長(zhǎng)距離輸水工程輸水能力復(fù)核問(wèn)題探究

劉曾美，藍(lán)福鵬，馮斯安

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院水利工程系，廣東 廣州 510640；2.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510640)

隨著城市化的進(jìn)程，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)往往因人口密度大、用水量多而面臨著水資源短缺問(wèn)題，城市河涌因枯水期生態(tài)基流不足、水體自凈能力退化甚至喪失而存在水環(huán)境與水景觀問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與水生態(tài)文明的大力推進(jìn)，水資源與水環(huán)境、水景觀問(wèn)題受到了全社會(huì)的普遍關(guān)注。為達(dá)到協(xié)調(diào)水資源量及改善環(huán)境和景觀的目的，區(qū)域調(diào)水補(bǔ)水工程應(yīng)運(yùn)而生，調(diào)水補(bǔ)水成為調(diào)配水資源和改善城市河涌水環(huán)境與水景觀的一種常見(jiàn)且有效的措施。以廣東省為例，大到廣東省范圍內(nèi)的珠三角水資源配置工程[1]，從西江水系向東引水至深圳市羅田水庫(kù)，為廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市缺水地區(qū)輸水；小至廣州市北部水系的三涌補(bǔ)水工程[2]，抽取珠江水至上游長(zhǎng)虹調(diào)蓄湖，采用埋管、自流方式為沙河涌、獵德涌、車陂涌補(bǔ)水，改善枯水期水環(huán)境、水流態(tài)及水景觀。

調(diào)水補(bǔ)水工程一般采用泵站輸水方式，長(zhǎng)距離輸水工程常常受沿線復(fù)雜地形的影響大，水力元件較多，沿程、局部水頭損失較大，因此，泵站總揚(yáng)程計(jì)算需要考慮眾多因素。而我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2006)第7.2.3節(jié)規(guī)定[6]：調(diào)查國(guó)內(nèi)幾項(xiàng)大型輸水工程的管道局部水頭損失數(shù)值，一般占沿程水頭損失5%～10%，所以，一些工程在可研階段，根據(jù)管線的敷設(shè)情況，管道局部水頭損失可按沿程水頭損失的5%～10%計(jì)算。但該設(shè)計(jì)規(guī)范給出的管道局部水頭損失計(jì)算僅適用于管道簡(jiǎn)單的短距離輸水工程，并未考慮長(zhǎng)距離輸水工程特點(diǎn)。若對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程按此規(guī)范設(shè)計(jì)，不充分考慮地形地貌和土地開(kāi)發(fā)利用實(shí)際情況，導(dǎo)致實(shí)際輸水流量與設(shè)計(jì)輸水流量存在較大差異。如以廣州市三涌補(bǔ)水工程為例，由于泵站設(shè)計(jì)時(shí)輸水線路的局部水頭損失是按沿程水頭損失的10%予以估算，設(shè)計(jì)輸水流量為5.775 m3/s，而實(shí)測(cè)的輸水流量?jī)H為3.85 m3/s。因此，對(duì)長(zhǎng)距離輸水工程，尚需復(fù)核其實(shí)際輸水能力，核算其輸水流量。

當(dāng)前對(duì)于長(zhǎng)距離輸水研究多在于空氣閥的合理設(shè)置、水錘防護(hù)及經(jīng)濟(jì)管徑的選取。張健[3]提出長(zhǎng)距離輸水工程不同工況下空氣閥設(shè)置的通用準(zhǔn)則及相關(guān)公式；石林[4]提出一種空氣罐與出口溢流池結(jié)合的水錘防護(hù)方案；常金梅[5]采用費(fèi)用現(xiàn)值法，探討長(zhǎng)距離輸水工程經(jīng)濟(jì)管徑的確定問(wèn)題。對(duì)于長(zhǎng)距離輸水輸水流量復(fù)核及影響因素研究較少見(jiàn)。

本文首先提出長(zhǎng)距離輸水工程輸水能力復(fù)核計(jì)算方法，然后以廣州市三涌補(bǔ)水工程為例，從實(shí)測(cè)輸水流量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)流量現(xiàn)狀問(wèn)題出發(fā)，根據(jù)泵站初設(shè)、管道初設(shè)、管道施工3種工況進(jìn)行復(fù)核分析計(jì)算，探究長(zhǎng)距離輸水泵站輸水流量減小原因，并提出長(zhǎng)距離輸水泵站建設(shè)相關(guān)建議。

1 輸水能力復(fù)核計(jì)算方法

設(shè)泵站出水池高程為H1，進(jìn)水池高程為H2，則泵站揚(yáng)程H計(jì)算公式為：

H=H1-H2+∑h

(1)

∑h=h1+h2+h3

(2)

(3)

式中 ∑h為總水頭損失；h1為輸水管道沿程水頭損失；h2為管道局部水頭損失；h3為泵站水力損失；λ為沿程阻力系數(shù)；d為設(shè)計(jì)管徑，mm；v為管道流速；l為管道長(zhǎng)度，m。

泵站運(yùn)行的各性能參數(shù)是相互聯(lián)系和相互制約的，他們之間的變化規(guī)律曲線為水泵性能曲線。泵站性能曲線代表泵機(jī)自身固有特性。泵機(jī)運(yùn)行狀況不僅與其自身特性有關(guān)，還受所連接的輸水管道系統(tǒng)之影響。管道的沿程損失和局部水頭損失均與流速有關(guān)，而流速由流量控制，流量與揚(yáng)程的關(guān)系以及與效率系數(shù)的關(guān)系均由泵機(jī)性能曲線反映，因此，為計(jì)算泵站抽水流量，需進(jìn)行迭代試算。

迭代試算方法，先假定泵機(jī)工作流量，根據(jù)流量計(jì)算管道相應(yīng)流速，結(jié)合輸水管道系統(tǒng)求得管道沿程水頭損失及局部水頭損失，由此，計(jì)算求出泵站總揚(yáng)程，根據(jù)泵站性能曲線及總揚(yáng)程，求得泵機(jī)相應(yīng)工作流量，與假定泵機(jī)工作流量進(jìn)行對(duì)比，直至根據(jù)泵機(jī)性能曲線得出的工作流量與假定泵機(jī)工作流量的誤差在允許范圍內(nèi)，則該泵機(jī)工作流量即為所求。

2 實(shí)例研究

沙河涌、獵德涌、車陂涌(以下簡(jiǎn)稱“三涌”)是廣州市天河區(qū)主要排澇河道，由北至南匯入珠江。三涌在非雨季水量小，水質(zhì)差，影響城市景觀。為改善河涌水環(huán)境，廣州市2006年啟動(dòng)三涌補(bǔ)水工程，1期工程[7]在珠江前航道邊東圃大橋附近修建東圃泵站(1級(jí)泵站)，2期工程[8]修建環(huán)城干線輸水管道，抽取珠江水至上游長(zhǎng)虹苗圃調(diào)蓄湖，3期工程修建長(zhǎng)虹泵站(2級(jí)泵站)，采用埋管方式向沙河涌、獵德涌補(bǔ)水，采用自流方式向車陂涌補(bǔ)水(補(bǔ)水工程總平面示意見(jiàn)圖1)。

圖1 廣州市三涌補(bǔ)水工程總平面示意

《三涌補(bǔ)水工程一期初設(shè)報(bào)告》中，三涌需水量按三涌堰上水頭保持10～12 cm的方式補(bǔ)水計(jì)算，沙河涌、獵德涌、車陂涌分別需要補(bǔ)水流量2.25 m3/s、1.80 m3/s、1.20 m3/s，由此得到東圃泵站設(shè)計(jì)引水流量為5.775 m3/s。

東圃泵站抽取珠江水，沿環(huán)城干線管道輸水至上游長(zhǎng)虹湖，管道長(zhǎng)為9 357 m，由此計(jì)算沿程水頭損失，局部水頭損失據(jù)《室外給水規(guī)范》按沿程水頭損失10%計(jì)，結(jié)合進(jìn)水池及出水池水位差(采用珠基高程，下同)，計(jì)算得東圃泵站特征揚(yáng)程，泵站進(jìn)、出水位組合表及東圃泵站特征揚(yáng)程計(jì)算表分別見(jiàn)表1、表2。由所計(jì)算揚(yáng)程及設(shè)計(jì)需水流量，選取泵機(jī)機(jī)型及泵機(jī)組數(shù)，泵站泵組基本參數(shù)見(jiàn)表3，泵機(jī)性能曲線示意見(jiàn)圖2。

根據(jù)上游長(zhǎng)虹湖出水口實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，東圃泵站多年平均輸水流量為3.85 m3/s，與設(shè)計(jì)流量5.775 m3/s相差較大，影響河涌補(bǔ)水效果，因此，對(duì)東圃泵站實(shí)際輸水工況進(jìn)行探討，分析輸水流量減小原因。

表1 東圃泵站水位組合 m

表2 東圃泵站特征揚(yáng)程計(jì)算 m

表3 RDL800-840B泵型特性

圖2 泵機(jī)性能曲線示意

為分析東圃泵站設(shè)計(jì)流量與實(shí)際輸水流量有差距原因，需分析泵機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況的不同。根據(jù)實(shí)地考察咨詢，排除泵機(jī)使用情況異常原因，實(shí)為運(yùn)行工況揚(yáng)程與設(shè)計(jì)工況相差較大所致。

輸水管道局部水頭損失將會(huì)影響泵機(jī)工作揚(yáng)程，進(jìn)而影響泵機(jī)輸水流量，由于建設(shè)東圃泵站為1期工程，泵機(jī)的設(shè)計(jì)揚(yáng)程未考慮2期工程輸水管道的設(shè)計(jì)及實(shí)際施工工況，輸水管道局部水頭損失根據(jù)《室外給水規(guī)范》按沿程水頭損失的10%估算，考慮此與實(shí)際運(yùn)行管道局部水頭損失存在較大差異，因此，分別對(duì)泵站設(shè)計(jì)工況、管道設(shè)計(jì)工況、管道施工工況進(jìn)行分析復(fù)核其輸水能力。

2.1 泵站設(shè)計(jì)工況下的輸水能力復(fù)核

根據(jù)1期泵站初設(shè)報(bào)告，泵機(jī)總揚(yáng)程為泵站靜揚(yáng)程、輸水管水力損失及泵站水力損失之和，輸水管水力損失為沿程水頭損失及局部水頭損失之和，根據(jù)《室外給水規(guī)范》，局部水頭損失按沿程水頭損失10%計(jì)。根據(jù)輸水能力復(fù)核計(jì)算方法得到泵機(jī)工作流量迭代計(jì)算成果見(jiàn)表4，泵站設(shè)計(jì)工況泵機(jī)性能曲線示意見(jiàn)圖3。

由表4可知，根據(jù)泵站設(shè)計(jì)工況，局部水頭損失估計(jì)為沿程水頭損失的10%，東圃泵站輸水流量為6.02 m3/s，滿足三涌補(bǔ)水設(shè)計(jì)需水量，泵機(jī)效率為83.36%，工作效率高。

圖3 泵站設(shè)計(jì)工況泵機(jī)性能曲線對(duì)應(yīng)示意

表4 泵站設(shè)計(jì)工況東圃泵站輸水流量計(jì)算

2.2 輸水管道設(shè)計(jì)工況下的輸水能力復(fù)核

根據(jù)2期輸水管道初設(shè)報(bào)告，由于地形復(fù)雜等原因，鋪設(shè)環(huán)城干線輸水管道所需彎頭較多，共72個(gè)，彎頭較多使得局部水頭損失增加，采用《水力學(xué)》彎管局部水頭損失公式計(jì)算：

(4)

(5)

式中d為管徑；ρ為軸線彎曲半徑；θ為彎管彎曲角度。

根據(jù)輸水能力復(fù)核計(jì)算方法得到泵機(jī)工作流量迭代計(jì)算成果見(jiàn)表5，輸水管道設(shè)計(jì)工況泵機(jī)性能曲線示意見(jiàn)圖4。

由表5可知，輸水管道設(shè)計(jì)工況，局部水頭損失為沿程水頭損失的57.83%，局部水頭的增加導(dǎo)致總揚(yáng)程的增加，降低泵機(jī)工作效率及輸水流量，東圃泵站輸水流量為5.15 m3/s，輸水流量不滿足三涌補(bǔ)水設(shè)計(jì)需水量，泵機(jī)工作效率為80.8%。

圖4 輸水管道設(shè)計(jì)工況泵機(jī)性能曲線對(duì)應(yīng)示意

表5 輸水管道設(shè)計(jì)工況東圃泵站輸水流量計(jì)算

2.3 輸水管道施工工況下的輸水能力復(fù)核

根據(jù)管道實(shí)際施工工況，由于施工過(guò)程受地形要素及第三方影響，施工過(guò)程與施工圖冊(cè)發(fā)生變更，彎頭增加71個(gè)，管線增長(zhǎng)403 m，局部水頭損失采用水力學(xué)公式計(jì)算。根據(jù)輸水能力復(fù)核計(jì)算方法得到泵機(jī)工作流量復(fù)核計(jì)算成果見(jiàn)表6，輸水管道施工工況泵機(jī)性能曲線示意見(jiàn)圖5。由表6可知，受地形因素影響，輸水管道實(shí)際施工與設(shè)計(jì)工況有所差異，導(dǎo)致輸水管道沿程、局部水頭有所增加，進(jìn)一步增加泵站總揚(yáng)程及降低其工作效率和公式流量，局部水頭損失大小為沿程水頭損失的133.21%，東圃泵站輸水流量為4.3 m3/s，輸水流量不滿足三涌補(bǔ)水設(shè)計(jì)需水量，泵機(jī)工作效率為73.40%。

圖5 輸水管道施工工況泵機(jī)性能曲線對(duì)應(yīng)示意

表6 輸水管道施工工況東圃泵站輸水流量計(jì)算

2.4 輸水能力復(fù)核結(jié)果對(duì)比分析

將上面泵站設(shè)計(jì)工況、管道設(shè)計(jì)工況與管道施工工況的輸水能力復(fù)核成果匯總于表7。

表7 東圃泵站不同工況相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)

由表7可見(jiàn)：

① 泵站設(shè)計(jì)工況下，當(dāng)局部水頭損失估計(jì)為沿程水頭損失的10%時(shí)，東圃泵站輸水流量為6.02 m3/s，滿足三涌補(bǔ)水設(shè)計(jì)需水流量5.775 m3/s，泵機(jī)效率為83.36%，工作效率高；

② 根據(jù)管道初設(shè)工況中環(huán)城干線補(bǔ)水管道彎頭和閘閥數(shù)量重新計(jì)算，局部水頭損失占沿程水頭損失的57.83%，東圃泵站輸水流量為5.15 m3/s，泵機(jī)效率為80.80%；

③ 由于施工過(guò)程受地形要素及第三方影響，施工過(guò)程與施工圖冊(cè)發(fā)生變更，使得沿程干線局部水頭損失增加至沿程水頭損失的133.21%，東圃泵站輸水流量變?yōu)?.30 m3/s，泵機(jī)效率為73.40%；

④ 由于未考慮輸水管道彎頭及施工變更的影響，環(huán)城干線輸水管道施工后，實(shí)際局部水頭損失由沿程水頭損失的10%增至133.21%，致使泵機(jī)工作效率降低了9.96%，泵站輸水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。

環(huán)城輸水管道中還布有較多閥井及閥件(排氣閥、蝶閥、排泥閥)，閥件會(huì)增加管道局部水頭損失，且管道內(nèi)空氣阻力產(chǎn)生的水頭損失不可忽略，氣泡的存在使得水流態(tài)變得紊亂，消耗水流動(dòng)能，還易產(chǎn)生空蝕現(xiàn)象，破壞管壁，以上因素都將進(jìn)一步增加泵站總揚(yáng)程，降低泵站輸水流量，這與上游長(zhǎng)虹湖實(shí)測(cè)輸水流量3.85 m3/s基本吻合。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出復(fù)核長(zhǎng)距離輸水工程輸水能力、計(jì)算實(shí)際輸水流量的方法，并以廣州市三涌補(bǔ)水工程的輸水系統(tǒng)——東圃泵站和環(huán)城干線管道為例，分別復(fù)核泵站初設(shè)、管道初設(shè)、管道施工3種工況的輸水流量。復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，泵站初設(shè)、管道初設(shè)、管道施工3種工況的輸水流量分別為6.02 m3/s、5.15 m3/s、4.30 m3/s，與原設(shè)計(jì)的輸水流量5.775 m3/s相差愈來(lái)愈大。由于未考慮輸水管道彎頭及施工變更的影響，環(huán)城干線輸水管道施工后，實(shí)際局部水頭損失由沿程水頭損失的10%增至133.21%，致使泵機(jī)工作效率降低了9.96%，泵站輸水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。若再考慮閥井、閥件(排氣閥、蝶閥、排泥閥)及空氣阻力的作用，東圃泵站的輸水流量進(jìn)一步降低，這與在長(zhǎng)虹調(diào)蓄湖實(shí)測(cè)的輸水流量3.85 m3/s基本吻合。

在進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水工程設(shè)計(jì)時(shí)，不宜簡(jiǎn)單按相關(guān)規(guī)范將輸水管道局部水頭損失按沿程水頭損失的5%～10%計(jì)。若不充分考慮地形地貌和土地開(kāi)發(fā)利用實(shí)際情況，會(huì)錯(cuò)誤估算泵機(jī)總揚(yáng)程，影響泵機(jī)工作效率及輸水流量，從而導(dǎo)致實(shí)際輸水流量與設(shè)計(jì)輸水流量存在較大差異。建議宜將泵站設(shè)計(jì)及輸水管道設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，結(jié)合實(shí)地調(diào)查盡可能充分考慮地形地貌和土地開(kāi)發(fā)利用實(shí)際情況，從而合理選擇泵機(jī)機(jī)型及組數(shù)。