淺談寧波市水庫(kù)群聯(lián)網(wǎng)聯(lián)調(diào)工程水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算

朱亞磊

【摘要】在輸水系統(tǒng)中，水流從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)變到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，稱為水力過(guò)渡過(guò)程，水錘是水力過(guò)度過(guò)程中流體運(yùn)動(dòng)速度驟然發(fā)生變化而引起水壓力劇烈變化的瞬變過(guò)程。對(duì)輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行模擬分析是輸水系統(tǒng)安全的需要，模擬結(jié)果可以為水錘防護(hù)策略制定提供了基礎(chǔ)依據(jù)。對(duì)水錘的破壞作用認(rèn)識(shí)不足， 考慮防護(hù)不周， 就可能會(huì)引起事故造成巨大損失。 因而， 水力過(guò)渡過(guò)程分析，并研究過(guò)渡過(guò)程中水錘的規(guī)模及防護(hù)對(duì)于保證工程安全運(yùn)行、降低工程成本，合理制定工程運(yùn)行調(diào)度原則有著十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】水庫(kù)群；聯(lián)網(wǎng)聯(lián)調(diào)，水力過(guò)度過(guò)程；水錘；計(jì)算

1、工程概況

寧波市水庫(kù)群聯(lián)網(wǎng)聯(lián)調(diào)（西線）一期工程主要由欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程、溪下水庫(kù)引水工程、東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程三部分組成，主要位于寧波市奉化和鄞州西部山區(qū)，本工程線路輸水線路全長(zhǎng)41.32km。本項(xiàng)目建成后，將進(jìn)一步提高寧波市水資源調(diào)控能力、完善并優(yōu)化寧波市水資源配置網(wǎng)絡(luò)，為寧波市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供重要基礎(chǔ)支撐。

2、工程任務(wù)和規(guī)模

2.1引水工程規(guī)模

根據(jù)2030水平年寧波中心城區(qū)、杭州灣新區(qū)需水要求，結(jié)合本次2030水平年聯(lián)合調(diào)度水量平衡分析成果，從充分利用豐、平水年水庫(kù)優(yōu)質(zhì)水資源增加供水量的角度考慮，認(rèn)為可行性研究階段確定的引水工程規(guī)模是合適的。

（1）欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程。欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程是西線水源聯(lián)網(wǎng)連通工程的主力輸水工程，該工程調(diào)節(jié)欽寸、亭下、許江岸（遠(yuǎn)期納入）水庫(kù)水源主要向桃源水廠、江北水廠（遠(yuǎn)期納入）配置原水，水量豐富時(shí)向杭州灣新區(qū)、江東水廠供水。根據(jù)逐日水量平衡計(jì)算成果，亭下調(diào)節(jié)站至嶺腳分水點(diǎn)段輸水工程設(shè)計(jì)規(guī)模（凈輸水規(guī)模，以下同）97萬(wàn)m3/d（桃源水廠（50萬(wàn)m3/d）、杭州灣新區(qū)（12萬(wàn)m3/d）、江北水廠（15萬(wàn)m3/d）和江東水廠（20萬(wàn)m3/d））；嶺腳分水點(diǎn)至溪桃源水廠段輸水工程設(shè)計(jì)規(guī)模77萬(wàn)m3，其中至杭州灣新區(qū)和江北水廠的輸水隧洞接口在本工程中予以預(yù)留，預(yù)留規(guī)模為27萬(wàn)m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫(kù)水量豐富時(shí)向杭州灣新區(qū)（12萬(wàn)m3/d）、江北水廠（15萬(wàn)m3/d）的輸水要求。

當(dāng)周公宅—皎口水庫(kù)因故不能向毛家坪水廠供水時(shí)，欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程承擔(dān)毛家坪水廠的應(yīng)急供水，大岙連接段輸水工程設(shè)計(jì)規(guī)模為35萬(wàn)m3/d。

（2）溪下水庫(kù)引水工程。皎口水庫(kù)至溪下水庫(kù)連通工程實(shí)施后，溪下水庫(kù)日常供水規(guī)模為10萬(wàn)m3/d，溪下水庫(kù)向桃源水廠應(yīng)急供水設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為35萬(wàn)m3/d，相應(yīng)的溪下加壓泵站規(guī)模為35萬(wàn)m3/d。

（3） 皎口水庫(kù)至溪下水庫(kù)連通工程。皎口水庫(kù)至溪下水庫(kù)連通工程輸水規(guī)模80萬(wàn)m3/d，可以充分利用皎口水庫(kù)棄水增加溪下水庫(kù)供水量。

（4）東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程即嶺腳分水點(diǎn)至蕭鎮(zhèn)常規(guī)輸水規(guī)模20萬(wàn)m3/d，滿足西線水庫(kù)群水量豐富時(shí)向江東水廠（20萬(wàn)m3/d）的輸水要求；為了遠(yuǎn)期東西線骨干水源溝通（即蕭鎮(zhèn)至橫山水庫(kù)引水管線溝通工程），實(shí)現(xiàn)東西線骨干水源工程的應(yīng)急調(diào)節(jié)，東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程預(yù)留至橫山水庫(kù)引水工程輸水管線接口，預(yù)留規(guī)模與橫山水庫(kù)至東線水廠（東錢湖及北侖水廠）引水規(guī)模25萬(wàn)m3/d相匹配。因此，東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程輸水規(guī)模45萬(wàn)m3/d。

2.2主要引水工程

經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，本工程推薦線路輸水線路全長(zhǎng)41.32km，主要由欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程、溪下水庫(kù)引水工程、東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程三部分組成。

（1）欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程。欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程主要由亭下調(diào)節(jié)站、輸水隧洞、輸水管道、沿線各類閥室、大岙連接段等組成。輸水線路自亭下流量調(diào)節(jié)站起始，終至桃源水廠，輸水主線長(zhǎng)約27.90km（不包括大岙連接段長(zhǎng)度約0.8km），其中隧洞長(zhǎng)25.76km，管道長(zhǎng)2.14km。

（2）溪下水庫(kù)引水工程。溪下水庫(kù)引水工程設(shè)計(jì)引水規(guī)模為35萬(wàn)t/d，主要建筑物由輸水管道、輸水隧洞、溪下加壓泵站等組成。溪下水庫(kù)引水管道從大壩發(fā)電引水鋼管末端（放空管分岔點(diǎn)下游）位置接出后經(jīng)溪下泵站加壓后向西跨越泄洪渠進(jìn)入隧洞，向西經(jīng)永福庵南側(cè)再折向南至溪下水庫(kù)庫(kù)尾出洞后，以管道的型式往南穿越溪下水庫(kù)庫(kù)尾進(jìn)入桃源水廠配水井。輸水線路全長(zhǎng)2.68km，其中隧洞長(zhǎng)2.17km，管道長(zhǎng)0.51km。

（3）東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程輸水隧洞設(shè)計(jì)引水規(guī)模為45萬(wàn)t/d，輸水管道設(shè)計(jì)引水規(guī)模為45萬(wàn)t/d，主要建筑物由輸水隧洞、輸水管道、蕭鎮(zhèn)配水站及附屬建筑物等組成。輸水管線自欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程輸水隧洞嶺腳南側(cè)處分水，向東南開(kāi)挖隧洞至自覺(jué)寺水庫(kù)西側(cè)，出洞后以管道的形式穿越國(guó)道、甬金高速至蕭鎮(zhèn)配水站，再利用蕭鎮(zhèn)至江東水廠現(xiàn)有管道引水至江東水廠。嶺腳至蕭鎮(zhèn)輸水線路全長(zhǎng)9.93km，其中隧洞長(zhǎng)8.51km，管道長(zhǎng)1.42km。

3、 工程布置與參數(shù)設(shè)置

3.1上游水位

欽寸水庫(kù)：正常蓄水位98m，死水位66m，最高輸水水位102.96m；亭下水庫(kù)：正常蓄水位82.65m，死水位44.05m，最高供水水位為89.63m；許江岸水庫(kù)：正常蓄水位98m，供水死水位65m；亭下調(diào)節(jié)站：欽寸水庫(kù)、亭下水庫(kù)、許江岸水庫(kù)（遠(yuǎn)期納入）來(lái)水經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后亭下調(diào)節(jié)站最高水頭88m，最低水頭58.8m。溪下水庫(kù)：正常蓄水位55m；供水死水位27m；

3.2供水流量

（1）欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程。1）亭下調(diào)節(jié)站至嶺腳分水點(diǎn)段輸水工程設(shè)計(jì)規(guī)模（凈輸水規(guī)模，以下同）97萬(wàn)m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫(kù)水量豐富時(shí)向桃源水廠（50萬(wàn)m3/d）、杭州灣新區(qū)（12萬(wàn)m3/d）、江北水廠（15萬(wàn)m3/d）和江東水廠（20萬(wàn)m3/d）的輸水要求；2） 嶺腳分水點(diǎn)以下輸水工程設(shè)計(jì)規(guī)模77萬(wàn)m3/d，滿足欽寸—亭下—許江岸等水庫(kù)水量豐富時(shí)向桃源水廠（50萬(wàn)m3/d）、杭州灣新區(qū)（12萬(wàn)m3/d）、江北水廠（15萬(wàn)m3/d）的輸水要求（其中至杭州灣新區(qū)和江北水廠的輸水隧洞接口在本工程中予以預(yù)留）。

（2）溪下水庫(kù)引水工程。溪下水庫(kù)日常供水規(guī)模為10萬(wàn)m3/d。欽寸亭下水庫(kù)引水工程因故不能向桃源水廠供水時(shí)，由溪下水庫(kù)向桃源水廠應(yīng)急供水，應(yīng)急工況設(shè)計(jì)輸水規(guī)模為35萬(wàn)m3/d，相應(yīng)的溪下加壓泵站規(guī)模為35萬(wàn)m3/d。

（3）東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程即嶺腳分水點(diǎn)至蕭鎮(zhèn)常規(guī)輸水規(guī)模20萬(wàn)m3/d，預(yù)留規(guī)模與橫山水庫(kù)至東線水廠（東錢湖及北侖水廠）引水規(guī)模25萬(wàn)m3/d相匹配。因此，東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程輸水規(guī)模45萬(wàn)m3/d。

3.3調(diào)度方式

本工程運(yùn)行調(diào)度控制原則及方式如下：

1）欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程。欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程調(diào)度方式分為兩種情況，一是聯(lián)合供水，二是單獨(dú)供水。聯(lián)合供水；即欽寸、亭下、許江岸（遠(yuǎn)期納入）水庫(kù)水源經(jīng)輸水管道、調(diào)節(jié)閥匯合至亭下調(diào)節(jié)站聯(lián)合供水，由亭下調(diào)節(jié)站調(diào)節(jié)來(lái)自三個(gè)水源地的壓力水頭，實(shí)現(xiàn)亭下至寧波引水的總流量控制。單獨(dú)供水：當(dāng)遇到某個(gè)水庫(kù)處于低水位，或遇到應(yīng)急情況如某個(gè)突發(fā)水污染事故、或輸水工程事故時(shí)，可由其余兩個(gè)或單個(gè)水庫(kù)來(lái)供水。根據(jù)上游水位及供水流量，在上游水位不能滿足重力流供水的情況下利用桃源水廠前泵站加壓供水。

2）溪下水庫(kù)引水工程。溪下水庫(kù)引水工程，由溪下水庫(kù)引水，經(jīng)溪下泵站控制其供水流量。

3）東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程。東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)段）連通工程，取水自西線工程嶺角分水點(diǎn)由蕭鎮(zhèn)配水站站前控制閥門(mén)控制其供水流量。

4、計(jì)算方法

運(yùn)用特征線法求解水錘問(wèn)題的步驟為：第一步，將不能直接求解的流動(dòng)暫態(tài)偏微分方程式轉(zhuǎn)化為特定形式的全微分方程組，稱為特征線方程；第二步，對(duì)全微分方程組進(jìn)行積分，產(chǎn)生近似的代數(shù)積分式——有限差分方程；有限差分方程對(duì)管路劃分為多個(gè)步段 Δ x，對(duì)時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)段 Δt ，逐次地進(jìn)行求解，分段愈細(xì)密，其解與原積分愈近似，不過(guò)計(jì)算工作量也愈大；第三步，根據(jù)有限差分方程和管路系統(tǒng)的邊界條件方程編制源程序上機(jī)運(yùn)算。

5、結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

為保證上游輸水隧洞水擊安全，石沿山支洞、張家車支洞、晚香嶺支洞、倪家岙支洞及雪岙支洞予以保留。工程建成后，關(guān)閥正常運(yùn)行工況和緊急工況的時(shí)間應(yīng)盡量控制開(kāi)閥和關(guān)閥時(shí)間，本工程模擬中，采用的關(guān)閥時(shí)間為20s，按上述時(shí)間操作，可保證系統(tǒng)安全。東西線（嶺腳至蕭鎮(zhèn)）聯(lián)通工程蕭鎮(zhèn)處閥蕭鎮(zhèn)處閥門(mén)關(guān)閉對(duì)欽寸水庫(kù)亭下至寧波引水工程主線路影響較小，對(duì)分水點(diǎn)至蕭鎮(zhèn)段影響較大，最大壓力水頭出現(xiàn)在閥門(mén)前，因此在閥前管道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意安裝安全泄壓閥等保護(hù)裝置。溪下泵站停泵水錘對(duì)輸水線路影響較小，過(guò)程中局部會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，產(chǎn)生負(fù)壓的位置在上游桃源水廠進(jìn)水閥位置，但并未出現(xiàn)水柱拉斷的現(xiàn)象，不會(huì)產(chǎn)生彌合性水錘。

5.2 建議

本工程水力過(guò)渡過(guò)程對(duì)工程的安全性對(duì)閥門(mén)啟閉的過(guò)程依賴性較大，建議對(duì)桃源水廠前控制閥及蕭鎮(zhèn)處啟閉閥的啟閉方式及結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行研究，以確保運(yùn)行中閥門(mén)的啟閉可控制，結(jié)構(gòu)可靠。