水能计算总结

水能计算总结

1 水库调节性能

水库有年调节水库和多年调节水库。以发电为主的水库，分为日、旬、季、年和多年调节，水库水位消落的规律相应为频繁时涨时落、短期涨落、季节涨落、年内涨落或多年涨落。

从库容系数来看，发电调节库容系数在1%以下为日调节水库；发电调节库容系数在3%左右为旬、月调节水库；发电调节库容系数在10%左右为季、年调节水库；发电调节库容系数在30%左右为多年调节水库。

如三峡工程是一个不完全的季调节水库，对河道的改变不大。丹江口大坝加高后，丹江口水库由年调节改善为不完全多年调节，增加调节库容116亿立方米。

不完全主要是指调节性能。如天然径流在时间，空间上的分布一般不完全符合人类的需要。为了除水害，兴水利，需要采取人工措施对天然径流进行调节，称为径流调节，但不是完全能够调节的。水库的调节也不是完全的，所以也是不完全调节。如年调节水库就称不完全年调节水库，多年调节水库就是不完全多年调节水库。

具有调节水量的水电站称有调节水库水电站，对没有水库调节能力的水电站称径流式水电站。对有水库调节能力的水电站按照水库的调节性能可以分为：日调节、周调节、月调节、季调节、年调节和多年调节等几种类型。它们是通过水电站水库库容系数来划分。

1、径流式水电厂：无水库，基本上来多少水发多少电的水电厂；

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2、日调节式水电厂：水库很小，水库的调节周期为一昼夜，将一昼夜天然径流通过水库调节发电的水电厂；

3、日调节、周调节和月调节三种类型水电站的水库库容小，相应的蓄水能力和适应用电负荷要求的调节能力也较弱，水电站只能根据上游的来流情况，通过夜间蓄水少发、白天多发，或上旬蓄水少发、下旬多发来满足电力系统对电量调节的要求；

4、季调节和年调节类型的水电站具有相对较大的水库库容，它们可以根据当年河流的来流情况，确定在某一季节（如汛期少发电多蓄水）所蓄的水量留在另一季节（如枯期多发电）以达到对电力系统电量的调节目的；

5、年调节式水电厂：对一年内各月的天然径流进行优化分配、调节，将丰水期多余的水量存入水库，保证枯水期放水发电的水电厂；

6、多年调节式水电厂：将不均匀的多年天然来水量进行优化分配、调节，多年调节的水库容量较大，它可以根据历年来的水文资料和当年的水文资料，确定当年的发电量和蓄水量，还可以将丰水年所蓄水量留到平水年或枯水年来发电，以保证电厂的可调出力；多年型调节水电站，对于天然洪水也具有较强的调节能力，可以在洪水期把多余的洪水蓄存在水库里等到枯水期发电，这样不仅满足了电力系统对电量调节的要求，而且在洪水期通过合理的水库调度，可以实现削减洪峰和错开洪峰的目的，对于大江、大河的防汛工作具有十分重要的作用。

季调节和年调节之间现在还分不完全年调节。

2 库容调节系数

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库容调节系数定义：水库兴利库容（调节库容）与多年平均来水量的比值。一般用β表示。

水电站的调节能力根据库容调节系数确定。

库容调节系数（β）等于本级电站调节库容除以本级水库多年平均年径流量；调节库容应是正常蓄水位至死水位之间的水库容积；库容调节系数应是本级水库电站的实际库容调节系数，不含上游电站对本级电站的调节能力。

β=2%以下——无调节或日调节

2%-8%——季调节

8%-30%——年调节（8%-20%不完全年调节，20-30%完全年调节）

大于30%——多年调节

变动年用水量的灌溉水库，年调节与多年调节的库容系数β的分界值较高，约为0.50左右。

3 水库兴利调节计算的基本课题

水库兴利调节计算中有4方面的因素，即来水、用水或调节流量、水库兴利库容，以及设计保证率。

进行水库工程规划设计时，来水是已知的，故归纳起来水库兴利调节计算有3类基本

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课题，即：

1）根据来水、用水资料以及设计保证率推求水库兴利库容；

2）根据来水资料、兴利库容以及设计保证率推求水库的调节流量；

3）根据来水资料、兴利库容和水库操作方案，推求水库运用过程。

4 水库兴利调节计算的基本方法 水库兴利调节计算的基本方法由两类：

1）时历法。时历法的已知资料和计算成果，如来水、用水、调节流量、蓄水量等均为具有时间顺序的变化的过程。时历法又分为列表法和图解法，本课程中主要介绍了时历列表法。时历列表法适用于水库兴利调节计算的各种课题，同时便于使用计算机，是当前实际使用的主要方法。文字教材的第9章第4节对兴利调节计算的时历列表法进行了介绍，并提供了例题。

2）数理统计法。数理统计法的已知条件和计算成果，都用一定频率的随机变量表示。对于数理统计法，本课程中主要介绍了运用普列什科夫线解图进行多年调节水库兴利调节计算的方法。

在学习水库调节兴利计算这部分内容时，可重点掌握按照设计代表年资料用时历列表法考虑水库水量损失推求年调节水库兴利库容和调节流量的计算方法。

需注意，对于兴利调节计算的第2类基本课题（即推求水库调节流量），其基本方法是

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试算法。试算法实际上是把水库兴利调节计算的第二类课题转化为第一类课题来解决。文字教材中还介绍了公式法。需注意公式法的试用条件为：a. 年调节水库；b. 水库年内一次蓄放运用。如不同时满足这两个条件，公式法的计算公式是不成立的。

5 径流调节计算(runoff regulation computation)

通过某些措施对地面和地下径流的时间过程和地区分布进行调整的水利计算。对于水库而言，通常指利用库容的蓄泄功能有计划地对河川径流进行控制和分配。径流调节计算是水利计算的主要组成部分。水库的径流调节计算任务，是在已知河流径流过程及综合利用水资源的要求下，研究水库的水量供需平衡过程，求出水库调节流量、调节库容和正常供水保证率三者之间的关系，为确定水库规模、工程参数、调度方案、工程效益提供依据。对具有水文、水利及电力联系的水库群，还应根据具体情况研究所涉及的上下游河段或跨流域之间的水量平衡，提出合理的径流补偿、电力补偿的调度方式。

径流调节分类 通常按水库调节周期分类。①无调节：水库没有调节库容，按天然流量供水；②日调节：水库按用水部门一天内的需水过程进行调节；③周调节：水库按用水部门一周内的需水过程进行调节；④年调节：亦称季调节。水库将一年中的多余水量蓄存起来，用以提高缺水期的供水量，是最常见的调节方式；⑤多年调节：水库将丰水年的多余水量蓄存起来，用以提高枯水年的供水量，调节周期超过一年。

此外，尚可按水库所承担的任务，划分为单一任务水库径流调节及综合利用水库径流调节；按水库供水方式，可分为固定供水调节及变动供水调节；按水库的作用，可分为反调节、补偿调节、水库群调节及跨流域引水调节等。

基本方法：应用水量平衡方程（见水量平衡）对径流系列进行逐时段的水库水量蓄泄计算，求出水库蓄水量和供水量的全过程，或者概率分布与保证率曲线。每一计算时段的

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水量平衡方程为：

V2＝V1＋Wi－W0

式中V1、V2分别为计算时段初及时段末的水库蓄水量；Wi、W0分别为计算时段的水库来水量及供水量。

计算时段主要根据水库的调节周期决定。日调节水库以小时为单位；年或多年调节以月（旬）为单位。具体计算时，假定已知时段初水库蓄水量V1及时段来水量Wi，按照规定的水库调度要求，由水量平衡方程求出时段水库供水量W0及时段末蓄水量V2。以上一时段末的水库蓄水量作为本时段初的水库蓄水量，即可顺序进行全系列的调节计算。

径流调节计算，按其对水库入流过程的描述方式和调节计算所采用的数学方法，大体可归纳为三类。①时历法：直接根据实际径流系列,逐时段进行调节计算,求出调节流量、调节库容等调节要素的全过程，然后再据以求出相应的保证率曲线；②概率法：亦称统计法，先根据实际径流系列进行统计分析计算，求出径流的概率分布(包括统计参数)或保证率曲线，然后应用概率论的全概率公式直接求出调节流量、调节库容的概率分布或保证率曲线；③随机模拟法:先根据实际径流系列,应用水文时间序列分析的理论和方法（见水文随机模拟、水文资料生成），建立径流系列的随机模型并据以模拟出足够长的径流系列，然后按照时历法进行调节计算。

这三类调节计算方法中，时历法概念直观、方法简单，能提供水库各种调节要素的全过程，但当资料系列较短时,精度较差。概率法主要适用于多年调节计算,能考虑径流的各种组合情况，只需要径流的概率分布或保证率曲线即可进行计算；该法直接求解比较复杂，目前已提出了一些多年调节计算线解图，便于实际应用。随机模拟法，计算工作量较大，

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但兼有时历法和概率法的优点。

发展过程 径流调节计算的理论和方法，随着近代水利技术的发展而逐渐形成体系。1883年W.里普尔首先提出采用历史径流系列为依据的累积曲线图解法计算调节库容,形成了时历法的雏形。1914年A.黑曾通过统计处理将多站历史径流系列综合成一个较长的径流系列，然后用时历法求出调节库容的频率曲线，是随机模拟法用于径流调节计算的萌芽。1935年C.H.克里茨基和M.Q.门克尔，1940年Α.Д.萨瓦连斯基等人提出采用以全概率公式为基础的组合频率法进行多年调节计算，开拓了概率论应用于径流调节计算的新领域。1954年后，P.A.P.莫兰、H.A.卡尔特韦利什维利等人，又相继提出多年调节概率矩阵法及水库蓄水概率分布函数的积分方程，奠定了多年调节计算概率法的理论基础。20世纪60年代开始,由于对水资源开发、控制、利用提出更高的要求,水资源规划设计中出现了许多时历法和概率法不能完满解决的新课题。M.B菲林于1961年,H.A.小托马斯等于1962年分别提出应用时间序列模型模拟径流系列的计算技术，创建了径流随机模拟与时历法相结合的径流调节计算方法。中国在50年代，通过编制黄河、长江等江河流域规划，和大量水利工程规划设计，积累了丰富的经验。在此基础上，长江流域规划办公室1959年编写出版了《河流综合利用水文水利计算》一书，对防洪与兴利相结合的调节计算，单一任务及综合利用水库调节计算、水库群补偿调节计算等，提出了一些具有特色的方法。80年代以来，对随机过程和系统分析优化理论在径流调节计算应用方面也进行了探索。

6 水库特征值(reservoir characteristic parameter)

水库规划设计与运行中作为设计和控制运用条件的若干特征库水位及特征库容（见图）。这些特征值反映了水库的规模、效益与运用方式，常要通过经济分析和综合比较选定（见水库工程规划）。

特征库水位 水库在各时期和遭遇特定水文情况下，需控制达到、限制超过或允许消落

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到的各种特征库水位。主要的特征水位有：①正常蓄水位，指水库在正常运用情况下，允许为兴利蓄到的上限水位。它是水库最重要的特征水位，决定着水库的规模与效益，也在很大程度上决定着水工建筑物的尺寸。②死水位，指水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位；③防洪限制水位，指水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，通常多根据流域洪水特性及防洪要求分期拟定。进行水库调洪计算时，可以此水位作为起算水位。④防洪高水位，指下游防护区遭遇设计洪水时,水库（坝前）达到的最高洪水位;⑤设计洪水位，指大坝遭遇设计洪水时，水库（坝前）达到的最高洪水位；⑥校核洪水位，指大坝遭遇校核洪水时，水库（坝前）达到的最高洪水位。

特征库容 相应于某一水库特征水位以下或两个特征水位之间的水库容积，一般均指坝前水位水平面以下的静库容。主要的特征库容有：①死库容，指死水位以下的水库容积。②兴利库容，亦称调节库容，指正常蓄水位至死水位之间的水库容积。③防洪库容，指防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积。④调洪库容，指校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积。⑤重叠库容，指正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积。这部分库容既可用于防洪，也可用于兴利。图中所示为防洪库容与兴利库容部分重叠的情况。防洪库容与兴利库容完全重叠时，正常蓄水位即为防洪高水位。防洪库容与兴利库容完全分开时，正常蓄水位即为防洪限制水位（见综合利用水库调节计算）。⑥总库容，指校核洪水位以下的水库容积。它是划分水库等级的主要依据之一。

7 水库供水调节计算

水库供水调节计算的任务：是在一定的设计保证率条件下，根据水库调节库容（见水库特征值）求出设计供水量；或根据各部门要求的供水量求出所需的水库调节库容。根据水库供水任务的不同，一般有两类供水方式。一类为固定供水，即供水量在年内或年际间的变化不大，例如工业及城市供水、航运供水等；一类为变动供水，即供水量在年内或年际间均有较大变化，如灌溉供水。这两种方式的供水调节计算都可分为时历法及概率法。

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（1）固定供水调节计算

①时历法：一般可根据实际的长系列径流资料，按所需供水量分别计算出各年所需的调节库容，再据以进行频率计算，求出相应于设计保证率的调节库容。若已知调节库容，可仿此计算，求出设计供水量。当资料条件不具备或用于初步估算时，可采用简化法，即根据设计保证率选择相应的代表年（段）的径流系列进行调节计算。

②概率法：适用于多年调节（见径流调节计算）。此法一般是将调节库容划分为年库容与多年库容两部分分别计算，然后相加作为需要的调节库容。多年库容已有不少理论上较成熟的方法，且已提出多年调节计算线解图，应用十分方便。年库容一般可选取年径流量等于或稍大于年供水量的代表年，按需水要求采用时历法进行计算。

（2）灌溉变动供水调节计算

一年之中灌溉需水主要集中在作物需水量多、有效降雨量少的生长季节。各年之间，由于受降雨量变化的影响，所需水量也常有较大差别。当水库与灌区基本位于同一雨区时，灌溉年需水量与水库年径流量之间往往存在较明显的负相关关系。因此，灌溉供水具有随时间变化的特点。

①时历法：根据水库长系列来水和灌溉需水资料，逐时段进行调节计算，求得各年所需库容，再据以求出频率曲线，在曲线上查出相应于灌溉设计保证率的调节库容。当采用简化法时，亦可选择代表年（段）进行计算。但是，由于灌溉需水的多变性，代表年（段）的选择必须同时考虑到水库来水与灌溉需水间组合的代表性。通常要选择几个代表年（段）进行计算，通过分析采用合理的设计值。

②概率法：多年库容的计算方法，主要有盈亏水量频率曲线法与简化法两种。盈亏水量频率曲线法可首先根据长系列来水量及灌溉需水量资料，求出盈亏水量（年来水量与年

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灌溉需水量之差）频率曲线，按一般的概率法求出符合灌溉设计保证率的多年库容。此法有较严格的理论根据,但计算繁复,且难于考虑来水与灌溉需水的相关系数。简化法以积分方程法较好，可根据水库蓄水概率分布函数的积分方程，通过数学处理将灌溉变动供水的调节计算转换为固定供水的计算，从而可直接查用多年调节计算线解图求解。此法有一定的理论根据，计算简捷，特别是易于考虑来水量与灌溉需水量之间的相关关系。年库容的计算原则,与固定供水调节计算相同,即需要选用水库年来水量等于或略大于年灌溉需水量的年份，按灌溉需水要求采用时历法计算，再通过分析，采用合理的设计值。

8 综合利用水库调节计算

担负两种或两种以上重要水利任务的水库调节计算。其主要任务是在按照各部门要求进行有关水库调节计算的基础上（见水库调洪计算、水库供水调节计算、水能计算），进一步协调各部门的关系，合理拟定水库规模和调度方式，以充分发挥水库的综合效益。在处理各部门的关系时,应研究和明确:①水库承担的任务及主次关系；②各部门对水库的要求（包括供水设计保证率、供水量及其过程、上下游水位及供水地点等）；③协调各部门矛盾的可能方式。

8.1 防洪和兴利的结合

水库承担防洪及兴利任务时，首先应拟定防洪和兴利库容的结合形式（即防洪高水位、防洪限制水位与正常蓄水位、死水位的相对位置），然后进行有关计算。为了达到一库多用的目的，除对洪水形成无明显时间界限，或丰枯水期很不稳定的水库，不能保证汛后有水充蓄，难以考虑结合外，都应力求使防洪库容和兴利库容尽量结合（见图）。研究时，可按水库的防洪和兴利要求分别绘制防洪调度线和兴利调度线，然后加以合并，求出两者可能结合的程度，再根据水库承担水利任务的主次和工程开发条件，合理确定库容结合方案。

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8.2 各种兴利任务的结合 （1）发电与供水的结合

计算方法原则上与单一任务水库相同。常用的有：①按主要部门用水要求进行调节计算。适用于水库开发任务主次关系明确，次要任务用水比例较小的情况。计算要点是:如次要部门在坝上引水，可先从入库径流量中扣除这部分用水量，然后按主要部门的用水要求进行调节。如次要部门在坝下引水,则可直接按主要部门要求进行调节，不另考虑次要部门的用水要求。②两级调节计算。适用于两部门任务并重，用水比例相当的情况。常用方法有三种。其一为时历法，首先根据两部门与径流系列对应的需水过程，再按照水库调度图进行逐时段的水量调节计算,以求定所需的调节库容。其二为概率法,适用于多年调节。其要点是通过绘制两级调节蓄水保证率曲线，以计算不同设计保证率的供水量。每一级调节的曲线绘制原理基本相同。其三为化算保证率法，属多年调节水库两级调节计算的一种简化方法。首先将两种设计保证率折算为一个相当的保证率，称化算保证率，然后按设计保证率较高的供水量和化算保证率，按一级调节计算方法进行计算。

（2）发电或供水与航运的结合

水库径流调节与航运要求的矛盾主要表现于：①水库在供水期末的消落水位不能满足

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库区航深的要求；②用水部门引水后不能满足水库下游航运的要求；③发电日调节引起下游水位波动与航运的水位、流量、流速要求不相协调等。解决问题的原则是：根据各项开发任务的主次关系，分析对各部门影响的性质及经济效益，权衡利弊，以选择水库特征水位和合适的调度方式。例如：在选择死水位时，应充分考虑库区航运发展要求；合理调整用水部门（灌溉或供水）的引水过程,使尽量满足航运对最小航深的要求;对于重要航道，必要时应限制水电站的日调节，如规定水电站带一定基荷，或降低水电站在日负荷图上的工作位置；对于航运梯级，应在满足上下游航运要求的前提下，尽量发挥发电和供水作用等。

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