佳木斯發電廠取水口斷面來水量分析計算

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文標簽:發電廠論文
論文作者: 李龍輝
上傳時間:2006/2/19 11:55:00

摘要:對所依据的設計站年徑流資料進行一致性審查和代表性分析,在此基礎上采用實測最小流量頻率分析法、还原扣除法和流量歷時綜合曲線法推求代表站設計年最小流量。根據设計代表站、取水口位置和區间情況,采用水均衡法分析計算取水口斷面設计年最小流量。

關鍵詞:電廠取水口 設計年最小流量 頻率分析

1 概況

1.1电廠取水口位置及設計取水量

為更好地適應東北地區乃至華北地區電力負荷不断增長的需要,滿足佳木斯中心區和佳東區域近遠期集中供熱需求,佳木斯市熱電廠有限責任公司規劃建設2×300MW機組供熱擴建工程。項目性質為供热擴建工程,屬熱電聯產、電熱結合的大型發電廠,計划裝機容量600MW,供熱面積1231×104m2,年發電量33×108KW.h。電廠設計年取水量為2.83×108m3,平均取水流量為8.9m3/s,供證率為97%,初選供水水源為松花江地表水,取水口位于佳木斯市城區東北部的松花江幹流上。

1.2流域概況

1.2.1自然地理

電廠取水口位於松花江流域下遊。松花江流域位於东經119°52′~132°31′、北緯41°42′~51°48′之間,東西長2309km,南北寬1070km,流域面積55.68×104km2

松花江有南北兩源,南源第二松花江發源於吉林省長白天池,北源嫩江發源於大興安嶺伊勒呼裏山中段南側,兩源於三岔河附近匯合向東而流始稱松花江。松花江流經黑龍江、吉林兩省和內蒙古自治區,在同江縣附近匯入黑龍江,從嫩江源頭計算,松花江總長2308km。

松花江流域西部為大興安嶺,海撥高程700~1700m;北部為小興安嶺,海撥高程為1000~2000m;東部和東南部為完達山脈和長白山脈,海拨高程200~2700m;西南部的丘陵區地帶是松花江與辽河兩流域的分水嶺,海拨高程140~250m;中部是松嫩平原,海撥高程50~200m,是本流域的主要農業區。流域內山区面積23.79×104km2,占流域面積的42.7%;丘陵面積16.2×104km2,占流域面積的29.1%;平原面積15.23×104km2,占流域面積的27.4%;其它面积占流域面積的0.8%。

1.2.2徑流特征

松花江流域河川徑流主要由降水形成,徑流的地區分布不均勻。高值區多年平均徑流深200~500mm,长白山脈天池附近高達600mm。徑流低值區多年平均徑流深小於150mm,嫩江中下遊平原地區年徑流深小於25mm。

徑流年際變化大,並存在明顯的豐枯變化周期。流域諸河年徑流變差系數Cv值在0.20~1.0之間变化,松嫩平原高值區Cv值達0.91~1.0,三江平原Cv值達0.71~0.80左右,第二松花江上遊低值區Cv值在0.20~0.25之間。徑流年際變化存在連豐連枯、豐枯交替变化的特點,據哈爾濱長系列径流資料分析,其徑流有明显的豐枯水周期,1898~1928年為枯水期,1929~1967年為豐水期,1968~1982年為枯水期,1983年以來又进入了豐水期。

徑流的年內分配極不均勻,夏季汛期6~9月徑流量可占全年径流量的70~80%,其中7、8兩月占50%左右;春溉期5~6月,徑流占全年的10~30%;封凍期長約5~6個月,徑流不足全年的20%。

1.2.3水資源開發利用現狀

1)供水量

松花江流域現狀供水總量为374.06×108m3,其中地表程供水量為218.38×108m3,占总供水量的58.38%;地下程供水量155.68×108m3,占供水總量的41.62%。

按工程類別供水分別統計,蓄程供水54.11×108m3,引程供水65.69×108m3,提程供水98.58×108m3,地下程供水155.68×108m3。各工程供水量占供水總量的百分比分別為14.47%、17.56%、26.35%和41.62%。

2)用水量

松花江流域現狀用水總量373.85×108m3。按用戶類別用水分别統計,灌溉用水量為255.23×108m3,占用水总量的68.27%;工業用水量為83.91×108m3,占用水總量的22.45%;林牧漁業用水量為14.39×108m3,占用水總量的3.85%;生活用水量為20.32×108m3,占用水總量的5.44%。

2 水文基本資料

2.1設計站的選擇

根據取水口斷面位置和松花江幹流水文站分布情況,選擇佳木斯水文站為設計代表站,選擇哈爾濱水文站為設計參證站。

佳木斯站位於電廠取水口上游4.3km處,控制流域面積528277km2,是松花江下遊把口站。本站於1934年設立為水位站,1945年抗戰勝利後停测,1949年恢復為水位站,1953年擴建為水文站。水文站測驗斷面位於綏佳線松花江鐵路橋下800m處,河段順直长度1000m,河床穩定,水流集中,河床由細砂組成,左右岸均有堤防控制,河槽控制條件良好,斷面歷年沖淤變化不大,水位流量關系穩定。流量測驗以流速儀法为主,測次分布均勻,整编成果可靠。

哈爾濱站位於佳木斯站上遊哈爾濱市,地处松花江幹流中上遊,是第二松花江和嫩江匯合後的主要控制站,控制流域面積389769 km2。本站於1898年設立為水位站,1953年擴建為水文站。鑒於哈尔濱站建站時間較長,經历次水資源評價、水資源規劃插補延長後具有1898年至今完整的長系列徑流資料,故选擇此站為設計參證站。

2.2資料的一致性審查

人類活動對徑流一致性的影響主要表現在兩個方面:第一,隨著經濟社會的發展,河道外引用消耗的水量不斷增加,直接造成河川徑流量的減少,水文站實測徑流已不能代表天然情況;第二,由於農業生產、基礎設施建設和生態環境建設改變了流域的下垫面條件,導致入滲、徑流、蒸散发等水平衡要素的變化,從而造成產流量的減少或增加。河道外用水消耗量一般采用徑流還原計算的方法還原回來。下墊面的變化對徑流的影響是一個漸變過程,影響因素非常復雜,難以逐年做出定量的估計。通常的做法是:在單站徑流還原的基礎上,點绘年降水量與天然年徑流深相關圖,通過分析同量級降水條件下徑流是否明顯增加或減少來分析系列一致性的好壞。

2.2.1徑流還原计算

本次設計參證站和設計代表站天然徑流資料均采用歷次水資源评價和水資源規劃還原计算成果。哈爾濱站,1898~1956年采用全省第一次水资源評價插補延長及还原計算成果,1956~2000年為全省水資源綜合規劃還原計算初步成果。佳木斯站1956~2000年為全省水資源綜合規劃還原計算初步成果,1953~1955年為佳木斯市地下水開發利用規劃還原計算成果。

2.2.2系列一致性分析

在分析下墊面條件變化對徑流形成的影響方面,黑龍江省水文局點繪了松花江各支流代表站的年降水徑流相關圖,在降水徑流相關图中,單站不同時期的徑流深點據呈带狀粘合在一起,同量級降水條件下径流深沒有明顯增大或減少现象,說明下墊面條件變化对流域徑流形成的一致性影響不大。哈爾濱站和佳木斯站控制流域面積过大,不能采用上述方法,本文通過绘制年徑流單累積曲線和F檢驗對徑流系列的一致性進行審查。

1)徑流單累積曲線分析

點繪哈爾濱站和佳木斯站年径流單累積曲線,見圖1。由圖1可见,徑流單累積曲線基本光滑,曲線斜率沒有突變現象,可認為徑流还原計算精度較高,下墊面變化情況下的年徑流系列一致性較好。

佳木斯发电厂取水口断面来水量分析计算

1 哈尔濱站及佳木斯站年平均流量累積曲線

2)F檢驗

F檢驗法是統計分析方法中判斷不同時間兩個是否取樣於同一總體或是否具有顯著時的常用方法。根據引起流域下墊面变化的工程建設、其他人类活動影響情況及水資源开發利用水平,將哈尔濱站及佳木斯站年徑流系列分別劃分為1980年以前(n1)與1980年以後(n2)兩組,然後用F檢驗法確定兩組样是否具有顯著的差別。檢驗結果如表1。

1 徑流系列F检驗(雙側檢驗)分析成果表

項目

哈爾濱站

佳木斯站

長度 n1

長度 n2

83

20

28

20

方差 S12

方差 S22

234162

260004

484023

424202

自由度  f1

自由度  f2

19

82

27

19

統計量  F

1.11

1.141

顯著性水平α

0.05

0.05

  臨界值Fα/2(f1,f2)

1.90

2.42

檢验結論

F<Fα/2(f1,f2),兩無顯著性差異

2.3系列代表性分析

松花江幹流年徑流系列代表性問題,以往的水資源評價和水資源規劃多次做過分析,結論為1951~1982年32年系列具有較好的代表性,本次補充了1983年以來徑流系列,采用周期分析、累計平均分析和長短系列統計參數對比等方法,重点對松花江幹流1953~1982年和1953~2000年徑流系列的代表性进行簡要分析。

1)周期分析

繪制哈尔濱站(1898~2000年)103年長系列和佳木斯站(1953~2000年)48年短系列年径流模比系數差積曲線,见圖2。

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2 哈爾濱站及佳木斯站年径流差積曲線

從差積曲线圖上可以看出,松花江干流年徑流上下遊同步性好,周期變化規律明顯,具有連豐連枯、豐枯交替和枯水段持續長等特點。進一步分析1953~2000年短系列差積曲線,1953~1964年為連續丰水年組,1964~1973年為平水偏枯年組,1974~1982年為連續枯水年組,1983~2000年又為連續豐水年組,整個系列豐水年组偏多,年徑流系列代表性較差。而1953~1982年系列為一個完整的豐、平、枯變化周期,其中豐水年11年,平水年10年,枯水年9年,分布較均勻,系列有较好的代表性。

2)累計平均分析

繪制哈爾濱站年徑流模比系數累積平均過程曲線,見圖3。

佳木斯发电厂取水口断面来水量分析计算

3  哈爾濱站年徑流累積平均曲線

由累積平均過程曲线圖可知,1953~2000年48年和1953~1982年30年短系列累積平均值都大於1,說明任何一個短系列均值均大於長系列均值,但30年短系列累積平均值变化較48年短系列更為穩定,30年系列代表性優於48年系列。

3)長短系列統計參數

選择哈爾濱站為參證站,分别計算長短系列年徑流統計參數,見表2。

2  哈爾濱站年徑流系列統計參数計算成果表 

系列

系列年數

流量均值

m3/s)

Cv

短系列Cv/

长系列Cv

短系列均值/

長系列均值

1898~2000

103

1260

0.44

1.000

1.000

1898~1982

85

1190

0.44

1.000

0.944

1928~1982

55

1350

0.38

0.864

1.071

1935~2000

66

1400

0.34

0.773

1.111

1935~1982

48

1320

0.34

0.773

1.048

1953~2000

48

1460

0.36

0.818

1.159

1953~1982

30

1360

0.37

0.841

1.079

註:Cs/Cv=2.0

由上表可見,1953~2000年48年和1953~1982年30年短系列Cv值相差不大,且均小于103年長系列Cv值,短系列從30年延長到48年后並不提高Cv值的代表性。

從均值來看,48年系列由於1983年以來松花江流域又進入了豐水期,來水偏豐,代表性较差;而30年系列雖然年數較少,但其均值與1928~1982年55年系列均值非常接近,基本代表了60年代以來的徑流變化特征,可认為1953~1982年30年系列具有較好的代表性。

4)代表性分析結論

綜合以上分析,松花江幹流1953~1982年30年徑流系列,包括完整的豐、平、枯水周期,統計參數代表性較好,历次規劃均推薦此系列為年徑流設计依據,故本次采用佳木斯站1953~1982年30年資料作為年徑流設計系列。

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3 水文站設計年徑流和最小徑流

3.1設計年徑流

根據佳木斯水文站1953~1982年30年天然徑流資料,統計年平均流量系列。對年平均流量系列進行了頻率分析,采用矩法初估统計參數,按P—Ⅲ型理論曲線適線,確定均值和Cv值,Cs值取2Cv,適線後統计參數和設計值見表3。

3  佳木斯站設計年徑流計算成果表

項目

均值

(m3/s)

Cv

Cs/Cv

设計值(m3/s)

90%

95%

97%

99%

年平均流量

2250

0.34

2.0

1340

1160

1040

857

3.2設計年內分配

热電廠供熱與發電供證率均為97%。保證率97%的設計年平均流量為1040m3/s,其年內分配可選擇與佳木斯站年徑流相近且枯季來水量分配對供水较為不利的1977年作為設计典型年,設計年徑流的年內分配按同倍比法進行計算。成果表詳見表4。

4 佳木斯站設計年徑流年內分配成果表(單位:m3/s)                

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

全年

90

70

290

860

1209

1577

2766

2813

1502

724

279

299

1040

3.3設计年最小徑流

3.3.1實測最小流量頻率分析法

資料系列為佳木斯站1953~1982年的年實測最小流量系列,統計参數和設計值計算方法同設計年徑流。經計算,佳木斯站保證率97%設計年最小流量為129 m3/s,統計參數和設計值見表5。

5 佳木斯站設計年最小徑流計算成果表

项目

均值

(m3/s)

Cv

Cs/Cv

設計值(m3/s)

90%

95%

97%

99%

年最小流量

370

0.44

2.0

183

149

129

97.3

3.3.2還原扣除法

1)規划水平年凈來水量設計年内分配

根據水資源開发利用現狀調查和松花江流域規划,2000年流域地表水開發利用量為218.38×108m3,至2010年地表水開發利用量將達到244.97×108m3,河道外用水的增加和工程的調節使河川徑流量在數量和時程分配上均发生顯著的變化,利用天然徑流資料計算的來水量已不能做為取水口的設計依据,需求出受工程影響的凈來水过程,2010年佳木斯站净來水量按下式計算:

W=W天然-W用水+W回歸±W调節   (1)

W——佳木斯站設計年逐月凈來水量;W天然——佳木斯站設計年逐月天然来水量;W用水——流域2010年逐月地表水規劃供水量;W回歸——逐月用水回歸水量;W調節——蓄程逐月調節水量。

W用水、W回歸和W調節各項水量分兩部分計算,哈爾濱站以上流域直接采用已有規划的計算成果,哈爾濱站至取佳木斯站區間按如下方法計算:

W用水:包括工業用水、城鎮生活用水、灌溉用水和林牧漁業用水,取松花江流域規劃2010年規划供水量。其中工業用水和城鎮生活用水按年用水量平均分配到各月,灌溉用水和林牧漁業用水根據灌溉制度和用水過程按逐月用水量分配系數求得。

W回歸:包括工業用水回歸水、城鎮生活用水回歸水、水田灌溉用水和林牧漁業回歸用水,由用水量乘以相應回歸系數求得。

W調節:為徑流還原計算的逆运算,當水庫蓄水W調節取負值,當水库放水時W調節取正值,根據設計典型年逐月水庫蓄水變量按庫容比法求得:

W調节=W典型*V規划/V典型       (2)

式中:W典型——設計典型年逐月水庫蓄水變量;V規劃——2010年水庫規劃總庫容;V典型——設計典型年水庫總庫容。

將表4中的W天然、哈爾濱以上流域和哈爾濱至佳木斯站區間的W用水、W回歸、W調節一並代入(1)式,求得佳木斯站凈來水量設計年内分配成果,見表6。

6佳木斯站净來水量設計年內分配成果表(單位:m3/s)                

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

161

142

191

665

1008

1493

2700

2401

1503

834

359

356

2)月最小流量和日最小流量相關關系的建立

統計佳木斯站枯水年實測月最小流量和月內日最小流量並建立相關圖。對相關圖進行線型分析和回歸計算,其相關關系與如下线性方程擬合較好:

Q日最小=0.7952Q月最小+25.896(R2=0.992) (3)

3)设計年最小流量

從表6中選擇數值最小的月平均流量代入(3)式,求得佳木斯站保證率97%設計年最小流量為139m3/s。

3.3.3日平均流量综合歷時曲線法

選擇豐、平、枯三個代表年,統計逐日實測平均流量,按從大到小的次序排列,計算並點繪日平均流量頻率曲线如圖4。在曲線上查得佳木斯站保證率97%設計年最小流量為130m3/s。

佳木斯发电厂取水口断面来水量分析计算

4 佳木斯站日平均流量綜合歷時曲線

4)設計年最小流量的選擇

實測流量頻率分析法和日平均流量綜合歷時曲線法是以實測資料為依據,經頻率計算後求出設計年最小流量,其值基本代表了現狀條件下設計年來水情況,但所依據的徑流資料系列一致性較差,且未考慮規劃水平年河道外用水增加和新建蓄程調節的影響。還原扣除法以天然徑流為設計依據,資料系列的致性較好,並且考慮了河道外用水和工程調節的影响,計算的設計值代表了規劃水平年可能來水情況,由於受工程調節的影響,設计值較以上兩種方法的計算值偏大。以上幾種方法計算的設計值比较接近,從供水偏於安全的角度來考慮,采用其中的最小值做為佳木斯站年最小流量的設計值。

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4 取水口斷面设計年最小流量

佳木斯市熱电廠取水口位於佳木斯水文站下遊4.3km處,佳木斯站控制流域面積528277km2,加上以下未控區面積723 km2,取水口斷面控制流域面積529000km2

佳木斯站基本斷面下遊有一長2.5km、寬1.5km的柳樹島將江水分成兩脈水流,主流位於南側,長期過水;支流位于北側,豐水期過水,在佳木斯水文站出現434m3/s以下枯水流量時河道斷流。電廠取水口設置在柳樹島下遊主河道上,枯水期不存在支流分水問题。

佳木斯水文站至電廠取水口斷面僅有音達木河一條支流匯入,流域面積很小,冬季河流封凍斷流。區間佳木斯城区地下水超采,松花江水位全年高於地下水水位,本江段不接受地下水補給。由於松花江最枯徑流均出現在冬季,因此區間來水量可不予考慮。

佳木斯站至佳木斯電廠之间沿程損失水量包括河流水面蒸發、河床浸潤帶蒸發和河道滲漏。由於枯水徑流均出現在冬季,受氣候影響前兩項損失量很小,可忽略不計。其中區間河道滲漏損失量選擇枯水年份,利用達西公式進行計算。

區間有多处市政和排汙口向松花江排水,年排水量2.097×108m3。造紙廠、化工廠、糖廠及電廠五期工程在本江段建有提程,其中取水口斷面以上年提水量2.207×108m3

根据取水口位置及區間來水、用水情況,取水斷面設計年最小流量按如下水均衡方法計算:

Q取水口=Q水文站+Q排水-Q提水- Q滲漏 (4)

Q取水口——電廠取水口斷面設計年最小流量,m3/s;

Q水文站——佳木斯站設计年最小流量,m3/s;

Q排水——區間排汙口入河排放量,m3/s;

Q提水——區間已建取程提水量,m3/s;

Q滲漏——區間河道渗漏損失量,m3/s。

經計算,取水口斷面保證率97%設計年最小流量为128.7m3/s。

5 結語

本文在認真分析設計站資料一致性和代表性的基礎上,采用多種方法對電廠取水口斷面設计年最小徑流進行分析計算,各种方法起到相互驗證的作用,因而計算結果具有較高的精度,可供有關部門在分析取水口設置合理性及可行性時參考。

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