南水北調(diào)東線一期金湖泵站流量系數(shù)率定分析

楊文洲 陸美凝 余 敏

（1.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 211600；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司揚(yáng)州分公司，江蘇揚(yáng)州 225000）

1 工程概述

南水北調(diào)工程是緩解南北水資源分配不均的跨流域國(guó)家戰(zhàn)略性工程。金湖站為南水北調(diào)東線運(yùn)西線工程第二個(gè)梯級(jí)站，位于江蘇省金湖縣銀集鎮(zhèn)境內(nèi)，三河攔河壩下的金寶航道輸水線上，泵站具有與洪澤站聯(lián)合運(yùn)行向洪澤湖調(diào)水150 m3/s，同時(shí)結(jié)合寶應(yīng)湖地區(qū)排澇功能。工程的實(shí)施是為了緩解山東半島和江蘇、安徽等輸水沿線城市的供水緊張局面。站上為淮河入江水道，為淮河水系主要的行洪河道；站下為金寶航道，為區(qū)域重要的航運(yùn)、灌溉、排澇河道。金湖泵站設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，300年一遇水位相校核，與區(qū)域淮河入江水道防洪標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，泵站采用燈泡貫流式水泵電動(dòng)機(jī)組，裝機(jī)5臺(tái)（含1臺(tái)備用），機(jī)組設(shè)備型號(hào)3350ZGQ-37.5-2.35，為國(guó)內(nèi)最大口徑貫流泵，調(diào)水設(shè)計(jì)流量150 m3/s，排澇設(shè)計(jì)流量130 m3/s。

2 曲線擬合數(shù)學(xué)模型選用

對(duì)于河道以及水工建筑物流量關(guān)系線選擇通常通過(guò)數(shù)學(xué)模型擬合單一線，運(yùn)用較多的是冪指數(shù)型、拋物線型、雙曲線型、線性逐步回歸及浮動(dòng)多項(xiàng)式等。

幕指數(shù)型的形式為：

式中：

Q—流量；

h—水位高低變化量；

C，α，β—常數(shù)。

拋物線方程擬合形式：

式中：

Q—流量；

Z—水位；

A0，A1，A2—待定常數(shù)。

雙曲線方程的形式為：

式中：

a，b，c，d—待定常數(shù)；

Z—水位；

Q—流量。

多項(xiàng)式的形式為：

式中：

A0，A1，A2—待定常數(shù)；

h—水位高低變化量。

線性逐步回歸數(shù)學(xué)模型方程的形式為：

線性逐步回歸是利用最小二乘法原理，對(duì)形成的正規(guī)方程進(jìn)行線性變換，根據(jù)其對(duì)因變量有無(wú)顯著貢獻(xiàn)，剔除貢獻(xiàn)量不大的自變量，對(duì)自變量函數(shù)逐步篩選完成。

冪指數(shù)方程在流量數(shù)據(jù)處理過(guò)程中為最常見(jiàn)的運(yùn)用方式，根據(jù)金湖泵站貫流泵設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其也是低揚(yáng)程泵站抽水效能演算中最為合理的計(jì)算方式。

3 流量公式系數(shù)率定

實(shí)施對(duì)泵站流量系數(shù)率定可有效掌握泵站實(shí)際抽水在不同工況下的運(yùn)行狀態(tài)、能源單耗、流量等技術(shù)參數(shù)。而利用相關(guān)水文定性因素可以分析相關(guān)因素規(guī)律，如對(duì)于電力抽水泵站而言，影響流量的相關(guān)因素主要有電功率、水頭（水位差），通過(guò)這些水文要素之間的相互關(guān)系就可以推求難以觀測(cè)到的水文要素變化過(guò)程。在率定水文要素之間的關(guān)系時(shí)，是通過(guò)人工處理關(guān)系點(diǎn)點(diǎn)群中心，再用適線法定出關(guān)系曲線。本次金湖泵站流量系數(shù)率定是通過(guò)計(jì)算機(jī)處理，利用關(guān)系方程對(duì)實(shí)測(cè)關(guān)系點(diǎn)擬合進(jìn)行的。

第二，如何防范水權(quán)交易損害水源地居民的權(quán)益？從我國(guó)現(xiàn)有的水權(quán)交易實(shí)踐來(lái)看，水權(quán)交易不但無(wú)法對(duì)既有的用水者予以補(bǔ)償，反而可能會(huì)損害水源地用水戶的權(quán)益。譬如，在東陽(yáng)義烏案例中，東陽(yáng)市政府和義烏市政府的水權(quán)交易遭到水源地用水者—東陽(yáng)市橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民—的強(qiáng)烈反對(duì)。理論上，用水者是水權(quán)交易市場(chǎng)的支持者而非反對(duì)者，因?yàn)榻灰子欣蓤D。那么橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民作為用水者為何極力抵制且反對(duì)呢？因?yàn)?，橫錦水庫(kù)灌區(qū)的農(nóng)民認(rèn)為，東陽(yáng)義烏水權(quán)交易侵犯了他們的實(shí)際利益。

金湖泵站為比轉(zhuǎn)速大的貫流泵，特點(diǎn)為揚(yáng)程低，流量大。金湖泵站在調(diào)水過(guò)程中水位差較為穩(wěn)定，在結(jié)合寶應(yīng)湖區(qū)域排澇時(shí)，受到淮河入江水道行洪高水位影響，水位差變化幅度較大，對(duì)泵站裝置效率準(zhǔn)確測(cè)定難度較大。因此，可根據(jù)揚(yáng)程的變化，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)率定抽水泵站流量的計(jì)算方式，通過(guò)在裝置效率下運(yùn)行分析，以達(dá)到準(zhǔn)確調(diào)度運(yùn)行。

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工建筑物測(cè)流規(guī)范》，對(duì)于低揚(yáng)程抽水站的流量計(jì)算公式為：

圖1 h-ln（Q/Ns）關(guān)系圖

式中：

Q—流量，m3/s；

ηk—抽水效能系數(shù)，相當(dāng)于揚(yáng)程為零時(shí)每千瓦電功率的抽水流量；

Ns—總電功率，kW；

e—自然對(duì)數(shù)底。

此公式適用于揚(yáng)程在0～6 m 范圍，揚(yáng)程為負(fù)值也有效。計(jì)算公式中，流量Q 可以通過(guò)金湖泵站走航式ADCP 實(shí)測(cè)得到，Ns電功率通過(guò)金湖泵站上位機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)報(bào)表得出，h 通過(guò)金湖泵站上、下游超聲波水位計(jì)得出，ε 與e 通過(guò)實(shí)測(cè)資料率定。

根據(jù)2013～2015年南水北調(diào)江蘇段試通水與2015年防汛排澇的34次實(shí)測(cè)資料，實(shí)測(cè)過(guò)程中對(duì)泵站調(diào)水與排澇統(tǒng)一分析率定，由數(shù)據(jù)得出實(shí)測(cè)流量變幅33.8～154.1 m3/s，水位差1.02～3.71 m，滿足泵站設(shè)計(jì)調(diào)水與排澇抽水因素率定要求。金湖泵站設(shè)計(jì)調(diào)水站上淮河入江水道水位為7.90 m，站下金寶航道水位為5.45 m。設(shè)計(jì)排澇站上設(shè)計(jì)水位10.95 m，站下水位6.25 m，基本在不同水位差下布設(shè)測(cè)次，在測(cè)驗(yàn)過(guò)程中流量效能相關(guān)因素情況滿足金湖泵站率定要求。

依據(jù)2014～2015年34 次實(shí)測(cè)流量資料，點(diǎn)繪h-ln（Q/Ns）關(guān)系圖（見(jiàn)圖1），并定出一條關(guān)系線，該線為單一線，解方程得兩系數(shù)為ηk=0.0603與ε=-0.3421，將率定的效能系數(shù)與遞減系數(shù)代入式（6），則南水北調(diào)金湖泵站流量計(jì)算公式為：

4 關(guān)系曲線檢驗(yàn)

根據(jù)《水文測(cè)驗(yàn)整編規(guī)范》（SL247-2012），對(duì)關(guān)系曲線為單一曲線、使用時(shí)間較長(zhǎng)的臨時(shí)曲線以及經(jīng)單值化處理的單一線，做符號(hào)檢驗(yàn)、適線檢驗(yàn)和偏離檢驗(yàn)。

根據(jù)水文規(guī)范要求，本次對(duì)金湖泵站采用h-ln（Q/Ns）流量公式定線的三項(xiàng)檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)差符合定性標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者從南水北調(diào)金湖泵站在東線調(diào)水過(guò)程與寶應(yīng)湖防洪排澇過(guò)程兩種不同水位差工況下運(yùn)行的角度出發(fā)，研究應(yīng)用抽水泵站流量公式計(jì)算代替繁重的流量測(cè)驗(yàn)任務(wù)，通過(guò)對(duì)方程的檢驗(yàn)分析來(lái)看，冪指數(shù)方程具有較高的精度。通過(guò)金湖泵站走航式ADCP 測(cè)量與對(duì)比，說(shuō)明東線一期工程金湖貫流泵的建設(shè)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，率定的流量公式能反映金湖泵站調(diào)水與排澇的實(shí)際情況，可以用于今后的水情報(bào)汛與水文資料整編系統(tǒng)中。

在今后水文監(jiān)測(cè)中要注意以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)于單一曲線，線型一般應(yīng)符合一定的水文特性，在方程式中不允許出現(xiàn)反曲。在計(jì)算機(jī)定線中，出現(xiàn)反曲是因?yàn)橛米钚《朔〝M合多項(xiàng)式方程時(shí)，由于曲線主要取決于測(cè)點(diǎn)分布，若測(cè)點(diǎn)分布出現(xiàn)流量偏小的特點(diǎn)或者流量偏小的測(cè)點(diǎn)較多，測(cè)次偏少等就會(huì)造成反曲。今后可以通過(guò)增加不同時(shí)期不同水位控制點(diǎn)來(lái)加以避免。

（2）水文要素監(jiān)測(cè)誤差主要有電功率查讀數(shù)誤差，上下游水位因超聲波受到波浪、水質(zhì)、紊流、水溫等因素影響出現(xiàn)誤差，功率因素受到不同工況葉片角度變換的效率影響產(chǎn)生誤差等。因此，數(shù)據(jù)采集與整理中應(yīng)多采用加權(quán)平均計(jì)算，把觀測(cè)誤差控制在最小范圍內(nèi)。

（3）南水北調(diào)工程實(shí)施主要為東線調(diào)水工程，現(xiàn)防汛排澇調(diào)度開(kāi)機(jī)較少，測(cè)點(diǎn)在高水位偏少，在今后測(cè)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)抓住機(jī)會(huì)測(cè)流，以保證水情測(cè)報(bào)與資料整編系統(tǒng)的精度與完善。