1、LOGO 水利水电工程概论水利水电工程概论 第一章 绪论 水资源与水利工程水资源与水利工程 1 2 3 水电站的典型布置型式水电站的典型布置型式 4 我国水资源与水能资源我国水资源与水能资源 我国水电建设历史与规划我国水电建设历史与规划 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 水资源是人类生存及社会发展的一项水资源是人类生存及社会发展的一项基本基本因素因素，随着生产的发展和生活水平的不断，随着生产的发展和生活水平的不断提高，人们对水的要求提高，人们对水的要求日益增多日益增多，而大自，而大自然的然的来水来水：地域、年际、年内分配不均，：地域、年际、年内分配不均，使来水与供水的矛盾日益使来
2、水与供水的矛盾日益尖锐尖锐，解决这种，解决这种矛盾的根本措施是修建矛盾的根本措施是修建水利工程水利工程。 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 年用水量预计以每年年用水量预计以每年640亿亿m3 的速度增长的速度增长(World Water Report)为满足为满足2025年全球粮食需求，需要新增近年全球粮食需求，需要新增近2万亿万亿 m3 灌溉用水（相当于灌溉用水（相当于24条尼罗河条尼罗河的年径流量）的年径流量）用水需求用水需求 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 人类可以利用的淡水总量约为人类可以利用的淡水总量约为0 0.3838亿亿kmkm3 3 ，仅占全球总水
3、量的仅占全球总水量的2 2.5 5%，这其中大部分这其中大部分（近近7070）是固体冰川是固体冰川，即分布在两极地区和中即分布在两极地区和中、低纬度低纬度地区的高山冰川地区的高山冰川，还很难加以利用还很难加以利用。目前人类比目前人类比较容易利用的淡水资源较容易利用的淡水资源，主要是主要是河流水河流水、淡水湖淡水湖泊水泊水，以及浅层地下水以及浅层地下水，储量约占全球淡水总储储量约占全球淡水总储量的量的0 0.3 3，只占全球总储水量的十万分之七只占全球总储水量的十万分之七。据研究据研究，从水循环的观点来看从水循环的观点来看，全世界真正有效全世界真正有效利用的淡水资源每年约有利用的淡水资源每年约有
4、90009000立方米立方米。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 人类可以利用的淡水总量约为人类可以利用的淡水总量约为0 0.3838亿亿kmkm3 3 ，仅占全球总水量的仅占全球总水量的2 2.5 5%，这其中大部分这其中大部分（近近7070）是固体冰川是固体冰川，即分布在两极地区和中即分布在两极地区和中、低纬度低纬度地区的高山冰川地区的高山冰川，还很难加以利用还很难加以利用。目前人类比目前人类比较容易利用的淡水资源较容易利用的淡水资源，主要是主要是河流水河流水、淡水湖淡水湖泊水泊水，以及浅层地下水以及浅层地下水，储量约占全球淡水总储储量约占全球淡水总储量的量的0 0.3 3，只
5、占全球总储水量的十万分之七只占全球总储水量的十万分之七。据研究据研究，从水循环的观点来看从水循环的观点来看，全世界真正有效全世界真正有效利用的淡水资源每年约有利用的淡水资源每年约有90009000立方米立方米。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 世世界界水水 分分布布图图 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 淡水短缺 水资源短缺加剧 到2025年，水短缺的国家将增加至48个，涉及全球30亿人口 人均水资源量（19502050）11亿人缺乏安全饮水 24亿人缺少卫生设施 2.11 亿人受自然灾害影响 世界面临着空前严峻的能源与水安全问题 20亿人缺乏电力供应 第一节第一节
6、 水资源水资源与水利工程与水利工程 最大的世界性问题最大的世界性问题 水匮乏水匮乏 世界银行最新提供的报告警告：世界上近世界银行最新提供的报告警告：世界上近40%的人口难保有足够的洁净用水的人口难保有足够的洁净用水。水资水资源已经到了严重不足的阶段源已经到了严重不足的阶段。一些环境和一些环境和资源学家也指出资源学家也指出，不远的将来不远的将来，水缺乏将水缺乏将成为地球环境方面最大的难题成为地球环境方面最大的难题。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 冰川消融 极端天气事件增加 以洪水和干旱为代表的极端天气事件频繁发生 2010年中国西南的干旱年中国西南的干旱 所谓水利工程，是指对自然
7、界的地表水和所谓水利工程，是指对自然界的地表水和地下水进行控制和调配，以达到地下水进行控制和调配，以达到除害兴利除害兴利目的而修建的工程。目的而修建的工程。水利工程对水资源的综合利用主要包括水利工程对水资源的综合利用主要包括:第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 1、防洪工程：控制、防御洪水以减免洪灾损失所修建的工程 3、环境水利工程：防止水土流失和水质污染，维护生态平衡 7、航道和港口工程：改善和创建航运条件 2、农田水利工程：防止旱、涝、渍灾，为农业生产服务 4、水力发电工程：利用水的位能发电 5、给排水工程：为工业和生活供水，处理和排除污水 6、渔业水利工程：保护和增进渔业生产
8、 累计的直接经济损失超过了累计的直接经济损失超过了1.1万亿元，约相当于万亿元，约相当于同期财政收入的同期财政收入的1/5。 陕西山西河南旱灾陕西山西河南旱灾 世界银行曾测算，中国每年干旱造成的损失约为350亿美元 中国仅水和大气造成的污染，年损失为540亿美元，占中国年GDP的8%。 全国主要城镇污染分布图全国主要城镇污染分布图 水电站是水利枢纽的一个重要组成部分水电站是水利枢纽的一个重要组成部分，是利用水力资源发电的场所是利用水力资源发电的场所，是水是水、机机、电的电的综合体综合体。水力发电是通过水电站枢纽来实现的水力发电是通过水电站枢纽来实现的。在在这里这里，水电站相当于一个将水能转换为
9、电能的水电站相当于一个将水能转换为电能的工厂工厂，水能水能（水头和流量水头和流量）相当于这个工厂的相当于这个工厂的生产原料生产原料。电能相当于其生产的产品电能相当于其生产的产品，水轮机水轮机和水轮发电机则是其最主要的生产设备和水轮发电机则是其最主要的生产设备。水电站的基本原理 在水库中的水体具有较大的在水库中的水体具有较大的位能位能，当水体通过隧洞当水体通过隧洞、压力压力水管流经安装在水电站厂房内的水轮机时水管流经安装在水电站厂房内的水轮机时，水流带动水轮机转水流带动水轮机转轮旋转轮旋转，此时水能转变为此时水能转变为旋转机械能旋转机械能，水轮机转轮带动发电机水轮机转轮带动发电机转子旋转切割磁力
10、线转子旋转切割磁力线，在发电机的定子绕组上就产生了在发电机的定子绕组上就产生了感应电感应电感势感势，一旦发电机和外电路接通一旦发电机和外电路接通，就可供电就可供电。 电站整体示意图电站整体示意图 进水口进水口 引水道引水道 调压井调压井 变压器变压器 厂房内部结构图厂房内部结构图 水轮机转轮水轮机转轮 发电机转子发电机转子 水轮机蜗壳水轮机蜗壳 尾水管尾水管 大轴大轴 水力发电动画水力发电动画 水电站上水电站上、下游水位差下游水位差H HO O称为水称为水电站的静水头电站的静水头。设水电站某时刻的静设水电站某时刻的静水头为水头为H HO O，在时间在时间t t内有体积为内有体积为V V的水的水
11、体经水轮机排入下游体经水轮机排入下游。若不考虑进出若不考虑进出口水流动能变化和能量损失口水流动能变化和能量损失，则体积则体积为为V V的水体在时间的水体在时间t t内向水电站供给的内向水电站供给的能量应等于水体所减少的位能能量应等于水体所减少的位能。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 实际上实际上，在由水能到电能的转变过程在由水能到电能的转变过程中中，不可避免地会产生能量损失不可避免地会产生能量损失。这种损这种损失表现在两个方面：一方面失表现在两个方面：一方面，在水流自上在水流自上游引到下游的过程中游引到下游的过程中，存在引水道的水头存在引水道的水头损失；另一方面损失；另一方面，在
12、水轮机在水轮机、发电机和传发电机和传动 设 备 中 也 将 损 失 一 部 分 能 量动 设 备 中 也 将 损 失 一 部 分 能 量。水电站出力：水电站出力：N N =9 9.8181QHQH 发电必须有流量和水头发电必须有流量和水头。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 水电站的优缺点水电站的优缺点 优点：优点：1.1.成本低，成本低，回报率高回报率高 1.水电是可再生能源,不需要消耗燃料(煤炭,石油,天然气),同时节省了开采和运输的费用 2.电站所需运行人员少,节约了人力资源 2.2.运行上具有高度机动性运行上具有高度机动性 3.3.无化学和热污染，是无化学和热污染，是最清洁
13、最清洁的能源的能源 20102010年中国温室气体减排目标中年中国温室气体减排目标中，由由5050%（5 5亿亿t t）由水电承担由水电承担 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 能源回报率能源回报率(Energy payback ratio)-以火力发电厂为例以火力发电厂为例 运行期内发出的所有电力运行期内发出的所有电力 建设期建设期、运行期消耗的所有电力运行期消耗的所有电力 (Luc Gagnon，hydro2009)消耗的所有电力包括建设期消耗的所有电力包括建设期、运行期所消耗的所有运行期所消耗的所有电力既包括直接能源消耗电力既包括直接能源消耗，如机械设备运行如机械设备运行、照
14、明耗照明耗能等能等，也包括建筑材料也包括建筑材料、煤炭等制造煤炭等制造、运输等过程的运输等过程的耗能耗能。水电的能源回报率最高=可再生能源回报率 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 不可再生能源回报率 第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 缺点：缺点：1.1.淹没损失和移民问题淹没损失和移民问题 2.2.土建工程量大，一次投资大，工期长土建工程量大，一次投资大，工期长 优良的水电工程常位于边远山区，造成建设和优良的水电工程常位于边远山区，造成建设和输电困难。输电困难。小型工程为小型工程为 3 35 5 年，中型工程为年，中型工程为 8 810 10 年，年，大型工程为大型
15、工程为 10 10 年以上。年以上。3.3.对对自然生态自然生态的不利影响的不利影响 水电站的优缺点水电站的优缺点 缺点：缺点：1.1.淹没损失和移民问题淹没损失和移民问题 2.2.土建工程量大，一次投资大，工期长土建工程量大，一次投资大，工期长 优良的水电工程常位于边远山区，造成建设和优良的水电工程常位于边远山区，造成建设和输电困难。输电困难。小型工程为小型工程为 3 35 5 年，中型工程为年，中型工程为 8 810 10 年，年，大型工程为大型工程为 10 10 年以上。年以上。3.3.对对自然生态自然生态的不利影响的不利影响 水电站的优缺点水电站的优缺点 三峡水库将淹没陆地面积三峡水库
16、将淹没陆地面积632632平方公里平方公里，涉及重涉及重庆市庆市、湖北省的湖北省的2020个县个县（市市）。三峡水库淹没涉及城市三峡水库淹没涉及城市2 2座座、县城县城1111座座、集镇集镇116116个；水库淹没线以下共有耕地个；水库淹没线以下共有耕地2 2.4545万公顷；万公顷；淹没公路淹没公路824824.2525公里公里，水电站水电站9 9.2222万千瓦；淹万千瓦；淹没区房屋面积为没区房屋面积为34593459.6 6万平方米万平方米，淹没区居住淹没区居住的总人口为的总人口为8484.4141万人万人（其中农业人口其中农业人口3636.1515万万人人）。第一节第一节 水资源水资源与水利工程与水利工程 我国水电建设从解放初期装机我国水电建设从解放初期装机1616万千瓦，发万千瓦，发展到展到20022002年底装机年底装机86078607万千瓦，尽管在发展万千瓦，尽管在发展进程中曾数度遭遇困难和挫折，但是仍然顽进程中曾数度遭遇困难和挫折，但是仍然顽强地发展，从弱到强，由小到大。强地发展，从弱到强，由小到大。在不同的历史时期，我国水电事业曾受到不在不同的历史时期，我国水电事业曾