11水工概论-第二章.

第二章水利水电基本知识本章内容：第一节水文学及水力学第二节水利水电规划第三节工程地质第一节水文学及水力学水文学是研究自然界中各种水体变化规律的学科。在水利水电工程中，重点研究对象是工程水文学。水力学是研究水在静止或流动时的力学规律的学科。如挡水建筑物承受的水荷载、输水和泄水建筑物的过流能力、水流通过河渠和建筑物时的流动形态和受力特征等。一、自然界中的水循环及水量平衡自然界的水主要存在于三个方面:1、地表水。2、地下水。3、大气中的水。把自然界中水的这种相互转化的过程称为水(文)循环。地球上不同空间位置水的存储量并不是静止不变的。根据水在自然界的循环路径，水循环可分为大循环和小循环。大循环是指水在大气圈、水圈和岩石圈之间的循环过程。小循环是指陆地、湖泊或海洋本身的水，在其自身所在的小区域内单独进行循环的过程。自然界水循环示意图水循环在地球上不间断地进行着，使存储于不同水域和空间的水量在不断地变化中。但是，地球作为一个封闭系统，自然界中的水体总量是一定的。水量平衡表现为，海洋与陆地的多年平均降水量之和等于多年平均蒸发量之和。用下式表示:式中:Zos、Zoc分别为海洋、陆地的多年平均蒸发量;Xos,Xoc分别为海洋、陆地的多年平均降水量;Yo为河川汇人海洋的多年平均径流量，也就是水文大循环中，海洋与陆地之间的水交换量。二、河流和流域地表上较大的天然水流称为河流。河流分为河源、上游、中游、下游和河口几段。长江，河源发源于青海的唐古拉山。湖北宜昌以上为上游,宜昌至安徽安庆的河段为中游，安庆以下河段为下游，河口位于上海市。在水利水电枢纽工程中，习惯上以面向河流下游为准，左手侧河岸称为左岸，右手侧称为右岸。直接流入海洋或内陆湖的河流称为干流，流入干流的河流为一级支流，流入一级支流的河流为二级支流，依下类推。河流的干流、支流、溪涧和流域内的湖泊彼此连接所形成的庞大脉络系统称为河系或水系。流域是一个水系的干流及其支流的全部集水区域。分水线是两个流域之间的分界线，是分隔两个流域的界限。流域或水系形状示意图描述流域形状特征的主要几何形态指标有:1、流域面积F：流域的封闭分水线内，区域在平面上的投影面积。2、流域长度L：流域的轴线长度。流域长度通常可用干流长度代替。3、流域平均宽度B：流域面积与流域长度的比值，B=F/L4、流域形状系数KF：流域宽度与流域长度的比值，KF=B/L影响河流水文特性的主要因素有:流域内的气象条件，地形和地质条件，流域的形状特征，地理位置，植被条件和湖泊分布，以及人类活动等。三、河(渠)道的水文学和水力学指标1、河(渠)道横断面：垂直于河流方向的河道断面地形。天然河道的横断面形状常见的有V形、U形、复式等，人工渠道的横断面形状则比较规则，一般为矩形、梯形。河道水面以下部分的横断面为过水断面。过水断面的面积A随河水水面涨落变化，与河道流量相关。2、河道纵断面：沿河道纵向最大水深线切取的断面。3、水位Z：河道水面在某一时刻的高程，即相对于海平面的高度差。我国目前采用黄海海平面作为基准海平面。4、河流长度L：河流自河源至河口的距离。5、落差△Z：河流两个过水断面之间的水位差。6、纵比降i：水面落差与此段河流长度之比，i=△Z/△L。河道水面纵比降与河道纵断面基本上是一致的，但是在某些河段并不完全一致，与河道断面面积变化、洪水流量有关。7、水深h：河道横断面上水位Z与最深点的高差。8、流速：单位m/s。河道过水断面上各点流速不一致，一般情况下，水面流速大于河底流速。常用断面平均流速作为其特征指标。9、流量Q：单位时间内通过某一河道(渠道、管道)的水体体积，单位M3/s.10、水头：某一点相对于另一水平参照面所具有的水能。四、河川径流径流是指河川中流动的水流量。河川径流形成的过程是指自降水开始，到河水出海口断面流出的整个过程。一般要经历降水、蓄渗(入渗)、产流和汇流几个阶段。径流特点：循环性、不重复性和地区性等。表示径流的特征值主要有:1、径流量Q：单位时间内通过河流某一过水断面的水体体积。2、径流总量W：一定的时段T内通过河流某过水断面的总水量，W=QT。3、径流模数M：平均径流量在流域面积上的平均值，M=Q/F。4、径流深度R：流域单位面积上的径流总量，R=W/F。5、径流系数a，某时段内的径流深度与降水量之比a=R/P。降雨形成径流过程示意图地下径流形成示意图五、河流的洪水河流的洪水过程是从河道流量较小、较平缓的某一时刻开始，河流的径流量迅速增长，并到达一峰值，随后逐渐降落到趋于平缓的过程。工程设计中，通过分析诸多洪水过程线，选择其中具有典型特征的一条，称为典型洪水过程线。典型洪水过程线能够代表该流域(或河道断面)的洪水特征，因此作为设计依据。六、河流的泥沙在多沙河流上建造水利水电枢纽工程时，需要考虑泥沙淤积对水库和水电站的影响。需要在适当的位置设置专门的冲砂建筑物，用以减缓库区淤积速度，阻止泥沙进人发电输水管(渠)道，延长水库和水电站的使用寿命。七、水文学研究方法在工程上，河流水文分析主要应用概率与数理统计学来研究其变化规律，为工程设计提供依据。水文学研究的重要方法之一是数理统计法。采用数理统计法分析以收集的实测水文资料为样本。方法之二是相关分析。在水文现象中，许多随机变量之间存在一定的联系。将两组相互独立的水文资料进行共同分析，找出其中的内在关联规律的分析方法，称为相关分析法。第二节水利水电规划一、水电站在电网中的作用在电力系统中，用户在某一时刻所需电力功率称为负荷。负荷在一天中是不断变化的。日负荷可以分为三部分:最小负荷以下部分称为基荷,日平均负荷线以上部分称为峰荷,基荷和峰荷之间部分称为腰荷。水电站在电网中的工作特性:1、发电能力和发电量随天然径流情况变化。2、发电机组开停灵活、迅速。3、建设周期长，运行费用低廉。具有较大库容的调节水库可在电网担任日负荷的峰荷，称为调峰电站。没有调节能力或调节能力差的担任基荷或腰荷。水电站还可以利用其调节迅捷、方便的特点，调节电网频率，改善电力质量，这种电站称为调频电站。二、水能利用和开发方式水力发电是将水的动能和势能转换为电能的过程。其两个主要影响因素是流量和落差。水能开发按调节流量的方式，分为蓄水式和径流式。蓄水式水电站用较高的拦河坝形成水库，在短距离内抬高水头，集中落差发电。蓄水式水电站适用于山区水流落差大、能够形成较大水库的情况，如长江三峡水电站、汉江丹江口水电站。径流式水电站没有水库，或水库库容相对很小，落差较小，主要利用天然径流发电。径流式水电站适用于河道较平缓，河道流量较大的情况，如长江葛州坝水电站、汉江王甫洲水电站。水能开发按集中落差的方式，可分为坝式、引水式和混合式。三、径流调节径流调节是为了达到兴利、除害的目的，利用湖泊、水库对径流进行重新分配和控制，以满足天然径流在时空上的分布不均。径流调节包括一年内或更长时间的蓄丰补枯的兴利调节和一场暴雨过程中削峰防洪的洪水调节。(一)兴利调节为了蓄丰补枯，提高枯水期流量，以满足各用水部门的需求进行的径流调节，亦称兴利调节。1.兴利调节原理径流调节的原理为水量平衡。用下式表示:W来-W用=△V△V0表示水库库容增加，水库蓄水，△VO表示水库库容减少，水库供水。2.兴利调节的类型径流调节按其调节周期(水库库空—库满—库空的整个蓄放全过程的时间)的长短可分为:1、无调节。相对于各用水部门的需求，水库几乎没有任何调节能力，天然来水来多少用多少。2、日调节。水库能够将一天的来水按照用户的需要重新进行分配。3、年调节。在一个调节年度中，将洪水期多余的水量蓄存在水库中，到了枯水期再行向用水部门供水。4、多年调节。当水库有足够的库容能将丰水年的多余水量调节到枯水年使用时。年调节水库在汛期结束时，应该蓄水到正常蓄水位。进人枯水期后，天然来水量减少，不足以满足用水部门的要求，水库供水量大于来水量，水库水位逐渐下降。至枯水期结束时，水库降至死水位。洪水期开始后，来水量增大，水库在满足用水外，蓄集多余的水，水库水位上涨。当水库水位蓄到正常蓄水位后，维持此水位不变。多余的来水通过泄水建筑物弃往下游。3.设计保证率能够使用水部门按设计保持正常工作而不受到破坏的机率，称为设计保证率。以生活供水为主的工程，设计保证率要求高，一般P=95%～99%。以发电为主的工程，设计保证率根据其在电网中的地位确定，一般P＝65%～90%.(二)洪水调节在遭遇到一场洪水时，水库利用其库容，可以将下泄洪水流量控制在下游河道能够承受的安全泄量之内，多余的水则暂时滞留在水库中。待洪峰过后，再缓慢地泄放到下游，腾出库容以迎接下一场洪水。四、水库的特征水位及其库容在河道上修筑建筑物(拦河坝、水闸)，拦截水流，抬高水位而形成的水体称为水库。水库是径流调节的主要设施。水库的主要特征水位和相应库容有:(一)正常蓄水位设计枯水年(或枯水期)开始供水时应蓄到的水位，又称正常高水位，或设计兴利水位。(二)死水位与死库容死水位是允许库水位消落的最低水位。死水位以下的库容称为死库容，为设计所不利用。死水位以上的静库容称为有效库容。灌溉和给水部门要求死水位相对低些。发电部门要求有较高的死水位。有航运要求的水库，要求能够保持足够的航运水深。在多泥沙河流上，还要考虑泥沙淤积的影响。死水位的选定与各兴利部门利益密切相关。(三)兴利库容正常高水位与死水位之间的库容，又称为调节库容。正常高水位与死水位之间的水库水位差称为水库消落深度。(四)防洪限制水位水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位。将汛期水库运行水位限制在正常蓄水位以下，可以预留一部分库容，增大水库的调蓄功能。待汛期结束时，才将库水位升蓄到正常蓄水位。防洪限制水位至正常蓄水位之间的库容称为重叠库容。(五)防洪高水位和防洪库容当水库的下游河道有防洪要求时，对于下游防护对象的防洪设计标准洪水，从防洪限制水位开始，经过水库调节后，在坝前达到的最高水位，称为防洪高水位。防洪高水位与防洪限制水位之间的库容称为防洪库容。防洪库容与兴利库容之间的位置有三种结合形式。(1)不结合。防洪限制水位等于正常蓄水位，重叠库容为零。(2)完全结合。防洪高水位等于正常蓄水位，重叠库容等于防洪库容。(3)部分结合。是一般水库采用的形式。结合部分越多越经济。(六)设计洪水位和拦洪库容保证拦河坝安全的设计标准洪水称为设计洪水。设计洪水经过水库的拦蓄调节以后，在水库坝前达到的最高水位称为设计洪水位。设计洪水位与防洪限制水位之间的库容称为拦洪库容。(七)校核洪水位、调洪库容和总库容水库在遭遇设计标准和校核标准的洪水时，以泄洪保坝为主水库拦蓄校核标准的洪水时，经过调节下泄流量，水库在坝前达到的最高水位称为校核洪水位。校核洪水位与防洪限制水位之间的库容称为调洪库容。校核洪水位以下的全部库容为总库容。五、河流规划河流规划的任务是综合考虑各用水部门的需求，合理地、充分地利用水资源，在国民经济发展的大框架内统筹安排，避免浪费人力、财力和水资源。对河流进行水电开发一般采用梯级开发的形式，首尾相接，上一级水电站的尾水位与下一级水库的正常蓄水位相接，充分利用水能资源。六、水库调度在水库规划设计阶段，水库调节计算的主要任务是:认证工程方案在经济上和技术上的可行性，选定水电站的装机容量、水库的库容和各个特征水位，以及其他综合利用项目的主要技术参数。水库的兴利调节计算和防洪调节计算依据的是典型年来水过程和典型洪水过程线。典型设计来水过程线能够较好地反映该河流的特征。第三节工程地质工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学。在水利水电工程建设中，必需查明工程建筑地区的工程地质基本条件，对有利的地质因素和不良的地质现象作出正确的分析，针对影响建筑物安全的主要工程的地质问题进行论证，以及预测工程建成后可能引起新的环境工程地质问题，为工程建设的规划、选址、设计、施工与管理等各个阶段，提供可靠的工程地质资料。在水利水电工程建设中，如果对工程地质工作重视不够，或工作粗糙，留下隐患，则会产生严重的后果。法国的马耳帕赛拱坝，是世界上最薄的拱坝之一，由于坝基和坝肩的片麻岩体中存在细微裂隙和断层，构成软弱滑动面