?？谑惺杷こ痰乃^渡過程及運行控制研究

蘇惠云

(中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司，廣東 廣州 510610)

1 海口市疏水工程的水力過渡過程及運行控制

1.1 ?？谑惺杷こ谈艣r

以海口市疏水工程作為分析對象，該工程由水庫連通工程、五源河防洪排澇、輸配水工程、灌溉泵站、水源提水泵站、東山取水首部樞紐等組成。2030年農(nóng)業(yè)灌溉設計保證率為90%、城鎮(zhèn)供水設計保障率為95%，工程總供水量為3.09×108～3.28×108m3。南渡江引水工程新增灌溉面積7300.00 hm2，其中，永興灌區(qū)通過東山泵站提水后借道?？谥形鞑砍鞘泄┧€路送至灌區(qū)后，由灌區(qū)泵站二次提水加壓灌溉永興500.00 hm2的灌區(qū)；昌旺灌區(qū)、龍泉灌區(qū)通過東山泵站提水，經(jīng)美安黃竹分水泵站二次加壓至黃竹分干渠輸送至灌區(qū)，再由灌區(qū)泵站加壓灌溉昌旺1426.67 hm2、龍泉2313.33 hm2灌區(qū)。通過龍?zhí)劣野豆喔缺谜局苯尤∷訅汗喔?533.33 hm2的龍?zhí)凉鄥^(qū)。通過玉鳳泵站直接從玉鳳水庫取水加壓灌溉526.67 hm2的玉鳳灌區(qū)。南渡江引水工程首部取水樞紐東山閘壩位于東山鎮(zhèn)上游約400 m南渡江干流上，根據(jù)壩區(qū)的地形、地質條件，采用軟基建壩，樞紐布置樁號編制以左岸控制點A為0+000.00 m樁，攔河閘壩建筑物從左至右依次為左岸連接段、泄水沖沙閘、溢流壩以及生態(tài)魚道。樞紐壩頂全長460 m。其中，左岸連接段長53 m，泄水沖沙閘壩段長120 m，溢流壩段長224 m，生態(tài)魚道長63 m。左岸新建四級上壩公路300 m，擴建四級上壩公路3.5 km。首部樞紐工程(東山閘壩)新建后，可抬高河道水深，提高東山泵站的取水高度及保證率。五源河整治工程整治范圍，由五源河入海河口沿原河道至上游的海南安全網(wǎng)制造廠(Y033道路橋處)，全長12.57 km；往上可與永莊水庫供水渠道相連，便于將來河道生態(tài)補水。水庫連通工程是指通過渠道或管道，穿過分水嶺(G224國道、海榆中線)，將永莊水庫與沙坡水庫匯水區(qū)連通。本工程范圍為永莊水庫至丘海大道排洪涵洞，線路全長3.02 km，其中，管道段長0.30 km，渠道段長2.72 km。

表1給出了灌溉泵站的設計流量。灌溉設計流量由田間至支、干輸水系統(tǒng)逐級考慮流量輸水損失累加至提水泵站得到，加大流量按設計流量加大30%計；供水設計流量由最高日用水量，并考慮輸水損失推求而得。經(jīng)計算，其他泵站共11座，設計流量9.1 m3/s。龍?zhí)劣冶谜镜靥幱谀隙山闪骱哟灿野叮撎幵邶執(zhí)伶?zhèn)龍?zhí)翂紊嫌?00 m。該泵站擁有3.10 m3/s的儲水能力，該泵站內置了單級雙吸水平中開式離心泵3臺，其中2臺正式運營和1臺備用，總裝機3.0 MW，設計流量為3.10 m3/s，設計揚程為40.17 m。龍?zhí)劣冶谜臼呛？跂|部城市供水線路的水源泵站。塘左灌溉泵站布置在龍?zhí)伶?zhèn)龍?zhí)翂紊嫌渭s250 m處南渡江左岸，泵站取水能力為2.18 m3/s，龍?zhí)磷蠊喔缺谜緝炔贾?臺單級雙吸水平中開式離心泵，2用1備，總設計流量為2.18 m3/s。龍?zhí)磷蟊谜臼驱執(zhí)疗鄥^(qū)的水源泵站。研究定義和概化沿程過水建筑物以構建一維調水工程，然后，分析水力要素的影響因素，包括水力過渡過程中開度和流量的變化，最后可獲得實際操作過程中需注意的問題，為調度方案的制定提供指導意見。圖1(a)和圖1(b)分別為永莊水庫和沙坡水庫的水位-庫容曲線。

圖1 永莊水庫和沙坡水庫的水位-庫容曲線

表1 灌溉泵站的設計流量

1.2 海口市疏水工程的運行控制

?？谑惺杷ぷ髡{度過程中，疏水系統(tǒng)調度方案的制定需考慮時水位的動態(tài)變化、渠道內和管道斷面的流速等。操作失誤將會導致局部管道的壓力突變或渠道溢流，進而造成管道水錘安全性低或爆管的現(xiàn)象[1-3]。依據(jù)相應的工程條件以及?？谑惺杷{度方案的相關要求，實際的充水過程可分為三個階段，分別是預先對疏水工程的充水方案進行確定、預先對水力和流量控制方式進行確定、對計算結果進行分析?；诖耍鶕?jù)實際的條件將充水方案可分為三個階段，分別是松濤水庫-東山水庫、加烈水庫-龍?zhí)了畮?、三灘水?龍?zhí)了畮臁τ谒蓾畮?東山水庫的充水方案，依據(jù)不同的充水水源可分為從下至上充水和從上至下充水。研究將松濤水庫作為充水水源來分析充水過程中閘門的水力控制方式，因此，將從上至下充水作為充水方式完成充水工作[4-5]。首先，對于峰山口輸水閘進行開啟，然后，打開全部的泵站節(jié)制閘。疏水工作中的充水流量需通過閘門開度的調節(jié)力度完成控制。當水流達到泵站1時，順沿著水流方向的沿線疏放水工程的水位逐漸增加，此時渠道內水位線逐步開始上升，在水位上升的過程中需結合各段水位和放水的時間。當各段水位達到啟泵水位時，則從下到上將4個泵站節(jié)制閘依次關閉，同時在啟泵條件符合后完成充水。表2是5個泵站的運行水位表。

表2 5個泵站的泵前水位和泵后水位

對于加烈水庫-龍?zhí)了畮?，該渠道總長度為 8 km 左右，假如將加烈水庫作為充水水源，則首先需開啟該水庫的水源匯入水閘，進而緊挨著的渠道開始充水。當水位達到渠道內的某一高度時，則需停止該水庫的放水工作，并讓泵站8開始工作，同時繼續(xù)充水使其滿足泵站6的啟泵水位。泵站啟動依據(jù)單個泵運行工作考慮，疏水流量為單機設計流量。當加烈水庫由于水位較低等客觀原因而使其無法充當充水水源時，則可將龍?zhí)了畮熳鳛槌渌赐瓿沙渌ぷ鳌Ｍ瑫r開啟沿線節(jié)制閘，在符合泵站8運行水位后關閉節(jié)制閘，同時開始向上充水，滿足泵站6的啟泵水位后關閉節(jié)制閘。對于三灘水庫-龍?zhí)了畮欤摴艿赖拈L度為22 km左右，在充水工作完成后需進行閉水檢查[6]。假如將龍?zhí)了畮熳鳛槌渌?，則充水過程中將龍?zhí)了畮斓乃魍ㄟ^泵站1出水管調入到蓄水池中，當深度達到不能再升高的深度后，再以小流量的形式向復合型管材中充水。

2 ?？谑惺杷こ趟^渡和運行控制效果分析

海口市疏水工程各個組成部分的設計流量和開銷成本如下，東山取水首部樞紐1座，死水位13 m，設計運行水位15 m；水源提水泵站4座，總設計流量19.08 m3/s(其中，從南渡江引水流量為18.70 m3/s)；分水泵站1座，設計流量5.00 m3/s；新增灌區(qū)配套泵站10座，設計流量4.10 m3/s；輸水干線長50.617 km，其中，輸水管道長21.150 km，輸水箱涵(隧洞)長29.467 km；灌區(qū)骨干工程總干管9.22 km，干管34.12 km，分干管46.02 km，支管115.64 km，分區(qū)水塔(水池)20座，分塊水池(水塔)261座；田間工程灌溉毛管223.67萬m，微噴帶2013.01萬m，土方開挖272萬m3，回填220萬m3；五源河綜合整治河段長12.574 km；永莊水庫至沙坡水庫連通工程3020 m。工程靜態(tài)總投資為322 259.94萬元。研究以從永莊水庫疏水的方向為正方向，而負流量則為反向疏水。流量變化可分為流量增加和流量減少兩種情況。流量增加是指永莊水庫水量從初始0 m3/s增加到13 m3/s。流量減少模擬過程如下，逐級關閉3級和6級泵站，采用由上而下階梯方式關泵。兩種情況下研究從流量和水位兩個方面進行考慮。圖2(a)是指第一階段穩(wěn)態(tài)水位，從圖2(a)中可知，5個泵站均在穩(wěn)定水位。圖2(b)是指各級泵站前斷面水位變化曲線，圖中可以分析得到各個泵到達穩(wěn)定的時間。如泵1在1.2 h后水位因為流量的變化而開始變化，在4.6 h后水位達到穩(wěn)態(tài)。實際調度過程中，任意兩個相鄰的泵站的渠道水位需符合相應的水位標準。

圖2 第一階段穩(wěn)態(tài)水位和各級泵站前段面水位變化曲線

流量減少過程中，管道斷面流量過程認為降低流量這一工況對流量影響較小。圖3(a)是指第一階段某一時刻的沿程流量，圖3(b)是指5個泵站流量變化曲線。圖3(b)可表示疏水過程中5個泵站在穩(wěn)定狀態(tài)時疏水流量均達到了標準，依據(jù)無流量通過可知道計算結果準確。當時間為1 h，則泵站1開始有了流量；當時間為11 h，則泵站的流量達到了標準流量。由其余4個泵站的疏水流量可知，穩(wěn)定流量均可滿足工況的標準。

圖3 第一階段某一時刻的沿程流量和5個泵站流量變化曲線

?？谑惺杷こ踢\行控制三個階段的累計充水量分別為368.28萬m3、27.00萬m3、11.70萬m3，累計充水時間分別為204.60 h、14.30 h、33.00 h；階段一的累計放水量為368.28萬m3，累計放水時間為204.26 h。圖4(a)是指0時刻第一階段沿程水位。從0時刻沿程水位結果圖可知，在充水剛開始前渠道為干渠，當水庫的水到泵站1渠道開始充水。伴隨著充水時間的增加，水位開始逐漸變化，并達到疏水的要求。水位的底高程和頂高程的取值范圍分別47.6～51.4 m和51.6～58.7 m。圖4(b)是指充水完成后第一階段沿程水位。從圖可知，充水完成后，各個泵站的水位均相對比0時刻的水位有一定程度的提高。水位的底高程和頂高程的取值范圍分別46.3～57.5 m和52.0～60.2 m。

圖4 0時刻第一階段沿程水位和充水完成后的水位

管道在充水過程中流速過大將會造成水錘等危險事故，因此需嚴密重視疏水工程的流速。圖5(a)和圖5(b)分別是指?？谑惺杷こ痰牡谝浑A段和某一斷面的沿程流速。從圖5(a)可知，沿程流速約為-0.20～0 m/s。在此流速下管路出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的概率非常低，因此，海口市充水工況的流量調度具有安全性。由某斷面流速變化曲線圖可知，在該時間段內的最大流速為0.55 m/s，平均流速為0.30 m/s，任意時刻管道的流速均低于0.60 m/s。

圖5 ?？谑惺杷こ痰牡谝浑A段和某一斷面的沿程流速

3 結 論

為了模擬?？谑惺杷こ痰乃^渡過程，研究提出了疏水工程的水力過渡過程及運行控制方案。當時間為1 h，則泵站1開始有了流量；當時間為11 h，則泵站的流量達到了標準流量。?？谑惺杷こ踢\行控制三個階段的累計充水量分別為368.28萬m3、27.00萬m3、11.70萬m3，累計充水時間分別為204.60 h、14.30 h、33.00 h；階段一的累計放水量為368.28萬m3，累計放水時間為204.26 h。另外，第一階段五個泵站水位在0時刻的底高程和頂高程的取值范圍分別47.6～51.4 m和51.6～58.7 m。充水完成后相應的取值范圍分別46.3～57.5 m和52.0～60.2 m。伴隨著充水時間的增加，水位開始逐漸變化，并達到疏水的要求。第一階段沿程流速約為-0.20～0 m/s，在該時間段內的最大流速為0.55 m/s，平均流速為0.30 m/s，任意時刻管道的流速均低于0.60 m/s。研究結果豐富了疏水工程的水力過渡過程及運行控制的相關理論。但研究仍然存在不足之處，后續(xù)需考慮到實際調度中需考慮到運行控制方式。