日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計算

1、 FCD13010 FCD 水利水電工程 初步設(shè)計階段日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計算大綱范本水利水電勘測設(shè)計標準化信息網(wǎng)1997年8月 水電站技術(shù)設(shè)計階段日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計算大綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫 人 員: 軟 件 開 發(fā) 單 位: 軟 件 編 寫 人 員: 勘測設(shè)計研究院 年 月目 次1. 工程概況 42. 基本資料 43. 設(shè)計原則 44. 設(shè)計方法及內(nèi)容45. 應(yīng)提供的設(shè)計成果91 工程概況提示: 簡述水電站的位置、大壩的高度及各特征水位，各特征庫容，如：總庫容、防洪庫容、興利庫容、死庫容等，水電站的裝機臺數(shù)、單機容量、總裝機容量、各臺機的發(fā)電流量

2、，各泄洪設(shè)備的位置、底檻高程及泄流能力等。2 基本資料2.1 規(guī)劃設(shè)計的水電站，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)要求，提供幾種可能的日調(diào)節(jié)方式，即日負荷或下泄流量過程線，已建水電站還應(yīng)有目前使用的日調(diào)節(jié)方案，包括日負荷圖或下泄流量過程。若提供的為日負荷圖，則還需提供水庫水位、廠房尾水水位、流量關(guān)系及出力系數(shù)，水庫庫容曲線，水庫調(diào)度圖等。2.2 水電站下游受日調(diào)節(jié)影響河段的縱橫斷面圖。2.3 水電站下游受日調(diào)節(jié)影響河段及河段上、下游附近的水文站、水位站實測的水位、流量、水面比降、糙率等資料及計算河段洪水調(diào)查資料。3 設(shè)計原則3.1 水電站發(fā)電要求，包括最小負荷及最大負荷的變化范圍3.2 水電站下游航道的航運要求目前及

3、其發(fā)展水平年的航道概況，航運船只噸位吃水深度、年運輸能力、要求的最小流量、航深及水位日或時變幅等。3.3 下游灌溉、供水要求水電站日調(diào)節(jié)影響河段各主要灌溉渠道進水口高程及水位流量關(guān)系，各主要泵站的取水口高程，引水流量。各供水單位的取水口位置、高程、供水時間及供水量。3.4 防洪要求各防洪點的防洪標準，防洪水位或流量。4 設(shè)計方法及內(nèi)容水電站一般都擔負電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，日內(nèi)負荷變化較大，其下泄流量過程變化也很大。所以，水電站尾水及其在下游河道的運動要素隨時間不斷變化，屬于不穩(wěn)定流，可用圣維南方程表達，即連續(xù)(質(zhì)量守恒)方程 (1)動力(動量守恒)方程 (2)式中：A 有效過流面積；A0無效的(灘地

4、槽蓄)斷面面積；X 沿河道的縱向距離；t 時 間；q 沿河道單位直線距離的旁側(cè)入流或出流(入流為正，出流為負)；g 重力加速度；St 摩阻比降；S0 斷面收縮或放寬系數(shù)。不穩(wěn)定流計算可分為兩大類即水文學(xué)方法和水力學(xué)方法。由計算的目的、要求、計算精度和資料條件等的不同，確定采用哪種方法。4.1 水文學(xué)方法提示: (1) 水文學(xué)方法是水力學(xué)方法的一種簡化，是洪水波在河道中演進的一種近似分析方法。它適用于規(guī)劃或預(yù)可行性階段使用，要求在演算河段中有水文測站，實測多年的水位流量資料，以便率定各計算參數(shù)。從精度方面看，它適用于水電站日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流流量變化較小，洪水波加速度影響與河道摩阻相比可以忽略的情況。

5、 (2) 水文學(xué)方法很多，最常用的有經(jīng)驗槽蓄曲線法、特征河長法、馬斯京根法和波達波夫半圖解法(或稱蓄率中線法)等。這類方法的共同特點是設(shè)法尋找相對穩(wěn)定的單一槽蓄曲線，以代替圣維南方程中的動力方程，再與連續(xù)方程聯(lián)立求解。 (1) 波達波夫半圖解法一河段的槽蓄量是河段水位或某一斷面流量的函數(shù)，在不穩(wěn)定流情況下還是水面附加比降的函數(shù)。如果可以求得某一槽蓄方程，它是下游斷面流量的單一函數(shù)，則可用波達波夫半圖解法進行流量演算。將槽蓄方程和連續(xù)方程改寫成如下形式： (3) (4)式中：W河槽調(diào)蓄量；Q2下斷面時段初流量；上斷面時段平均入流量；*時段末值。利用式(3)和式(4)就可用圖1進行流量演算。按圖1

6、所標由下斷面時段初流量Q2截得A點，畫橫座標的平行線交于B點，量取BC等于得C點，從C點作縱座標平行線交于D點，從D點再作橫座標的平行線交于E、F兩點，E點的縱座標即為，然后以F點作為B點，重復(fù)上述步驟，即可求得下斷面流量過程。若要求下斷面水位過程，可由流量過程用下斷面水位流量關(guān)系求得。提示: 該方法簡單、明了、操作簡便。主要缺點是在不穩(wěn)定流情況下，下斷面流量與河段槽蓄量不是單一關(guān)系，造成了計算誤差。在山區(qū)性河流，河道比降較大時，可求出近似的單一關(guān)系。此方法一般用于規(guī)劃階段。(2) 馬斯京根法圖 1 波達波夫半圖解法為了克服上述半圖解法的缺點，取一示儲流量Q¢，使其與W成單一關(guān)系，并

7、且簡化成直線，而Q¢與上、下斷面的流量成函數(shù)關(guān)系。其槽蓄曲線的形式為： (5)式中：K河段的匯流時間；X流量比重因子。馬斯京根演算法方程為： (6)式中： 求K、x通常用試錯法，假定不同的x值作出次洪水的W=f(Q)關(guān)系，如關(guān)系是單一的則是正確的，此關(guān)系線的坡度即為K0取多次洪水分析，就可確定本河段K、x值。提示: 此法的主要缺點是當上、下斷面區(qū)間來水量較大時，無法確定K、x 的值。因此，適用于區(qū)間來水可以忽略的河段。從精度上看，由于K 、x與洪水大小有關(guān)，并非固定不變，使得示儲流量Q¢，和河段的穩(wěn)定流流量Q0不相等。若水電站日調(diào)節(jié)下泄流量過程的大小和形狀與分析K、x值的洪

8、水相似，則可得到滿意的結(jié)果。更精確的可用馬斯京分段連續(xù)演算法。(3) 特征河長法分段連續(xù)流量演算法特征河長(抵償河長)法的基本思路是將河段分成幾段。每段河長為l，使每段的中斷面水位與下斷面流量成單一關(guān)系，則槽蓄量W與下斷面流量也成單一關(guān)系。也就是該W下的水流形成穩(wěn)定的流量Q0。若取計算時段為Dt，則其第n段的出流過程為： (7) 式中：I時段Dt內(nèi)的平均入流量；Dt單位計算時段；Kl特征河長的傳播時間；G伽瑪函數(shù)；n特征河長的段數(shù)；t自時段Dt中心算起的時間；e自然對數(shù)的底。計算步驟：根據(jù)實測洪水資料分析試算出上、下河段洪水傳播時間K；繪制上、下斷面穩(wěn)定流水位流量關(guān)系，用l=(Q0/i0)(

9、DH/DQ)。求出l值，由于l值隨水位有變化，應(yīng)注意在水電站下泄流量的變化范圍內(nèi)將流量分級，求出幾個l值最后選擇某一l值；河段數(shù)n=L/l，其中L為河段總長度，特征河長傳播時間Kl=K/n。上述參數(shù)確定后，就可通過式(7)算出t時刻下游斷面的出流。提示: 本法的主要優(yōu)點是不需要區(qū)間洪水資料，所以在區(qū)間來水較大的河段使用更為合適。參數(shù)l 雖隨水位而變化，但l的變化對演算結(jié)果影響很小。馬斯京根法的x與特征河長法l的關(guān)系為： (8)在率定參數(shù)時，兩種方法可互為補充，互相印證，使參數(shù)更加正確。4.2 水力學(xué)方法提示: 水力學(xué)方法就是直接求解圣維南方程。我國在這方面也作了大量研究，以南京水文水資源研究所

10、譚維炎等為代表，先后建立了一維及二維不穩(wěn)定流模型，但尚未推廣應(yīng)用。1987年，南京水文水資源研究所引進了美國天氣局(NWS)的HEC軟件包，其中的潰壩洪水程序(簡稱DAMBRK)，主要功能為預(yù)測潰壩波的形成與在下游河道中的演進。水電站日調(diào)節(jié)下泄流量過程是一不穩(wěn)定流，可利用DAMBRK程序中的下游河道演進功能進行計算，使用結(jié)果，精度符合要求，并在國內(nèi)推廣應(yīng)用。它可以模擬洪水波在電站下游河道中衰減、扭曲、展平、滯后等變形，可考慮灘地、旁側(cè)入流和河道斷面的收縮擴散等現(xiàn)象，功能齊全，使用方便。為了求解不穩(wěn)定流方程，必須知道開始時刻，上、下游邊界及所有斷面處的流態(tài)，稱為水流的初始條件及邊界條件。(1)

11、初始條件和邊界條件上邊界條件可利用水電站日負荷圖和率定出力公式推求下泄流量過程。下邊界條件視情況而定，通常情況下，下邊界是一條單一的水位流量關(guān)系曲線，以表格形式輸入；若下邊界為繩套形水位流量關(guān)系，則可用曼寧公式計算。下邊界也可為水位過程，如潮位等以及控制性建筑物的水位流量關(guān)系。初始流態(tài)：河道的初始流態(tài)為穩(wěn)定非均勻流，各斷面處有一初始的水深或流量，因為DAMBRK程序不能模擬下游為干河道。一般可根據(jù)實測資料，分析下游河道的最小流量作為初始值，如程序仍不能運行，可適當加大初始流量，直至可進行計算止，在最后結(jié)果中扣除增加的流量，對成果影響不大。(2) 斷面資料下游河道的斷面數(shù)最少為兩個，即緊靠壩下的

12、第一斷面及需要洪水信息最遠處為最后一個斷面；最多可輸入90個斷面資料。斷面數(shù)越多，成果精度越高。但斷面間距不宜小于2km3km，因為距離太近，容易出現(xiàn)負的河底比降，使計算無法進行。若出現(xiàn)負比降，應(yīng)作適當修正。每個斷面分別輸入8個水位和河寬，其高程必須滿足最大流量時的水位。(3) 河底比降如(2)所述兩斷面間的河底比降不能為負，這是一方面。另一方面DAMBRK模型的構(gòu)造適用于整個下游河道為超臨界流或次臨界流，也可以用于上游段為超臨界流，下游段為次臨界流的情況。若全河段為超臨界流，由于流動的任何擾動不能傳向上游，故不需要下邊界條件，而需要增加一個上邊界條件，即程序以曼寧公式計算上邊界水位流量關(guān)系。但它不適用于上段為次臨界流、下段為超臨界流的狀態(tài)。當河道比降小于0.947%時為次臨界流，大于或等于0.947%時為超臨界流，遇到這種情況時應(yīng)分段進行演算。(4) 水力摩阻系數(shù)水力摩阻系數(shù)用糙率n來表示，每一個斷面，對應(yīng)于各高程輸入8個糙率值。糙率n可根據(jù)斷面情況和歷史資料分析確定。對無需輸出洪水信息的斷面，糙率n選擇的差別對成果影響不大；反之應(yīng)認真選定n值。(5) 灘格式與收擴系數(shù)由于水電