉、供水為主的水庫，其消落深度可適當增加些，盡可能增加興利庫容，減少棄水，增加調節流量。 2根據初估的工程規模，選擇設計保證率，選擇設計代表年或設計代表系列。 3用簡化法進行徑流調節與水能計算，求各方案的保證出力、多年平均發電量、裝機容量、保證供水量及灌溉面積等。 4求出各方案之間有關水利動能參數的差，對水利動能參數較小的方案，選擇恰當的替代方案。 5計算各方案及其替代方案的投資、年運行費，然后求得各方案的年費用NF1、替代方案的年費用NF2及系統的年費用（NF系=NF1+NF2），以便進行水利動能經濟比較，從中選出最有利方案。以發電為主的水庫： 如果其他綜合利用要求相對不大，或者其效益在各正常蓄水位方案之間差別不大。 直接計算各個方案水電站的年費用AC水、替代火電站的補充年費用AC火和電力系統的年費用 AC系 AC水 AC火。 按系統年費用最小準則選出經濟上最有利的正常蓄水位。 應該說明，在正常蓄水位選擇時，應進行綜合評價，以保證所選出的水庫規模符合地區社會經濟發展的要求，而且是技術上正確、經濟上合理、財務上可行的方案。各水利部門對死水位的要求設計死水位，是指水庫在正常運行情況下允許消落的最低水位，一般情況下，水庫水位在死水位和正常蓄水位之間變動，其變幅即為消落深度如果設計電站是梯級開發的下級電站，應該讓電站的死水位定得較高，可以使得上級水庫的出庫徑流經過本電站時利用的平均水頭也比較高，進而可以增加這部分徑流的發電量。下級電站的入庫徑流包括上級水庫的出庫徑流和區間徑流。如果設計電站是上級電站，則應該讓水庫死水位定得低一點，則興利庫容比較大，枯水期的調節流量比較大，并提高其保證出力。1發電的要求 在已定的正常蓄水位下，隨著水庫消落深度的加大，興利庫容及調節流量均隨著增加；另一方面，死水位的降低，相應水電站供水期內的平均水頭卻隨著減小，因此其中存在一個比較有利的消落深度，使水電站供水期的電能最大。為便于分析，可以把水電站供水期的電能E供 劃分為兩部分，一部分為蓄水庫容 電能E庫 ，另一部分為來水量 產生的不蓄電能 E不蓄 。E供= E庫 + E不蓄E庫=0.00272V興供 E不蓄=0.00272W供供對于水庫電能E庫，死水位Z死越低，V興就越大，雖然供水期平均水頭供要小一些，但是其減小的影響一般小于V興增加的影響，所以水庫的消落深度越大，E庫就越大，只是增量越來越小。而對于不蓄電能E不蓄，由于供水天然來水量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，兩者求和，當水庫的消落深度為某一個值時，供水期電能可能出現最大值E供。 對于蓄水期發電情況類似，水庫也存在一定的消落深度，使得水電站蓄水期內的電能達到最大值E蓄.但因為蓄水期電能E蓄中不蓄電能一般占主要部分，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。 水電站在枯水年全年所發的電能E枯年= E枯供 + E枯蓄，兩者疊加，可以得到最大值E枯年與水庫消落深大的關系曲線，中水年的豐水年也是如此。此時對應的消落深度的關系：豐水年平水年枯水年。 由于水電站在遇到設計枯水年或者設計枯水年系列時，供水期末水庫水位才會消落到死水位，因此在電站建成后運行期間，為了獲得更多電能，每年的消落深度是變化的，所以可以適當調整死水位，即運行期內水庫的死水位不是固定不變的。其他部門對死水位的要求若下游有灌溉，工業用水或者航運要求時，應該根據徑流調節所需的興利庫容選擇死水位。如果綜合利用各部門所要求的死水位比發電要求的高，則可以按發電要求選擇死水位；如果低于，應該根據主次要求選擇死水位，當水庫主要任務是發電時，在盡量滿足綜合利用的要求下，按照發電要求選擇死水位。選擇死水位的步驟和方法1. 方案擬定 以發電為主的水庫，選擇死水位時應考慮水電站在設計枯水年供水期（年調節水庫）或設計枯水年系列（多年調節水庫）獲得最大的保證出力，而在多年期內獲得盡可能多的發電量，同時考慮各水利部門的綜合利用要求以及對上下游梯級水電站的影響，然后對各方案的水利、動能、經濟和技術等條件進行綜合分析，選擇比較有利的死水位。在已定的正常蓄水位條件下，根據庫容特性、綜合利用要求、地形地質條件、水工、施工、機電設備等要求，確定死水位的上、下限，然后在上、下限之間，擬定若干個死水位方案進行比較。選擇水庫死水位的上限，一般應考慮下列因素: 通常為獲得最大多年平均年電能的死水位，比為獲得最大保證出力的死水位高。因此水電站水庫的上限方案，應稍高于具有最大多年平均年電能的死水位。 對于調節性能不高的水庫，應盡可能保證能進行日調節所需的庫容。 對于調節性能較高的水庫，盡可能保持具有多年調節性能。選擇水庫死水位的下限，一般應考慮下列因素： 如水庫具有綜合利用要求，死水位的下限不應高于灌溉、城市供水及發電等引水所要求的高程；