日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計(jì)算

1、 FCD13010 FCD 水利水電工程 初步設(shè)計(jì)階段日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計(jì)算大綱范本水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化信息網(wǎng)1997年8月 水電站技術(shù)設(shè)計(jì)階段日調(diào)節(jié)不穩(wěn)定流計(jì)算大綱 主 編 單 位: 主編單位總工程師: 參 編 單 位: 主 要 編 寫(xiě) 人 員: 軟 件 開(kāi) 發(fā) 單 位: 軟 件 編 寫(xiě) 人 員: 勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 年 月目 次1. 工程概況 42. 基本資料 43. 設(shè)計(jì)原則 44. 設(shè)計(jì)方法及內(nèi)容45. 應(yīng)提供的設(shè)計(jì)成果91 工程概況提示: 簡(jiǎn)述水電站的位置、大壩的高度及各特征水位，各特征庫(kù)容，如：總庫(kù)容、防洪庫(kù)容、興利庫(kù)容、死庫(kù)容等，水電站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)、單機(jī)容量、總裝機(jī)容量、各臺(tái)機(jī)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(jì)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(fù)荷或下泄流量過(guò)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(fù)荷圖或下泄流量過(guò)程。若提供的為日負(fù)荷圖，則還需提供水庫(kù)水位、廠房尾水水位、流量關(guān)系及出力系數(shù)，水庫(kù)庫(kù)容曲線，水庫(kù)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(shí)測(cè)的水位、流量、水面比降、糙率等資料及計(jì)算河段洪水調(diào)查資料。3 設(shè)計(jì)原則3.1 水電站發(fā)電要求，包括最小負(fù)荷及最大負(fù)荷的變化范圍3.2 水電站下游航道的航運(yùn)要求目前及

3、其發(fā)展水平年的航道概況，航運(yùn)船只噸位吃水深度、年運(yùn)輸能力、要求的最小流量、航深及水位日或時(shí)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(jìn)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(shí)間及供水量。3.4 防洪要求各防洪點(diǎn)的防洪標(biāo)準(zhǔn)，防洪水位或流量。4 設(shè)計(jì)方法及內(nèi)容水電站一般都擔(dān)負(fù)電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)，日內(nèi)負(fù)荷變化較大，其下泄流量過(guò)程變化也很大。所以，水電站尾水及其在下游河道的運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間不斷變化，屬于不穩(wěn)定流，可用圣維南方程表達(dá)，即連續(xù)(質(zhì)量守恒)方程 (1)動(dòng)力(動(dòng)量守恒)方程 (2)式中：A 有效過(guò)流面積；A0無(wú)效的(灘地

4、槽蓄)斷面面積；X 沿河道的縱向距離；t 時(shí) 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(fù))；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(jì)算可分為兩大類即水文學(xué)方法和水力學(xué)方法。由計(jì)算的目的、要求、計(jì)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(jiǎn)化，是洪水波在河道中演進(jìn)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(cè)站，實(shí)測(cè)多年的水位流量資料，以便率定各計(jì)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(yàn)槽蓄曲線法、特征河長(zhǎng)法、馬斯京根法和波達(dá)波夫半圖解法(或稱蓄率中線法)等。這類方法的共同特點(diǎn)是設(shè)法尋找相對(duì)穩(wěn)定的單一槽蓄曲線，以代替圣維南方程中的動(dòng)力方程，再與連續(xù)方程聯(lián)立求解。 (1) 波達(dá)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(dá)波夫半圖解法進(jìn)行流量演算。將槽蓄方程和連續(xù)方程改寫(xiě)成如下形式： (3) (4)式中：W河槽調(diào)蓄量；Q2下斷面時(shí)段初流量；上斷面時(shí)段平均入流量；*時(shí)段末值。利用式(3)和式(4)就可用圖1進(jìn)行流量演算。按圖1

6、所標(biāo)由下斷面時(shí)段初流量Q2截得A點(diǎn)，畫(huà)橫座標(biāo)的平行線交于B點(diǎn)，量取BC等于得C點(diǎn)，從C點(diǎn)作縱座標(biāo)平行線交于D點(diǎn)，從D點(diǎn)再作橫座標(biāo)的平行線交于E、F兩點(diǎn)，E點(diǎn)的縱座標(biāo)即為，然后以F點(diǎn)作為B點(diǎn)，重復(fù)上述步驟，即可求得下斷面流量過(guò)程。若要求下斷面水位過(guò)程，可由流量過(guò)程用下斷面水位流量關(guān)系求得。提示: 該方法簡(jiǎn)單、明了、操作簡(jiǎn)便。主要缺點(diǎn)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(jì)算誤差。在山區(qū)性河流，河道比降較大時(shí)，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(dá)波夫半圖解法為了克服上述半圖解法的缺點(diǎn)，取一示儲(chǔ)流量Q¢，使其與W成單一關(guān)系，并

7、且簡(jiǎn)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(shí)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(cuò)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(diǎn)是當(dāng)上、下斷面區(qū)間來(lái)水量較大時(shí)，無(wú)法確定K、x 的值。因此，適用于區(qū)間來(lái)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(chǔ)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(guò)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(zhǎng)法分段連續(xù)流量演算法特征河長(zhǎng)(抵償河長(zhǎng))法的基本思路是將河段分成幾段。每段河長(zhǎng)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(jì)算時(shí)段為Dt，則其第n段的出流過(guò)程為： (7) 式中：I時(shí)段Dt內(nèi)的平均入流量；Dt單位計(jì)算時(shí)段；Kl特征河長(zhǎng)的傳播時(shí)間；G伽瑪函數(shù)；n特征河長(zhǎng)的段數(shù)；t自時(shí)段Dt中心算起的時(shí)間；e自然對(duì)數(shù)的底。計(jì)算步驟：根據(jù)實(shí)測(cè)洪水資料分析試算出上、下河段洪水傳播時(shí)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(jí)，求出幾個(gè)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(zhǎng)度，特征河長(zhǎng)傳播時(shí)間Kl=K/n。上述參數(shù)確定后，就可通過(guò)式(7)算出t時(shí)刻下游斷面的出流。提示: 本法的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要區(qū)間洪水資料，所以在區(qū)間來(lái)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(duì)演算結(jié)果影響很小。馬斯京根法的x與特征河長(zhǎng)法l的關(guān)系為： (8)在率定參數(shù)時(shí)，兩種方法可互為補(bǔ)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(guó)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(jìn)了美國(guó)天氣局(NWS)的HEC軟件包，其中的潰壩洪水程序(簡(jiǎn)稱DAMBRK)，主要功能為預(yù)測(cè)潰壩波的形成與在下游河道中的演進(jìn)。水電站日調(diào)節(jié)下泄流量過(guò)程是一不穩(wěn)定流，可利用DAMBRK程序中的下游河道演進(jìn)功能進(jìn)行計(jì)算，使用結(jié)果，精度符合要求，并在國(guó)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(kuò)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(kāi)始時(shí)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(fù)荷圖和率定出力公式推求下泄流量過(guò)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(jì)算。下邊界也可為水位過(guò)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?yàn)镈AMBRK程序不能模擬下游為干河道。一般可根據(jù)實(shí)測(cè)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(yùn)行，可適當(dāng)加大初始流量，直至可進(jìn)行計(jì)算止，在最后結(jié)果中扣除增加的流量，對(duì)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(gè)，即緊靠壩下的

12、第一斷面及需要洪水信息最遠(yuǎn)處為最后一個(gè)斷面；最多可輸入90個(gè)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?yàn)榫嚯x太近，容易出現(xiàn)負(fù)的河底比降，使計(jì)算無(wú)法進(jìn)行。若出現(xiàn)負(fù)比降，應(yīng)作適當(dāng)修正。每個(gè)斷面分別輸入8個(gè)水位和河寬，其高程必須滿足最大流量時(shí)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(fù)，這是一方面。另一方面DAMBRK模型的構(gòu)造適用于整個(gè)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(dòng)的任何擾動(dòng)不能傳向上游，故不需要下邊界條件，而需要增加一個(gè)上邊界條件，即程序以曼寧公式計(jì)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(dāng)河道比降小于0.947%時(shí)為次臨界流，大于或等于0.947%時(shí)為超臨界流，遇到這種情況時(shí)應(yīng)分段進(jìn)行演算。(4) 水力摩阻系數(shù)水力摩阻系數(shù)用糙率n來(lái)表示，每一個(gè)斷面，對(duì)應(yīng)于各高程輸入8個(gè)糙率值。糙率n可根據(jù)斷面情況和歷史資料分析確定。對(duì)無(wú)需輸出洪水信息的斷面，糙率n選擇的差別對(duì)成果影響不大；反之應(yīng)認(rèn)真選定n值。(5) 灘格式與收擴(kuò)系數(shù)由于水電站