輸配水管網(wǎng)水錘問(wèn)題初步探討

魏 闖雷成霞雷成茂郭 銀

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西運(yùn)城 044004；2.黃河水利委員會(huì)河南水文水資源局 河南鄭州 450000；3.黃河水利委員會(huì)水文局 河南鄭州 450000）

1 管網(wǎng)輸水水錘問(wèn)題研究的意義

我國(guó)水資源緊缺且分配不均的問(wèn)題日益突出，伴隨著耕地的急劇減少和環(huán)境危機(jī)，如何高效利用灌溉水資源顯得尤為重要?？傮w來(lái)講，我國(guó)的農(nóng)業(yè)灌溉水利用率和單方水的生產(chǎn)效率都很低，處于干旱半干旱地區(qū)尤為突出，農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用率僅為0.42，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)效率只有0.7 kg/m3左右，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于國(guó)內(nèi)及發(fā)達(dá)國(guó)家的灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平[1]，這也表明我國(guó)節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)仍然有很大的節(jié)水潛力有待開(kāi)發(fā)。

節(jié)水農(nóng)業(yè)水分損失主要體現(xiàn)在：輸水過(guò)程中的滲漏和蒸發(fā)；田間水分滲漏和徑流損失；田間土壤水分蒸發(fā)損失；作物的水分奢侈性蒸騰消耗。在這四個(gè)節(jié)水環(huán)節(jié)中，輸水過(guò)程中水量的蒸滲損失是最極大的，這也是導(dǎo)致灌溉水有效利用率低下的主要因素。如果推廣實(shí)施先進(jìn)的管道輸水工程技術(shù)，不僅可以提高灌溉水的輸送效率，還可以有效地解決輸配水工程中的蒸滲和凍脹破壞問(wèn)題，更為重要的是可以大幅度提高灌溉水生產(chǎn)效率和有效利用率。

管網(wǎng)輸水以其蒸發(fā)和滲漏損失最小的優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用[2]。管道輸水可以節(jié)能25%左右，節(jié)地3%左右，工程節(jié)水效益顯著，節(jié)水發(fā)展前景看好，己成為我國(guó)節(jié)水灌溉工程技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)[3]。

2 管網(wǎng)中水錘發(fā)生的原因

水錘，是灌溉水在輸水管道中水力要素隨時(shí)空高頻快速突變，并形成周期性衰減沖擊波動(dòng)現(xiàn)象。在管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)的有壓高速水流必然產(chǎn)生很大的動(dòng)能，當(dāng)這種水流狀態(tài)由于各種原因突然發(fā)生改變時(shí)，水流的速度、壓力等就會(huì)產(chǎn)生瞬間的突變，引起很大的動(dòng)量變化量，又由于液體具有慣性和壓縮性，在管壁彈性和系統(tǒng)阻力影響下，對(duì)水錘波又產(chǎn)生了緩沖的作用，這種動(dòng)量變化量最終就轉(zhuǎn)變成為高壓沖擊波，在停止點(diǎn)和有壓水源之間進(jìn)行周期性的衰減波動(dòng)[4-10]。

外因方面，就是水泵、管材、設(shè)計(jì)施工以及人為操作管理不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐傻?。如水泵由于斷電或者裝置損壞等原因而突然啟閉，閥門的開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)流量時(shí)的不規(guī)范操作；管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理性和施工技術(shù)及工藝的不規(guī)范都會(huì)造成管道的壓力分布的不均衡，以至于削弱過(guò)流能力，多出現(xiàn)在分叉管、閥門以及管道出現(xiàn)彎道和局部凸起或凹陷等的部位。

3 水錘對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行的破壞性

由于水錘能夠瞬間產(chǎn)生正常工作壓力的幾百倍的壓力，并且在管道內(nèi)快速高頻傳播，這種大幅度的水力沖擊必然會(huì)引起管道的劇烈的高頻振動(dòng)，造成閥門設(shè)備破壞，使附屬裝置松動(dòng)損壞，嚴(yán)重時(shí)，在最大水錘壓強(qiáng)遇到管道抗壓能力弱的地方使管道變形以至爆裂等重大事故，導(dǎo)致整個(gè)輸水管網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓停運(yùn)[11-13]。這會(huì)給我們的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大的不便和損失。

我國(guó)的農(nóng)業(yè)輸水管道通常采用的管道材料，都會(huì)在高頻次的水力高壓沖擊下出現(xiàn)疲勞、空化，甚至變形和破壞，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)證明[14]。這就有力地說(shuō)明材料本身的強(qiáng)度在抵抗水錘壓力沖擊時(shí)是有安全隱患的，當(dāng)然，我們也不可能無(wú)限制地采用高強(qiáng)度的管材材料，這樣會(huì)增加管網(wǎng)系統(tǒng)的成本，不利于推廣應(yīng)用，同時(shí)也造成了資源浪費(fèi)。

輸水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)由各級(jí)管道相連接的輸配水的體系，以整體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)它的系統(tǒng)功能，各級(jí)管道相互聯(lián)系、相互影響。工程實(shí)踐表明，水錘破壞是管道輸配水工程不容忽視的首要安全問(wèn)題，輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)的控制面積較大，管道系統(tǒng)復(fù)雜，分水管路多，設(shè)備較多，閥門設(shè)備同步操作現(xiàn)象機(jī)率大增，產(chǎn)生的水錘壓力波會(huì)在管道系統(tǒng)中波動(dòng)傳播，這就大大提高了水錘波在干管內(nèi)疊加的概率和風(fēng)險(xiǎn)程度，這個(gè)疊加壓力瞬間作用在管壁上，持續(xù)時(shí)間很短，但破壞力強(qiáng)大，它產(chǎn)生的破壞性遠(yuǎn)比單管水錘要嚴(yán)重，造成管網(wǎng)運(yùn)行的不穩(wěn)定和輸水效率的降低。

4 水錘問(wèn)題研究的計(jì)算模型

計(jì)算水錘問(wèn)題使用非線性一階雙曲型偏微分方程[15]，以非恒定流態(tài)條件成立。為方便計(jì)算使用，需要對(duì)方程的偏微分形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化。代數(shù)法和特征線法是目前計(jì)算管網(wǎng)水錘準(zhǔn)確有效的方法。包括特征線方程、有限差分方程和代數(shù)方程，它們的理論依據(jù)都是建立在水錘基本控制方程上。

水錘計(jì)算常用的方法是特征線法，它是基于彈性水柱理論，建立水錘運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程?；A(chǔ)方程是經(jīng)過(guò)線性組合和簡(jiǎn)化求解后得到的。這個(gè)方程組的基本意義在于：表明管網(wǎng)中任何一點(diǎn)的壓力和速度與直接波和反射波的相互作用，特征線就是直接波和反射波在坐標(biāo)軸中傳遞的表現(xiàn)形式。同時(shí)，可將上述基礎(chǔ)方程經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換成為便于計(jì)算機(jī)計(jì)算的特殊方程，由此通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬各種情況下的水錘情況。如下圖1。

線性化后的瞬態(tài)水錘特征線方程見(jiàn)式（1）和式（2）。

式中：C+、C-——水錘波的正、負(fù)特征線方程；

H——水頭，m；

V——管道內(nèi)液體流速，流向閥門為正方向，m/s；

x——水錘波傳播距離，指向閥門處為正方向，m；

t——水錘波傳播歷時(shí)，s；

a——水錘波傳播速度，m/s；

D——管道內(nèi)徑，m；

f——管道摩阻系數(shù)；

g——重力加速度，m/s2。

將式（1）和（2）轉(zhuǎn)化成有限差分的形式，并且忽略二階以上微量，得：

式中：HP、HA、HB——水錘相應(yīng)位置處的截面水頭，m；

QP、QA、QB——相應(yīng)水錘位置截面的流量，m3/s；

A——管道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2；

Δx——水錘波傳播距離，m；

Δt——水錘波傳播時(shí)間，s。

為了便于利用工業(yè)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，將差分方程（3）和（4）改寫成

式中：CP，CM——綜合參數(shù)

H——對(duì)應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝鎵毫λ^值，m；

Q——對(duì)應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝娴牧髁?，m3/s；

B、R——計(jì)算常數(shù)。

方程的初始條件為管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)流；瞬態(tài)條件計(jì)算時(shí)，邊界條件分2種情況，就是閥門和分水口，如圖2所示。

圖2 管道中閥門和分水口邊界示意圖

因管材產(chǎn)品型號(hào)和規(guī)格相同，且水錘波速a和管道截面積A相同，則計(jì)算常數(shù)B相同，閥門的正、負(fù)特征線方程為：

分水口處針對(duì)分水角度的正、負(fù)特征線方程按照?qǐng)D2b逐個(gè)截面列出，方程形式如同式（6），只是分水口處的流量關(guān)系如式（7）所示：

支管中流量的分配大小直接由支管分水角度的大小決定，流量分配會(huì)引起管道中流速的大小和傳播方向的變化。因此，支管分水流量是通過(guò)分水角的邊界條件改變來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水錘壓力的影響的。

分水口處針對(duì)支管對(duì)置間距的正、負(fù)特征線方程按照?qǐng)D2c逐個(gè)截面列出，方程形式也如同式（6），其分水口處的流量關(guān)系如式（8）所示：

水錘波由不同支管中傳遞至干管中，波疊加的位置是固定的，因此，支管對(duì)置間距的大小會(huì)直接影響水錘波在干管中的波動(dòng)距離，進(jìn)而影響疊加壓力波效能。

5 管網(wǎng)系統(tǒng)中的水錘問(wèn)題

關(guān)于水錘的研究，目前大部分試驗(yàn)主要基于單管水錘，關(guān)于管網(wǎng)系統(tǒng)中的水錘研究較少，只有很少研究文獻(xiàn)和理論成果可以參考，管網(wǎng)水錘也是與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密的一種水錘問(wèn)題，也是較單管水錘更為復(fù)雜的水錘問(wèn)題，主要是存在水錘波在管道系統(tǒng)內(nèi)的分配和疊加波動(dòng)問(wèn)題，管網(wǎng)水錘也應(yīng)該受到研究者們的重視。

水錘壓力波動(dòng)過(guò)程中也存在負(fù)壓水錘，也就是存在負(fù)壓值，管網(wǎng)中的負(fù)壓沖擊波對(duì)塑料管道的破壞作用也不能忽視。上述水錘沖擊波對(duì)龐大的管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行造成極大危害，在管道布置設(shè)計(jì)時(shí)，配水管連接位置、分水角度和管道坡度都必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)科學(xué)合理確定，并研究水錘波與相關(guān)水力要素和管材性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以提高水錘防控效果。此外該值的計(jì)算方法還需要進(jìn)一步理論和實(shí)踐的探索研究，以得出其產(chǎn)生和分布規(guī)律。

管網(wǎng)中水錘的一個(gè)重要問(wèn)題是水錘波的傳播規(guī)律和壓力分布規(guī)律，對(duì)于灌溉輸水管網(wǎng)系統(tǒng)常用的樹(shù)狀布置形式，支管和干管是并聯(lián)形式，要想有效降低水錘波在干管內(nèi)的疊加壓力或最大限度地降低水錘波的疊加波動(dòng)現(xiàn)象，通過(guò)優(yōu)化閥門關(guān)閉過(guò)程和設(shè)置水錘防護(hù)裝置，同時(shí)，在設(shè)計(jì)它的連接位置時(shí)，就必須考慮它的水錘疊加效應(yīng)，就是結(jié)合實(shí)際工況研究水錘波的傳播規(guī)律和壓力分布情況，設(shè)計(jì)管網(wǎng)的布置方式時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化，這對(duì)管網(wǎng)水錘的研究有著極為重要的意義。