南水北調應急排水系統運行方案優化研究
——以北京段干線工程為例

2016-03-23 00:47:34石建杰北京市水利規劃設計研究院北京00048北京市水文總站北京00089

中國農村水利水電 2016年1期

石建杰，楊卓(.北京市水利規劃設計研究院北京00048 .北京市水文總站北京00089 )

南水北調北京段工程起自北拒馬河暗渠，終點團城湖，全長約80 km，具有管線長、管徑大、流量大、重要程度高等特點，是維系著城市正常運轉的命脈，一旦發生突發事故不能正常工作，需迅速排空相應輸水管涵內的積水，進行應急處置，排空速度和排空效果對減少事故損失、降低影響范圍有著舉足輕重的意義；同時，工程應急排空還應充分考慮在可能的情況下充分利用南水北調珍貴水源，減少棄水，避免浪費。因此對現狀應急排水系統運行方案進行優化研究有著重要的現實意義和指導作用。

1 南水北調北京段干線工程應急排水系統概況

南水北調北京段干線工程排水設計工況為單側管涵分段應急搶修工況，即當南水北調干線工程單側管涵發生事故時，關閉相應閘閥設施，在保證一側管涵正常通水的條件下，抽排事故段管涵積水。

圖1 南水北調北京段干線工程布置簡圖Fig.1 The diagram of mainline project in Beijing section of the South-to-North Water Diversion

北京段因大寧調壓池而分為兩端，上段為惠南莊泵站～大寧調壓池段，下段為大寧調壓池～團城湖明渠段。上段為雙排、管徑4 m的PCCP管道，全長約56.4 km，占北京段總干渠長度的70%，沿線設分水口5處、連通閥井3處、排氣閥井102處、排水井19處、末端閥井1座，3處連通閥井將雙線管道分為單線4段、雙線共8段。按照有關規范要求，PCCP管道工程按單線一段管道應急排水為條件設計排水設施，并以全線檢修排水量最大段為不利情況選取排水設備。工程排空主要由排空井自流、強排兩部分組成，先進行自流排空，自流完成后架設排水泵進行強排，排水設備主要有長軸深井泵6臺、便攜式潛水電泵6臺。

大寧調壓池～團城湖明渠段由永定河倒虹吸、盧溝橋暗涵以及西四環暗涵等段組成，盧溝橋暗涵為雙孔內徑3.8 m×3.8 m方涵；西四環暗涵工程為雙孔直徑4 m輸水涵洞，由于中間無節制設施，本段工程在應急檢修排水時需排空全線單側管涵，排水設備按單側全線管涵積水量為設計排水量。本段排水設備主要有長軸深井泵5臺，拖車式排水泵2臺[1]。

2 排水系統運行方案優化研究

2.1 優化研究的必要性

2009年12月，根據運行管理要求，對干線北京段進行了一次全線排水。最終結果證明，原設計應急排水方案可滿足工程檢修的需要，各排水點均發揮了應有的作用，但也存在個別排水點因溝渠被侵占等變化而致使排水受限，以及在全線全排空等非設計工況下排水時間稍長等問題，并存在大量棄水現象，而且北京段在國內外首次采用了大規模地雙排、管徑超大、溝槽最深的PCCP管道，在城市快速路下建成的長距離、大口徑輸水隧洞也屬罕見，缺乏能夠直接借鑒的排水檢修運行經驗。加之地形變化大，運行水力條件復雜，難以預測和檢驗排水后管道內部情況和排水質量。因此通過數值模擬方法來模擬在現狀排水設施和排水設備的情況下全線應急排水系統工作狀況，并據此研究優化運行措施和設備調度方案，以提高排水速率、減少排水時間、節約寶貴水資源，為應急搶修指揮等工作提供決策支持。

2.2 技術路線

主要建立北京段干線工程管涵內排水水流的數字模型，并構建可視化的建模平臺和結果展示平臺，可提供各個排水點排水量的輸出、各段排水動畫、制定斷面水位、流量等水力參數的變化過程以及積水情況的定量展示，通過該平臺對南水北調的數字模型進行調整形成不同的方案，為決策提供條件。

排水模型的生成主要有計算模型開發和應用、數字管道搭建方案集成兩部分工作組成。將工程CAD圖作為源數據，一些說明文件作為輔助數據，通過多個流程的處理，生成可以計算的基本管道。

計算模型采用管道中非恒定流動的質量守恒方程和動量方程，其一維二維形式也被稱為圣維南方程。該方程可表示為如下形式：

(1)

式中：x是管道流動的方向；t是時間；A是橫斷面的面積；Q是流量；H是水頭(水深加上壓力)；Sf是摩阻系數(單位長度上的水頭損失)；hL是沿程能量損失；g是重力加速度。

方程的摩阻項Sf和hL可以表示成如下的形式：

式中：n是曼寧系數；V是管道的平均速度；R是管道斷面的水力半徑；k是修正系數，一般取1；K是局部水頭損失系數；L是管道的長度。

當考慮單個管道時，只需給出首末斷面的邊界條件和管道的初始狀態就能求解。而對于要分析的管網，需要考慮連接各個管道節點的水流運動模型。本模型假定節點存在漸變的水面線，水體在節點處水量平衡。

(2)

式中：Astore是節點處的水面面積；∑As是管道連接節點處貢獻的水面面積。

有的節點不具備蓄水能力，那么Astore=0[2-5]。

2.3 不同工況排水方案優化研究

南水北調北京段排水數字模擬模型的計算結果應明確分段排水及全線排水的主體排水量、排水時間和局部剩余水體的情況。本文主要對事故檢修設計工況和全線排空檢修工況進行模擬。均采用先自流后強排方式，當水位達到強排水位時，立即利用水泵進行強排，且下文提到的強排時間均不包含安裝、開啟水泵所需要的時間。

2.3.1事故檢修設計工況

設計工況以1、2、3號連通井為分段點，將PCCP工程分為4段，加上永定河倒虹吸至西四環暗涵段共計5段。

惠南莊泵站停泵后起始處的水位為58 m，其他各段的水位按照管道的摩阻坡降降低。停泵后，采取先自流后強排的措施，其中自流和強排的轉換采用水位控制的方式，不同排水點取不同的自流出流系數和泵型。大寧之后的排水段，僅通過水泵進行強排。

分別對以上5段管道單側排水情況進行模擬計算，以2號至3號連通井PCCP管段為例，計算結果如下，該段從樁號HD20+948至樁號HD40+155，全長約20 km，單管水量約24萬m3。該段所包含8～15號共8個排水點，除14、15號使用1 600 m3/h的強排泵外，其余均用800 m3/h的強排泵。

由模擬看出，每個排水點的強排曲線均出現拐點，證明各排水點在各自負擔的排水段中均能夠排除積水。排空閥井12、14號具有比較大的自流能力。排空閥井9、11號的排水工作時間較短，排水任務較小。

如圖3所示，36 h之后，管內水深不再發生變化，排水任務基本結束，出現四處積水。其中HD27111～HD27839之間積水較為嚴重，是由于受條件限制12號排空閥井未設置在低洼處，后段積水是由于靠近處于關閉的3號連通井，水體無法排出。

設計工況下全線5段管涵各排水點排水量、排水時間計算結果如表1所示。

表1 設計工況自流強排流量統計Tab.1 The free-flow statistics of design conditions

續表1 設計工況自流強排流量統計

從模擬結果中可明顯看出，全線總體排水能力能滿足工程事故搶修的需要，但因地面條件受限等原因而導致管道敷設局部低洼點較多，排水口無法顧及全部低洼處，因此全線有23處積水點，積水情況如表2所示。

表2 各段的局部積水量Tab.2 The local water of each segment

2.3.2設計工況優化研究

(1)推薦排水點。在工程分段排水的工況下，根據設計工況計算結果和現狀排水點受限條件，并結合現有排水設備情況，選定重要排水點作為實際排水的推薦方案，在應急排水檢修情況下，可優先啟用此類排水點進行排水。

根據表1統計數可得出各排水點任務量，結合能否自流以及現狀地面受限情況推薦各段優先排水點如下，1號聯通井前：1號排空井；1號聯通井-2號聯通井管段：2、4、6、7號排空井；2號聯通井-3號聯通井管段：8、9、13、14、15號排空井；3號聯通井-大寧調壓池管段：16、17、19號排空井；永定河倒虹吸工程-西四環暗涵段：倒虹吸1號排氣閥井、盧溝橋暗涵2號排空井、西四環暗涵調壓塔、14號通氣孔、暗涵漸變方涵、三廠分水口。以PCCP管道左縱為例，各段排水模擬結果如下。

圖4 PCCP管道排水情況(16 47 h)Fig.4 PCCP drainage pipes(16 47 h)

本方案相對于設計工況，減小了若干排水點。通過計算結果對比分析， 1號連通井前以及倒虹吸至西四環段積水百分比大致相同，其余3個管段積水均有所增加，增量最大的1號連通井-2號連通井，積水量由設計工況4.35%增至優化工況6.45%，由此可見，這種選取建議排水點的方案是有效的。

根據前面的分析，按照排水點排水范圍和負擔任務，排水點可分為重要和次級重要兩個部分。重要的排水點包括：1、2、8、9、17、18、19號排空閥井、2號排空井、調壓塔、14號通氣孔、漸變方涵、水源三廠等排水點。其余為次級排水點。排水過程中需要首先保證重要排水點的排水能力。

表3 事故檢修優化工況積水量Tab.3 The water quantity of accident overhaul optimize conditions

(2)排空井閥門開度控制。實際運行中，如果排水管流量太大會產生諸多不利的影響。因此一般出口流量不應超過2 m3/s。但為節約排水時間，當流量不超過2 m3/s時，應盡可能加大閥門開度。因此通過數值模擬計算出各閥門允許流量時的開度和全開時間兩個參數。

計算可知，自流狀態1、7、19號排空閥井排水流量超過2 m3/s，如獲得3個閥門限制開度和全開時間，需要進行兩組迭代。第一組，通過閥門開度步進，從全開一直到限制開度；第二組，通過自流流量變化點向后步進，得到理想的全開時間。以0.05個開度為步進單位，得到各閥門限制開度，以30 min為步進步長，求得各閥門全開且出口流量小于2 m3/s的時間，結果如表4所示[6]。

表4 各排水點閥門限制開度及全開時間Tab.4 The valve opening degree and full time limit for each drain points

2.3.3全線排空檢修

全線排空檢修工況在輸水管涵投入使用后較少用到，為非設計工況，全線排空時既要考慮盡量降低排空時間，又要節約水資源盡量先通過末端自流進受水池-團城湖。因此通過計算重點分析全線局部積水和各排水點工作情況，據此對排水泵優化配置及末端閘門開度控制進行研究。

(1)末端出口閘開度控制研究。為節省水資源，減少強排水量，在關閉惠南莊泵站后，先由團城湖明渠自流全線積水，然后監測某個排水點附近的水位。當排水點附近的水位不再變化(變化很緩慢)時，各排水點開始各自的自流和強排。

由圖5可以看出，末端自流排水主要集中在20 h內，17 h以后自流流量降至2 m3/s，20 h以后自流流量為1.22 m3/s，31 h以后自流流量降至0.3 m3/s，總排水量為596 776.625 m3。

圖5 團城湖出口處自流曲線Fig.5 The free-flow curves of Tuancheng Lake outlet

由圖5末端閘全開時的流量過程線可知閘門初始出流流量很大，容易在上段管涵產生較大負壓，危害管涵及其附屬設備安全，因此需對閘門開度進行限制，保證其過流流量不超過4 m3/s。在對單管限制流量為4 m3/s情況下，43 h后，其流量小于2 m3/s(單管1 m3/s)。

(2)各排水點工作情況以及排水泵優化配置。在現有排水設備的條件下，為降低全線排水時間、減少工作成本和提高調度效率，一方面盡可能延長排水點的自流時間，另一方面協調各排水點的用泵時間。通過對數值計算分析，PCCP管道的1、2、8、16、19號排空閥井以及倒虹吸～西四環暗涵段的2號排空井、調壓塔、水源三廠排水任務較重，應優先保證強排用泵需求，其他排水點可根據積水水位下降情況采用輪轉用泵的方式。PCCP管道的1、2、7、14、15、19號排空閥井具有較強的自流能力，應通過進一步加大自流時間的方法降低排水時間。3、4、5、9、10、11、12和13號排空閥井具有一定的自流能力，但排水任務相對較小，可以延長自流時間減少排水總時間。

圖6 48 h后全線管道排水水頭分布圖Fig.6 The distribution diagram of head for the drainage pipe line after 48 h

從表5可以看出，全線排水的局部積水明顯小于事故檢修設計工況，說明連通井的開啟對其前后管段低洼處積水的排除有十分重要的作用。

3 結語

通過構建排水模型和結果展示平臺，直觀顯示了各排水點的排水量、斷面水位、流量等水力參數的變化過程，通過計算分析確定各排水點重要程度和優先級別，并對出口閘門自流流量和開度控制等問題進行研究，據此對排水系統運行調度方案進行優化，為工程管理決策提供了科學依據。在運行管理中，應結合實際排水工況對干線各排水點排水過程進行記錄，詳細記錄流量曲線、排水量曲線等過程數據，并據此率定模型參數，使排水模型能更準確反映排水點工作情況，更好地指導運行管理。