陳 靜

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130012)

水是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生命存續(xù)的必需資源，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類進(jìn)步不可或缺的物質(zhì)條件。我國水資源分布不僅呈現(xiàn)出南北差距大、季節(jié)性明顯等特征，在地區(qū)內(nèi)部也表現(xiàn)出水資源的不平衡性，這種水資源分布不均，將制約缺水地區(qū)的生產(chǎn)、生活[1]。為了解決缺水地區(qū)的用水需求問題，實(shí)踐中進(jìn)行了大量的探索與實(shí)踐，其中大規(guī)模、長距離梯級泵站的輸水效果較好，成為廣泛采用的水資源優(yōu)化配置的重要方式[2];但是，長距離梯級泵站輸水工程投資費(fèi)用較大，運(yùn)行管理費(fèi)用較高，如何減少綜合投資費(fèi)用，提高長距離梯級泵站輸水效益，成為探討、研究的重要課題[3]。對于長距離梯級泵站輸水工程，泵站的分級數(shù)量及站點(diǎn)選址將直接決定輸水工程的造價(jià)投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，故合理確定梯級泵站分級數(shù)量及泵站站點(diǎn)位置成為實(shí)踐中的首要問題[4]。本文對長距離輸水工程中梯級泵站站點(diǎn)選址進(jìn)行優(yōu)化分析，以期節(jié)約投資費(fèi)用，為長距離梯級泵站輸水工程提供實(shí)踐參考。

1 泵站選址的一般規(guī)定

泵站站點(diǎn)選址不僅影響輸水工程的投資造價(jià)，還影響后期的維護(hù)管理及效益發(fā)揮?？茖W(xué)合理確定泵站(包括進(jìn)水池、泵房及出水池等)位置，一般需滿足以下規(guī)定[5]：

(1)泵站選址應(yīng)考慮泵站規(guī)模、供水量等因素。

(2)泵站選址應(yīng)考慮地形、地質(zhì)、水源狀況、水質(zhì)特點(diǎn)及泥沙情況等。

(3)泵站選址應(yīng)選擇在便于施工、工程布置的地點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)盡量排除自然災(zāi)害潛在威脅。

(4)泵站選址地點(diǎn)地基應(yīng)選擇巖土較堅(jiān)實(shí)、抗?jié)B性較好天然地基，避免在地質(zhì)不良地段選址。如果選址地點(diǎn)地質(zhì)不良，應(yīng)制定地基處理方案，并采取加固措施。

(5)泵站選址應(yīng)考慮電源來源、輸變電工程造價(jià)，盡可能減少輸電費(fèi)用。

(6)泵站選址應(yīng)考慮交通方便性，以便于材料設(shè)備運(yùn)輸、人員往來及運(yùn)行管理。

(7)泵站選址還應(yīng)考慮生活便利性，在條件允許下盡可能使靠近村鎮(zhèn)或居民點(diǎn)，以便給予工人工作、生活的便利。

2 基于費(fèi)用現(xiàn)值法的泵站選址模型

2.1 模型建立

基于費(fèi)用現(xiàn)值法，可將長距離梯級泵站輸水工程的費(fèi)用分為4個(gè)部分，即輸水管道費(fèi)用現(xiàn)值(CpNPV)、年運(yùn)行電費(fèi)現(xiàn)值(CeNPV)、管道維修費(fèi)用現(xiàn)值(CmNPV)及泵站廠區(qū)費(fèi)用現(xiàn)值(B)[6]。

設(shè)某一長距離輸水工程由n級泵站組成，以輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值最小為目標(biāo)，則可建立泵站選址最優(yōu)方案目標(biāo)函數(shù)：

minEmin(E1、E2…Ei…En)

(1)

Ei=+Wi+Bi

(2)

Wi=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(3)

式中，E—輸水工程的費(fèi)用現(xiàn)值，元；i—第i級泵站；W—管道綜合投資費(fèi)用現(xiàn)值(CpNPV)、計(jì)算期內(nèi)管道維修費(fèi)用現(xiàn)值(CmNPV)及年運(yùn)行電費(fèi)現(xiàn)值(CeNPV)之和，元；B—泵站廠區(qū)總費(fèi)用現(xiàn)值。

由于建站位置、占地補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)、土建費(fèi)用、建筑工程及機(jī)電設(shè)備費(fèi)用不同，甚至差距較大，考慮起來較復(fù)雜，泵站廠區(qū)費(fèi)用較難確定；因此，只考慮CpNPV、CmNPV和CeNPV，即長距離輸水工程中梯級泵站選址的數(shù)學(xué)模型為：

min(W)=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(4)

2.2 約束條件

2.2.1 水量約束

2.2.2 揚(yáng)程約束

長距離梯級泵站輸水工程中，各級泵站靜揚(yáng)程之和等于輸水工程總靜揚(yáng)程。

2.3 參數(shù)確定

2.3.1 管道投資

在地質(zhì)參數(shù)、輸水流量、管道布置、管材管徑及泵站靜揚(yáng)程等一定條件下，以管道投資費(fèi)用最小為目標(biāo)，建立目標(biāo)函數(shù)為[7]：

(5)

式中，F(xiàn)g—管道投資費(fèi)用，元；n—不同壁厚管段數(shù)；i—第i段管道；Fgc—材料及安裝費(fèi)，元；Fgf—管溝開挖及回填費(fèi)，元。

2.3.2 年運(yùn)行電費(fèi)

采用電度電費(fèi)、基本電費(fèi)的兩部制電價(jià)方案進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

(6)

式中，C—泵站年運(yùn)行電費(fèi)，元；T—泵站年運(yùn)行時(shí)間，h；S1—電度電價(jià)，元/(kW·h)；w—泵站變壓器總?cè)萘?，kVA；S2—基本電價(jià)，元/(kVA·月)。

通常，輸水工程根據(jù)不同運(yùn)行期及運(yùn)行方案，需考慮電費(fèi)分?jǐn)偧熬C合電價(jià)，則年運(yùn)行電費(fèi)的計(jì)算公式為：

(7)

式中，n—工程運(yùn)行計(jì)算年；t—工程運(yùn)行年份；H—水泵工作揚(yáng)程，m；η—水泵機(jī)組效率；T—工程年運(yùn)行時(shí)間，h；St—第t年綜合電價(jià)，元/(kW·h)；i—折現(xiàn)率。

2.3.3 管道年維修費(fèi)

輸水管道在使用過程中，需進(jìn)行適時(shí)維修。通常管道年維修費(fèi)按管道綜合投資的固定比例(1%～2.5%)計(jì)算，因此各年管道維修費(fèi)用相等，其計(jì)算年限內(nèi)管道年維修費(fèi)現(xiàn)值之和計(jì)算公式為：

(8)

式中，Cm—管道年維修費(fèi)用，萬元；n—計(jì)算年限，一般取20a。

2.3.4 水泵流量揚(yáng)程

3 算例與分析

3.1 工程概況

3.1.1 工程概述

某長距離梯級泵站輸水工程呈條帶狀布置，輸水管線(雙線布置)基本沿公路旁側(cè)布置，總長度約達(dá)29km，總靜揚(yáng)程477.34m。輸水規(guī)模為4.0萬m3/d(工業(yè)用水為3.0萬m3/d，居民生活用水1.0萬m3/d)，按照10%計(jì)算輸水損失及水廠自用，則輸水規(guī)模為4.4萬m3/d，年輸水總流量1606萬m3。

3.1.2 費(fèi)用計(jì)算

根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際，輸水工程用電的電度電價(jià)為0.47元/(kW·h)，基本電價(jià)為24元/(kW·月)(按變壓器容量計(jì)算)和31元/(kW·月)(按最大需量計(jì)算)。輸水工程管材及安裝運(yùn)輸費(fèi)、管道管溝開挖費(fèi)、管溝機(jī)械回填和人工回填費(fèi)、管道管壁防腐費(fèi)分別為5200元/t、19.5元/m3、7.7元/m3、28.8元/m3、70.5元/m2。

此外，為了便于計(jì)算，文章選擇管徑DN600、管壁8.0mm的剛道進(jìn)行計(jì)算分析，管道年維修費(fèi)按管道投資現(xiàn)值的1%計(jì)，則該輸水工程各項(xiàng)費(fèi)用見表1。

表1 輸水工程各項(xiàng)費(fèi)用 單位：萬元

3.1.3 泵站位置初設(shè)

根據(jù)該輸水工程地形情況及泵站選址的一般規(guī)定，可設(shè)選址地點(diǎn)有9處，具體見表2。

表2 泵站選址位置

3.2 輸水泵站理論選址分析

為了便于分析，僅討論無分水情況下的梯級泵站站址選擇情況，有分水任務(wù)時(shí)的泵站選址可簡化處理為無分水情況的計(jì)算流程。假定該輸水管線的布置坡度固定不變，總靜揚(yáng)程為400m，利用Matlab軟件進(jìn)行編程計(jì)算，將該輸水工程分為3～8級，分級數(shù)與輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值關(guān)系如圖1所示。

圖1 不同泵站分級的輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值

從圖1可以看出，不同分級數(shù)最優(yōu)方案的總費(fèi)用現(xiàn)值變化規(guī)律，即隨分級數(shù)的增加表現(xiàn)為先減小后增加，理論上分6級時(shí)費(fèi)用最低。同一分級情況下，不同選址方案的總費(fèi)用現(xiàn)值差距較大，如分4級時(shí)，最差方案與最優(yōu)方案相差1603萬元?？梢姡谜痉旨墧?shù)量及選址位置對輸水工程減少投資有重要影響。

根據(jù)梯級泵站輸水站點(diǎn)選址數(shù)學(xué)模型，可求解出不同分級數(shù)的費(fèi)用最小方案的站址位置，具體見表3。

從表3可以看出，不同分級建站方式中的的最優(yōu)選址位置位于揚(yáng)程均分處附近，因此，若地形、地質(zhì)等條件允許，長距離輸水工程中的泵站站點(diǎn)規(guī)劃應(yīng)采用等揚(yáng)程劃分方式。

3.3 輸水泵站實(shí)例選址分析

3.3.1 分級方案初選

上述輸水工程總靜揚(yáng)程477.34m，根據(jù)分級數(shù)量不同，分2級時(shí)，單泵靜揚(yáng)程過大，而揚(yáng)程愈高，停泵水錘值愈大，且對管道壁厚度、水錘防護(hù)措施要求過高，因此不考慮2級泵站方案。故對該工程泵站分3～7級，并對各方案進(jìn)行計(jì)算，以確定最優(yōu)選址方案。

3.3.2 分級方案確定

由于可建站位置為9處，選址組合方案不同，輸水泵站總費(fèi)用不同。分級數(shù)為3～7級時(shí)，不同方案的輸水總費(fèi)用現(xiàn)值計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

表3 不同分級的最優(yōu)建站方案站址位置及費(fèi)用現(xiàn)值

注：P代表建站位置，L代表靜揚(yáng)程，m。

表4 不同分級的最優(yōu)建站方案站址位置及費(fèi)用現(xiàn)值

注：N代表站址編號，L代表靜揚(yáng)程，m。

圖2 不同泵站分級的輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值

從圖2可以看出，泵站分級數(shù)相同時(shí)，不同選址方案的費(fèi)用現(xiàn)值相差較大，如分5級時(shí)，費(fèi)用最高選址方案(1#、4#、5#、6#、7#)與費(fèi)用最高選址方案(1#、3#、5#、7#、9#)相差1532萬元。另一方面，隨著分級數(shù)的增加，輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值先減小后增加，在6級泵站方案時(shí)，總費(fèi)用現(xiàn)值達(dá)到最小。

不同分級數(shù)的最優(yōu)方案泵站選址參數(shù)見表4。

梯級泵站分級數(shù)目將直接影響輸水工程投資及運(yùn)行管理，在一定范圍內(nèi)，泵站分級數(shù)目增多，工程費(fèi)用總投資費(fèi)用現(xiàn)值減小，但與此同時(shí)，泵站廠區(qū)建設(shè)費(fèi)用及后期工程運(yùn)行管理費(fèi)用就會增加，因此，應(yīng)合理確定輸水泵站的分級數(shù)量。從表4可以看出，該輸水工程在6級建站時(shí)費(fèi)用現(xiàn)值最低，因此應(yīng)在6級分級內(nèi)選擇最佳方案；同時(shí)，根據(jù)輸水泵站理論選址分析的均分處附近為最優(yōu)選址位置的結(jié)論，該工程分4級泵站輸水時(shí)，最優(yōu)方案靜揚(yáng)程變化不大，同時(shí)該方案可減小各級泵站間的流量調(diào)節(jié)問題;因此，該輸水工程應(yīng)將表4內(nèi)4級建站方案作為該長距離輸水工程的最優(yōu)選址方案。

4 結(jié)語

目前，我國已建成的一些長距離、高揚(yáng)程輸水泵站，工程投資成為一個(gè)不可忽視的問題。合理確定長距離輸水工程中的泵站分級數(shù)量和站點(diǎn)選址位置，對于減少投資、方便管理具有重大意義。通過對某工業(yè)園供水工程的理論分析與工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度固定時(shí)，泵站的理論選址點(diǎn)位于揚(yáng)程均分處；當(dāng)以工程實(shí)例分析時(shí)，6級范圍內(nèi)建站時(shí)的最優(yōu)方案總費(fèi)用不斷減小，且4級建站時(shí)最優(yōu)方案中各級泵站揚(yáng)程差距最小，故確定4級泵站建站為該實(shí)例工程的最佳選址方案；因此，基于費(fèi)用現(xiàn)值法建立的輸水工程總費(fèi)用現(xiàn)值數(shù)學(xué)模型，能分析出長距離輸出工程中泵站分級與站點(diǎn)選址的最優(yōu)方案，可以在實(shí)踐中參考運(yùn)用。