多目標輸水過程水錘數值模擬分析

王笑飛，崔 寒，劉元元

河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450000

1 現有工程情況

南水北調中線總干渠在J市城區設27號、28號2個分水口門，其中27號口門設計分水流量為4m3/s，年分配水量為9600萬m3，規劃配套建設配套水廠向J市提供生活用水。后期由于規劃變動，配套水廠遷址，為給配套水廠輸水，在原規劃水廠處新建1座泵站，泵站裝機5臺，4用1備，泵站設計揚程為28.53m，設計流量為3.4m3/s。目前該泵站已建設完成。泵站后接新建DN1800輸水管道3.5km，輸水入新建配套水廠。

遠期情況下，配套水廠規模達到26萬m3/d，泵站設計流量為3.4m3/s，口門仍有富裕流量0.6m3/s。因此，決定新建工程從配套管線中取水至新建調蓄工程，為J市進行生態補水，并提高其供水保證率。

2 新建工程情況

J市新建調蓄工程從南水北調中線總干渠27號分水口門取水，利用配套水廠DN1800PCCP供水管線輸水至J市公路局機械工程處西側，配套泵站控制閥井下游側約30m位置。調蓄湖連接工程于南水北調27號口門配套輸水DN1800PCCP工程接入，終點為調蓄湖。連接工程線路近期設計流量為1.3m3/s，遠期設計流量為0.6m3/s，為重力自流輸水，采用地埋管道輸水，管道采用K9級DN1200球墨鑄鐵管（DIP）。

3 計算模型

根據現有及規劃工程實際布置情況，此次計算模型如圖1所示。

圖1 供水工程模型示意圖

工程從總干渠27號口門A點利用現有DN1800PCCP管道取水，在現狀泵站場地內B點分支為兩條DN1800PCCP管道，分別向現狀泵站進水池C點及調蓄湖E點輸水。由于連接現有DN1800PCCP管道，泵站場地內B點至D點仍采用DN1800PCCP管道連接，D點后設計采用DN1200球墨鑄鐵管。

（1）水位選取。①南水北調27號口門水位：根據多年運行資料，南水北調27號口門水位取105.82m，此水位也作為此次計算的起推水位。②現有泵站進水池水位：根據最不利工況計算原則，泵站進水池水位取進水池最高水位，即105.39m。③調蓄湖水位：為計算DE段最大過流流量，根據調蓄湖處出水池堰頂確定調蓄湖水位為103m。

（2）水頭損失。此次計算沿程水頭損失采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式計算：

式中：i為單位管段沿程水頭損失，m/m；q為管段流量，m3/s；dj為管道計算內徑，m；Ch為海曾-威廉系數，與管道材料有關，此次球墨鑄鐵管道取Ch=130，PCCP管取Ch=130。

此次計算局部水頭損失采用局部水頭損失公式計算：

式中：ζ為局部損失系數，可參照相關參數；ν為管道流速，m/s；g為重力加速度，取9.81m/s2；hj為局部水頭損失，m。

4 管道計算內容

27號口門輸水系統屬于長距離多支線復雜重力流輸水系統，輸水系統干線設置了穩壓措施，支線設置了多個閥門操作系統，計算內容如下：復核最不利水位下，三通至泵站段管線（以下簡稱水廠管線）及三通至調蓄湖管線（以下簡稱調蓄湖管線）的最大流量；復核最不利水位下，調蓄湖管線增加調流調壓閥限制流量后，水廠管線的最大流量；復核調蓄湖管線起點處控制閥門突然關閉的情況下對調蓄湖管線的影響；復核調蓄湖管線起點處控制閥門突然打開的情況下對水廠管線的影響。

考慮到此次調蓄湖管線全程壓力較低（全線均小于10m），此次不再進行正水錘復核，即不再考慮調蓄湖管線末端閥門關閉時的水錘工況。

此次計算模擬采用水利行業廣泛采用的美國Bentley公司出品的Hammer軟件進行計算模擬。

（1）工況一。計算目的：該工況旨在復核最不利水位條件下（南水北調水位最低，水廠進水池管線最高的條件下），水廠管線及調蓄湖管線的最大流量是否滿足設計要求。

經過計算，水廠管線末端泵站進水池流量為2.42m3/s，大于近期規劃水廠供水流量1.7m3/s，小于遠期規劃水廠供水流量3.4m3/s。調蓄湖管線末端出水池流量為1.39m3/s。

（2）工況二。計算目的：該工況旨在復核最不利水位條件下（南水北調水位最低，水廠進水池管線最高，調蓄湖管線增加調流調壓閥的條件下），水廠管線是否滿足遠期流量要求，在水廠管線滿足流量要求的條件下，調蓄湖管線最大流量是多少。

經過計算，在調蓄湖管線完全關閉的條件下，水廠管線最大引水流量為3.73m3/s，大于規劃水廠遠期引水水量3.4m3/s；在調蓄湖管線打開，流量為0.35m3/s流量的條件下，水廠管線引水流量為3.4m3/s，等于規劃水廠遠期引水水量。

（3）工況三。計算目的：該工況旨在分析調蓄湖管線首部閥門突然關閉的條件下，對調蓄湖管線的影響（負壓復核）。

經過計算，調蓄湖管線起點處關閉在滿足前30s關閉80%，后30s關閉100%，總關閥時間≥60s的情況下，調蓄湖段管線未產生正水錘及負壓。

（4）工況四。計算目的：該工況旨在分析調蓄湖管線首部閥門突然打開的條件下，對泵站運行的影響。與此同時，該工況即復核在調蓄湖管線起點處控制閥門突然打開的情況下對水廠管線的影響，是項目在進行專家評審時，評審專家專門提出來要求進行驗證的，專家當時最擔心的就是發生泵站進水池倒流現象。經過討論，相關人員提出對速度這一矢量進行模擬，能夠較為明顯地看出在閥門突然打開的情況下是否出現流速由正轉負的情況。經過模擬，BC段在閥門打開時流速變化均勻，沒有出現逆流或大的震動，由于時間關系，且調蓄湖管線末端有溢流堰限制了最大水位差，故并沒有考慮調蓄湖管線流量增加對BC段的影響。

經過計算，調蓄湖管線起點處關閉在滿足前30s打開20%，后30s關閉100%，總關閥時間≥60s的情況下，水廠管線內流速平穩地從1.47m/s降低至1.15m/s，在開閥的60s及閥門完全打開后60～180s內泵站管線流速未發生突變。

5 計算結論和建議

（1）在增加調蓄湖管線的情況下，即使情況最不利，即南水北調水位最低，泵站水池水位最高，調蓄湖水位最低的工況下，水廠管線依然滿足配套水廠近期引水1.7m3/s的要求且富余量較大。建議水廠遠期擴建之前，可暫時不安裝調流調壓閥，近期調蓄湖引水不影響水廠的正常運行。

（2）在完全關閉調蓄湖管線，最不利水位條件下，水廠管線最大引水流量為3.73m3/s，大于規劃水廠遠期引水水量3.4m3/s；在調蓄湖管線打開，流量為0.35m3/s的流量條件下，水廠管線引水流量為3.4m3/s，等于規劃水廠遠期引水水量。建議遠期水廠擴建時，增加調蓄湖管線首部調流調壓閥控制引水流量，且引水流量不應大于0.3m3/s，為水廠配套泵站安全運行提供條件或合理安排泵站引水與調蓄湖引水的分時運行。

（3）調蓄湖管線首部閥門開啟和關閉在滿足合理運行曲線的條件下不影響調蓄湖管線和水廠管線的安全運行，在閥門突然開啟的條件下，泵站進水池入流變化平穩未出現倒流現象。建議調蓄湖管線首部關閉曲線為前40s關閉80%，后40s關閉100%，總關閉時間≥80s；建議調蓄湖管線首部開啟曲線為前40s開啟80%，后40s開啟100%，總開啟時間≥80s。

6 結束語

現在泵站一般采用變頻運行，能輸出一個較為恒定的流量，但是其進水池的水位是從一個啟泵前的靜水位（與南水北調水位相同）慢慢下降，在與南水北調水位慢慢拉大之后，其管道流量也慢慢增加，當泵站進水池來水流量等于去水流量時，進水池水位保持穩定，即進水池水位與南水北調水位之差保持恒定（假設過程中南水北調水位不變）。但是這是一個變化的過程，對于Bentley Hammer而言，無法對變化的水位進行模擬，即僅用該軟件的邊界條件無法模擬出進水池最終的水位。筆者在計算時，也是采用不斷變化進水池的水位方式試算進水管道的流量，在多次試算后，得出在進水管道與泵站流量相同時記錄當前的水位，希望能起到拋磚引玉的效果。