水泵在山地森林火災(zāi)中的極限揚(yáng)程計(jì)算與接力增壓布陣方法

摘要：在山地森林火災(zāi)中，由于地形復(fù)雜、環(huán)境條件惡劣，傳統(tǒng)供水系統(tǒng)常面臨供水受限的瓶頸問題。針對這一挑戰(zhàn)，提出了水泵極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算模型與接力增壓布陣方法。通過構(gòu)建涵蓋地形、管路和環(huán)境多因素影響體系，研究建立了融合高程差、揚(yáng)程/局部阻力及設(shè)備性能衰減的揚(yáng)程平衡模型，實(shí)現(xiàn)了對水泵極限揚(yáng)程的精準(zhǔn)預(yù)測。基于該模型，設(shè)計(jì)了接力增壓布陣規(guī)則，明確了坡度閾值控制標(biāo)準(zhǔn)、壓力區(qū)間約束及“泵-池-泵”優(yōu)化模式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法在復(fù)雜場景下的有效性，相較傳統(tǒng)方法，能顯著提升系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為山地森林火災(zāi)應(yīng)急供水系統(tǒng)的優(yōu)化提供了理論支持與技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：水泵；山地森林火災(zāi)；極限揚(yáng)程；接力增壓

中圖分類號：D631.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0026-03

0 引言

在山地森林火災(zāi)撲救作業(yè)里，高效的水源輸送是有效控制火勢蔓延的重要環(huán)節(jié)。山地復(fù)雜的地形、較長的供水距離及惡劣的火場環(huán)境，均對水泵揚(yáng)程提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)計(jì)算方法未充分考慮動態(tài)因素，常出現(xiàn)揚(yáng)程不足、壓力不穩(wěn)及設(shè)備損壞等問題，影響滅火效率和人員安全[1-2]。鑒于此，本文提出水泵極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算與接力增壓優(yōu)化布陣集成方法。研究核心創(chuàng)新在于動態(tài)計(jì)算模型的引入，能夠融合高程差等多種因素，實(shí)時(shí)預(yù)測水泵極限揚(yáng)程；同時(shí)，布陣決策引擎基于模型輸出生成接力點(diǎn)選址規(guī)則、壓力安全區(qū)間和運(yùn)行模式優(yōu)化策略。以期為破解山地供水難題提供可量化的技術(shù)路徑。

1 山地林火水泵極限揚(yáng)程計(jì)算方法

1.1" 影響因素體系構(gòu)建

在山地林火環(huán)境中，水泵極限揚(yáng)程受多維度因素制約，需要構(gòu)建層次化影響因素體系。主要因素包括：①幾何地形因素：取水點(diǎn)與目標(biāo)出水點(diǎn)高程差、供水線路的實(shí)際路徑長度、線路坡度等。②水力管路因素：管路材質(zhì)、內(nèi)徑、管壁粗糙度、管件數(shù)量與類型[3-4]。③水源與流量因素：水源類型（靜水、動水）、吸水高度、設(shè)計(jì)流量。④環(huán)境擾動因素：火場高溫輻射、煙塵、植被影響。⑤設(shè)備性能因素：水泵額定揚(yáng)程、功率、效率及磨損系數(shù)。

1.2" 極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算模型建立

水泵的極限揚(yáng)程在數(shù)值上等于水泵在該工況下最大揚(yáng)程與管路系統(tǒng)所需總揚(yáng)程的平衡點(diǎn)，且受限于管道承壓能力，其核心關(guān)系如式（1）所示。

Hmax=min（Hpump，Hclass） （1）

式中：Hmax——水泵實(shí)際可達(dá)到的極限揚(yáng)程，m；

Hpump——水泵在當(dāng)前工況（流量、轉(zhuǎn)速、海拔、水溫、磨損）下能提供的最大揚(yáng)程，m；

Hclass——管路承壓極限對應(yīng)揚(yáng)程，m[5]。

管路系統(tǒng)總揚(yáng)程需求由高程差、阻力損失及末端壓力構(gòu)成，如式（2）所示。

Htotal=?h+Hf+Hj++Hv） （2）

式中：Htotal——管路系統(tǒng)所需總揚(yáng)程，m；

?h——取水點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)高程差，m；

Hf——沿程水頭損失，m；

Hj——局部水頭損失，m；

?P——末端剩余壓強(qiáng)，Pa；

ρ——水的密度，kg/m3；

g——重力加速度，9.81m/s2；

Hv——速度水頭，m。

沿程水頭損失采用Hazen-Williams公式計(jì)算，如式（3）所示。

（3）

式中：L——管路長度，m；

Q——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

C——粗糙系數(shù)（PVC管C=150，新消防水帶C=140，舊水帶C＜110）；

D——管道內(nèi)徑，m[6-7]。

局部水頭損失采用阻力系數(shù)法，如式（4）所示。

（4）

式中：Ktotal——局部阻力件等效系數(shù)總和；

V——水流平均流速，m/s。

水泵實(shí)際最大揚(yáng)程動態(tài)修正模型，如式（5）所示。

（5）

式中：Hrated——額定揚(yáng)程，m；

Pcurrent——當(dāng)前可用功率，W；

Prated——額定功率，W；

——當(dāng)前效率，W；

——額定效率，W；

ka——海拔修正系數(shù)（0＜ ka＜1）；

kt——水溫/磨損系數(shù)（0＜kt＜1）。

在預(yù)設(shè)流量Q下，通過迭代求解公式（2）和（5）的平衡點(diǎn)確定Hmax，該模型集成地形參數(shù)、管路特性及環(huán)境擾動。

2 接力增壓系統(tǒng)布陣方法

2.1" 布陣核心原則與勘測要求

在單泵揚(yáng)程無法滿足供水需求時(shí)，需采用多級水泵接力增壓方式，此時(shí)，布陣的核心原則是確保每級水泵在其極限揚(yáng)程范圍內(nèi)高效運(yùn)行，并維持接力點(diǎn)處于最優(yōu)壓力狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)科學(xué)布陣的首要步驟是進(jìn)行詳細(xì)現(xiàn)場勘測，具體包括利用地形圖與GPS設(shè)備，獲取完整的供水路徑高程剖面曲線（Δh-L曲線），標(biāo)識出坡度突變超過10°的陡峭區(qū)段、急轉(zhuǎn)彎位置以及密林遮擋區(qū)域等關(guān)鍵地形特征點(diǎn)。同時(shí)，需要依據(jù)前文1.2節(jié)建立的極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算模型，確定單泵在特定工況下的最大供水距離Lsingle作為布陣基準(zhǔn)參數(shù)。

2.2" 接力點(diǎn)選址規(guī)則與間距控制

基于極限揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果，接力點(diǎn)選址需遵循4項(xiàng)基本規(guī)則：①選址位置應(yīng)優(yōu)先處于坡度小于5°的平緩地帶，以保障操作安全，避開陡坡底部區(qū)域，防止水壓超限，同時(shí)規(guī)避坡頂位置，避免吸水氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。②接力點(diǎn)宜靠近自然水源或具備設(shè)置臨時(shí)蓄水池條件的地點(diǎn)，且與火場危險(xiǎn)區(qū)域保持安全距離，并利用天然地形屏障。③在接力點(diǎn)間距控制方面，需根據(jù)地形坡度動態(tài)調(diào)整，當(dāng)處于坡度大于15°的陡升路段時(shí)，應(yīng)將間距縮減至0.6～0.8倍Lsingle范圍內(nèi)，而在坡度小于5°的緩坡區(qū)，可擴(kuò)展至1.2倍Lsingle。④所有接力點(diǎn)布置必須滿足入口壓力不低于-0.03MPa的防氣蝕要求，且出口壓力不超過管路承壓極限0.8MPa。

2.3" 接力模式選擇與實(shí)施流程

接力增壓系統(tǒng)主要采用兩種運(yùn)行模式。①泵-池-泵模式，通過在接力點(diǎn)設(shè)置便攜水囊或開挖淺池作為蓄水裝置，由上級水泵注水、下級水泵抽水形成緩沖環(huán)節(jié)，該模式特別適用于流量大于30L/s或高差超過200m的大負(fù)荷場景。實(shí)驗(yàn)證明，該模式可將壓力波動降低38%。②泵-泵直接串聯(lián)模式，通過止回閥與壓力調(diào)節(jié)閥連接相鄰水泵。該模式具有部署迅速的優(yōu)勢，但對水泵性能要求嚴(yán)格，僅推薦在坡度小于8°的平緩地形且距離短于1500m時(shí)采用。

3 模型驗(yàn)證與避險(xiǎn)效能分析

3.1" 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算模型和接力布陣的避險(xiǎn)效能，構(gòu)建3類典型山地林火場景實(shí)驗(yàn)平臺：場景A模擬陡坡（Δh=320m，L=1850m），場景B模擬長距離緩坡（Δh=110m，L=3520m），場景C模擬復(fù)雜起伏地形（Δh=210m，L=2780m）。實(shí)驗(yàn)采用ANSYSFluent 2022R1進(jìn)行高精度流體動力學(xué)仿真，建立三維管道網(wǎng)絡(luò)模型，涵蓋三類消防水泵（額定揚(yáng)程60、100、150m）及兩種常用水帶規(guī)格（內(nèi)徑65、80mm）。通過耦合熱輻射模塊模擬火場環(huán)境擾動，設(shè)置外部溫度梯度（20～120℃）和煙氣濃度（0～15g/m3）。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，包括壓力、流量、管道振動及電機(jī)溫升等參數(shù)。

3.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示動態(tài)計(jì)算模型具有顯著預(yù)測優(yōu)勢，表1展示場景A（陡坡型）在流量Q=25L/s時(shí)的揚(yáng)程分布，模型預(yù)測值與實(shí)測值吻合度達(dá)93.2%，而傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式在坡頂段偏差達(dá)28.7%。模型成功捕捉到高程突變點(diǎn)（距起點(diǎn)1020m處）的揚(yáng)程拐點(diǎn)，此處因坡度劇增至32°，導(dǎo)致局部阻力激增。

避險(xiǎn)效能分析證實(shí)，優(yōu)化布陣可大幅降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，表2顯示在同等火場強(qiáng)度下，基于模型的接力布陣較傳統(tǒng)布陣顯著改善運(yùn)行穩(wěn)定性。特別是“泵-池-泵”模式在場景C的應(yīng)用，使壓力超限發(fā)生率從34.7%降至2.1%，這是因?yàn)樾钏赜行樟烁叱掏蛔儗?dǎo)致的水錘效應(yīng)（峰值壓力降低38%）。

深度數(shù)據(jù)分析揭示3項(xiàng)關(guān)鍵規(guī)律。第一，模型在陡坡場景的精度優(yōu)勢源于公式（3）（4）對局部阻力的精細(xì)化計(jì)算，當(dāng)坡度＞15°時(shí)，傳統(tǒng)方法未計(jì)入的彎管二次流損失占比可達(dá)總揚(yáng)程的12%～18%。第二，接力點(diǎn)選址的坡度閾值（＜5°），使泵組故障率降低64%，因?yàn)樵谄骄彽囟慰捎行p少管道扭曲導(dǎo)致的密封失效。第三，環(huán)境擾動因素的量化驗(yàn)證顯示，當(dāng)煙氣顆粒濃度＞10g/m3時(shí)，需在公式（5）中添加磨損系數(shù)kt，其取值范圍在0.92～0.97；否則，揚(yáng)程預(yù)測值將偏高8%～12%。討論指出當(dāng)前模型在超高溫環(huán)境（＞150℃）存在局限。在超高溫控制下，水的氣化壓變化使公式（2）中ρ值偏差增大，需進(jìn)一步引入溫度補(bǔ)償因子。

4 結(jié)束語

通過建立山地林火環(huán)境水泵極限揚(yáng)程動態(tài)計(jì)算模型與接力增壓布陣方法，顯著提升遠(yuǎn)程供水的可靠性與安全性。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，本文所提出的多因素耦合模型（式1～5）能精準(zhǔn)預(yù)測復(fù)雜地形下的揚(yáng)程拐點(diǎn)與臨界流量。“泵-池-泵”模式在陡坡場景中可減少壓力波動，降低系統(tǒng)失效率。當(dāng)前模型在超高溫環(huán)境（＞150℃）存在局限，需進(jìn)一步引入水溫-汽化壓補(bǔ)償機(jī)制，以提高模型在極端環(huán)境下的適用性。

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