淺談寧波市水庫群聯網聯調工程水力過渡過程計算

朱亞磊

【摘要】在輸水系統中，水流從一個穩定狀態變到另一個穩定狀態，稱為水力過渡過程，水錘是水力過度過程中流體運動速度驟然發生變化而引起水壓力劇烈變化的瞬變過程。對輸水系統水力過渡過程進行模擬分析是輸水系統安全的需要，模擬結果可以為水錘防護策略制定提供了基礎依據。對水錘的破壞作用認識不足， 考慮防護不周， 就可能會引起事故造成巨大損失。 因而， 水力過渡過程分析，并研究過渡過程中水錘的規模及防護對于保證工程安全運行、降低工程成本，合理制定工程運行調度原則有著十分重要的意義。

【關鍵詞】水庫群；聯網聯調，水力過度過程；水錘；計算

1、工程概況

寧波市水庫群聯網聯調（西線）一期工程主要由欽寸水庫亭下至寧波引水工程、溪下水庫引水工程、東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程三部分組成，主要位于寧波市奉化和鄞州西部山區，本工程線路輸水線路全長41.32km。本項目建成后，將進一步提高寧波市水資源調控能力、完善并優化寧波市水資源配置網絡，為寧波市經濟社會發展提供重要基礎支撐。

2、工程任務和規模

2.1引水工程規模

根據2030水平年寧波中心城區、杭州灣新區需水要求，結合本次2030水平年聯合調度水量平衡分析成果，從充分利用豐、平水年水庫優質水資源增加供水量的角度考慮，認為可行性研究階段確定的引水工程規模是合適的。

（1）欽寸水庫亭下至寧波引水工程。欽寸水庫亭下至寧波引水工程是西線水源聯網連通工程的主力輸水工程，該工程調節欽寸、亭下、許江岸（遠期納入）水庫水源主要向桃源水廠、江北水廠（遠期納入）配置原水，水量豐富時向杭州灣新區、江東水廠供水。根據逐日水量平衡計算成果，亭下調節站至嶺腳分水點段輸水工程設計規模（凈輸水規模，以下同）97萬m3/d（桃源水廠（50萬m3/d）、杭州灣新區（12萬m3/d）、江北水廠（15萬m3/d）和江東水廠（20萬m3/d））；嶺腳分水點至溪桃源水廠段輸水工程設計規模77萬m3，其中至杭州灣新區和江北水廠的輸水隧洞接口在本工程中予以預留，預留規模為27萬m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫水量豐富時向杭州灣新區（12萬m3/d）、江北水廠（15萬m3/d）的輸水要求。

當周公宅—皎口水庫因故不能向毛家坪水廠供水時，欽寸水庫亭下至寧波引水工程承擔毛家坪水廠的應急供水，大岙連接段輸水工程設計規模為35萬m3/d。

（2）溪下水庫引水工程。皎口水庫至溪下水庫連通工程實施后，溪下水庫日常供水規模為10萬m3/d，溪下水庫向桃源水廠應急供水設計輸水規模為35萬m3/d，相應的溪下加壓泵站規模為35萬m3/d。

（3） 皎口水庫至溪下水庫連通工程。皎口水庫至溪下水庫連通工程輸水規模80萬m3/d，可以充分利用皎口水庫棄水增加溪下水庫供水量。

（4）東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程即嶺腳分水點至蕭鎮常規輸水規模20萬m3/d，滿足西線水庫群水量豐富時向江東水廠（20萬m3/d）的輸水要求；為了遠期東西線骨干水源溝通（即蕭鎮至橫山水庫引水管線溝通工程），實現東西線骨干水源工程的應急調節，東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程預留至橫山水庫引水工程輸水管線接口，預留規模與橫山水庫至東線水廠（東錢湖及北侖水廠）引水規模25萬m3/d相匹配。因此，東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程輸水規模45萬m3/d。

2.2主要引水工程

經過技術經濟綜合比較，本工程推薦線路輸水線路全長41.32km，主要由欽寸水庫亭下至寧波引水工程、溪下水庫引水工程、東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程三部分組成。

（1）欽寸水庫亭下至寧波引水工程。欽寸水庫亭下至寧波引水工程主要由亭下調節站、輸水隧洞、輸水管道、沿線各類閥室、大岙連接段等組成。輸水線路自亭下流量調節站起始，終至桃源水廠，輸水主線長約27.90km（不包括大岙連接段長度約0.8km），其中隧洞長25.76km，管道長2.14km。

（2）溪下水庫引水工程。溪下水庫引水工程設計引水規模為35萬t/d，主要建筑物由輸水管道、輸水隧洞、溪下加壓泵站等組成。溪下水庫引水管道從大壩發電引水鋼管末端（放空管分岔點下游）位置接出后經溪下泵站加壓后向西跨越泄洪渠進入隧洞，向西經永福庵南側再折向南至溪下水庫庫尾出洞后，以管道的型式往南穿越溪下水庫庫尾進入桃源水廠配水井。輸水線路全長2.68km，其中隧洞長2.17km，管道長0.51km。

（3）東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程輸水隧洞設計引水規模為45萬t/d，輸水管道設計引水規模為45萬t/d，主要建筑物由輸水隧洞、輸水管道、蕭鎮配水站及附屬建筑物等組成。輸水管線自欽寸水庫亭下至寧波引水工程輸水隧洞嶺腳南側處分水，向東南開挖隧洞至自覺寺水庫西側，出洞后以管道的形式穿越國道、甬金高速至蕭鎮配水站，再利用蕭鎮至江東水廠現有管道引水至江東水廠。嶺腳至蕭鎮輸水線路全長9.93km，其中隧洞長8.51km，管道長1.42km。

3、 工程布置與參數設置

3.1上游水位

欽寸水庫：正常蓄水位98m，死水位66m，最高輸水水位102.96m；亭下水庫：正常蓄水位82.65m，死水位44.05m，最高供水水位為89.63m；許江岸水庫：正常蓄水位98m，供水死水位65m；亭下調節站：欽寸水庫、亭下水庫、許江岸水庫（遠期納入）來水經流量調節閥調節后亭下調節站最高水頭88m，最低水頭58.8m。溪下水庫：正常蓄水位55m；供水死水位27m；

3.2供水流量

（1）欽寸水庫亭下至寧波引水工程。1）亭下調節站至嶺腳分水點段輸水工程設計規模（凈輸水規模，以下同）97萬m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫水量豐富時向桃源水廠（50萬m3/d）、杭州灣新區（12萬m3/d）、江北水廠（15萬m3/d）和江東水廠（20萬m3/d）的輸水要求；2） 嶺腳分水點以下輸水工程設計規模77萬m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫水量豐富時向桃源水廠（50萬m3/d）、杭州灣新區（12萬m3/d）、江北水廠（15萬m3/d）的輸水要求（其中至杭州灣新區和江北水廠的輸水隧洞接口在本工程中予以預留）。

（2）溪下水庫引水工程。溪下水庫日常供水規模為10萬m3/d。欽寸亭下水庫引水工程因故不能向桃源水廠供水時，由溪下水庫向桃源水廠應急供水，應急工況設計輸水規模為35萬m3/d，相應的溪下加壓泵站規模為35萬m3/d。

（3）東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程即嶺腳分水點至蕭鎮常規輸水規模20萬m3/d，預留規模與橫山水庫至東線水廠（東錢湖及北侖水廠）引水規模25萬m3/d相匹配。因此，東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程輸水規模45萬m3/d。

3.3調度方式

本工程運行調度控制原則及方式如下：

1）欽寸水庫亭下至寧波引水工程。欽寸水庫亭下至寧波引水工程調度方式分為兩種情況，一是聯合供水，二是單獨供水。聯合供水；即欽寸、亭下、許江岸（遠期納入）水庫水源經輸水管道、調節閥匯合至亭下調節站聯合供水，由亭下調節站調節來自三個水源地的壓力水頭，實現亭下至寧波引水的總流量控制。單獨供水：當遇到某個水庫處于低水位，或遇到應急情況如某個突發水污染事故、或輸水工程事故時，可由其余兩個或單個水庫來供水。根據上游水位及供水流量，在上游水位不能滿足重力流供水的情況下利用桃源水廠前泵站加壓供水。

2）溪下水庫引水工程。溪下水庫引水工程，由溪下水庫引水，經溪下泵站控制其供水流量。

3）東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮段）連通工程，取水自西線工程嶺角分水點由蕭鎮配水站站前控制閥門控制其供水流量。

4、計算方法

運用特征線法求解水錘問題的步驟為：第一步，將不能直接求解的流動暫態偏微分方程式轉化為特定形式的全微分方程組，稱為特征線方程；第二步，對全微分方程組進行積分，產生近似的代數積分式——有限差分方程；有限差分方程對管路劃分為多個步段 Δ x，對時間劃分為多個時段 Δt ，逐次地進行求解，分段愈細密，其解與原積分愈近似，不過計算工作量也愈大；第三步，根據有限差分方程和管路系統的邊界條件方程編制源程序上機運算。

5、結論與建議

5.1 結論

為保證上游輸水隧洞水擊安全，石沿山支洞、張家車支洞、晚香嶺支洞、倪家岙支洞及雪岙支洞予以保留。工程建成后，關閥正常運行工況和緊急工況的時間應盡量控制開閥和關閥時間，本工程模擬中，采用的關閥時間為20s，按上述時間操作，可保證系統安全。東西線（嶺腳至蕭鎮）聯通工程蕭鎮處閥蕭鎮處閥門關閉對欽寸水庫亭下至寧波引水工程主線路影響較小，對分水點至蕭鎮段影響較大，最大壓力水頭出現在閥門前，因此在閥前管道設計中應注意安裝安全泄壓閥等保護裝置。溪下泵站停泵水錘對輸水線路影響較小，過程中局部會出現負壓，產生負壓的位置在上游桃源水廠進水閥位置，但并未出現水柱拉斷的現象，不會產生彌合性水錘。

5.2 建議

本工程水力過渡過程對工程的安全性對閥門啟閉的過程依賴性較大，建議對桃源水廠前控制閥及蕭鎮處啟閉閥的啟閉方式及結構可靠性進行研究，以確保運行中閥門的啟閉可控制，結構可靠。