石建杰，楊 卓(.北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 北京00048 .北京市水文總站 北京00089 )

南水北調(diào)北京段工程起自北拒馬河暗渠，終點(diǎn)團(tuán)城湖，全長(zhǎng)約80 km，具有管線長(zhǎng)、管徑大、流量大、重要程度高等特點(diǎn)，是維系著城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的命脈，一旦發(fā)生突發(fā)事故不能正常工作，需迅速排空相應(yīng)輸水管涵內(nèi)的積水，進(jìn)行應(yīng)急處置，排空速度和排空效果對(duì)減少事故損失、降低影響范圍有著舉足輕重的意義；同時(shí)，工程應(yīng)急排空還應(yīng)充分考慮在可能的情況下充分利用南水北調(diào)珍貴水源，減少棄水，避免浪費(fèi)。因此對(duì)現(xiàn)狀應(yīng)急排水系統(tǒng)運(yùn)行方案進(jìn)行優(yōu)化研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

1 南水北調(diào)北京段干線工程應(yīng)急排水系統(tǒng)概況

南水北調(diào)北京段干線工程排水設(shè)計(jì)工況為單側(cè)管涵分段應(yīng)急搶修工況，即當(dāng)南水北調(diào)干線工程單側(cè)管涵發(fā)生事故時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)閘閥設(shè)施，在保證一側(cè)管涵正常通水的條件下，抽排事故段管涵積水。

圖1 南水北調(diào)北京段干線工程布置簡(jiǎn)圖Fig.1 The diagram of mainline project in Beijing section of the South-to-North Water Diversion

北京段因大寧調(diào)壓池而分為兩端，上段為惠南莊泵站～大寧調(diào)壓池段，下段為大寧調(diào)壓池～團(tuán)城湖明渠段。上段為雙排、管徑4 m的PCCP管道，全長(zhǎng)約56.4 km，占北京段總干渠長(zhǎng)度的70%，沿線設(shè)分水口5處、連通閥井3處、排氣閥井102處、排水井19處、末端閥井1座，3處連通閥井將雙線管道分為單線4段、雙線共8段。按照有關(guān)規(guī)范要求，PCCP管道工程按單線一段管道應(yīng)急排水為條件設(shè)計(jì)排水設(shè)施，并以全線檢修排水量最大段為不利情況選取排水設(shè)備。工程排空主要由排空井自流、強(qiáng)排兩部分組成，先進(jìn)行自流排空，自流完成后架設(shè)排水泵進(jìn)行強(qiáng)排，排水設(shè)備主要有長(zhǎng)軸深井泵6臺(tái)、便攜式潛水電泵6臺(tái)。

大寧調(diào)壓池～團(tuán)城湖明渠段由永定河倒虹吸、盧溝橋暗涵以及西四環(huán)暗涵等段組成，盧溝橋暗涵為雙孔內(nèi)徑3.8 m×3.8 m方涵；西四環(huán)暗涵工程為雙孔直徑4 m輸水涵洞，由于中間無(wú)節(jié)制設(shè)施，本段工程在應(yīng)急檢修排水時(shí)需排空全線單側(cè)管涵，排水設(shè)備按單側(cè)全線管涵積水量為設(shè)計(jì)排水量。本段排水設(shè)備主要有長(zhǎng)軸深井泵5臺(tái)，拖車(chē)式排水泵2臺(tái)[1]。

2 排水系統(tǒng)運(yùn)行方案優(yōu)化研究

2.1 優(yōu)化研究的必要性

2009年12月，根據(jù)運(yùn)行管理要求，對(duì)干線北京段進(jìn)行了一次全線排水。最終結(jié)果證明，原設(shè)計(jì)應(yīng)急排水方案可滿(mǎn)足工程檢修的需要，各排水點(diǎn)均發(fā)揮了應(yīng)有的作用，但也存在個(gè)別排水點(diǎn)因溝渠被侵占等變化而致使排水受限，以及在全線全排空等非設(shè)計(jì)工況下排水時(shí)間稍長(zhǎng)等問(wèn)題，并存在大量棄水現(xiàn)象，而且北京段在國(guó)內(nèi)外首次采用了大規(guī)模地雙排、管徑超大、溝槽最深的PCCP管道，在城市快速路下建成的長(zhǎng)距離、大口徑輸水隧洞也屬罕見(jiàn)，缺乏能夠直接借鑒的排水檢修運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。加之地形變化大，運(yùn)行水力條件復(fù)雜，難以預(yù)測(cè)和檢驗(yàn)排水后管道內(nèi)部情況和排水質(zhì)量。因此通過(guò)數(shù)值模擬方法來(lái)模擬在現(xiàn)狀排水設(shè)施和排水設(shè)備的情況下全線應(yīng)急排水系統(tǒng)工作狀況，并據(jù)此研究?jī)?yōu)化運(yùn)行措施和設(shè)備調(diào)度方案，以提高排水速率、減少排水時(shí)間、節(jié)約寶貴水資源，為應(yīng)急搶修指揮等工作提供決策支持。

2.2 技術(shù)路線

主要建立北京段干線工程管涵內(nèi)排水水流的數(shù)字模型，并構(gòu)建可視化的建模平臺(tái)和結(jié)果展示平臺(tái)，可提供各個(gè)排水點(diǎn)排水量的輸出、各段排水動(dòng)畫(huà)、制定斷面水位、流量等水力參數(shù)的變化過(guò)程以及積水情況的定量展示，通過(guò)該平臺(tái)對(duì)南水北調(diào)的數(shù)字模型進(jìn)行調(diào)整形成不同的方案，為決策提供條件。

排水模型的生成主要有計(jì)算模型開(kāi)發(fā)和應(yīng)用、數(shù)字管道搭建方案集成兩部分工作組成。將工程CAD圖作為源數(shù)據(jù)，一些說(shuō)明文件作為輔助數(shù)據(jù)，通過(guò)多個(gè)流程的處理，生成可以計(jì)算的基本管道。

計(jì)算模型采用管道中非恒定流動(dòng)的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量方程，其一維二維形式也被稱(chēng)為圣維南方程。該方程可表示為如下形式：

(1)

式中：x是管道流動(dòng)的方向；t是時(shí)間；A是橫斷面的面積；Q是流量；H是水頭(水深加上壓力)；Sf是摩阻系數(shù)(單位長(zhǎng)度上的水頭損失)；hL是沿程能量損失；g是重力加速度。

方程的摩阻項(xiàng)Sf和hL可以表示成如下的形式：

式中：n是曼寧系數(shù)；V是管道的平均速度；R是管道斷面的水力半徑；k是修正系數(shù)，一般取1；K是局部水頭損失系數(shù)；L是管道的長(zhǎng)度。

當(dāng)考慮單個(gè)管道時(shí)，只需給出首末斷面的邊界條件和管道的初始狀態(tài)就能求解。而對(duì)于要分析的管網(wǎng)，需要考慮連接各個(gè)管道節(jié)點(diǎn)的水流運(yùn)動(dòng)模型。本模型假定節(jié)點(diǎn)存在漸變的水面線，水體在節(jié)點(diǎn)處水量平衡。

(2)

式中：Astore是節(jié)點(diǎn)處的水面面積；∑As是管道連接節(jié)點(diǎn)處貢獻(xiàn)的水面面積。

有的節(jié)點(diǎn)不具備蓄水能力，那么Astore=0[2-5]。

2.3 不同工況排水方案優(yōu)化研究

南水北調(diào)北京段排水?dāng)?shù)字模擬模型的計(jì)算結(jié)果應(yīng)明確分段排水及全線排水的主體排水量、排水時(shí)間和局部剩余水體的情況。本文主要對(duì)事故檢修設(shè)計(jì)工況和全線排空檢修工況進(jìn)行模擬。均采用先自流后強(qiáng)排方式，當(dāng)水位達(dá)到強(qiáng)排水位時(shí)，立即利用水泵進(jìn)行強(qiáng)排，且下文提到的強(qiáng)排時(shí)間均不包含安裝、開(kāi)啟水泵所需要的時(shí)間。

2.3.1事故檢修設(shè)計(jì)工況

設(shè)計(jì)工況以1、2、3號(hào)連通井為分段點(diǎn)，將PCCP工程分為4段，加上永定河倒虹吸至西四環(huán)暗涵段共計(jì)5段。

惠南莊泵站停泵后起始處的水位為58 m，其他各段的水位按照管道的摩阻坡降降低。停泵后，采取先自流后強(qiáng)排的措施，其中自流和強(qiáng)排的轉(zhuǎn)換采用水位控制的方式，不同排水點(diǎn)取不同的自流出流系數(shù)和泵型。大寧之后的排水段，僅通過(guò)水泵進(jìn)行強(qiáng)排。

分別對(duì)以上5段管道單側(cè)排水情況進(jìn)行模擬計(jì)算，以2號(hào)至3號(hào)連通井PCCP管段為例，計(jì)算結(jié)果如下，該段從樁號(hào)HD20+948至樁號(hào)HD40+155，全長(zhǎng)約20 km，單管水量約24萬(wàn)m3。該段所包含8～15號(hào)共8個(gè)排水點(diǎn)，除14、15號(hào)使用1 600 m3/h的強(qiáng)排泵外，其余均用800 m3/h的強(qiáng)排泵。

由模擬看出，每個(gè)排水點(diǎn)的強(qiáng)排曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)，證明各排水點(diǎn)在各自負(fù)擔(dān)的排水段中均能夠排除積水。排空閥井12、14號(hào)具有比較大的自流能力。排空閥井9、11號(hào)的排水工作時(shí)間較短，排水任務(wù)較小。

如圖3所示，36 h之后，管內(nèi)水深不再發(fā)生變化，排水任務(wù)基本結(jié)束，出現(xiàn)四處積水。其中HD27111～HD27839之間積水較為嚴(yán)重，是由于受條件限制12號(hào)排空閥井未設(shè)置在低洼處，后段積水是由于靠近處于關(guān)閉的3號(hào)連通井，水體無(wú)法排出。

設(shè)計(jì)工況下全線5段管涵各排水點(diǎn)排水量、排水時(shí)間計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況自流強(qiáng)排流量統(tǒng)計(jì)Tab.1 The free-flow statistics of design conditions

續(xù)表1 設(shè)計(jì)工況自流強(qiáng)排流量統(tǒng)計(jì)

從模擬結(jié)果中可明顯看出，全線總體排水能力能滿(mǎn)足工程事故搶修的需要，但因地面條件受限等原因而導(dǎo)致管道敷設(shè)局部低洼點(diǎn)較多，排水口無(wú)法顧及全部低洼處，因此全線有23處積水點(diǎn)，積水情況如表2所示。

表2 各段的局部積水量Tab.2 The local water of each segment

2.3.2設(shè)計(jì)工況優(yōu)化研究

(1)推薦排水點(diǎn)。在工程分段排水的工況下，根據(jù)設(shè)計(jì)工況計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)狀排水點(diǎn)受限條件，并結(jié)合現(xiàn)有排水設(shè)備情況，選定重要排水點(diǎn)作為實(shí)際排水的推薦方案，在應(yīng)急排水檢修情況下，可優(yōu)先啟用此類(lèi)排水點(diǎn)進(jìn)行排水。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)數(shù)可得出各排水點(diǎn)任務(wù)量，結(jié)合能否自流以及現(xiàn)狀地面受限情況推薦各段優(yōu)先排水點(diǎn)如下，1號(hào)聯(lián)通井前：1號(hào)排空井；1號(hào)聯(lián)通井-2號(hào)聯(lián)通井管段：2、4、6、7號(hào)排空井；2號(hào)聯(lián)通井-3號(hào)聯(lián)通井管段：8、9、13、14、15號(hào)排空井；3號(hào)聯(lián)通井-大寧調(diào)壓池管段：16、17、19號(hào)排空井；永定河倒虹吸工程-西四環(huán)暗涵段：倒虹吸1號(hào)排氣閥井、盧溝橋暗涵2號(hào)排空井、西四環(huán)暗涵調(diào)壓塔、14號(hào)通氣孔、暗涵漸變方涵、三廠分水口。以PCCP管道左縱為例，各段排水模擬結(jié)果如下。

圖4 PCCP管道排水情況(16 47 h)Fig.4 PCCP drainage pipes(16 47 h)

本方案相對(duì)于設(shè)計(jì)工況，減小了若干排水點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析， 1號(hào)連通井前以及倒虹吸至西四環(huán)段積水百分比大致相同，其余3個(gè)管段積水均有所增加，增量最大的1號(hào)連通井-2號(hào)連通井，積水量由設(shè)計(jì)工況4.35%增至優(yōu)化工況6.45%，由此可見(jiàn)，這種選取建議排水點(diǎn)的方案是有效的。

根據(jù)前面的分析，按照排水點(diǎn)排水范圍和負(fù)擔(dān)任務(wù)，排水點(diǎn)可分為重要和次級(jí)重要兩個(gè)部分。重要的排水點(diǎn)包括：1、2、8、9、17、18、19號(hào)排空閥井、2號(hào)排空井、調(diào)壓塔、14號(hào)通氣孔、漸變方涵、水源三廠等排水點(diǎn)。其余為次級(jí)排水點(diǎn)。排水過(guò)程中需要首先保證重要排水點(diǎn)的排水能力。

表3 事故檢修優(yōu)化工況積水量Tab.3 The water quantity of accident overhaul optimize conditions

(2)排空井閥門(mén)開(kāi)度控制。實(shí)際運(yùn)行中，如果排水管流量太大會(huì)產(chǎn)生諸多不利的影響。因此一般出口流量不應(yīng)超過(guò)2 m3/s。但為節(jié)約排水時(shí)間，當(dāng)流量不超過(guò)2 m3/s時(shí)，應(yīng)盡可能加大閥門(mén)開(kāi)度。因此通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算出各閥門(mén)允許流量時(shí)的開(kāi)度和全開(kāi)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。

計(jì)算可知，自流狀態(tài)1、7、19號(hào)排空閥井排水流量超過(guò)2 m3/s，如獲得3個(gè)閥門(mén)限制開(kāi)度和全開(kāi)時(shí)間，需要進(jìn)行兩組迭代。第一組，通過(guò)閥門(mén)開(kāi)度步進(jìn)，從全開(kāi)一直到限制開(kāi)度；第二組，通過(guò)自流流量變化點(diǎn)向后步進(jìn)，得到理想的全開(kāi)時(shí)間。以0.05個(gè)開(kāi)度為步進(jìn)單位，得到各閥門(mén)限制開(kāi)度，以30 min為步進(jìn)步長(zhǎng)，求得各閥門(mén)全開(kāi)且出口流量小于2 m3/s的時(shí)間，結(jié)果如表4所示[6]。

表4 各排水點(diǎn)閥門(mén)限制開(kāi)度及全開(kāi)時(shí)間Tab.4 The valve opening degree and full time limit for each drain points

2.3.3全線排空檢修

全線排空檢修工況在輸水管涵投入使用后較少用到，為非設(shè)計(jì)工況，全線排空時(shí)既要考慮盡量降低排空時(shí)間，又要節(jié)約水資源盡量先通過(guò)末端自流進(jìn)受水池-團(tuán)城湖。因此通過(guò)計(jì)算重點(diǎn)分析全線局部積水和各排水點(diǎn)工作情況，據(jù)此對(duì)排水泵優(yōu)化配置及末端閘門(mén)開(kāi)度控制進(jìn)行研究。

(1)末端出口閘開(kāi)度控制研究。為節(jié)省水資源，減少?gòu)?qiáng)排水量，在關(guān)閉惠南莊泵站后，先由團(tuán)城湖明渠自流全線積水，然后監(jiān)測(cè)某個(gè)排水點(diǎn)附近的水位。當(dāng)排水點(diǎn)附近的水位不再變化(變化很緩慢)時(shí)，各排水點(diǎn)開(kāi)始各自的自流和強(qiáng)排。

由圖5可以看出，末端自流排水主要集中在20 h內(nèi)，17 h以后自流流量降至2 m3/s，20 h以后自流流量為1.22 m3/s，31 h以后自流流量降至0.3 m3/s，總排水量為596 776.625 m3。

圖5 團(tuán)城湖出口處自流曲線Fig.5 The free-flow curves of Tuancheng Lake outlet

由圖5末端閘全開(kāi)時(shí)的流量過(guò)程線可知閘門(mén)初始出流流量很大，容易在上段管涵產(chǎn)生較大負(fù)壓，危害管涵及其附屬設(shè)備安全，因此需對(duì)閘門(mén)開(kāi)度進(jìn)行限制，保證其過(guò)流流量不超過(guò)4 m3/s。在對(duì)單管限制流量為4 m3/s情況下，43 h后，其流量小于2 m3/s(單管1 m3/s)。

(2)各排水點(diǎn)工作情況以及排水泵優(yōu)化配置。在現(xiàn)有排水設(shè)備的條件下，為降低全線排水時(shí)間、減少工作成本和提高調(diào)度效率，一方面盡可能延長(zhǎng)排水點(diǎn)的自流時(shí)間，另一方面協(xié)調(diào)各排水點(diǎn)的用泵時(shí)間。通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算分析，PCCP管道的1、2、8、16、19號(hào)排空閥井以及倒虹吸～西四環(huán)暗涵段的2號(hào)排空井、調(diào)壓塔、水源三廠排水任務(wù)較重，應(yīng)優(yōu)先保證強(qiáng)排用泵需求，其他排水點(diǎn)可根據(jù)積水水位下降情況采用輪轉(zhuǎn)用泵的方式。PCCP管道的1、2、7、14、15、19號(hào)排空閥井具有較強(qiáng)的自流能力，應(yīng)通過(guò)進(jìn)一步加大自流時(shí)間的方法降低排水時(shí)間。3、4、5、9、10、11、12和13號(hào)排空閥井具有一定的自流能力，但排水任務(wù)相對(duì)較小，可以延長(zhǎng)自流時(shí)間減少排水總時(shí)間。

圖6 48 h后全線管道排水水頭分布圖Fig.6 The distribution diagram of head for the drainage pipe line after 48 h

從表5可以看出，全線排水的局部積水明顯小于事故檢修設(shè)計(jì)工況，說(shuō)明連通井的開(kāi)啟對(duì)其前后管段低洼處積水的排除有十分重要的作用。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)構(gòu)建排水模型和結(jié)果展示平臺(tái)，直觀顯示了各排水點(diǎn)的排水量、斷面水位、流量等水力參數(shù)的變化過(guò)程，通過(guò)計(jì)算分析確定各排水點(diǎn)重要程度和優(yōu)先級(jí)別，并對(duì)出口閘門(mén)自流流量和開(kāi)度控制等問(wèn)題進(jìn)行研究，據(jù)此對(duì)排水系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化，為工程管理決策提供了科學(xué)依據(jù)。在運(yùn)行管理中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際排水工況對(duì)干線各排水點(diǎn)排水過(guò)程進(jìn)行記錄，詳細(xì)記錄流量曲線、排水量曲線等過(guò)程數(shù)據(jù)，并據(jù)此率定模型參數(shù)，使排水模型能更準(zhǔn)確反映排水點(diǎn)工作情況，更好地指導(dǎo)運(yùn)行管理。

表5 全線排空局部積水量Tab.5 The water quantity of local water volume drained

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