./水文水利計算課程設計第一章

概

況一、基本情況某河是渭岸較大的一級支流,發源于嶺北麓太白山區,流域面積778.7km2,干流全長51.5km,河道比降1/60～1/70。流域林木茂盛,植被良好,水流清澈,水質優良。該河干流上有一水文站,控制流域面積686km2。擬在該河干流上修建一水庫,其壩址位于水文站上游1.5公里處,控制流域面積673km2。該水庫將承擔著下游和渭河的防洪任務,下游的防洪標準為20年一遇洪水,水庫設計標準為100年一遇洪水,校核標準為1000年一遇洪水。該水庫建成后將承擔本地區37萬畝的農業用水任務和臨近城市的供水任務,農業用水的保證率為75%,城市供水的保證率為95%。二、基本資料1、徑流水文站有實測的1951～20XX逐月徑流資料。〔見附表1-12、洪水水文站有實測的1950～20XX洪水資料,經整理摘錄的逐年洪峰流量〔見附表1-2,同時調查到該水文站在1890和1930年曾經發生過兩次大洪水,其洪峰流量資料〔見表附1-2。并計算出了不同頻率洪量〔見附表1-3和典型洪水過程〔見附表1-4。3、農業用水根據該灌區的作物組成和灌溉制度,分析計算的灌區不同頻率灌溉需水量見表12。4、城市用水城市供水每年按1.5億m3計,年采用均勻供水。5、水庫特性水庫庫容曲線〔見圖1-1。水庫死水位為728.0m,泄洪設施為開敞式無閘溢洪道,斷面為矩形,寬度為30米。根據本地區氣象資料和地質資料,水庫月蒸發量和滲漏量分別按當月水庫蓄水量的2%和3.5%計。圖1-1

水庫水位～庫容系曲線關水庫在汛期輸水洞按其輸水能力泄洪,輸水洞進口高程為722m,徑為4m,設計流量為70m3/s。

第二章

水庫的入庫徑流特征分析一、

水文資料審查

1、資料的可靠性審查。

因為各種數據資料均摘自《水文年鑒》,故可靠性較高。

2、資料的一致性審查

因為河流發源于嶺北麓太白山區深處,流域林木茂盛,植被良好,水流清澈,水質優良,因此可斷定人為活動影響很小,流域下墊面條件穩定,下面利用單累積曲線法進行代表性分析,單累積曲線見圖2-1,由圖可知該年徑流系列的一致性較好。

3、資料的代表性審查。

因為壩址距水文站上游1.5公里處,兩處控制的流域面積相差不大〔不超過20%,又因水文站具有50年的逐月徑流資料,屬長系列。

由上面的年徑流差積曲線可知,該年徑流系列的代表性較好。

二、設計表年法設計年徑流量及其年分配

1、根據月徑流變化情況,將水文年資料轉變為水文年資料,即從每年3月到來年2月為一水文年。

2、利用水文比擬法將水文站的年徑流資料轉化為壩址處的年徑流資料,即將參證站的年徑流資料經過修正后移用于設計站,以流域面積和多年降水量為參變量,其中以流域面積為主要參變量,因為此流域無降水資料,所以只選用流域面積為參變量。年徑流的移置形式如下：

式中：F1、F2為壩址及水文站的年平均流量；

F1、F2為壩址及水文站的流域面積。

3、水庫年徑流頻率計算見表附表1。

4、利用矩法計算、Cs、Cv,其中計算的Cv=0.36,Cs=0.8,=12.17。

5、選配皮爾遜Ⅲ型頻率曲線,配線計算見表2-1,頻率曲線見附圖1。

經過多次配線和調整參數,發現當Cv=0.4,Cs=0.8時擬合較好。

6、年徑流頻率計算成果見表2-2

7、不同頻率的年徑流年分配

先選擇取徑流量與設計值相近的年份,再選取對工程不利的年份〔即需水時徑流量較枯,不需水時徑流量又較大的。然后利用公式：K=Qp/Qd.進行年徑流年分配,即縮放比K乘以各代表年逐月徑流,得設計年分配。不同頻率下的年徑流年分配過程見附表2。

其中：Qp設計年徑流量

Qd代表年的年徑流量第三章

洪水分析一、洪峰流量及洪量的頻率計算1、資料轉換,利用水文比擬法將水文站的洪峰流量資料轉化為壩址處的洪峰流量資料,其轉化形式為：Q設=<>0.67Q水式中：Q設

Q水壩址及水文站的洪峰流量。

F1,F2壩址及水文站的流域面積。0.67指數,因為該河的流域面積超過100km2,屬中型河流,所以取0.67。2、經驗頻率計算轉化后的洪峰流量資料屬于不連序系列,由實測系列和特大值系列共同組成,作為代表總體的一個樣本,不連序系列各項可在歷史調查期N年統一排位。在該洪峰流量系列中,歷史調查期N為111年,在調查期發生兩場特大洪水,即a=2；實測年n為51年,在實測年中無特大洪水發生,則有l=0。N年的a項特大洪水的經驗頻率用公式〔3-1計算,51項實測系列均勻分布在1-PMa頻率圍,PMa為特大洪水第末項M=a的經驗頻率,實測系列第m項的經驗頻率利用式〔3-2計算。3、

配頻率曲線,配線計算見表3-1,并點繪洪峰流量頻率曲線見附圖2。

經過多次配線,發現當Cv=1,Cs=3時擬合較好。4、

洪水頻率計算成果表見表3-2。由此計算可查附圖2得20年一遇的洪峰流量為1330m3/s

100年一遇的洪峰流量為2240m3/s1000年一遇的洪峰流量為3610m3/s二、繪制設計洪水過程線1、采用同頻率放大法進行典型洪水過程線的放大,當選定控制時段為最大1日、最大2日、最大3日、最大4日時,按下列公式推求放大倍比：

洪峰放大倍比RQm:

RQm=Qmp/Qmd最大1d洪量放大比R1:

R1=W1p/W1d最大2d洪量放大比R2：

R2=〔W2p-W1p/<W2d-W1d>最大3d洪量放大比R3：

R3=<W3p-W2p>/<W3d-W2d>最大4d洪量放大比R4：

R4=<W4p-W3p>/<W4d-W3d>典型洪水過程線繪于圖3-1,典型洪水過程線的洪峰,不同時段的洪量乘以相應的放大倍比,得不同頻率下的設計洪水過程線。然后針對時段分界處出現的不連續可以用手修勻,則得不同頻率下的設計洪水過程線亦見圖3-2、圖3-3、圖3-4。從圖中推求得到不同時段的洪峰洪量見表3-3,不同歷時洪量頻率曲線見附圖3洪水放大過程中需要說明的是,最大1天洪量包括在最大2天洪量之中,同理,最大2天洪量包括在最大3天洪量之中,最大3天洪量包括在最大4天洪量之中,得出的洪水過程線上的洪峰和不同時段的洪量,恰好等于設計值。由于各時段的放大倍比不相等,放大后的過程線在時段分界處出現不連續現象,此時可徒手修勻,修勻后仍保持洪峰和各時段洪量等于設計值。第四章

興利調節計算一、各種需水量計算1、城市用水城市供水每年按1.5億m3計,年采用均勻供水,即每個月城市用水為4.76m3/s。2、農業用水二、興利調節計算〔見附表41、代表段的選取利用差積曲線可選得代表段為水文年〔1980-1981—〔1999-2000,即代表段的年數為20年,用這20年的徑流系列求得的變差系數與總體的變差系數很接近,而均值與總體的均值相等,這說明這個代表段的選取是很合理的。2、興利調節計算水庫死水位為728.0m,并且查水位-庫容曲線圖1-1可得死庫容為330×104m3,用水包括95%保證率下的城市供水和75%保證率下的農業用水,以及水庫的月蒸發量和滲漏損失,其月蒸發量和滲漏損失分別按當月水庫蓄水量的2%和3.5%計,再根據來水進行興利計算。

該設計為了全面考慮城市用水和農業用水,采用試算法進行興利調節計算,先按不計損失進行計算,先假設一個庫容V,因第一個月出現虧水,因此第一個月對應的庫容是死庫容,然后繼續往下計算,遇到余水相加,遇到虧水相減,當算得的當月庫容大于假定設計庫容時,當月庫容以假定設計庫容計,當算得的當月庫容小于死庫容時該月庫容以死庫容計。按照順時序法進行計算,并求得各月平均蓄水量,然后按此平均蓄水量來計算水量損失。然后再考慮蒸發滲漏損失,繼續進行調節計算,計算后得到的庫容如果能夠滿足95%保證率下的城市供水和75%保證率下的農業用水,且很接近,那么這個假定庫容就是所要求的庫容。如果不滿足則要重新假定庫容,直到滿足為止。一般要調節兩次以上計算出來的庫容才比較準確,本設計在進行調節計算時,一共進行了三次調節計算,調節計算過程見附表3。最終算的結果是正常蓄水位對應的庫容是9997萬m3,由水位~庫容關系曲線可查得正常蓄水位也就是堰頂高程為794.6m,那么：興利庫容=正常蓄水位對應的庫容是〔9997萬m3-〔死庫容330萬m3=9667萬m3在計算保證率的時候城市用水用的是月保證率,灌溉用水用的是年保證率,當城市用水有幾個月不滿足時,就計幾個月不滿足,在算保證率的時候用到以下公式：

城市用水保證率=〔代表段總月數-城市用水未滿足的年份/代表段總月數；當月初的蓄水量與本月來水量之和減去蒸發滲漏損失不能滿足用水時,要首先用來滿足城市供水,如果一年中有一個月的農業用水不能得到滿足時,那么這一年的農業用水都不能得到滿足,即該年為一個破壞年。

農業用水保證率=〔代表段總年數-破壞的年數/代表段總年數

進行幾次試算可知,假設不同的庫容,可以得出不同的農業用水保證率,據此可以繪出庫容保證率關系曲線,見圖4-1。由庫容~保證率曲線可查得農業用水保證率對應的庫容為38.06〔m3/s.月,與進行多次調節的結果非常接近。第五章

防洪調節計算該水庫泄洪設施為開敞式無閘溢洪道,故本水庫調洪計算采用靜庫容曲線進行調洪計算。根據水庫水量平衡方程：

二、調洪演算〔見附表5、附表6、附表7利用列表試算法進行調洪計算,對任意的△t1時段,其Q1、Q2、q1、V1已知,需要求解q2和V2,其步驟是,假定水位Z2后,可以用Z2減去正常蓄水位〔794.6m求得堰上水頭H,再從水力學書查得堰流系數m=1.6,斷面為矩形,寬度為30米。運用公式q泄=mBH3/2=64H3/2計算得到堰頂泄流量,然后用q泄加上輸水洞的泄流〔70m3/s就得到總的泄流量q總,然后求W出=〔q總1+q總2/2*△t,W入=〔Q1+Q2/2*△t,△V=〔W入-W出,然后有V2=V1+△V,由水位~庫容函數關系V21=326.77×Z2,可得V21。如果V2=V21,則說明水位假設正確；如果V2不等于V21,則重新假設水位,直到V2等于V21。算完以后,看最高水位處的來水量和泄水量是否相等,如果不接近的話,則需要在峰值附近插一個時段,流量和時間都按直線插,對假設段重新進行試算,如果不接近,則重新插,直到來水量和泄水量不能在接近為止,此時的泄流量就是最大泄流量,水位就是水庫最高洪水位,然后完成假設段后面的試算,就可以得到完整的泄流過程。千年一遇、百年一遇、20年一遇的水庫調洪計算都是按照以上步驟完成的。從附表5中可以得到P=0.1%時,qm=2065m3/s,此時V=13901×104立方米,校核洪水位Z設=806.6m。從附表6中可以得到P=1%時,qm=1295.38.m3/s,此時V=12814.6×104立方米,設計洪水位Z設=803.27m。從附表7中可以得到P=5%時qm=796.72m3/s,此時V=11979.4×104立方米,防洪高水位Z防=800.72m。第六章

結論一、水庫特征水位和特征庫容因為該水庫泄洪設施為開敞式無閘溢洪道,所以正常蓄水位與防洪限制水位重合。1、正常蓄水位和興利庫容正常蓄水位：在正常運行條件下,為了滿足興利部門枯水期的正常用水,水庫在供水開始時應蓄到的最高水位,稱為正常蓄水位。

興利庫容：是指正常蓄水位到死水位之間的庫容,即水庫實際可用于徑流調節的庫容。2、防洪高水位和防洪庫容防洪高水位：當水庫下游有防洪要求時,遇到下游防護對象的設計標準洪水時,水庫經過調洪后,壩前達到的最高水位,成為防洪高水位。防洪庫容：防洪高水位至防洪限制水位間的水庫容積,針對該水庫就是防洪高水位到正常蓄水位之間的水庫容積。3、設計洪水位和攔洪庫容設計洪水位：是指當遇到大壩設計標準洪水時,水庫經過調洪后,壩前達到的最高水位,稱為設計洪水位。攔洪庫容：設計洪水位至防洪限制水位之間的水庫容積,針對該水庫就是設計洪水位至正常蓄水位之間的水庫容積。4、校核洪水位和調洪庫容校核洪水位：是指當遇到大壩校核標準洪水時,水庫經調洪后壩前達到的最高水位,稱為校核洪水位。調洪庫容：校核洪水位至防洪限制水位之間的水庫容積,針對該水庫就是校核洪水位至正常蓄水位之間的水庫容積。5、總庫容：是指校核洪水位以下的全部水庫容積。二、壩頂高程的確定設計洪水位或者校核洪水位加上一定數量的風浪高值和安全超高值,就可以得到壩頂高程。具體公式如下：

Z壩＝Z設＋h浪,設＋△1

〔6-1

Z壩＝Z校＋h浪,校