南水北調濟南段重力流控制方法及應用

高 昂，焦方龍

（濟南清源水務集團有限公司，山東 濟南 250001）

隨著節能環保、低碳排放各類指標的嚴控嚴管，逐步降低配水能源消耗成為水資源調度中的必然趨勢。以南水北調中線調水工程為例，自丹江口水源地開始，完全利用地形優勢，通過水的自然勢能將源源不斷的優質水源調布至下游各大城市，跨流域之大、調水量之豐為世界所矚目，同樣也是重力流調水的標桿和典范。

1 南水北調濟南市區重力流調水的運用

為更好地結合實際案例闡明觀點，文章以南水北調濟南市市區續建配套工程中臥虎山水庫供水線路改造工程（“五庫連通”工程）為例，全面介紹工程概況及運行狀況。

1.1 工程概況

本工程主要利用現有臥虎山、錦繡川2 座水庫的地表水源以及賈莊分水閘至臥虎山水庫輸水線路調引的黃河水、長江水客水資源，通過改造現有臥虎山水庫向南郊水廠供水線路，新建南康泵站～分水嶺水廠供水線路以及錦繡川水庫向興隆、漿水泉、孟家水庫3 座水庫輸水線路，實現長江水、黃河水、當地地表水3 種水源向2 座水廠、3 座水庫供水及向興濟河、全福河、洪山溪、大辛河4 條河流補水，建成5 座水庫、2 座水廠及4條河流的水系連通工程。全部調水過程均通過重力流自流實現。

1）錦繡川水庫～興隆水庫段工程設計。錦繡川水庫至興隆水庫段（樁號0+000～4+730）自錦繡川輸水干渠東風洞分水口開始，至興隆水庫北側，設計流量為0.58 m3/s。維修加固興隆分支上的砧子山隧洞2.4 km 和暗渠襯砌0.12 km，主要進行隧洞襯砌加固工程，維修加固后隧洞為城門洞形，底寬1.8 m，洞高2.3 m。敷設DN1200 螺旋鋼管2.21 km，檢修閥門井1 座、分水檢修加測流閥門井3 座。分水口3 處、排氣孔6 處、管道進出口段連接段工程各1 處。砧子山隧洞出口新建分水閘1 處。

2）興隆水庫～孟家水庫段工程設計。興隆水庫～孟家水庫段工程線路起點位于興隆水庫大壩北（樁號4+730），向東北方向新建隧洞，途徑小嶺村，至漿水泉水庫上游（樁號8+572），向東北方向新建隧洞至西蔣峪溝（樁號11+110），沿現有西蔣峪溝入孟家水庫（樁號12+510）。線路長7.78 km，其中新建隧洞6.38 km，利用西蔣峪溝1.4 km。設計供水規模為5 萬m3/s（0.58 m3/s）。隧洞段選用城門洞斷面。斷面形式：圓拱中心角為180°，洞高為3 m，洞寬為2.9 m。新建節制閘3 處。其中：興隆水庫北節制閘1 處、漿水泉水庫上游節制閘1處、洪山溪節制閘1 處。設計流量為0.58 m3/s。

3）臥虎山水庫新放水洞至分水嶺水廠段工程設計。臥虎山水庫新放水洞至分水嶺水廠段管道工程全長10.47 km。臥虎山新放水洞至南康泵站段輸水流量1.16 m3/s，管道管徑為DN1600 和DN1200 鋼管，其中利用現有DN1600 管道5.32 km，新建DN1600 管道1.97 km，新建DN1200 管道1.02 km。南康泵站至分水嶺水廠段輸水流量0.58 m3/s，管道管徑為DN800 鋼管，新建DN800管道2.16 km。沿線總共新建檢修閥門井6 座、檢修加排氣閥門井1 座、排氣閥門井4 座、測流井2座、水錘泄放閥門井1 座、調流調壓閥門井1 座。工作井5 座，接收井4 座。

1.2 工程運行及節能情況

1）工程運行狀況。本工程于2016 年投入運行，多年累積調水量近1.35 億m3，其中城市供水4 552.3 萬m3，生態補水8 823.11 萬m3。成功達到了設計要求及目的，發揮了工程作用，實現了區域地表水、黃河及長江客水等多水源的聯合調度，改善了水生態環境，優化了原水供應體系，提高了城市生活、生產用水保證率，進而保障了城市供水安全，對促進濟南城市社會經濟的發展、改善生態環境發揮了重要作用。

2）工程節能情況。動力消耗成本：按照動力電消耗標準，以原水每公斤壓力千立方米配水電耗200 kW·h，一般工商業用電0.608 9 元/kW·h計，動力消耗成本1 644.03 萬元。

參照以上計算，僅動力消耗成本節省1 644.03 萬元，節省電量2 700 萬kW·h，節能減排效果顯著。以上未計算動力泵站運行管理成本。

2 關于重力流運行的幾點建議

在以重力流為主的調水系統中，因為完全采用自然勢能，對比動力泵站，在運行成本，節能減排方面有無可比擬的優勢及效果，但對流量、流速的配水調整控制方面，不可避免的存在一系列需要重視、關注的問題。因此，在重力流為動力的調水系統中，需要注意以下幾個方面：

2.1 高程控制及斷面尺寸設計

從工作原理可知，重力流的運用，其設計主導思路就是利用高位勢能實現節能減排，甚至達到零排放，而達到這種設計目的，實現工程作用的關鍵就是高程控制及斷面尺寸的設計。

以本工程為例，錦繡川水庫至孟家水庫段高程設計見表1；臥虎山水庫新放水洞～分水嶺水廠段高程設計見表2。

由表2 可知，在局部高程差較小樁號，在斷面尺寸選擇上，均進行了相應擴大（除隧洞段），水力損失計算系數取值也較大，其目的是高程差較小的情況下，保證足夠的斷面尺寸，同時結合上下翻大角度彎頭設計，控制重力流的流態。

2.2 運行狀態控制管理

在重力流狀態下的運行，可以分為敞開式和封閉式兩種情況，在同一調水工程中，可能出現兩種方式同時存在的可能。針對敞開式運行方式，在運行中根據渠、槽、涵洞（隧洞）自由水面的運行水位，通過不同梯級的分水閘、節制閘可進行流量、流速的控制。在封閉式運行中，水源自上游放水洞（口）、調節池等蓄水構建筑物進入封閉管道，在完全封閉的條件下，在管道中流動至下游蓄水池或放水口，管道運行壓力基本為進出口高程差減去沿程損失。

表1 錦繡川水庫～孟家水庫段工程設計要素表

1）吸、排氣閥的設置。重力流在封閉式運行過程中，管線在運行初期由無壓到帶壓的過程時間較長，管道集氣成為初期運行的主要問題。因此，合理的設置吸、排氣閥位置成為關鍵。在本案例中，管道高程起伏點均設置了吸、排氣閥，尤其是倒虹吸的上游端集氣明顯。經多年運行效果顯著。

表2 臥虎山水庫至南康段工程設計要素表

2）沿程測流、測壓設施的設置。在重力流調水中，由于能量源是勢能，不能人為地調整和變化，僅能通過分水閘閥的開度控制流態。因此，全面準確地掌握整個運行系統的狀態是安全運行的關鍵。在本案中，在渠道等敞開式條件下，在每個調節閘閥處均設置了測流計；在管道等封閉式條件下，除在進、出口設置流量計外，另行加裝了壓力表，通過上下游流量、壓力狀況判定運行狀態。以上表計均采用太陽能供電，無線遠傳信號收集，實時監控系統狀態，為安全運行創造了條件。

3）泄水口設置。在供調水系統中，設置泄水口主要作用是釋放系統存水，在重力流系統中，泄水口的設置更為重要，如突發異常情況，下游受水單位，無法處置來水時，理論上需要將整個系統內的水量在短時間內全部排放，尤其是敞開式供調水模式條件下，這就需要在設計泄水口時考慮大流量、大強度的下泄強度。本案例中，將主要泄水口設置于系統末梢，同時與城市河道相連，既可以保證應急泄水，同時也作為河道補水口使用，在異常應急中起到了保護作用。

綜上所述，重力流是最為傳統的水資源調配方式，隨著調水規模的不斷擴大，其節能減排、低碳環保的優勢越發明顯，經濟效益可觀。但隨之而來的控制難度也更加明顯，只有通過科學合理的系統設計，將諸多元因素考慮到位，才能發揮其最大優勢，造福百姓造福社會。