CN106284239B - 一种大型坝式水电站初步选址方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型坝式水电站初步选址方法，包括以下步骤：根据适宜建设大型坝式水电站的河流径流量最低限值筛选拟开发河段，确定重点开发河段；根据卫星地形数据生成重点开发河段等高线地形图，获得重点开发河段的原水位和山体顶部高度；从重点开发河段中选定上下游两侧河道在原水位处河道宽度大于适宜建设大型坝式水电站河道宽度的河段，选取多个河道宽度极小值点作为水坝备选坝址；各备选坝址均取若干壅水高度，每一备选坝址处的每个壅水高度均为一个大坝设计方案；分别确定各大坝设计方案的大坝参数；确定各大坝设计方案中水库的淹没面积和有效库容；计算各大坝设计方案中水电站的装机容量和库容系数；将所有大坝设计方案输出。

Description

一种大型坝式水电站初步选址方法

技术领域

本发明涉及一种水利设施的选址方法，尤其涉及一种大型坝式水电站初步选址方法。

背景技术

2015年，全球能源互联网从战略构想上升为国家倡议，有较大调节能力的大型坝式水电站将成为全球互联电网的重要支撑电源。在构建全球能源互联网战略的背景下，不仅需要评估全球各区域的水电理论蕴藏量、技术可开发量及经济可开发量等参数，而且有必要对全球各区域进行水电初步规划，研究拟建大型坝式水电站的建设地址、装机容量和调节特性。

实际工程中，水电规划需要大量地形、地质、水文勘察设计资料作为支撑，现场勘测工作量大、时间跨度长，动辄需要数十亿经费支持。在构建全球能源互联网战略的背景下，水电规划对象基本都在国外，在战略构想和规划阶段通常难以获得外国相关管理部门和技术设计部门的支持，缺乏水电规划工程数据的来源和渠道，因此无法采用常规的水电选址及设计方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大型坝式水电站初步选址方法，可在缺乏详细勘察设计资料和大量经费支持的情况下，以卫星地形数据为主要数据来源，并由少量公开数据和工程经验值支撑，进行拟开发河段的筛选、大型坝式水电站的选址以及大型坝式水电站的装机容量和调节特性计算。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大型坝式水电站初步选址方法，包括以下步骤：

1)根据适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值，对拟开发河段进行筛选，确定重点开发河段；

2)获取重点开发河段的卫星地形数据，根据卫星地形数据生成重点开发河段的等高线地形图，从等高线地形图中获得重点开发河段的原水位和山体顶部高度；

3)在等高线地形图上，从重点开发河段中选定上、下游两侧河道在原水位处的河道宽度大于适宜建设大型坝式水电站的河道宽度的河段，沿河岸一侧等间隔测量选定河段在原水位处的河道宽度，绘制选定河段沿河岸的河道宽度曲线；选取选定河段上的多个河道宽度极小值点所在的位置作为水坝的备选坝址；

4)预设各备选坝址处的壅水高度最大值，在各备选坝址处从初始高度值开始等间隔递增选取多个壅水高度值，直到达到壅水高度最大值，每一备选坝址处的每一壅水高度均代表一个大坝设计方案，从而得到多个不同的大坝设计方案；

5)根据山体顶部高度、备选坝址和各壅水高度值，分别确定各大坝设计方案的大坝参数，大坝参数包括：正常蓄水位、死水位、校核洪水位、坝顶高度以及坝顶长；

6)根据各大坝设计方案的大坝参数及卫星地形数据，确定各大坝设计方案中水库的淹没面积和有效库容；

7)根据公开资料和工程经验值，计算各大坝设计方案中水电站的装机容量和库容系数；

8)将选取的多个水坝的备选坝址，各备选坝址对应的多个大坝设计方案，以及各大坝设计方案对应的大坝参数、水库的淹没面积和有效面积、水电站的装机容量和库容系数输出，作为具体选址时的参考。

还包括步骤9)判断同一河段下游大坝的正常蓄水位对应等高线所围成的闭合区域是否包含上游大坝的备选坝址，如果包含，则输出所述同一河段内的这两种大坝设计方案不兼容信息。

所述步骤1)中适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值根据拟建坝式水电站需求的最小装机容量计算得到；所述步骤1)中筛选重点开发河段包括：获取拟开发区域内各河流的年径流量，将区域内各河流的年径流量与适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值进行对比，排除区域内各河流的年径流量小于适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值的河段，获得多条重点开发河段。

所述适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值的计算公式为：

式中，Q_min为适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值；P_min为坝式水电站的最小装机容量；T_a0为坝式水电站的年运行小时数；k为水电站综合出力系数；H为水电站预估壅水高度；T₀为一年的总小时数。

所述步骤3)中适宜建设大型坝式水电站的河道宽度为2千米；所述步骤5)中坝顶长为重点开发河段的等高线地形图上，备选坝址处坝顶高度对应等高线的截断线长度。

所述步骤6)中，各大坝设计方案中水库的淹没面积为：选定河段各备选坝址上游河道的原水位对应等高线和筑坝后正常蓄水位对应等高线之间的地形曲面面积；

各大坝设计方案中水库的有效库容为：选定河段各备选坝址上游河道的正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面和死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面之间的地形曲面以及大坝所在位置河道横截面包围的体积。

所述步骤7)中，计算水电站的装机容量包括：

①计算水电站的净水头；

②获得水电站所在河段的年平均径流量；

③计算水电站的年发电量：

式中，E_年为水电站的年发电量；k为水电站综合出力系数；H_净为水电站净水头；为水电站所在河段的年平均径流量；T₀为一年的总小时数；

④计算水电站装机容量：

式中，N_装为水电站的装机容量；T_a为水电站的年利用小时数。

所述步骤①中水电站净水头的计算公式为：

式中，H_净为水电站净水头；H_死为水电站的死水位高程；H_最大消落为水电站的最大消落深度；H_原始为河流的原水位高程；ΔH_损失为沿程和局部水头损失。

所述步骤②中，水电站所在河段的年平均径流量从公开资料中查阅得到；

或者，获取水电站所在河段汇入大河的河口流量，并通过降雨量和流域面积计算水电站所在河段的年平均径流量；

或者，采用流域面积折算水电站所在河段的年平均径流量，公式为：

式中，S₀为相关联河段的流域面积；为相关联河段的已知年平均径流量；S为水电站所在河段的流域面积；为水电站所在河段的年平均径流量。

所述步骤7)中，水库的库容系数的计算公式为：

式中，β为水电站的库容系数；V_有效为水库的有效库容。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，以卫星地形数据为最重要的数据来源，成本低廉、技术可靠、实用性较强。2、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，采用地形数据等高线的截断线模拟大坝，以等高线及其截断线所围成的平面区域模拟水面，以水面和其正下方地形曲面计算水库有效库容，基于水库有效库容计算其他参数。3、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，适用于广袤区域内河流河段的大型坝式水电站的初步选址及相关参数的确定。4、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，适用于各式大型坝式水电站的初步选址及相关参数的确定。5、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，在缺乏详细工程数据、大量经费支持的情况下进行大型坝式水电站的初步选址及相关参数的确定。6、本发明的大型坝式水电站初步选址及设计的方法，可为水电站工程可行性研究提供大量实用基础数据。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是河道原水位处河道宽度测量的示意图；

图3是河道宽度曲线示意图；

图4是河道参数以及坝式水电站水库参数的相互关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的一种大型坝式水电站初步选址及设计的方法，包括以下步骤：

1)根据适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值，对拟开发河段进行筛选，确定重点开发河段。

河流径流量大小是判定重点开发河段的重要依据，径流量太小会导致坝式水电站装机容量较小，调节能力不强。根据拟建坝式水电站需求的最小装机容量，计算适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值。然后从公开资料中获取拟开发区域内各河流的年径流量，并将区域内各河流的年径流量与计算得到的适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值进行对比，排除年径流量小于最低限值的大量河段，获得少量年径流量大的重点开发河段。

适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值的计算公式为：

式中，Q_min为适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值；P_min为坝式水电站的最小装机容量，根据需求确定；T_a0为坝式水电站的年运行小时数；k为水电站综合出力系数，与重力加速度和水电站发电综合效率等有关，当装机容量大于25万千瓦时，k＝8.5，当装机容量在2.5万至25万千瓦之间时，k＝8.0～8.5，当装机容量小于2.5万千瓦时，k＝6.0～8.0；H为根据工程经验选取的水电站预估壅水高度，为了得到河流径流量的最低限值，预估壅水高度选取最大值，这里取H＝200米；T₀为一年的总小时数，其值为8760。

2)从公开资料获取重点开发河段的卫星地形数据，根据卫星地形数据生成重点开发河段的等高线地形图；从等高线地形图中可以获得重点开发河段的原水位(即河道原始水面高度)、山体顶部高度等河道参数。

3)如图2和图3所示，在等高线地形图上，从重点开发河段中选定上、下游两侧河道原水位处的河道宽度大于适宜建设大型坝式水电站的河道宽度的河段，沿河岸一侧每隔10米测量选定河段在原水位处的河道宽度，测量河道宽度的方向与水流方向垂直，绘制选定河段沿河岸的河道宽度曲线；选取选定河段上的5个河道宽度极小值点所在的位置作为水坝的备选坝址，当极小值点不足5个时全部选取。其中，适宜建设大型坝式水电站的河道宽度可以为2千米。

4)壅水高度是指因水流受阻而产生的水位升高的高度，坝式水电站的壅水高度即筑坝后水电站的正常蓄水位与河道的原水位的高度差。根据工程经验分别确定各备选坝址处的壅水高度最大值H_max，壅水高度最大值H_max一般不高于200米，并低于两侧最低的山体顶部高度20米；在各个备选坝址处，壅水高度从初始高度值开始，每隔n米递增取值，直到达到壅水高度最大值H_max，共取10个壅水高度值，其中，初始高度值可以为10米，则n＝(H_max-10)/9。每一个备选坝址处的每一个壅水高度均代表一个大坝设计方案，从而可以得到多个不同的大坝设计方案。

5)根据山体顶部高度、备选坝址和各壅水高度值分别确定各大坝设计方案的大坝参数，大坝参数包括：正常蓄水位、死水位、校核洪水位、坝顶高度以及坝顶长。其中，如图4所示，正常蓄水位与原水位的高度差为壅水高度；死水位与原水位的高度差为壅水高度的1/3；校核洪水位即防洪水位，在正常蓄水位以上5米；坝顶高度在正常蓄水位以上10米；在重点开发河段的等高线地形图上，由备选坝址处坝顶高度对应等高线的截断线长度确定坝顶长。

6)根据各大坝设计方案的大坝参数及卫星地形数据，确定各大坝对应水库的淹没面积和有效库容。

选定河段各备选坝址上游河道的原水位对应等高线和筑坝后正常蓄水位对应等高线之间的地形曲面面积，即为各大坝设计方案中水库的淹没面积。

选定河段各备选坝址上游河道的正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面和死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面之间的地形曲面以及大坝所在位置河道横截面包围的体积，即为各大坝设计方案中水库的有效库容。

根据各大坝设计方案的大坝参数及卫星地形数据，计算得出各大坝对应水库的淹没面积和有效库容。

7)在公开资料(如地形数据、流域面积、年平均径流量等)和工程经验值(如壅水高度、坝长、年利用小时数等)的支撑下，计算各大坝设计方案中水电站的装机容量和库容系数。

由于选定河段的相关水文资料匮乏，本发明采用简化方法——装机容量年利用小时数法，确定水电站的装机容量。装机容量年利用小时数法的基本思路是：先计算水电站的年发电量，然后估计水电站的年利用小时数，从而确定水电站的装机容量。本发明假设水电站的净水头恒定，每一年水轮机的过水量等于河段的总径流量，忽略水流的其他损失，水轮机效率和发电效率在变工况运行中不变，则计算水电站的装机容量和库容系数，包括以下步骤：

①计算水电站的净水头：水电站净水头等于上游水位高程(高程是以海平面作为水基准面的海拔高度)减去下游水位高程，再扣除沿程和局部水头损失。不考虑水电站运行时水头随时间的变化，上游水位高程取与水库死库容加一半有效库容对应的蓄水位，简化条件下即为死水位加2/3最大消落深度；假设建坝后下游的水位保持不变，下游水位高程取建坝前的河流原始水面高程，则水电站净水头的计算公式为：

式中，H_净为水电站净水头；H_死为水电站的死水位高程；H_最大消落为水电站的最大消落深度，等于正常蓄水位与死水位的高度差；H_原始为河流的原水位高程；ΔH_损失为沿程和局部水头损失，取1～3米，水头是大坝上下游水位的高度差值，在本专利中水头就是壅水高度，水头为200米时ΔH_损失取3米，水头在40米以下的低水头水电站的ΔH_损失取1米。

②获得水电站所在河段的年平均径流量：水电站所在河段的年平均径流量即水电站上游来水流量，与时间无关，为常数。部分河段的年平均径流量可从公开资料中查到。无法查到年平均径流量的河段一般能查到其汇入大河的河口流量，在工程实践中，一般可以通过降雨量和流域面积推算其年平均径流量。若河流河段无法查到降雨量，且有的河流主要靠融雪补充而非雨水，则可直接采用流域面积进行折算，折算公式为：

式中，S₀为相关联河段的流域面积，数据来自公开资料；为相关联河段的已知年平均径流量，数据来自公开资料；S为所求河段的流域面积，数据来自公开资料；为水电站所在河段的年平均径流量。

③计算水电站的年发电量：

式中，E_年为水电站的年发电量；T₀为一年的总小时数，其值为8760。

④根据水电站功能定位及运行方式(比如用于风电调峰的水电站)，参照同类型水电站(即装机容量、功能定位及运行方式相似的水电站)及区域内已建水电站的年利用小时数，确定拟建水电站的年利用小时数；采用公式(5)计算水电站的装机容量，并按已知水轮机单机容量的整数倍取整。

式中，N_装为水电站的装机容量；T_a为水电站的年利用小时数。

⑤计算水库的库容系数，确定调节性能：库容系数是表示水库调节性能的相对指标，根据库容系数的大小，可以初步判断水库的调节周期：如果库容系数大，表示水库调节性能好，调节周期长；反之，表示水库调节性能差，调节周期短。通过水电站水库库容系数可以划分水库的调节性能为日调节、月调节、季调节、年调节和多年调节等几种类型。库容系数的计算公式为：

式中，β为水电站的库容系数；V_有效为水库的有效库容，由步骤6)得到。

β＜0.02为无调节水库；β＝0.02～0.03为日调节水库；β＝0.03～0.08为月调节水库；β＝0.08～0.20为季调节水库；β＝0.20～0.30为不完全年调节水库；β＝0.30～0.50为完全年调节水库；β>0.5为多年调节水库。

8)将选取的多个水坝的备选坝址，各备选坝址对应的多个大坝设计方案，以及各大坝设计方案对应的大坝参数、水库的淹没面积和有效面积、水电站的装机容量和库容系数输出，作为具体选址时的参考。

9)同一河段内不同备选坝址的大坝设计方案的兼容性判断：判断同一河段下游大坝的正常蓄水位对应等高线所围成的闭合区域是否包含上游大坝的备选坝址，如果包含，则输出所述同一河段内的这两种大坝设计方案不兼容信息，即该河段上不能同时建设这两个设计方案的大坝。

上述实施例中，步骤2)中采用计算机软件Global Mapper读取重点开发河段的卫星地形数据，并生成等高线地形图，效率较高，实用性较强。

上述实施例中，本发明方法中的各项计算均可以采用计算机软件自动完成，效率较高，实用性较强。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、设置位置及其连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值，对拟开发河段进行筛选，确定重点开发河段；

2)获取重点开发河段的卫星地形数据，根据卫星地形数据生成重点开发河段的等高线地形图，从等高线地形图中获得重点开发河段的原水位和山体顶部高度；

3)在等高线地形图上，从重点开发河段中选定上、下游两侧河道在原水位处的河道宽度大于适宜建设大型坝式水电站的河道宽度的河段，沿河岸一侧等间隔测量选定河段在原水位处的河道宽度，绘制选定河段沿河岸的河道宽度曲线；选取选定河段上的多个河道宽度极小值点所在的位置作为水坝的备选坝址；

4)预设各备选坝址处的壅水高度最大值，在各备选坝址处从初始高度值开始等间隔递增选取多个壅水高度值，直到达到壅水高度最大值，每一备选坝址处的每一壅水高度均代表一个大坝设计方案，从而得到多个不同的大坝设计方案；

5)根据山体顶部高度、备选坝址和各壅水高度值，分别确定各大坝设计方案的大坝参数，大坝参数包括：正常蓄水位、死水位、校核洪水位、坝顶高度以及坝顶长；

6)根据各大坝设计方案的大坝参数及卫星地形数据，确定各大坝设计方案中水库的淹没面积和有效库容；

7)根据公开资料和工程经验值，计算各大坝设计方案中水电站的装机容量和库容系数；

8)将选取的多个水坝的备选坝址，各备选坝址对应的多个大坝设计方案，以及各大坝设计方案对应的大坝参数、水库的淹没面积和有效面积、水电站的装机容量和库容系数输出，作为具体选址时的参考。

2.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，还包括步骤9)判断同一河段下游大坝的正常蓄水位对应等高线所围成的闭合区域是否包含上游大坝的备选坝址，如果包含，则输出所述同一河段内的两种大坝设计方案不兼容信息。

3.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤1)中适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值根据拟建坝式水电站需求的最小装机容量计算得到；

所述步骤1)中筛选重点开发河段包括：获取拟开发区域内各河流的年径流量，将区域内各河流的年径流量与适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值进行对比，排除区域内各河流的年径流量小于适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值的河段，获得多条重点开发河段。

4.如权利要求3所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值的计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>min</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>H</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，Q_min为适宜建设大型坝式水电站的河流径流量的最低限值；P_min为坝式水电站的最小装机容量；T_a0为坝式水电站的年运行小时数；k为水电站综合出力系数；H为水电站预估壅水高度；T₀为一年的总小时数。

5.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤3)中适宜建设大型坝式水电站的河道宽度为2千米；

所述步骤5)中坝顶长为重点开发河段的等高线地形图上，备选坝址处坝顶高度对应等高线的截断线长度。

6.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤6)中，各大坝设计方案中水库的淹没面积为：选定河段各备选坝址上游河道的原水位对应等高线和筑坝后正常蓄水位对应等高线之间的地形曲面面积；

各大坝设计方案中水库的有效库容为：选定河段各备选坝址上游河道的正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面、正常蓄水位对应等高线与大坝截断线围成水平面和死水位对应等高线与大坝截断线围成水平面之间的地形曲面以及大坝所在位置河道横截面包围的体积。

7.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤7)中，计算水电站的装机容量包括：

①计算水电站的净水头；

②获得水电站所在河段的年平均径流量；

③计算水电站的年发电量：

式中，E_年为水电站的年发电量；k为水电站综合出力系数；H_净为水电站净水头；为水电站所在河段的年平均径流量；T₀为一年的总小时数；

④计算水电站装机容量：

式中，N_装为水电站的装机容量；T_a为水电站的年利用小时数。

8.如权利要求7所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤①中水电站净水头的计算公式为：

式中，H_净为水电站净水头；H_死为水电站的死水位高程；H_最大消落为水电站的最大消落深度；H_原始为河流的原水位高程；ΔH_损失为沿程和局部水头损失。

9.如权利要求7所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤②中，水电站所在河段的年平均径流量从公开资料中查阅得到；

或者，获取水电站所在河段汇入大河的河口流量，并通过降雨量和流域面积计算水电站所在河段的年平均径流量；

或者，采用流域面积折算水电站所在河段的年平均径流量，公式为：

式中，S₀为相关联河段的流域面积；为相关联河段的已知年平均径流量；S为水电站所在河段的流域面积；为水电站所在河段的年平均径流量。

10.如权利要求1所述的一种大型坝式水电站初步选址方法，其特征在于，所述步骤7)中，水库的库容系数的计算公式为：

式中，β为水电站的库容系数；V_有效为水库的有效库容；为水电站所在河段的年平均径流量。