FCD13010 FCD 水利水电工程初步设计阶段 日调节不稳定流计算大纲范本 水利水电勘测设计标准化信息网 1997年8月
1 FCD13010 FCD 水利水电工程 初步设计阶段 日调节不稳定流计算大纲范本 水利水电勘测设计标准化信息网 1997 年 8 月
水电站技术设计阶段 日调节不稳定流计算大纲 主编单位 主编单位总工程师 参编单位 主要编写人员 软件开发单位 软件编写人员: 勘测设计研究院 年月
2 水电站技术设计阶段 日调节不稳定流计算大纲 主 编 单 位: 主编单位总工程师: 参 编 单 位: 主 要 编 写 人 员: 软 件 开 发 单 位: 软 件 编 写 人 员: 勘测设计研究院 年 月
目次 1.工程概况 2.基本资料 3.设计原则 4.设计方法及内容 44449 5.应提供的设计成果
3 目 次 1. 工程概况 ....................................................4 2. 基本资料 ....................................................4 3. 设计原则 ....................................................4 4. 设计方法及内容................................................4 5. 应提供的设计成果..............................................9
1工程概况 提示:简述水电站的位置、大坝的高度及各特征水位,各特征库容,如:总库容、防洪库 容、兴利库容、死库容等,水电站的装机台数、单机容量、总装机容量、各台机 的发电流量,各泄洪设备的位置、底槛高程及泄流能力等 2基本资料 2.1规划设计的水电站,应根据电网要求,提供几种可能的日调节方式,即日负荷或下泄 流量过程线,已建水电站还应有目前使用的日调节方案,包括日负荷图或下泄流量过程。若 提供的为日负荷图,则还需提供水库水位、厂房尾水水位、流量关系及出力系数,水库库容 曲线,水库调度图等。 2.2水电站下游受日调节影响河段的纵横断面图。 2.3水电站下游受日调节影响河段及河段上、下游附近的水文站、水位站实测的水位、流 量、水面比降、糙率等资料及计算河段洪水调查资料。 3设计原则 3.1水电站发电要求,包括最小负荷及最大负荷的变化范围 3.2水电站下游航道的航运要求 目前及其发展水平年的航道概况,航运船只吨位吃水深度、年运输能力、要求的最小 流量、航深及水位日或时变幅等 3.3下游灌溉、供水要求 水电站日调节影响河段各主要灌溉渠道进水口高程及水位流量关系,各主要泵站的取 水口高程,引水流量。各供水单位的取水口位置、高程、供水时间及供水量 34防洪要求 各防洪点的防洪标准,防洪水位或流量。 4设计方法及内容 水电站一般都担负电网的调峰任务,日内负荷变化较大,其下泄流量过程变化也很大 所以,水电站尾水及其在下游河道的运动要素随时间不断变化,属于不稳定流,可用圣维南 方程表达,即
4 1 工程概况 提示: 简述水电站的位置、大坝的高度及各特征水位，各特征库容，如：总库容、防洪库 容、兴利库容、死库容等，水电站的装机台数、单机容量、总装机容量、各台机 的发电流量，各泄洪设备的位置、底槛高程及泄流能力等。 2 基本资料 2.1 规划设计的水电站，应根据电网要求，提供几种可能的日调节方式，即日负荷或下泄 流量过程线，已建水电站还应有目前使用的日调节方案，包括日负荷图或下泄流量过程。若 提供的为日负荷图，则还需提供水库水位、厂房尾水水位、流量关系及出力系数，水库库容 曲线，水库调度图等。 2.2 水电站下游受日调节影响河段的纵横断面图。 2.3 水电站下游受日调节影响河段及河段上、下游附近的水文站、水位站实测的水位、流 量、水面比降、糙率等资料及计算河段洪水调查资料。 3 设计原则 3.1 水电站发电要求，包括最小负荷及最大负荷的变化范围 3.2 水电站下游航道的航运要求 目前及其发展水平年的航道概况，航运船只吨位吃水深度、年运输能力、要求的最小 流量、航深及水位日或时变幅等。 3.3 下游灌溉、供水要求 水电站日调节影响河段各主要灌溉渠道进水口高程及水位流量关系，各主要泵站的取 水口高程，引水流量。各供水单位的取水口位置、高程、供水时间及供水量。 3.4 防洪要求 各防洪点的防洪标准，防洪水位或流量。 4 设计方法及内容 水电站一般都担负电网的调峰任务，日内负荷变化较大，其下泄流量过程变化也很大。 所以，水电站尾水及其在下游河道的运动要素随时间不断变化，属于不稳定流，可用圣维南 方程表达，即
连续(质量守恒)方程 a. a(A+Ao) 动力(动量守恒)方程 0b(O2/A) ch CX +8A a+S0)=0 式中: 有效过流面积 A—无效的(滩地槽蓄)断面面积 X沿河道的纵向距离 t—时间 沿河道单位直线距离的旁侧入流或出流(入流为正,出流为负) 重力加速度 S——摩阻比降; 断面收缩或放宽系数 不稳定流计算可分为两大类即水文学方法和水力学方法。由计算的目的、要求、计算 精度和资料条件等的不同,确定采用哪种方法。 4.1水文学方法 提示:(1)水文学方法是水力学方法的一种简化,是洪水波在河道中演进的一种近似分析 方法。它适用于规划或预可行性阶段使用,要求在演算河段中有水文测站, 实测多年的水位流量资料,以便率定各计算参数。从精度方面看,它适用于 水电站日调节不稳定流流量变化较小,洪水波加速度影响与河道摩阻相比可 以忽略的情况。 (2)水文学方法很多,最常用的有经验槽蓄曲线法、特征河长法、马斯京根法和波 达波夫半图解法(或称蓄率中线法)等。这类方法的共同特点是设法寻找相对 稳定的单一槽蓄曲线,以代替圣维南方程中的动力方程,再与连续方程联立 求解 (1)波达波夫半图解法 一河段的槽蓄量是河段水位或某一断面流量的函数,在不稳定流情况下还是水面附加 比降的函数。如果可以求得某一槽蓄方程,它是下游断面流量的单一函数,则可用波达波夫 半图解法进行流量演算。将槽蓄方程和连续方程改写成如下形式: (+-2)=f(Q2
5 连续(质量守恒)方程 Q X A A t + q + − = （ 0） 0 (1) 动力(动量守恒)方程 Q X Q A X gA h X + + + St + S = （ ） （ 2 0 0 / ) (2) 式中： A–––– 有效过流面积； A0––––无效的(滩地槽蓄)断面面积； X–––– 沿河道的纵向距离； t –––– 时 间； q –––– 沿河道单位直线距离的旁侧入流或出流(入流为正，出流为负)； g –––– 重力加速度； St–––– 摩阻比降； S0–––– 断面收缩或放宽系数。 不稳定流计算可分为两大类即水文学方法和水力学方法。由计算的目的、要求、计算 精度和资料条件等的不同，确定采用哪种方法。 4.1 水文学方法 提示: (1) 水文学方法是水力学方法的一种简化，是洪水波在河道中演进的一种近似分析 方法。它适用于规划或预可行性阶段使用，要求在演算河段中有水文测站， 实测多年的水位流量资料，以便率定各计算参数。从精度方面看，它适用于 水电站日调节不稳定流流量变化较小，洪水波加速度影响与河道摩阻相比可 以忽略的情况。 (2) 水文学方法很多，最常用的有经验槽蓄曲线法、特征河长法、马斯京根法和波 达波夫半图解法(或称蓄率中线法)等。这类方法的共同特点是设法寻找相对 稳定的单一槽蓄曲线，以代替圣维南方程中的动力方程，再与连续方程联立 求解。 (1) 波达波夫半图解法 一河段的槽蓄量是河段水位或某一断面流量的函数，在不稳定流情况下还是水面附加 比降的函数。如果可以求得某一槽蓄方程，它是下游断面流量的单一函数，则可用波达波夫 半图解法进行流量演算。将槽蓄方程和连续方程改写成如下形式： ( ) ( ) W t Q f Q + = 2 2 2 (3)
O w O 式中: W——河槽调蓄量 Q2下断面时段初流量 Q—上断面时段平均入流量 时段末值 利用式(3)和式(4)就可用图1进行流量演算。 按图1所标由下断面时段初流量Q2截得A点,画横座标的平行线交于B点,量取BC 等于Q得C点,从C点作纵座标平行线交于D点,从D点再作横座标的平行线交于E、F 两点,E点的纵座标即为C2,然后以F点作为B点,重复上述步骤,即可求得下断面流量 过程。若要求下断面水位过程,可由流量过程用下断面水位流量关系求得。 提示:该方法简单、明了、操作简便。主要缺点是在不稳定流情况下,下断面流量与河段槽 蓄量不是单一关系,造成了计算误差。在山区性河流,河道比降较大时,可求出近似 的单一关系。此方法一般用于规划阶段 (2)马斯京根法 时段末水面线 时段初水面线Q 图1波达波夫半图解法 为了克服上述半图解法的缺点,取一示储流量Q,使其与W成单一关系,并且简化成 直线,而Q与上、下断面的流量成函数关系。其槽蓄曲线的形式为: w=KQ=KLXQ+(1-X)o, 式中: 河段的汇流时间 X流量比重因子
6 ( ) ( ) * * W t Q Q W t Q − + = + 2 2 2 2 (4) 式中： W––––河槽调蓄量； Q2––––下断面时段初流量； Q ––––上断面时段平均入流量； *––––时段末值。 利用式(3)和式(4)就可用图 1 进行流量演算。 按图 1 所标由下断面时段初流量 Q2 截得 A 点，画横座标的平行线交于 B 点，量取 BC 等于 Q 得 C 点，从 C 点作纵座标平行线交于 D 点，从 D 点再作横座标的平行线交于 E、F 两点，E 点的纵座标即为 Q2 * ，然后以 F 点作为 B 点，重复上述步骤，即可求得下断面流量 过程。若要求下断面水位过程，可由流量过程用下断面水位流量关系求得。 提示: 该方法简单、明了、操作简便。主要缺点是在不稳定流情况下，下断面流量与河段槽 蓄量不是单一关系，造成了计算误差。在山区性河流，河道比降较大时，可求出近似 的单一关系。此方法一般用于规划阶段。 (2) 马斯京根法 图 1 波达波夫半图解法 为了克服上述半图解法的缺点，取一示储流量 Q，使其与 W 成单一关系，并且简化成 直线，而 Q与上、下断面的流量成函数关系。其槽蓄曲线的形式为： W = KQ = K[XQ + ( − X)Q ] 1 1 2 (5) 式中： K––––河段的汇流时间； X––––流量比重因子
马斯京根演算法方程为: 02=Co2r+C2+C222 式中: At/2-Kx Kx+△t/2 K-Kx+△t/2 K-Kx+At/2 C、K-Kx-A/2 ∑C=1 求K、ⅹ通常用试错法,假定不同的x值作出次洪水的W=fQ关系,如关系是单一的 则是正确的,此关系线的坡度即为K0取多次洪水分析,就可确定本河段K、x值 提示:此法的主要缺点是当上、下断面区间来水量较大时,无法确定K、ⅹ的值。因此, 适用于区间来水可以忽略的河段。从精度上看,由于K、ⅹ与洪水大小有关 并非固定不变,使得示储流量Q,和河段的稳定流流量Q不相等。若水电站日 调节下泄流量过程的大小和形状与分析K、x值的洪水相似,则可得到满意的结 果。更精确的可用马斯京分段连续演算法 (3)特征河长法分段连续流量演算法 特征河长(抵偿河长)法的基本思路是将河段分成几段。每段河长为l,使每段的中断面 水位与下断面流量成单一关系,则槽蓄量W与下断面流量也成单一关系。也就是该W下的 水流形成稳定的流量Q。若取计算时段为△t,则其第n段的出流过程为: gno=Rmk, 式中: 时段At内的平均入流量: △t—单位计算时段 K特征河长的传播时间 I—伽玛函数 n特征河长的段数 t—一自时段Mt中心算起的时间 自然对数的底。 计算步骤:根据实测洪水资料分析试算出上、下河段洪水传播时间K:绘制上、下断 面稳定流水位流量关系,用l=(Qo/io)(△H△Q。求出l值,由于l值随水位有变化,应注意 在水电站下泄流量的变化范围内将流量分级,求出几个/值最后选择某一l值:河段数n=L/, 其中L为河段总长度,特征河长传播时间K=Kn。上述参数确定后,就可通过式(7)算出t 时刻下游断面的出流
7 马斯京根演算法方程为： Q2 C0Q1 C1Q1 C2Q2 * * = + + (6) 式中： C t Kx K Kx t C Kx t K Kx t 0 1 2 2 2 2 = − − + = + − + / / ; / / C K Kx t K Kx t 2 Ci 2 2 = 1 − − − + = / / ; 求 K、x 通常用试错法，假定不同的 x 值作出次洪水的 W=f(Q)关系，如关系是单一的 则是正确的，此关系线的坡度即为 K0 取多次洪水分析，就可确定本河段 K、x 值。 提示: 此法的主要缺点是当上、下断面区间来水量较大时，无法确定 K、x 的值。因此， 适用于区间来水可以忽略的河段。从精度上看，由于 K 、x 与洪水大小有关， 并非固定不变，使得示储流量 Q，和河段的稳定流流量 Q0不相等。若水电站日 调节下泄流量过程的大小和形状与分析 K、x 值的洪水相似，则可得到满意的结 果。更精确的可用马斯京分段连续演算法。 (3) 特征河长法分段连续流量演算法 特征河长(抵偿河长)法的基本思路是将河段分成几段。每段河长为 l，使每段的中断面 水位与下断面流量成单一关系，则槽蓄量 W 与下断面流量也成单一关系。也就是该 W 下的 水流形成稳定的流量 Q0。若取计算时段为t，则其第 n 段的出流过程为： Q I t K n t K e n t l l n t Kl ( ) ( ) = ( ) − − 1 (7) 式中： I––––时段t 内的平均入流量； t––––单位计算时段； Kl––––特征河长的传播时间； ––––伽玛函数； n––––特征河长的段数； t––––自时段t 中心算起的时间； e––––自然对数的底。 计算步骤：根据实测洪水资料分析试算出上、下河段洪水传播时间 K；绘制上、下断 面稳定流水位流量关系，用 l=(Q0/i0)( H/Q)。求出 l 值，由于 l 值随水位有变化，应注意 在水电站下泄流量的变化范围内将流量分级，求出几个 l 值最后选择某一 l 值；河段数 n=L/l， 其中 L 为河段总长度，特征河长传播时间 Kl=K/n。上述参数确定后，就可通过式(7)算出 t 时刻下游断面的出流
提示:本法的主要优点是不需要区间洪水资料,所以在区间来水较大的河段使用更为 合适。参数l虽随水位而变化,但l的变化对演算结果影响很小。 马斯京根法的x与特征河长法l的关系为 X 22L 在率定参数时,两种方法可互为补充,互相印证,使参数更加正确 4.2水力学方法 提示:水力学方法就是直接求解圣维南方程。我国在这方面也作了大量研究,以南京水 文水资源研究所谭维炎等为代表,先后建立了一维及二维不稳定流模型,但尚未 准广应用。1987年,南京水文水资源研究所引进了美国天气局(NWS)的HEC软 件包,其中的溃坝洪水程序(简称 DAMBRK),主要功能为预测溃坝波的形成与 在下游河道中的演进。水电站日调节下泄流量过程是一不稳定流,可利用 DAMBRK程序中的下游河道演进功能进行计算,使用结果,精度符合要求,并 在国内推广应用。它可以模拟洪水波在电站下游河道中衰减、扭曲、展平、滞后 等变形,可考虑滩地、旁侧入流和河道断面的收缩扩散等现象,功能齐全,使用 为了求解不稳定流方程,必须知道开始时刻,上、下游边界及所有断面处的流态,称 为水流的初始条件及边界条件 )初始条件和边界条件 上边界条件可利用水电站日负荷图和率定出力公式推求下泄流量过程。下边界条件视 情况而定,通常情况下,下边界是一条单一的水位流量关系曲线,以表格形式输入:若下边 界为绳套形水位流量关系,则可用曼宁公式计算。下边界也可为水位过程,如潮位等以及控 制性建筑物的水位流量关系 初始流态:河道的初始流态为稳定非均匀流,各断面处有一初始的水深或流量,因为 DAMBRK程序不能模拟下游为干河道。一般可根据实测资料,分析下游河道的最小流量作 为初始值,如程序仍不能运行,可适当加大初始流量,直至可进行计算止,在最后结果中扣 除增加的流量,对成果影响不大。 (2)断面资料 下游河道的断面数最少为两个,即紧靠坝下的第一断面及需要洪水信息最远处为最后 个断面:最多可输入90个断面资料。断面数越多,成果精度越高。但断面间距不宜小于 2km~3km,因为距离太近,容易出现负的河底比降,使计算无法进行。若出现负比降,应 作适当修 每个断面分别输入8个水位和河宽,其高程必须满足最大流量时的水位。 (3)河底比降
8 提示: 本法的主要优点是不需要区间洪水资料，所以在区间来水较大的河段使用更为 合适。参数 l 虽随水位而变化，但 l 的变化对演算结果影响很小。 马斯京根法的 x 与特征河长法 l 的关系为： X l L = − 1 2 2 (8) 在率定参数时，两种方法可互为补充，互相印证，使参数更加正确。 4.2 水力学方法 提示: 水力学方法就是直接求解圣维南方程。我国在这方面也作了大量研究，以南京水 文水资源研究所谭维炎等为代表，先后建立了一维及二维不稳定流模型，但尚未 推广应用。1987 年，南京水文水资源研究所引进了美国天气局(NWS)的 HEC 软 件包，其中的溃坝洪水程序(简称 DAMBRK)，主要功能为预测溃坝波的形成与 在下游河道中的演进。水电站日调节下泄流量过程是一不稳定流，可利用 DAMBRK 程序中的下游河道演进功能进行计算，使用结果，精度符合要求，并 在国内推广应用。它可以模拟洪水波在电站下游河道中衰减、扭曲、展平、滞后 等变形，可考虑滩地、旁侧入流和河道断面的收缩扩散等现象，功能齐全，使用 方便。 为了求解不稳定流方程，必须知道开始时刻，上、下游边界及所有断面处的流态，称 为水流的初始条件及边界条件。 (1) 初始条件和边界条件 上边界条件可利用水电站日负荷图和率定出力公式推求下泄流量过程。下边界条件视 情况而定，通常情况下，下边界是一条单一的水位流量关系曲线，以表格形式输入；若下边 界为绳套形水位流量关系，则可用曼宁公式计算。下边界也可为水位过程，如潮位等以及控 制性建筑物的水位流量关系。 初始流态：河道的初始流态为稳定非均匀流，各断面处有一初始的水深或流量，因为 DAMBRK 程序不能模拟下游为干河道。一般可根据实测资料，分析下游河道的最小流量作 为初始值，如程序仍不能运行，可适当加大初始流量，直至可进行计算止，在最后结果中扣 除增加的流量，对成果影响不大。 (2) 断面资料 下游河道的断面数最少为两个，即紧靠坝下的第一断面及需要洪水信息最远处为最后 一个断面；最多可输入 90 个断面资料。断面数越多，成果精度越高。但断面间距不宜小于 2km～3km，因为距离太近，容易出现负的河底比降，使计算无法进行。若出现负比降，应 作适当修正。 每个断面分别输入 8 个水位和河宽，其高程必须满足最大流量时的水位。 (3) 河底比降
如(2所述两断面间的河底比降不能为负,这是一方面。另一方面 DAMBRK模型的构 造适用于整个下游河道为超临界流或次临界流,也可以用于上游段为超临界流,下游段为次 临界流的情况。若全河段为超临界流,由于流动的任何扰动不能传向上游,故不需要下边界 条件,而需要增加一个上边界条件,即程序以曼宁公式计算上边界水位流量关系。但它不适 用于上段为次临界流、下段为超临界流的状态。当河道比降小于0.947%时为次临界流,大 于或等于0.947%时为超临界流,遇到这种情况时应分段进行演算。 (4)水力摩阻系数 水力摩阻系数用糙率n来表示,每一个断面,对应于各高程输入8个糙率值。糙率n 可根据断面情况和历史资料分析确定。对无需输出洪水信息的断面,糙率n选择的差别对成 果影响不大;反之应认真选定n值。 (5)滩格式与收扩系数 由于水电站日调节流量相对较小,一般河水不上滩地,可不予考虑。由于断面一般设 在断面变化处,有收缩或扩散影响,可设该值K为非零,但水电站日调节流量过程计算中 常取K值为零 5应提供的设计成果 应提供如下成果 (1)选定的水电站日调节下泄流量过程 (2)所需断面的逐时流量过程,水位过程,最大、最小流量及其流速,水位水深等 (3)所需断面的水位最大变幅 (4)计算结果与发电、航运、灌溉和供水要求的比较表
9 如(2)所述两断面间的河底比降不能为负，这是一方面。另一方面 DAMBRK 模型的构 造适用于整个下游河道为超临界流或次临界流，也可以用于上游段为超临界流，下游段为次 临界流的情况。若全河段为超临界流，由于流动的任何扰动不能传向上游，故不需要下边界 条件，而需要增加一个上边界条件，即程序以曼宁公式计算上边界水位流量关系。但它不适 用于上段为次临界流、下段为超临界流的状态。当河道比降小于 0.947%时为次临界流，大 于或等于 0.947%时为超临界流，遇到这种情况时应分段进行演算。 (4) 水力摩阻系数 水力摩阻系数用糙率 n 来表示，每一个断面，对应于各高程输入 8 个糙率值。糙率 n 可根据断面情况和历史资料分析确定。对无需输出洪水信息的断面，糙率 n 选择的差别对成 果影响不大；反之应认真选定 n 值。 (5) 滩格式与收扩系数 由于水电站日调节流量相对较小，一般河水不上滩地，可不予考虑。由于断面一般设 在断面变化处，有收缩或扩散影响，可设该值 K 为非零，但水电站日调节流量过程计算中 常取 K 值为零。 5 应提供的设计成果 应提供如下成果： (1) 选定的水电站日调节下泄流量过程； (2) 所需断面的逐时流量过程，水位过程，最大、最小流量及其流速，水位水深等； (3) 所需断面的水位最大变幅； (4) 计算结果与发电、航运、灌溉和供水要求的比较表