水电能源学水水 电电 能能 源源 学学华中科技大学 水电与数字化工程学院20092009年年8 8月月第一章 水利系统及其组成水电能源学1.1 水资源的综合利用及河流的梯级开发第一章 水利系统及其组成 地面和地下水源是一种重要的自然资源，称为水地面和地下水源是一种重要的自然资源，称为水资源。水资源的综合利用主要包括：资源。水资源的综合利用主要包括： 防洪、治涝、水力发电、农田灌溉、工业和居民防洪、治涝、水力发电、农田灌溉、工业和居民给水、水路运输、游览和环境治理等。给水、水路运输、游览和环境治理等。一、水资源的综合利用一、水资源的综合利用第一章 水利系统及其组成水电能源学 在一条河流上，从上游到下游有一系列的水电枢在一条河流上，从上游到下游有一系列的水电枢纽、形成阶梯形布置，称为梯级开发。纽、形成阶梯形布置，称为梯级开发。二、河流的梯级开发二、河流的梯级开发向家坝向家坝三峡三峡葛洲坝葛洲坝水布垭水布垭高坝洲高坝洲隔河岩隔河岩长江长江清江清江第一章 水利系统及其组成水电能源学 通过进水口、压力管道，闸阀等，将水引入水轮通过进水口、压力管道，闸阀等，将水引入水轮机。机。二、进水和输水系统二、进水和输水系统进水口闸门进水口闸门及拦污栅及拦污栅调压井调压井蝴蝶阀蝴蝶阀导叶导叶 水轮机水轮机 厂房是安装水、机、电各种设备的场所。厂房是安装水、机、电各种设备的场所。三、厂房及厂区系统三、厂房及厂区系统第一章 水利系统及其组成水电能源学 水轮发电机组由水轮机和同步发电机组成。水轮发电机组由水轮机和同步发电机组成。四、水轮发电机组四、水轮发电机组发电机发电机水轮机水轮机水轮机水轮机调速器调速器励磁励磁调节器调节器变压器变压器电网电网断路器断路器第一章 水利系统及其组成水电能源学 水轮发电机组的出力与库坝系统水力要素的关系水轮发电机组的出力与库坝系统水力要素的关系为为式中，式中， 为流量、为流量、 为水头、为水头、 为能量转换效率。为能量转换效率。 其中，水轮机将水能转换为旋转机械能；发电机其中，水轮机将水能转换为旋转机械能；发电机将旋转机械能转换为满足电网要求的电能。将旋转机械能转换为满足电网要求的电能。第一章 水利系统及其组成水电能源学1.3 水电能源的特点 水能是一种非常优越的能源水能是一种非常优越的能源 水能是一种再生能源；水能是一种洁净能源；水能水能是一种再生能源；水能是一种洁净能源；水能可以综合利用。可以综合利用。 水电能源可以储备水电能源可以储备 发电与用电必须保持平衡发电与用电必须保持平衡,而电能又无法储存。为而电能又无法储存。为了协调发电与用电的矛盾，可以利用水库对河川的了协调发电与用电的矛盾，可以利用水库对河川的径流进行调节，即利用水库先把输入的水能储蓄起径流进行调节，即利用水库先把输入的水能储蓄起来，然后按照系统的需要，供水电站使用。来，然后按照系统的需要，供水电站使用。第一章 水利系统及其组成水电能源学 担负电力系统的调峰、调频任务担负电力系统的调峰、调频任务 由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用由于电力系统的发电和用电必须保持平衡，但用电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机电在一天内的波动很大，因此系统中应有一部分机组担任调峰、调频的任务。由于水电机组启动、停组担任调峰、调频的任务。由于水电机组启动、停机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系机快，高效率区域宽，且操作方便，益担任电力系统的调峰、调频任务。统的调峰、调频任务。 担负电力系统的事故备用担负电力系统的事故备用 由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承由于水电机组具有启动、停机快的特点，故宜于承担电力系统的事故备用容量。担电力系统的事故备用容量。 第一章 水利系统及其组成水电能源学一、洪涝灾害一、洪涝灾害1 1、洪水灾害产生的原因洪水灾害产生的原因1.4 洪涝灾害和水库的防洪作用 流域来水过大；流域来水过大； 河道泻通不畅。河道泻通不畅。 两个原因之间不同的相互关系就构成了不同程度两个原因之间不同的相互关系就构成了不同程度的洪水灾害。的洪水灾害。第一章 水利系统及其组成水电能源学2 2、涝灾产生的原因涝灾产生的原因 降降雨雨集集中中，地地面面径径流流聚聚集集在在盆盆地地、平平原原，积积水水过过多或地下水位过高；多或地下水位过高； 积积水水区区排排水水系系统统不不健健全全，或或因因外外河河（湖湖）洪洪水水顶顶托倒灌，或地下水位不能及时降低。托倒灌，或地下水位不能及时降低。第一章 水利系统及其组成水电能源学二、水库的防洪作用二、水库的防洪作用 水水库库的的防防洪洪作作用用包包括括：水水库库下下游游防防洪洪、水水利利枢枢纽纽本身的防洪和水库上游防洪本身的防洪和水库上游防洪. 通通过过水水库库的的蓄蓄洪洪、滞滞洪洪后后，使使下下游游防防护护区区在在遭遭遇遇频频率率符符合合防防护护标标准准的的洪洪水水时时，流流经经河河道道某某控控制制点点的的下下泻泻流流量量或或水水位位高高程程不不超超过过允允许许的的限限定定值值，从从而而保保证防护区免受洪水灾害。证防护区免受洪水灾害。 1 1、水库下游防洪水库下游防洪三峡水库三峡水库武汉武汉长江长江第一章 水利系统及其组成水电能源学2 2、水利枢纽本身的防洪水利枢纽本身的防洪 防防止止因因洪洪水水漫漫顶顶而而引引起起水水工工建建筑筑物物溃溃塌塌，保保证证水水工工建建筑筑物物本本身身的的安安全全。同同时时也也避避免免因因溃溃坝坝而而给给下下游游带来灾难性的洪灾。带来灾难性的洪灾。3 3、水库上游防洪水库上游防洪 指指一一定定水水库库水水位位以以上上的的水水库库地地区区不不允允许许淹淹没没的的防防洪问题。洪问题。第一章 水利系统及其组成水电能源学 水水库库防防洪洪是是在在保保证证水水工工建建筑筑物物安安全全的的前前提提下下，用用足足够够的的库库容容来来拦拦蓄蓄洪洪水水，水水库库通通过过防防洪洪库库容容或或预预泄泄，留留出出部部分分库库容容来来拦拦蓄蓄洪洪水水，以以削削减减洪洪峰峰，改改变变天天然然洪洪水水过过程程，满满足足下下游游防防洪洪要要求求，而而且且蓄蓄留留一一部部分分洪洪水，在枯水期供兴利使用。水，在枯水期供兴利使用。 水水库库下下游游防防洪洪、水水利利枢枢纽纽本本身身的的防防洪洪和和水水库库上上游游防洪三者之间相互制约，因此需要合理调度防洪三者之间相互制约，因此需要合理调度.第一章 水利系统及其组成水电能源学洪水流量洪水流量洪水流量洪水流量滞洪滞洪拦蓄的洪水拦蓄的洪水水库水位水库水位蓄洪蓄洪水库水位水库水位Z第一章 水利系统及其组成水电能源学 水水库库的的调调洪洪作作用用主主要要是是通通过过改改变变天天然然洪洪水水过过程程线线，使使下下泻泻流流量量不不超超过过下下游游河河道道的的允允许许泻泻量量。这这种种洪洪水水过过程程的的变变形形主主要要体体现现在在防防洪洪库库容容中中蓄蓄水水量量的的变变化化上上，即调节水量的充蓄与泻放。即调节水量的充蓄与泻放。 天天然然洪洪水水过过程程经经过过水水库库时时所所发发生生的的变变化化与与水水库库的的容容积积特特性性、泻泻洪洪建建筑筑物物的的型型式式和和尺尺寸寸，以以及及水水库库的的运行方式有关。运行方式有关。第一章 水利系统及其组成水电能源学 1.5 兴利用水的要求和特点一、水力发电一、水力发电 集中水头，调节流量，向电网提供电能。集中水头，调节流量，向电网提供电能。二、灌溉二、灌溉 合理的人工灌溉是保证农业稳产的重要措施。合理的人工灌溉是保证农业稳产的重要措施。三、供水三、供水 对居民和工业给水的供水。对居民和工业给水的供水。四、航运四、航运 航运不消耗水量，但对流量和流速有要求。航运不消耗水量，但对流量和流速有要求。五、鱼业五、鱼业 渔业不消耗水量，但对水质有要求。渔业不消耗水量，但对水质有要求。第一章 水利系统及其组成水电能源学 1.6 各水利部门之间的矛盾一、用水数量上的矛盾一、用水数量上的矛盾二、用水时间上的矛盾二、用水时间上的矛盾三、水库容积使用上的矛盾三、水库容积使用上的矛盾第二章 河川径流与水文过程水电能源学第二章 河川径流与水文过程的随机模拟 河河 川川 径径 流流 是是 一一 种种 随随 时时 间间 变变 化化 的的 连连 续续 过过 程程 ，每年的变化过程不可能完全一致。，每年的变化过程不可能完全一致。这是由于影响水文现象变化的因素非常复杂，各这是由于影响水文现象变化的因素非常复杂，各因素本身在时间上又不断地发生变化，未来河川径因素本身在时间上又不断地发生变化，未来河川径流量的大小无法确知，具有不重复性的特点，这就流量的大小无法确知，具有不重复性的特点，这就是所谓随机性，或者说河川径流是一个典型的随机是所谓随机性，或者说河川径流是一个典型的随机过程。过程。第二章 河川径流与水文过程水电能源学从从长长期期观观测测资资料料中中可可以以看看到到，河河川川径径流流量量的的变变化化总总有有比比较较明明显显的的洪洪水水期期和和枯枯水水期期，即即表表明明河河川川径径流流的的变变化化具具有有一一定定的的周周期期性性，这这对对于于认认识识河河流流和和利利用用河流有很大作用；河流有很大作用；另一方面，河川径流具有地区性，相邻流域的水另一方面，河川径流具有地区性，相邻流域的水文现象就有一定的相似规律，这就利用相似流域较文现象就有一定的相似规律，这就利用相似流域较长的观测资料延长和插补另外河流短缺的资料。长的观测资料延长和插补另外河流短缺的资料。第二章 河川径流与水文过程水电能源学2.1 径流的形成 径流是指降落在流域表面的雨水，由地面与地下径流是指降落在流域表面的雨水，由地面与地下向径流出口断面汇集的水流流量。其中，来自地面向径流出口断面汇集的水流流量。其中，来自地面的部分称为地面径流，地下部分称为地下径流。的部分称为地面径流，地下部分称为地下径流。每当流域上有降雨时，河流中的水位就有起伏变每当流域上有降雨时，河流中的水位就有起伏变化，也就有一个相应的流量过程。化，也就有一个相应的流量过程。出口断面出口断面第二章 河川径流与水文过程水电能源学 典型的洪水过程如图所示：典型的洪水过程如图所示：涨水段涨水段峰段峰段退水段退水段第二章 河川径流与水文过程水电能源学将降雨过程与流量过程相比较，可得出：将降雨过程与流量过程相比较，可得出： 流量变化过程比降雨过程平缓；流量变化过程比降雨过程平缓； 流量过程线的历时比降雨的历时长得多；流量过程线的历时比降雨的历时长得多； 通过流域出口断面的径流量比降雨小。通过流域出口断面的径流量比降雨小。第二章 河川径流与水文过程水电能源学一、径流的形成过程一、径流的形成过程 径流的形成过程分为产流阶段和汇流两个阶段。径流的形成过程分为产流阶段和汇流两个阶段。 对一次降雨过程，降雨量中只有一部分形成径流，对一次降雨过程，降雨量中只有一部分形成径流，称为产流量；不形成径流的部分称为损失量，其中称为产流量；不形成径流的部分称为损失量，其中包括：雨期蒸发、植物截留、填洼和补充土壤缺水包括：雨期蒸发、植物截留、填洼和补充土壤缺水量。量。第二章 河川径流与水文过程水电能源学 降雨损失量的一般情况为：降雨损失量的一般情况为： 一般植被条件下，次洪截留量小于一般植被条件下，次洪截留量小于3 35 5mmmm； 填洼量一般在填洼量一般在10105050mmmm之间；之间； 雨期蒸发量与温度和日照有关；雨期蒸发量与温度和日照有关； 下渗量与土壤类别、植被条件及土壤含水量有关。下渗量与土壤类别、植被条件及土壤含水量有关。在土壤干燥，植被良好的地区，次洪的下渗量可达在土壤干燥，植被良好的地区，次洪的下渗量可达100100mmmm以上。以上。 第二章 河川径流与水文过程水电能源学1 1、产流过程产流过程（1 1）蓄满产流蓄满产流 指指一一次次降降雨雨在在土土壤壤缺缺水水量量未未满满足足以以前前不不产产生生径径流流，在土壤缺水蓄满以后，降雨全部形成径流。在土壤缺水蓄满以后，降雨全部形成径流。 蓄蓄满满产产流流主主要要决决定定于于降降雨雨量量与与前前期期土土壤壤的