劉建續(xù)，王俊鋒，王 旭

(陜西江漢水電勘測設(shè)計(jì)有限公司，陜西 西安710016)

井群管網(wǎng)的布置有環(huán)狀管網(wǎng)和樹狀管網(wǎng)兩種形式。環(huán)狀管網(wǎng)是將輸水管道組成環(huán)形網(wǎng)格，機(jī)井從管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接入，水流在管網(wǎng)中可向各個(gè)方向流動(dòng)，最終在匯集點(diǎn)處流出。這種管網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是輸水安全、可靠性高;缺點(diǎn)是管線長，工程量大，投資大。樹狀管網(wǎng)是將井群中各個(gè)機(jī)井用輸水管道連接，形成一個(gè)樹枝狀的管網(wǎng)，水流在管網(wǎng)中向一個(gè)方向流動(dòng)，最終在匯集點(diǎn)處流出。這種管網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是布置簡單、便于運(yùn)行管理，管線短、工程量小、投資少;缺點(diǎn)是輸水可靠性較差。對(duì)于井群管網(wǎng)由于單井流量一般較小，井間距大，采用環(huán)狀管網(wǎng)投資很大。所以井群管網(wǎng)一般采用樹狀管網(wǎng)。

樹狀管網(wǎng)相比環(huán)狀管網(wǎng)除布置形式簡單外，主要還有水力特征簡單。特別是采用樹狀管網(wǎng)配水，僅需滿足節(jié)點(diǎn)的配水流量即可，管網(wǎng)內(nèi)水壓力、系統(tǒng)會(huì)自行調(diào)整，不會(huì)產(chǎn)生壓力突變現(xiàn)象(不含水擊)。但對(duì)井群樹狀管網(wǎng)輸水相對(duì)其配水，管網(wǎng)的水力特征較為復(fù)雜。因接入管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的是各個(gè)不同型號(hào)的井泵，每個(gè)井泵都有自身的流量－揚(yáng)程特性，這種特性一旦并入管網(wǎng)，就會(huì)與管網(wǎng)中的其它井泵發(fā)生關(guān)系，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)通過管網(wǎng)自行調(diào)整、平衡這種流量－壓力關(guān)系。調(diào)整結(jié)果常常會(huì)使個(gè)別井泵的工作點(diǎn)處于極端狀態(tài)，從而造成事故，影響管網(wǎng)系統(tǒng)輸水。因此，有必要對(duì)井群樹狀管網(wǎng)輸水的水力調(diào)節(jié)進(jìn)行研究，以尋求科學(xué)合理的管網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，滿足社會(huì)生產(chǎn)、工程運(yùn)行管理的要求。

1 井群中的井泵特征

地下水水源工程中，其取水建筑物大多采用水井形式。在水井形成之前，根據(jù)水源地地下水的可開采情況和水文地質(zhì)條件選擇井型，并擬定合理的井距與井?dāng)?shù)，再進(jìn)行井群布置。水源地的整體規(guī)劃，要進(jìn)行單個(gè)水井的設(shè)計(jì)，給出每個(gè)水井的設(shè)計(jì)參數(shù)。參數(shù)主要包括:水井編號(hào)及位置、地面高程、結(jié)構(gòu)尺寸(包括井徑、井深、取水層厚度及深度)、地下水位、最大安全出水量、最大降深等。

水井水源工程無論采用什么形式的水井都必須配備一套水泵裝置，才能將地下水抽出并且輸送。水泵裝置配備包括:井用泵、配電設(shè)備、輸水管(特指井泵與管網(wǎng)之間的管道)及其附件等。這些設(shè)備的組裝成型便形成了一套水井的水泵裝置。這一裝置在正常運(yùn)行過程中表現(xiàn)出一種揚(yáng)程隨流量變化的關(guān)系特征。水泵裝置的井泵特征有兩部分。一部分是井用泵的特性曲線，另一部分是井泵連接管網(wǎng)輸水管的水頭損失曲線。兩條曲線的疊加就是井泵裝置的特性曲線。一般的對(duì)離心式葉片泵其性能曲線常用二次曲線近似反應(yīng)，而管道的水頭損失曲線也是一條二次曲線，它們的疊加結(jié)果是一條二次曲線，可用一個(gè)二次方程式表示。由此得出井群中第i個(gè)水井井泵裝置的性能方程為

式中:hi為水泵裝置的揚(yáng)水位，(m);Hi為水泵裝置的最高揚(yáng)水位，由于井用泵為多級(jí)泵，改變泵級(jí)數(shù)也可改變泵裝置的性能，(m);Si為水泵裝置的阻力系數(shù)，由三部分組成:泵阻力、管阻力、閥阻力，水泵裝置完成后，泵及管阻力不變，只有閥阻力可變，因此泵裝置中的閘閥可參與調(diào)節(jié);(s2/m5);qi為水泵裝置的流量，(m3/s)。

上式為井群中井泵裝置的性能方程，該方程假定流量變化時(shí)該井水位降深不變。當(dāng)井泵裝置接入管網(wǎng)、投入運(yùn)行之后，井泵的運(yùn)行工況點(diǎn)就由該方程與管網(wǎng)的水力平衡所決定。因此，僅有井泵裝置的性能還不能解決問題，還需研究管網(wǎng)的性能。

2 井群中的管網(wǎng)特征

地下水源工程中有了井群及其配套的井泵，還必須配備一套輸水管網(wǎng)才能實(shí)現(xiàn)地下水資源的利用。對(duì)井群輸水的管網(wǎng)常采用樹狀管網(wǎng)，其水力要素分為管段流量、管段壓降、節(jié)點(diǎn)流量和節(jié)點(diǎn)水頭等4類。這4類水力要素相互之間的關(guān)系，反映了樹狀管網(wǎng)的水力特征。

為了方便分析樹狀管網(wǎng)的水力特征，采用圖1所示的簡單管網(wǎng)作以說明。圖1為由0～6#等7個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的簡單樹狀管網(wǎng)，其中0#節(jié)點(diǎn)是樹狀管網(wǎng)輸水的集中輸出點(diǎn)，1～6#節(jié)點(diǎn)分別為6個(gè)井泵裝置，向管網(wǎng)輸入水量。管網(wǎng)水流為恒定流，管網(wǎng)中各管管段流量qij、管段壓降hij和各節(jié)節(jié)點(diǎn)流量qi、節(jié)點(diǎn)水頭hi都是恒定的。管網(wǎng)中的這些水力要素都必然滿足連續(xù)性方程和能量方程。

圖1 樹狀管網(wǎng)示意圖

根據(jù)圖1所示管網(wǎng)中各管段的連接形式，可列出一組6個(gè)連續(xù)性方程如下。

再根據(jù)圖1所示管網(wǎng)中各管段的水流連通形式，可列出一組6個(gè)能量方程如下。

同時(shí)管網(wǎng)中各管段的壓降與其流量有如下關(guān)系

式中:Sij為第ij管段的阻力系數(shù)，(s2/m5);其余參數(shù)同上。

綜合分析以上4組方程，可看出:第1組方程為井泵裝置的性能方程，反映了節(jié)點(diǎn)水頭與節(jié)點(diǎn)流量的關(guān)系。第2組方程反映了管段流量與節(jié)點(diǎn)流量的關(guān)系。第4組方程反映了管段壓降與管段流量的關(guān)系，如果用第2組方程中的節(jié)點(diǎn)流量代替管段流量，則第4組方程就反映了管段壓降與節(jié)點(diǎn)流量的關(guān)系。第3組方程反映了節(jié)點(diǎn)水頭與管段壓降的關(guān)系，方程中的參數(shù)，可由第1、4組方程確定并帶入，形成一組新的方程。這組新方程有6個(gè)方程式，其中所含的參數(shù)僅有6個(gè)節(jié)點(diǎn)流量為未知量，其余均為已知量。因此，聯(lián)立求解這組新方程組，可求得6個(gè)水井的流量。有了這6個(gè)節(jié)點(diǎn)流量，其它管網(wǎng)參數(shù)依據(jù)第1、2、4組中的相關(guān)方程均可求得。

3 管網(wǎng)中的水力調(diào)節(jié)

利用上述4組方程已經(jīng)可以確定管網(wǎng)中的各種參數(shù)，管網(wǎng)是要根據(jù)地形地貌、布置型式、選用的管材、節(jié)點(diǎn)流量等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。井群管網(wǎng)設(shè)計(jì)條件除節(jié)點(diǎn)流量需單獨(dú)考慮外，其它條件均容易滿足。要確定節(jié)點(diǎn)流量，必須確定井群中各水井的設(shè)計(jì)出水量，水井的設(shè)計(jì)出水量要根據(jù)各水井的設(shè)計(jì)單獨(dú)確定。有了管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的輸入流量便可進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)。管網(wǎng)的設(shè)計(jì)結(jié)果除確定了各管段的管徑、流量、壓降等參數(shù)之外，主要還確定了各節(jié)點(diǎn)的輸水壓力。根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量和輸水壓力便可進(jìn)行各水井井泵的選型。以上描述為井群管網(wǎng)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)階段確定的參數(shù)為井群管網(wǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

井群管網(wǎng)在施工過程中許多參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相比會(huì)發(fā)生較大變化，如管段管徑、管長、井泵特性、閘閥開度、節(jié)點(diǎn)的位置偏移等，這些變化稱之為硬件變化;另外，井群管網(wǎng)在運(yùn)行過程中節(jié)點(diǎn)流量與設(shè)計(jì)參數(shù)相比也會(huì)發(fā)生較大變化，如各井泵運(yùn)行工作點(diǎn)的偏移、個(gè)別井泵的停運(yùn)等，這些變化稱之為軟件變化。井群管網(wǎng)中這些硬件、軟件的變化，使管網(wǎng)系統(tǒng)形成一種新的平衡。這種由管網(wǎng)自身形成的平衡狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相比常常相差甚遠(yuǎn)。因此，必須人為調(diào)節(jié)管網(wǎng)中的硬件參數(shù)，使得管網(wǎng)中的軟件參數(shù)符合或者接近管網(wǎng)的設(shè)計(jì)狀況。

井群管網(wǎng)的水力調(diào)節(jié)是一個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜過程，常常需要采用一定的步驟反復(fù)調(diào)整。具體方法如下:

(1)將管網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水壓力代入第1組方程，求得各節(jié)點(diǎn)水泵裝置的設(shè)計(jì)阻力系數(shù)Ssi。再根據(jù)各水井水泵裝置的現(xiàn)狀，確定其裝置阻力系數(shù)Si。采用水泵閘閥調(diào)節(jié)，使水泵裝置阻力系數(shù)Si等于其設(shè)計(jì)阻力系數(shù)Ssi。調(diào)整以后的井泵裝置性能方程可用于管網(wǎng)的調(diào)節(jié)計(jì)算。采用閘閥調(diào)節(jié)是一種浪費(fèi)能源的調(diào)節(jié)方式，有條件的水源工程，一般采用變頻調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)是利用供電電源的頻率變化改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的性能。調(diào)節(jié)方法是將各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水壓力及水泵裝置的阻力系數(shù)Si代入第1組方程，求得井泵裝置性能方程中的Hi。采用變頻調(diào)節(jié)，調(diào)整水泵性能方程中的最高揚(yáng)水位，使其符合所求的 Hi。同樣，調(diào)整以后的井泵裝置性能方程可用于管網(wǎng)的調(diào)節(jié)計(jì)算。

(2)當(dāng)管網(wǎng)中某幾臺(tái)井泵停止運(yùn)行，管網(wǎng)中的水力平衡被打破，管網(wǎng)便會(huì)形成一種新的水力平衡。這種平衡使得運(yùn)行中的水泵工作點(diǎn)發(fā)生明顯變化，仍需采取調(diào)節(jié)措施使得各節(jié)點(diǎn)流量與設(shè)計(jì)狀況基本一致。調(diào)節(jié)方法需要利用上述4組方程確定并了解管網(wǎng)的平衡狀態(tài)。把計(jì)算的各節(jié)點(diǎn)流量與設(shè)計(jì)流量對(duì)比。若兩者有明顯差距，采用閘閥調(diào)節(jié)離節(jié)點(diǎn)最近的管段阻力系數(shù)Sij。使得各節(jié)點(diǎn)流量與設(shè)計(jì)流量基本相符。

4 井群管網(wǎng)的調(diào)節(jié)示例

為了說明井群管網(wǎng)在竣工后的運(yùn)行調(diào)節(jié)過程，選用圖2所示的管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中有6個(gè)井節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)配備了兩種型號(hào)、不同級(jí)數(shù)的6臺(tái)井泵，泵裝置采用DN100的鋼管，據(jù)此可確定6臺(tái)井泵的裝置性能方程。設(shè)計(jì)圖中給出了6根管段的長度和管徑，管材為PVC－U型管，據(jù)此可確定6根管段的水頭損失方程。根據(jù)管網(wǎng)的布置和連接形式，分別可列出6個(gè)連續(xù)方程和能量方程。通過上述這些方程可以確定管網(wǎng)裝配后未調(diào)節(jié)的工作狀態(tài)。計(jì)算過程不再贅述，結(jié)果見表1。

圖2 井群樹狀管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖

表1 井群管網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀況表

從表1中可看出井群管網(wǎng)裝配之后運(yùn)行時(shí)，其工作狀況與設(shè)計(jì)完全不同。各井的出水量和揚(yáng)程均有所增加，這種變化常造成以下幾個(gè)問題:①流量增加超過單井最大出水量時(shí)，造成該井不能連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而造成管網(wǎng)運(yùn)行波動(dòng)不穩(wěn);②揚(yáng)程增加造成連接管段的水壓力增大，容易造成破管;③管網(wǎng)總的出水量發(fā)生變化，造成供水與用水不匹配問題。因此進(jìn)行水力調(diào)節(jié)勢在必行。

根據(jù)3中的調(diào)節(jié)步驟，采用簡單的閘閥調(diào)節(jié)，使其接近于設(shè)計(jì)狀況。調(diào)節(jié)過程從略，計(jì)算結(jié)果見表2。從表2中可看出，采用閘閥調(diào)節(jié)各泵裝置的阻力系數(shù)，可使井群管網(wǎng)運(yùn)行與設(shè)計(jì)狀況相符。當(dāng)然這是一種理想化的管網(wǎng)調(diào)節(jié)，實(shí)際運(yùn)行不可能各泵同時(shí)調(diào)節(jié)，況且不可能都能調(diào)節(jié)到位。因此，對(duì)井群管網(wǎng)中泵的調(diào)節(jié)應(yīng)采用一種控制性調(diào)節(jié)方式，如自動(dòng)化控制或水力控制閥調(diào)節(jié)。

表2 井群管網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行調(diào)節(jié)變化表

自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)是利用遠(yuǎn)程控制設(shè)備，在中央控制室對(duì)井群中各井泵及管網(wǎng)實(shí)施的調(diào)節(jié)形式，它可以按照運(yùn)行要求對(duì)管網(wǎng)實(shí)施各種調(diào)節(jié)。水力控制閥調(diào)節(jié)是利用水力自控設(shè)備對(duì)井群中各井泵實(shí)施的調(diào)節(jié)形式，該調(diào)節(jié)局限性較大，一般在試運(yùn)行時(shí)一次調(diào)節(jié)到位，運(yùn)行時(shí)不再變動(dòng)。

5 結(jié)語

隨著規(guī)?；_采地下水工程的興起，出現(xiàn)了許多井群管網(wǎng)的輸水形式。在井群管網(wǎng)輸水的運(yùn)行過程中，幾乎都會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)不符的現(xiàn)象。有人認(rèn)為:當(dāng)3～4眼機(jī)井連網(wǎng)輸水時(shí)運(yùn)行偏差問題不明顯。因此建議井群管網(wǎng)設(shè)計(jì)僅限4眼機(jī)井連網(wǎng)輸水。鑒于井群管網(wǎng)輸水的這一限制，筆者通過對(duì)井群樹狀管網(wǎng)的運(yùn)行分析，得出井群樹狀管網(wǎng)輸水進(jìn)行水力調(diào)節(jié)是必須的環(huán)節(jié)。進(jìn)而再通過對(duì)管網(wǎng)調(diào)節(jié)示例的分析，認(rèn)為最適宜井群管網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式是自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)，它可實(shí)施各種工況調(diào)節(jié)，以滿足實(shí)際運(yùn)行管理的需要。

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