長距離梯級泵站輸水站點選址研究

陳 靜

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012)

水是工農業生產、生命存續的必需資源，是經濟發展、人類進步不可或缺的物質條件。我國水資源分布不僅呈現出南北差距大、季節性明顯等特征，在地區內部也表現出水資源的不平衡性，這種水資源分布不均，將制約缺水地區的生產、生活[1]。為了解決缺水地區的用水需求問題，實踐中進行了大量的探索與實踐，其中大規模、長距離梯級泵站的輸水效果較好，成為廣泛采用的水資源優化配置的重要方式[2];但是，長距離梯級泵站輸水工程投資費用較大，運行管理費用較高，如何減少綜合投資費用，提高長距離梯級泵站輸水效益，成為探討、研究的重要課題[3]。對于長距離梯級泵站輸水工程，泵站的分級數量及站點選址將直接決定輸水工程的造價投資、運行維護費用，故合理確定梯級泵站分級數量及泵站站點位置成為實踐中的首要問題[4]。本文對長距離輸水工程中梯級泵站站點選址進行優化分析，以期節約投資費用，為長距離梯級泵站輸水工程提供實踐參考。

1 泵站選址的一般規定

泵站站點選址不僅影響輸水工程的投資造價，還影響后期的維護管理及效益發揮?？茖W合理確定泵站(包括進水池、泵房及出水池等)位置，一般需滿足以下規定[5]：

(1)泵站選址應考慮泵站規模、供水量等因素。

(2)泵站選址應考慮地形、地質、水源狀況、水質特點及泥沙情況等。

(3)泵站選址應選擇在便于施工、工程布置的地點，同時應盡量排除自然災害潛在威脅。

(4)泵站選址地點地基應選擇巖土較堅實、抗滲性較好天然地基，避免在地質不良地段選址。如果選址地點地質不良，應制定地基處理方案，并采取加固措施。

(5)泵站選址應考慮電源來源、輸變電工程造價，盡可能減少輸電費用。

(6)泵站選址應考慮交通方便性，以便于材料設備運輸、人員往來及運行管理。

(7)泵站選址還應考慮生活便利性，在條件允許下盡可能使靠近村鎮或居民點，以便給予工人工作、生活的便利。

2 基于費用現值法的泵站選址模型

2.1 模型建立

基于費用現值法，可將長距離梯級泵站輸水工程的費用分為4個部分，即輸水管道費用現值(CpNPV)、年運行電費現值(CeNPV)、管道維修費用現值(CmNPV)及泵站廠區費用現值(B)[6]。

設某一長距離輸水工程由n級泵站組成，以輸水工程總費用現值最小為目標，則可建立泵站選址最優方案目標函數：

minEmin(E1、E2…Ei…En)

(1)

Ei=+Wi+Bi

(2)

Wi=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(3)

式中，E—輸水工程的費用現值，元；i—第i級泵站；W—管道綜合投資費用現值(CpNPV)、計算期內管道維修費用現值(CmNPV)及年運行電費現值(CeNPV)之和，元；B—泵站廠區總費用現值。

由于建站位置、占地補償標準、土建費用、建筑工程及機電設備費用不同，甚至差距較大，考慮起來較復雜，泵站廠區費用較難確定；因此，只考慮CpNPV、CmNPV和CeNPV，即長距離輸水工程中梯級泵站選址的數學模型為：

min(W)=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(4)

2.2 約束條件

2.2.1 水量約束

2.2.2 揚程約束

長距離梯級泵站輸水工程中，各級泵站靜揚程之和等于輸水工程總靜揚程。

2.3 參數確定

2.3.1 管道投資

在地質參數、輸水流量、管道布置、管材管徑及泵站靜揚程等一定條件下，以管道投資費用最小為目標，建立目標函數為[7]：

(5)

式中，Fg—管道投資費用，元；n—不同壁厚管段數；i—第i段管道；Fgc—材料及安裝費，元；Fgf—管溝開挖及回填費，元。

2.3.2 年運行電費

采用電度電費、基本電費的兩部制電價方案進行計算，公式如下：

(6)

式中，C—泵站年運行電費，元；T—泵站年運行時間，h；S1—電度電價，元/(kW·h)；w—泵站變壓器總容量，kVA；S2—基本電價，元/(kVA·月)。

通常，輸水工程根據不同運行期及運行方案，需考慮電費分攤及綜合電價，則年運行電費的計算公式為：

(7)

式中，n—工程運行計算年；t—工程運行年份；H—水泵工作揚程，m；η—水泵機組效率；T—工程年運行時間，h；St—第t年綜合電價，元/(kW·h)；i—折現率。

2.3.3 管道年維修費

輸水管道在使用過程中，需進行適時維修。通常管道年維修費按管道綜合投資的固定比例(1%～2.5%)計算，因此各年管道維修費用相等，其計算年限內管道年維修費現值之和計算公式為：

(8)

式中，Cm—管道年維修費用，萬元；n—計算年限，一般取20a。

2.3.4 水泵流量揚程

3 算例與分析

3.1 工程概況

3.1.1 工程概述

某長距離梯級泵站輸水工程呈條帶狀布置，輸水管線(雙線布置)基本沿公路旁側布置，總長度約達29km，總靜揚程477.34m。輸水規模為4.0萬m3/d(工業用水為3.0萬m3/d，居民生活用水1.0萬m3/d)，按照10%計算輸水損失及水廠自用，則輸水規模為4.4萬m3/d，年輸水總流量1606萬m3。

3.1.2 費用計算

根據當地實際，輸水工程用電的電度電價為0.47元/(kW·h)，基本電價為24元/(kW·月)(按變壓器容量計算)和31元/(kW·月)(按最大需量計算)。輸水工程管材及安裝運輸費、管道管溝開挖費、管溝機械回填和人工回填費、管道管壁防腐費分別為5200元/t、19.5元/m3、7.7元/m3、28.8元/m3、70.5元/m2。

此外，為了便于計算，文章選擇管徑DN600、管壁8.0mm的剛道進行計算分析，管道年維修費按管道投資現值的1%計，則該輸水工程各項費用見表1。

表1 輸水工程各項費用 單位：萬元

3.1.3 泵站位置初設

根據該輸水工程地形情況及泵站選址的一般規定，可設選址地點有9處，具體見表2。

表2 泵站選址位置

3.2 輸水泵站理論選址分析

為了便于分析，僅討論無分水情況下的梯級泵站站址選擇情況，有分水任務時的泵站選址可簡化處理為無分水情況的計算流程。假定該輸水管線的布置坡度固定不變，總靜揚程為400m，利用Matlab軟件進行編程計算，將該輸水工程分為3～8級，分級數與輸水工程總費用現值關系如圖1所示。

圖1 不同泵站分級的輸水工程總費用現值

從圖1可以看出，不同分級數最優方案的總費用現值變化規律，即隨分級數的增加表現為先減小后增加，理論上分6級時費用最低。同一分級情況下，不同選址方案的總費用現值差距較大，如分4級時，最差方案與最優方案相差1603萬元?？梢?，泵站分級數量及選址位置對輸水工程減少投資有重要影響。

根據梯級泵站輸水站點選址數學模型，可求解出不同分級數的費用最小方案的站址位置，具體見表3。

從表3可以看出，不同分級建站方式中的的最優選址位置位于揚程均分處附近，因此，若地形、地質等條件允許，長距離輸水工程中的泵站站點規劃應采用等揚程劃分方式。

3.3 輸水泵站實例選址分析

3.3.1 分級方案初選

上述輸水工程總靜揚程477.34m，根據分級數量不同，分2級時，單泵靜揚程過大，而揚程愈高，停泵水錘值愈大，且對管道壁厚度、水錘防護措施要求過高，因此不考慮2級泵站方案。故對該工程泵站分3～7級，并對各方案進行計算，以確定最優選址方案。

3.3.2 分級方案確定

由于可建站位置為9處，選址組合方案不同，輸水泵站總費用不同。分級數為3～7級時，不同方案的輸水總費用現值計算結果如圖2所示。

表3 不同分級的最優建站方案站址位置及費用現值

注：P代表建站位置，L代表靜揚程，m。

表4 不同分級的最優建站方案站址位置及費用現值

注：N代表站址編號，L代表靜揚程，m。

圖2 不同泵站分級的輸水工程總費用現值

從圖2可以看出，泵站分級數相同時，不同選址方案的費用現值相差較大，如分5級時，費用最高選址方案(1#、4#、5#、6#、7#)與費用最高選址方案(1#、3#、5#、7#、9#)相差1532萬元。另一方面，隨著分級數的增加，輸水工程總費用現值先減小后增加，在6級泵站方案時，總費用現值達到最小。

不同分級數的最優方案泵站選址參數見表4。

梯級泵站分級數目將直接影響輸水工程投資及運行管理，在一定范圍內，泵站分級數目增多，工程費用總投資費用現值減小，但與此同時，泵站廠區建設費用及后期工程運行管理費用就會增加，因此，應合理確定輸水泵站的分級數量。從表4可以看出，該輸水工程在6級建站時費用現值最低，因此應在6級分級內選擇最佳方案；同時，根據輸水泵站理論選址分析的均分處附近為最優選址位置的結論，該工程分4級泵站輸水時，最優方案靜揚程變化不大，同時該方案可減小各級泵站間的流量調節問題;因此，該輸水工程應將表4內4級建站方案作為該長距離輸水工程的最優選址方案。

4 結語

目前，我國已建成的一些長距離、高揚程輸水泵站，工程投資成為一個不可忽視的問題。合理確定長距離輸水工程中的泵站分級數量和站點選址位置，對于減少投資、方便管理具有重大意義。通過對某工業園供水工程的理論分析與工程實例分析發現，當坡度固定時，泵站的理論選址點位于揚程均分處；當以工程實例分析時，6級范圍內建站時的最優方案總費用不斷減小，且4級建站時最優方案中各級泵站揚程差距最小，故確定4級泵站建站為該實例工程的最佳選址方案；因此，基于費用現值法建立的輸水工程總費用現值數學模型，能分析出長距離輸出工程中泵站分級與站點選址的最優方案，可以在實踐中參考運用。