張紅武

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

跨流域多水源引調(diào)水工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

張紅武

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

引調(diào)水工程輸水系統(tǒng)是多目標(biāo)決策問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)可以把大系統(tǒng)劃分若干子系統(tǒng)，利用優(yōu)化控制理論和分析方法，分別對(duì)子系統(tǒng)優(yōu)化控制，再對(duì)整個(gè)大系統(tǒng)綜合分析，從而獲得較優(yōu)的方案。本文結(jié)合多水源調(diào)水的工程實(shí)例，從線路布置、輸水方式、泵站分級(jí)、調(diào)度控制等方面進(jìn)行優(yōu)化研究，得到了總體較優(yōu)的系統(tǒng)方案，研究結(jié)論可供工程設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

水網(wǎng)；輸水；泵站；樞紐

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源分布不均勻性與需水不均衡性日趨突出，跨流域調(diào)水工程越來(lái)越多。輸水系統(tǒng)方案直接影響工程投資、施工難度、工期、運(yùn)行管理。本文以山西大水網(wǎng)某骨干工程為實(shí)例，結(jié)合工程自身特點(diǎn)和運(yùn)行管理要求，針對(duì)工程設(shè)計(jì)中需要解決及系統(tǒng)運(yùn)行可能遇到的實(shí)際問(wèn)題，運(yùn)用優(yōu)化控制理論和分析方法，將輸水系統(tǒng)多目標(biāo)的大系統(tǒng)，劃分為 2個(gè)子系統(tǒng)，分別進(jìn)行優(yōu)化控制，以期得到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案，并為工程建成的運(yùn)行管理創(chuàng)造優(yōu)化控制的條件。

2 工程概況

“十二五”期間，為突破山西省水資源短缺的瓶頸，山西省啟動(dòng)“兩縱十橫、六河連通，縱貫?zāi)媳?、橫跨東西，多源互補(bǔ)、保障應(yīng)急，豐枯調(diào)劑、促進(jìn)發(fā)展”的大水網(wǎng)建設(shè)，它以縱貫山西省南北的黃河北干流和汾河兩條天然河道為主線，以十大骨干供水體系（十橫）為骨架，通過(guò)連通工程建設(shè)，將黃河、汾河、沁河、桑干河、滹沱河、漳河這六大河流及各河流上的大中型水庫(kù)相連通。

本文實(shí)例工程是“山西大水網(wǎng)”骨干工程之一，工程實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)水，補(bǔ)充受水區(qū)的工農(nóng)業(yè)用水，供水規(guī)模1.12億m3/年。取水水源四座，分別為水源1、2、3、4，并利用受水區(qū)的8座已建水庫(kù)作為末端調(diào)蓄水庫(kù)。工程輸水管（洞）線總長(zhǎng) 255km，其中壓力管線長(zhǎng)178km、隧洞長(zhǎng)75km（含3.0km洞穿管）。共布置3座泵站，設(shè)計(jì)揚(yáng)程分別為120、159、108（76）m，總裝機(jī)容量18MW，附屬建筑物包括流量調(diào)節(jié)閥室、檢修閥室、排氣閥井等，共計(jì)469座。

3 子系統(tǒng)劃分及優(yōu)化控制總目標(biāo)

運(yùn)用優(yōu)化控制理論和分析方法，結(jié)合工程自身特點(diǎn)，將輸水系統(tǒng)大系統(tǒng)劃分為輸水子系統(tǒng)及控制子系統(tǒng)。輸水子系統(tǒng)主要項(xiàng)目包括線路布置方案、取水口方案、輸水方式，控制子系統(tǒng)主要為加壓泵站、流量調(diào)節(jié)閥等。設(shè)計(jì)時(shí)分別對(duì)以上項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)化控制，再進(jìn)行綜合分析，以確定總體較優(yōu)的輸水系統(tǒng)方案。輸水系統(tǒng)優(yōu)化控制目標(biāo)為：

（1）滿足山西大水網(wǎng)規(guī)劃的規(guī)模、投資、工期等總體要求；

（2）實(shí)現(xiàn)多水源地的靈活調(diào)度，有機(jī)統(tǒng)一。

（3）確定合理輸水方式、線路布置方案及輸水建筑物設(shè)計(jì)，滿足系統(tǒng)運(yùn)行的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。

4 輸水子系統(tǒng)優(yōu)化控制

4.1 線路布置方案

工程任務(wù)是實(shí)現(xiàn)漳河與汾河兩個(gè)流域的連通，取水水源 1、2位于濁漳河，正常蓄水位分別為1025.2m、961.6m，水源 3、4位于清漳河，正常蓄水位分別為1142.5m、852.0m；用水區(qū)位于汾河流域，規(guī)劃布置了7座已建水庫(kù)作為末端調(diào)蓄庫(kù)，蓄水高程均在1000～750m。

從水源地的流域關(guān)系上看，水源 2與水源 1同屬濁漳流域，水源 2位于水源 1下游（東南向）約30km；水源 3、4同屬清漳流域，水源 4位于水源3下游（東南向）約 50km。從水源地、用水區(qū)的相對(duì)位置及地形高程上看，水源 1距用水區(qū)最近，蓄水高程剛好滿足自流輸水至用水區(qū)的要求，水源2則需設(shè)置泵站提水；水源3位于水源1的東北約50km，從其附近穿越清、濁漳河分水嶺段約 30km，可自流輸水；水源 4位于水源 1的東南，從其附近穿越清、濁漳河分水嶺段約50km，需設(shè)置泵站提水。

根據(jù)以上分析，輸水線路從清漳河至濁漳河、濁漳河至汾河流域均需穿越分水嶺，為工程關(guān)鍵區(qū)段，線路布置方案的優(yōu)化控制的總體最優(yōu)方案為：“水源4提水至水源3下游，匯水后穿越清、濁漳河分水嶺，四座水源在水源 1附近匯水后穿漳河、汾河分水嶺”，以山西大水網(wǎng)的規(guī)劃的規(guī)模、投資、工期等總體要求進(jìn)行優(yōu)化控制，滿足目標(biāo)方案見(jiàn)圖 1。

圖1 輸水系統(tǒng)線路布置示意圖

4.2 取水口方案

本工程有四座取水水源，水源 4為在建工程，其余 3座水源都是上世紀(jì)建成并運(yùn)行多年。取水口方案優(yōu)化控制考慮的主要因素，一是取水口水位和水質(zhì)要求；二是庫(kù)岸地形、地質(zhì)及輸水線路總體布置；三是現(xiàn)狀水庫(kù)管理單位的運(yùn)行情況；四是取水口的施工難度及施工期的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題；五是有條件時(shí)盡可能利用已有建筑物。

（1）水源1位于調(diào)水區(qū)的核心，既是調(diào)水水源，也是調(diào)水區(qū)的調(diào)蓄水庫(kù)，水源取水口布置在云竹水庫(kù)溢洪道右側(cè)啞口，為岸邊取水，取水口包括引水渠段、進(jìn)水池段、進(jìn)水塔及取水隧洞四部分組成，考慮供水及調(diào)蓄雙重功能，取水隧洞采用了單洞雙流道的設(shè)計(jì)。水源1取水口布置見(jiàn)圖2。

（2）水源 2位于供水區(qū)下游，需設(shè)置泵站，采用庫(kù)岸取水方式，取水口選址結(jié)合了地形、地質(zhì)及施工圍堰布置，布置于庫(kù)區(qū)右岸的一溝道內(nèi)（距壩址約 1km），取水口采用豎井式結(jié)構(gòu)，并將泵站與取水口結(jié)合布置，為適應(yīng)庫(kù)水位的變幅，泵組選型為立式長(zhǎng)軸泵（斜流）。

（3）水源 3位于主管線上游，可自流輸水，取水口選址壩前右岸，受地形、地質(zhì)條件限制，不具水的事故率低、末端調(diào)蓄庫(kù)規(guī)模及當(dāng)?shù)厮椿パa(bǔ)性等因素，綜合國(guó)內(nèi)同類工程經(jīng)驗(yàn)，確定采用單線輸水方式。備新建輸水隧洞條件，對(duì)原導(dǎo)流涵洞采用洞穿鋼管，進(jìn)水塔至導(dǎo)流涵洞進(jìn)口采用沉管方案。

（4）水源 4為新建工程，需設(shè)置泵站，泵站采用引水式，取水口直接利用該水源的發(fā)電洞取水建筑物，設(shè)計(jì)在電站壓力管道上增設(shè)岔管和控制閥，直接引水。

4.3 輸水方式

引調(diào)水工程的輸水方式主要有無(wú)壓重力輸水、有壓重力輸水、泵流等，輸水建筑物主要有明渠、管道及隧洞等。明渠輸水過(guò)流能力強(qiáng)，投資較低、施工簡(jiǎn)單，但受地形影響較大、占地大、水量蒸發(fā)滲漏損失較大、沿途污染難以控制、日常運(yùn)行管理較為困難；管道輸水供水保證率高、損失水量少、施工方便、運(yùn)行維護(hù)方便、防污染性強(qiáng)，但工程造價(jià)較高。隧洞輸水是長(zhǎng)距離引調(diào)水工程在穿山過(guò)嶺地段的主要型式，其優(yōu)點(diǎn)是供水保證率高、損失水量少、防污染性強(qiáng)，但施工難度大、工期長(zhǎng)，造價(jià)高。

《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013）規(guī)定：“輸水干管不宜少于 2條，當(dāng)有安全貯水水池或其他安全供水設(shè)施時(shí)，也可修建一條”，規(guī)范還規(guī)定：“城鎮(zhèn)的事故水量為設(shè)計(jì)水量的 70%”。充分分析本工程取水多水源的互為備用、高性能管材及長(zhǎng)隧洞輸

圖2 水源 1取水口布置圖

優(yōu)化控制后輸水方式：①過(guò)分水嶺的長(zhǎng)隧洞段采用無(wú)壓隧洞明流輸水，減少水頭損失和隧洞投資；②主管線段采用壓力管道重力流輸水；③泵站進(jìn)、出水池間采用壓力管道泵流輸水；④為減少輸水流態(tài)的頻繁變化，明流隧洞的連接段采用明渠（管）輸水，有壓管道間的長(zhǎng)度較短隧洞采用洞穿壓力管道輸水。

5 控制子系統(tǒng)

本工程的控制子系統(tǒng)項(xiàng)目主要有：加壓泵站、流量調(diào)節(jié)閥室、檢修閥井、排（進(jìn)）氣等，核心是加壓泵站及流量調(diào)節(jié)閥。

5.1 加壓泵站

加壓泵站優(yōu)化控制主要內(nèi)容，一是泵站級(jí)數(shù)、各級(jí)間揚(yáng)程分配、泵站內(nèi)泵型、泵組臺(tái)數(shù)（容量），二是泵站與輸水子系統(tǒng)連接方式。

泵站級(jí)數(shù)太多調(diào)度運(yùn)行復(fù)雜、管理不便，級(jí)數(shù)太少單級(jí)泵站楊程過(guò)高，會(huì)帶來(lái)泵組選型困難和管線運(yùn)行壓力高、安全性差等問(wèn)題。本工程主管材為PCCP，結(jié)合同類工程經(jīng)驗(yàn)及管道制作工藝，以工作壓力不超過(guò)1.5MPa，瞬時(shí)壓力不超過(guò)2.0MPa控制，結(jié)合輸水系統(tǒng)壓坡線的水壓要求，確定水源2支線采用1級(jí)加壓方案，水源 4支線采用 2級(jí)梯級(jí)加壓方案。泵組選型選用已有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的定型泵型，并做到一、二級(jí)泵站間的流量匹配、高效運(yùn)行等因素。為適應(yīng)工程訊期與非訊期的不同取水流量的高效經(jīng)濟(jì)，3座泵站均設(shè)置了兩臺(tái)變頻電機(jī)，泵站 3還采用了大小泵組合的配置方案。優(yōu)化控制后的泵站級(jí)數(shù)及泵組參數(shù)如表1。

泵站與輸水系統(tǒng)連接方式有直抽增壓、泵站設(shè)前池、泵站設(shè)前池和出水池三種。設(shè)置前池可使加壓泵站的運(yùn)行更穩(wěn)定，前池設(shè)計(jì)一要有足夠容積，保證一定的換水系數(shù)，二是盡可能采用較大的池面積，以減少水位波動(dòng)，增強(qiáng)泵組的運(yùn)行穩(wěn)定性。設(shè)置高位出水池，在泵站選址時(shí)就應(yīng)考慮修建出水池的地形、地質(zhì)條件，其作用是減少系統(tǒng)的泵流段長(zhǎng)度，泵流不僅有流速的變化，而且有流動(dòng)方向變化（停泵水錘、水柱拉斷—再?gòu)浐纤N），輸水系統(tǒng)優(yōu)先采用重力流輸水，也即重力流輸水一般不會(huì)發(fā)生倒流，通過(guò)控制流量變化率和關(guān)（開(kāi)）閥時(shí)間、設(shè)置空氣閥即可避免水錘或限制在允許范圍內(nèi)。美國(guó)和日本多將泵流段管道長(zhǎng)度是否大于 20倍揚(yáng)程作為衡量水錘嚴(yán)重程度的重要指標(biāo)之一，本工程 3座泵站均設(shè)置了高位出水池，水力過(guò)渡分析的結(jié)果“通過(guò)優(yōu)化泵出口蝶閥關(guān)閉工況，即可滿足規(guī)劃要求的管道壓力升高率和允許的機(jī)組的倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速”，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是合理的。

表1 泵站級(jí)數(shù)及泵組參數(shù)表

5.2 流量調(diào)節(jié)閥

根據(jù)輸水系統(tǒng)布置，工程共布置了 13座調(diào)節(jié)閥，而多水源系統(tǒng)的調(diào)度核心為水源 1附近的流量調(diào)節(jié)閥（調(diào)水樞紐），位置如圖 1。水源1既是調(diào)水水源，也是調(diào)水區(qū)的調(diào)蓄水庫(kù)，調(diào)水樞紐一要實(shí)現(xiàn)4座調(diào)水水源的匯水、平壓，二要滿足所有調(diào)水水源直接供水及調(diào)蓄的雙重功能，并做到總調(diào)水規(guī)模的靈活、準(zhǔn)確調(diào)控制。設(shè)計(jì)優(yōu)化控制以滿足不同工況的調(diào)水流量為前提，從調(diào)節(jié)閥選型、廠房及設(shè)備布置、連接箱涵等方面綜合進(jìn)行優(yōu)化。

調(diào)節(jié)閥一方面調(diào)節(jié)流量，另一方面要消減閥前多余水頭，保證輸水水壓要求，調(diào)節(jié)閥選型須做到經(jīng)濟(jì)實(shí)用，對(duì)調(diào)流調(diào)壓幅度大的支線選用價(jià)格較貴的活塞式調(diào)節(jié)閥，調(diào)壓幅度小的支線選用半球閥。

調(diào)節(jié)閥選型廠房及設(shè)備布置優(yōu)化內(nèi)容：①將調(diào)水樞紐廠房由L形優(yōu)化為”一”字形，大大減少了土建投資，且減少了一套起重設(shè)備；②通過(guò)入庫(kù)調(diào)蓄與直接供水的互為備用，相應(yīng)減少了2套調(diào)節(jié)閥、2套半球閥，即滿足了規(guī)范要求，又大大節(jié)省了設(shè)備投資；③出水池布置時(shí)巧妙利用安裝間下的地下部分做為水流通道，很好地解決了管道轉(zhuǎn)彎的問(wèn)題，避免管道交叉。優(yōu)化后功能及可靠性不變，建筑物、設(shè)備布置更為合理，大大減少了土建及設(shè)備工程量，相應(yīng)節(jié)省工程投資300余萬(wàn)元。目前該樞紐已建成，優(yōu)化前后的布置見(jiàn)圖 3、圖4 。

圖3 優(yōu)化前的調(diào)水樞紐布置圖

圖4 優(yōu)化后的調(diào)水樞紐布置圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本次優(yōu)化控制的主要成果包括：

（1）線路布置方案的優(yōu)化控制很好地解決了多水源跨越兩座分水嶺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了總線路最短，投資最省，且為 4座水源的聯(lián)合調(diào)度創(chuàng)造了條件。

（2）四座水源條件不同，優(yōu)化控制從多方面綜合分析，確定了較優(yōu)的取水口方案，水源1取水口的單洞雙流道方案是洞穿雙管技術(shù)的首次應(yīng)用。

（3）優(yōu)化控制后將無(wú)壓隧洞明流輸水、壓力管道重力流（含洞穿管）、泵流輸水等輸水方式很好的應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)減少水頭損失、節(jié)省工程投資、運(yùn)行安全創(chuàng)造了條件。

（4）泵站控制中的泵站分級(jí)原則、泵組選型采用大小泵組合方案、定速和變頻（變速）相結(jié)合的運(yùn)行方式使系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行更方便、更經(jīng)濟(jì)；泵站與輸水系統(tǒng)連接采用設(shè)前池和高位出水池方式，泵流段長(zhǎng)度均縮短到 1km以內(nèi)，水錘問(wèn)題迎刃而解。

（5）調(diào)水樞紐的全面優(yōu)化取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，其“入庫(kù)調(diào)蓄與直接供水閥組互為備用”及“出水池流道的巧妙布置”是優(yōu)化的核心與亮點(diǎn)。

通過(guò)輸水子系統(tǒng)與控制子系統(tǒng)的優(yōu)化控制得到總體最優(yōu)的輸水大系統(tǒng)方案，其方法和主要結(jié)論可為類似工程提供借鑒。

［1］孟晉忠.泵站與輸水系統(tǒng)非調(diào)節(jié)工況特性與控制［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（01）：85-89.

［2］蔣慰孫、俞金壽.過(guò)程控制工程［M］.北京：中國(guó)石化出版社，1999.

［3］楊建璽、徐莉萍等.控制工程基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

TV68

B

1672-2469（2015）08-0061-05

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.020

張紅武（1971年—），男，高級(jí)工程師。