井群樹狀管網(wǎng)輸水水力調(diào)節(jié)方式研究

劉建續(xù)，王俊鋒，王 旭

(陜西江漢水電勘測設計有限公司，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，機井從管網(wǎng)節(jié)點接入，水流在管網(wǎng)中可向各個方向流動，最終在匯集點處流出。這種管網(wǎng)的優(yōu)點是輸水安全、可靠性高;缺點是管線長，工程量大，投資大。樹狀管網(wǎng)是將井群中各個機井用輸水管道連接，形成一個樹枝狀的管網(wǎng)，水流在管網(wǎng)中向一個方向流動，最終在匯集點處流出。這種管網(wǎng)的優(yōu)點是布置簡單、便于運行管理，管線短、工程量小、投資少;缺點是輸水可靠性較差。對于井群管網(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)點的配水流量即可，管網(wǎng)內(nèi)水壓力、系統(tǒng)會自行調(diào)整，不會產(chǎn)生壓力突變現(xiàn)象(不含水擊)。但對井群樹狀管網(wǎng)輸水相對其配水，管網(wǎng)的水力特征較為復雜。因接入管網(wǎng)節(jié)點的是各個不同型號的井泵，每個井泵都有自身的流量－揚程特性，這種特性一旦并入管網(wǎng)，就會與管網(wǎng)中的其它井泵發(fā)生關系，同時系統(tǒng)會通過管網(wǎng)自行調(diào)整、平衡這種流量－壓力關系。調(diào)整結果常常會使個別井泵的工作點處于極端狀態(tài)，從而造成事故，影響管網(wǎng)系統(tǒng)輸水。因此，有必要對井群樹狀管網(wǎng)輸水的水力調(diào)節(jié)進行研究，以尋求科學合理的管網(wǎng)調(diào)節(jié)方式，滿足社會生產(chǎn)、工程運行管理的要求。

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數(shù)，再進行井群布置。水源地的整體規(guī)劃，要進行單個水井的設計，給出每個水井的設計參數(shù)。參數(shù)主要包括:水井編號及位置、地面高程、結構尺寸(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。這一裝置在正常運行過程中表現(xiàn)出一種揚程隨流量變化的關系特征。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。一般的對離心式葉片泵其性能曲線常用二次曲線近似反應，而管道的水頭損失曲線也是一條二次曲線，它們的疊加結果是一條二次曲線，可用一個二次方程式表示。由此得出井群中第i個水井井泵裝置的性能方程為

式中:hi為水泵裝置的揚水位，(m);Hi為水泵裝置的最高揚水位，由于井用泵為多級泵，改變泵級數(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該井水位降深不變。當井泵裝置接入管網(wǎng)、投入運行之后，井泵的運行工況點就由該方程與管網(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)才能實現(xiàn)地下水資源的利用。對井群輸水的管網(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)點流量和節(jié)點水頭等4類。這4類水力要素相互之間的關系，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個節(jié)點組成的簡單樹狀管網(wǎng)，其中0#節(jié)點是樹狀管網(wǎng)輸水的集中輸出點，1～6#節(jié)點分別為6個井泵裝置，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)點流量qi、節(jié)點水頭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個能量方程如下。

同時管網(wǎng)中各管段的壓降與其流量有如下關系

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)點水頭與節(jié)點流量的關系。第2組方程反映了管段流量與節(jié)點流量的關系。第4組方程反映了管段壓降與管段流量的關系，如果用第2組方程中的節(jié)點流量代替管段流量，則第4組方程就反映了管段壓降與節(jié)點流量的關系。第3組方程反映了節(jié)點水頭與管段壓降的關系，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個方程式，其中所含的參數(shù)僅有6個節(jié)點流量為未知量，其余均為已知量。因此，聯(lián)立求解這組新方程組，可求得6個水井的流量。有了這6個節(jié)點流量，其它管網(wǎng)參數(shù)依據(jù)第1、2、4組中的相關方程均可求得。

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)點流量等條件進行設計。井群管網(wǎng)設計條件除節(jié)點流量需單獨考慮外，其它條件均容易滿足。要確定節(jié)點流量，必須確定井群中各水井的設計出水量，水井的設計出水量要根據(jù)各水井的設計單獨確定。有了管網(wǎng)節(jié)點的輸入流量便可進行管網(wǎng)設計。管網(wǎng)的設計結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)點的輸水壓力。根據(jù)節(jié)點流量和輸水壓力便可進行各水井井泵的選型。以上描述為井群管網(wǎng)的設計過程，設計階段確定的參數(shù)為井群管網(wǎng)的設計參數(shù)。

井群管網(wǎng)在施工過程中許多參數(shù)與設計參數(shù)相比會發(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)在運行過程中節(jié)點流量與設計參數(shù)相比也會發(fā)生較大變化，如各井泵運行工作點的偏移、個別井泵的停運等，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)與設計狀態(tài)相比常常相差甚遠。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)的設計狀況。

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

(1)將管網(wǎng)中各節(jié)點的設計流量、設計水壓力代入第1組方程，求得各節(jié)點水泵裝置的設計阻力系數(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等于其設計阻力系數(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)計算。采用閘閥調(diào)節(jié)是一種浪費能源的調(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速，從而改變水泵的性能。調(diào)節(jié)方法是將各節(jié)點的設計流量、設計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)計算。

(2)當管網(wǎng)中某幾臺井泵停止運行，管網(wǎng)中的水力平衡被打破，管網(wǎng)便會形成一種新的水力平衡。這種平衡使得運行中的水泵工作點發(fā)生明顯變化，仍需采取調(diào)節(jié)措施使得各節(jié)點流量與設計狀況基本一致。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)。把計算的各節(jié)點流量與設計流量對比。若兩者有明顯差距，采用閘閥調(diào)節(jié)離節(jié)點最近的管段阻力系數(shù)Sij。使得各節(jié)點流量與設計流量基本相符。

4 井群管網(wǎng)的調(diào)節(jié)示例

為了說明井群管網(wǎng)在竣工后的運行調(diào)節(jié)過程，選用圖2所示的管網(wǎng)設計圖進行調(diào)節(jié)。圖中有6個井節(jié)點，設計配備了兩種型號、不同級數(shù)的6臺井泵，泵裝置采用DN100的鋼管，據(jù)此可確定6臺井泵的裝置性能方程。設計圖中給出了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)。計算過程不再贅述，結果見表1。

圖2 井群樹狀管網(wǎng)設計圖

表1 井群管網(wǎng)設計及運行狀況表

從表1中可看出井群管網(wǎng)裝配之后運行時，其工作狀況與設計完全不同。各井的出水量和揚程均有所增加，這種變化常造成以下幾個問題:①流量增加超過單井最大出水量時，造成該井不能連續(xù)運行，進而造成管網(wǎng)運行波動不穩(wěn);②揚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)，使其接近于設計狀況。調(diào)節(jié)過程從略，計算結果見表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)運行與設計狀況相符。當然這是一種理想化的管網(wǎng)調(diào)節(jié)，實際運行不可能各泵同時調(diào)節(jié)，況且不可能都能調(diào)節(jié)到位。因此，對井群管網(wǎng)中泵的調(diào)節(jié)應采用一種控制性調(diào)節(jié)方式，如自動化控制或水力控制閥調(diào)節(jié)。

表2 井群管網(wǎng)設計及運行調(diào)節(jié)變化表

自動化控制調(diào)節(jié)是利用遠程控制設備，在中央控制室對井群中各井泵及管網(wǎng)實施的調(diào)節(jié)形式，它可以按照運行要求對管網(wǎng)實施各種調(diào)節(jié)。水力控制閥調(diào)節(jié)是利用水力自控設備對井群中各井泵實施的調(diào)節(jié)形式，該調(diào)節(jié)局限性較大，一般在試運行時一次調(diào)節(jié)到位，運行時不再變動。

5 結語

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)輸水的運行過程中，幾乎都會出現(xiàn)運行工況與設計不符的現(xiàn)象。有人認為:當3～4眼機井連網(wǎng)輸水時運行偏差問題不明顯。因此建議井群管網(wǎng)設計僅限4眼機井連網(wǎng)輸水。鑒于井群管網(wǎng)輸水的這一限制，筆者通過對井群樹狀管網(wǎng)的運行分析，得出井群樹狀管網(wǎng)輸水進行水力調(diào)節(jié)是必須的環(huán)節(jié)。進而再通過對管網(wǎng)調(diào)節(jié)示例的分析，認為最適宜井群管網(wǎng)的調(diào)節(jié)方式是自動化控制調(diào)節(jié)，它可實施各種工況調(diào)節(jié)，以滿足實際運行管理的需要。

[1]嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2002.

[2]西北農(nóng)學院，華北水利水電學院.地下水利用[M].北京:水利電力出版社.1984.

[3]劉竹溪.水泵及水泵站[M].北京:水利電力出版社.1986.