./水文水利計(jì)算課程設(shè)計(jì)第一章

概

況一、基本情況某河是渭岸較大的一級(jí)支流,發(fā)源于嶺北麓太白山區(qū),流域面積778.7km2,干流全長(zhǎng)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(zhì)優(yōu)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(kù),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(kù)將承擔(dān)著下游和渭河的防洪任務(wù),下游的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇洪水,水庫(kù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水,校核標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇洪水。該水庫(kù)建成后將承擔(dān)本地區(qū)37萬(wàn)畝的農(nóng)業(yè)用水任務(wù)和臨近城市的供水任務(wù),農(nóng)業(yè)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(shí)測(cè)的1951～20XX逐月徑流資料?！惨?jiàn)附表1-12、洪水水文站有實(shí)測(cè)的1950～20XX洪水資料,經(jīng)整理摘錄的逐年洪峰流量〔見(jiàn)附表1-2,同時(shí)調(diào)查到該水文站在1890和1930年曾經(jīng)發(fā)生過(guò)兩次大洪水,其洪峰流量資料〔見(jiàn)表附1-2。并計(jì)算出了不同頻率洪量〔見(jiàn)附表1-3和典型洪水過(guò)程〔見(jiàn)附表1-4。3、農(nóng)業(yè)用水根據(jù)該灌區(qū)的作物組成和灌溉制度,分析計(jì)算的灌區(qū)不同頻率灌溉需水量見(jiàn)表12。4、城市用水城市供水每年按1.5億m3計(jì),年采用均勻供水。5、水庫(kù)特性水庫(kù)庫(kù)容曲線(xiàn)〔見(jiàn)圖1-1。水庫(kù)死水位為728.0m,泄洪設(shè)施為開(kāi)敞式無(wú)閘溢洪道,斷面為矩形,寬度為30米。根據(jù)本地區(qū)氣象資料和地質(zhì)資料,水庫(kù)月蒸發(fā)量和滲漏量分別按當(dāng)月水庫(kù)蓄水量的2%和3.5%計(jì)。圖1-1

水庫(kù)水位～庫(kù)容系曲線(xiàn)關(guān)水庫(kù)在汛期輸水洞按其輸水能力泄洪,輸水洞進(jìn)口高程為722m,徑為4m,設(shè)計(jì)流量為70m3/s。

第二章

水庫(kù)的入庫(kù)徑流特征分析一、

水文資料審查

1、資料的可靠性審查。

因?yàn)楦鞣N數(shù)據(jù)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?yàn)楹恿靼l(fā)源于嶺北麓太白山區(qū)深處,流域林木茂盛,植被良好,水流清澈,水質(zhì)優(yōu)良,因此可斷定人為活動(dòng)影響很小,流域下墊面條件穩(wěn)定,下面利用單累積曲線(xiàn)法進(jìn)行代表性分析,單累積曲線(xiàn)見(jiàn)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?yàn)閴沃肪嗨恼旧嫌?.5公里處,兩處控制的流域面積相差不大〔不超過(guò)20%,又因水文站具有50年的逐月徑流資料,屬長(zhǎng)系列。

由上面的年徑流差積曲線(xiàn)可知,該年徑流系列的代表性較好。

二、設(shè)計(jì)表年法設(shè)計(jì)年徑流量及其年分配

1、根據(jù)月徑流變化情況,將水文年資料轉(zhuǎn)變?yōu)樗哪曩Y料,即從每年3月到來(lái)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(zhuǎn)化為壩址處的年徑流資料,即將參證站的年徑流資料經(jīng)過(guò)修正后移用于設(shè)計(jì)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?yàn)榇肆饔驘o(wú)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(kù)年徑流頻率計(jì)算見(jiàn)表附表1。

4、利用矩法計(jì)算、Cs、Cv,其中計(jì)算的Cv=0.36,Cs=0.8,=12.17。

5、選配皮爾遜Ⅲ型頻率曲線(xiàn),配線(xiàn)計(jì)算見(jiàn)表2-1,頻率曲線(xiàn)見(jiàn)附圖1。

經(jīng)過(guò)多次配線(xiàn)和調(diào)整參數(shù),發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cv=0.4,Cs=0.8時(shí)擬合較好。

6、年徑流頻率計(jì)算成果見(jiàn)表2-2

7、不同頻率的年徑流年分配

先選擇取徑流量與設(shè)計(jì)值相近的年份,再選取對(duì)工程不利的年份〔即需水時(shí)徑流量較枯,不需水時(shí)徑流量又較大的。然后利用公式：K=Qp/Qd.進(jìn)行年徑流年分配,即縮放比K乘以各代表年逐月徑流,得設(shè)計(jì)年分配。不同頻率下的年徑流年分配過(guò)程見(jiàn)附表2。

其中：Qp設(shè)計(jì)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(jì)算1、資料轉(zhuǎn)換,利用水文比擬法將水文站的洪峰流量資料轉(zhuǎn)化為壩址處的洪峰流量資料,其轉(zhuǎn)化形式為：Q設(shè)=<>0.67Q水式中：Q設(shè)

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(shù),因?yàn)樵摵拥牧饔蛎娣e超過(guò)100km2,屬中型河流,所以取0.67。2、經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算轉(zhuǎn)化后的洪峰流量資料屬于不連序系列,由實(shí)測(cè)系列和特大值系列共同組成,作為代表總體的一個(gè)樣本,不連序系列各項(xiàng)可在歷史調(diào)查期N年統(tǒng)一排位。在該洪峰流量系列中,歷史調(diào)查期N為111年,在調(diào)查期發(fā)生兩場(chǎng)特大洪水,即a=2；實(shí)測(cè)年n為51年,在實(shí)測(cè)年中無(wú)特大洪水發(fā)生,則有l(wèi)=0。N年的a項(xiàng)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率用公式〔3-1計(jì)算,51項(xiàng)實(shí)測(cè)系列均勻分布在1-PMa頻率圍,PMa為特大洪水第末項(xiàng)M=a的經(jīng)驗(yàn)頻率,實(shí)測(cè)系列第m項(xiàng)的經(jīng)驗(yàn)頻率利用式〔3-2計(jì)算。3、

配頻率曲線(xiàn),配線(xiàn)計(jì)算見(jiàn)表3-1,并點(diǎn)繪洪峰流量頻率曲線(xiàn)見(jiàn)附圖2。

經(jīng)過(guò)多次配線(xiàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cv=1,Cs=3時(shí)擬合較好。4、

洪水頻率計(jì)算成果表見(jiàn)表3-2。由此計(jì)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(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)1、采用同頻率放大法進(jìn)行典型洪水過(guò)程線(xiàn)的放大,當(dāng)選定控制時(shí)段為最大1日、最大2日、最大3日、最大4日時(shí),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(guò)程線(xiàn)繪于圖3-1,典型洪水過(guò)程線(xiàn)的洪峰,不同時(shí)段的洪量乘以相應(yīng)的放大倍比,得不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)。然后針對(duì)時(shí)段分界處出現(xiàn)的不連續(xù)可以用手修勻,則得不同頻率下的設(shè)計(jì)洪水過(guò)程線(xiàn)亦見(jiàn)圖3-2、圖3-3、圖3-4。從圖中推求得到不同時(shí)段的洪峰洪量見(jiàn)表3-3,不同歷時(shí)洪量頻率曲線(xiàn)見(jiàn)附圖3洪水放大過(guò)程中需要說(shuō)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(guò)程線(xiàn)上的洪峰和不同時(shí)段的洪量,恰好等于設(shè)計(jì)值。由于各時(shí)段的放大倍比不相等,放大后的過(guò)程線(xiàn)在時(shí)段分界處出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象,此時(shí)可徒手修勻,修勻后仍保持洪峰和各時(shí)段洪量等于設(shè)計(jì)值。第四章

興利調(diào)節(jié)計(jì)算一、各種需水量計(jì)算1、城市用水城市供水每年按1.5億m3計(jì),年采用均勻供水,即每個(gè)月城市用水為4.76m3/s。2、農(nóng)業(yè)用水二、興利調(diào)節(jié)計(jì)算〔見(jiàn)附表41、代表段的選取利用差積曲線(xiàn)可選得代表段為水文年〔1980-1981—〔1999-2000,即代表段的年數(shù)為20年,用這20年的徑流系列求得的變差系數(shù)與總體的變差系數(shù)很接近,而均值與總體的均值相等,這說(shuō)明這個(gè)代表段的選取是很合理的。2、興利調(diào)節(jié)計(jì)算水庫(kù)死水位為728.0m,并且查水位-庫(kù)容曲線(xiàn)圖1-1可得死庫(kù)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(nóng)業(yè)用水,以及水庫(kù)的月蒸發(fā)量和滲漏損失,其月蒸發(fā)量和滲漏損失分別按當(dāng)月水庫(kù)蓄水量的2%和3.5%計(jì),再根據(jù)來(lái)水進(jìn)行興利計(jì)算。

該設(shè)計(jì)為了全面考慮城市用水和農(nóng)業(yè)用水,采用試算法進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算,先按不計(jì)損失進(jìn)行計(jì)算,先假設(shè)一個(gè)庫(kù)容V,因第一個(gè)月出現(xiàn)虧水,因此第一個(gè)月對(duì)應(yīng)的庫(kù)容是死庫(kù)容,然后繼續(xù)往下計(jì)算,遇到余水相加,遇到虧水相減,當(dāng)算得的當(dāng)月庫(kù)容大于假定設(shè)計(jì)庫(kù)容時(shí),當(dāng)月庫(kù)容以假定設(shè)計(jì)庫(kù)容計(jì),當(dāng)算得的當(dāng)月庫(kù)容小于死庫(kù)容時(shí)該月庫(kù)容以死庫(kù)容計(jì)。按照順時(shí)序法進(jìn)行計(jì)算,并求得各月平均蓄水量,然后按此平均蓄水量來(lái)計(jì)算水量損失。然后再考慮蒸發(fā)滲漏損失,繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算,計(jì)算后得到的庫(kù)容如果能夠滿(mǎn)足95%保證率下的城市供水和75%保證率下的農(nóng)業(yè)用水,且很接近,那么這個(gè)假定庫(kù)容就是所要求的庫(kù)容。如果不滿(mǎn)足則要重新假定庫(kù)容,直到滿(mǎn)足為止。一般要調(diào)節(jié)兩次以上計(jì)算出來(lái)的庫(kù)容才比較準(zhǔn)確,本設(shè)計(jì)在進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí),一共進(jìn)行了三次調(diào)節(jié)計(jì)算,調(diào)節(jié)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)附表3。最終算的結(jié)果是正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容是9997萬(wàn)m3,由水位~庫(kù)容關(guān)系曲線(xiàn)可查得正常蓄水位也就是堰頂高程為794.6m,那么：興利庫(kù)容=正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容是〔9997萬(wàn)m3-〔死庫(kù)容330萬(wàn)m3=9667萬(wàn)m3在計(jì)算保證率的時(shí)候城市用水用的是月保證率,灌溉用水用的是年保證率,當(dāng)城市用水有幾個(gè)月不滿(mǎn)足時(shí),就計(jì)幾個(gè)月不滿(mǎn)足,在算保證率的時(shí)候用到以下公式：

城市用水保證率=〔代表段總月數(shù)-城市用水未滿(mǎn)足的年份/代表段總月數(shù)；當(dāng)月初的蓄水量與本月來(lái)水量之和減去蒸發(fā)滲漏損失不能滿(mǎn)足用水時(shí),要首先用來(lái)滿(mǎn)足城市供水,如果一年中有一個(gè)月的農(nóng)業(yè)用水不能得到滿(mǎn)足時(shí),那么這一年的農(nóng)業(yè)用水都不能得到滿(mǎn)足,即該年為一個(gè)破壞年。

農(nóng)業(yè)用水保證率=〔代表段總年數(shù)-破壞的年數(shù)/代表段總年數(shù)

進(jìn)行幾次試算可知,假設(shè)不同的庫(kù)容,可以得出不同的農(nóng)業(yè)用水保證率,據(jù)此可以繪出庫(kù)容保證率關(guān)系曲線(xiàn),見(jiàn)圖4-1。由庫(kù)容~保證率曲線(xiàn)可查得農(nóng)業(yè)用水保證率對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為38.06〔m3/s.月,與進(jìn)行多次調(diào)節(jié)的結(jié)果非常接近。第五章

防洪調(diào)節(jié)計(jì)算該水庫(kù)泄洪設(shè)施為開(kāi)敞式無(wú)閘溢洪道,故本水庫(kù)調(diào)洪計(jì)算采用靜庫(kù)容曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算。根據(jù)水庫(kù)水量平衡方程：

二、調(diào)洪演算〔見(jiàn)附表5、附表6、附表7利用列表試算法進(jìn)行調(diào)洪計(jì)算,對(duì)任意的△t1時(shí)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?gòu)乃W(xué)書(shū)查得堰流系數(shù)m=1.6,斷面為矩形,寬度為30米。運(yùn)用公式q泄=mBH3/2=64H3/2計(jì)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(kù)容函數(shù)關(guān)系V21=326.77×Z2,可得V21。如果V2=V21,則說(shuō)明水位假設(shè)正確；如果V2不等于V21,則重新假設(shè)水位,直到V2等于V21。算完以后,看最高水位處的來(lái)水量和泄水量是否相等,如果不接近的話(huà),則需要在峰值附近插一個(gè)時(shí)段,流量和時(shí)間都按直線(xiàn)插,對(duì)假設(shè)段重新進(jìn)行試算,如果不接近,則重新插,直到來(lái)水量和泄水量不能在接近為止,此時(shí)的泄流量就是最大泄流量,水位就是水庫(kù)最高洪水位,然后完成假設(shè)段后面的試算,就可以得到完整的泄流過(guò)程。千年一遇、百年一遇、20年一遇的水庫(kù)調(diào)洪計(jì)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(shí),qm=2065m3/s,此時(shí)V=13901×104立方米,校核洪水位Z設(shè)=806.6m。從附表6中可以得到P=1%時(shí),qm=1295.38.m3/s,此時(shí)V=12814.6×104立方米,設(shè)計(jì)洪水位Z設(shè)=803.27m。從附表7中可以得到P=5%時(shí)qm=796.72m3/s,此時(shí)V=11979.4×104立方米,防洪高水位Z防=800.72m。第六章

結(jié)論一、水庫(kù)特征水位和特征庫(kù)容因?yàn)樵撍畮?kù)泄洪設(shè)施為開(kāi)敞式無(wú)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(kù)容正常蓄水位：在正常運(yùn)行條件下,為了滿(mǎn)足興利部門(mén)枯水期的正常用水,水庫(kù)在供水開(kāi)始時(shí)應(yīng)蓄到的最高水位,稱(chēng)為正常蓄水位。

興利庫(kù)容：是指正常蓄水位到死水位之間的庫(kù)容,即水庫(kù)實(shí)際可用于徑流調(diào)節(jié)的庫(kù)容。2、防洪高水位和防洪庫(kù)容防洪高水位：當(dāng)水庫(kù)下游有防洪要求時(shí),遇到下游防護(hù)對(duì)象的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),水庫(kù)經(jīng)過(guò)調(diào)洪后,壩前達(dá)到的最高水位,成為防洪高水位。防洪庫(kù)容：防洪高水位至防洪限制水位間的水庫(kù)容積,針對(duì)該水庫(kù)就是防洪高水位到正常蓄水位之間的水庫(kù)容積。3、設(shè)計(jì)洪水位和攔洪庫(kù)容設(shè)計(jì)洪水位：是指當(dāng)遇到大壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),水庫(kù)經(jīng)過(guò)調(diào)洪后,壩前達(dá)到的最高水位,稱(chēng)為設(shè)計(jì)洪水位。攔洪庫(kù)容：設(shè)計(jì)洪水位至防洪限制水位之間的水庫(kù)容積,針對(duì)該水庫(kù)就是設(shè)計(jì)洪水位至正常蓄水位之間的水庫(kù)容積。4、校核洪水位和調(diào)洪庫(kù)容校核洪水位：是指當(dāng)遇到大壩校核標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí),水庫(kù)經(jīng)調(diào)洪后壩前達(dá)到的最高水位,稱(chēng)為校核洪水位。調(diào)洪庫(kù)容：校核洪水位至防洪限制水位之間的水庫(kù)容積,針對(duì)該水庫(kù)就是校核洪水位至正常蓄水位之間的水庫(kù)容積。5、總庫(kù)容：是指校核洪水位以下的全部水庫(kù)容積。二、壩頂高程的確定設(shè)計(jì)洪水位或者校核洪水位加上一定數(shù)量的風(fēng)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(shè)＋h浪,設(shè)＋△1

〔6-1

Z壩＝Z校＋h浪,校