揚(yáng)水灌溉泵站群系統(tǒng)區(qū)間水量平衡調(diào)度模型探討

摘 要：高揚(yáng)程灌溉工程主要分布在我國西北缺水地區(qū)，為解決當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)生活用水問題發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在高揚(yáng)程、多梯級、大流量的灌溉工程中，泵站群區(qū)間水量平衡調(diào)節(jié)是工程運(yùn)行調(diào)度管理的重難點(diǎn)。以景電二期工程為例，基于泵站群系統(tǒng)的特征，對運(yùn)行時區(qū)間流量發(fā)生變化的原因進(jìn)行了分析，提出泵站群區(qū)間水量變化的計算方式和水量平衡的調(diào)節(jié)方式，并確定調(diào)節(jié)時刻，建立揚(yáng)水灌溉泵站群區(qū)間水量平衡調(diào)度模型，研究成果可為泵站工程調(diào)度管理提供參考。

關(guān)鍵詞：景電工程；泵站群系統(tǒng)；區(qū)間水量平衡；調(diào)度模型；調(diào)節(jié)措施

中圖分類號：S27；TV91 " " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

我國水資源總量豐富，但人均水資源量卻很低，是世界上極其缺水的國家之一。為實(shí)現(xiàn)不同時空水資源優(yōu)化配置、解決水資源供需矛盾，大型揚(yáng)水灌溉泵站越來越多，尤其在我國西北缺水地區(qū)。然而，由于引水源水質(zhì)的差別、泵站機(jī)組運(yùn)行效率的不同、調(diào)度人員分析判斷能力的差異等原因，泵站群系統(tǒng)各泵站區(qū)間水量平衡調(diào)節(jié)的頻率不同。泵站群區(qū)間水量不平衡直接影響作物生長，降低灌溉效率，增加能耗，造成垮渠、設(shè)備損壞等次生災(zāi)害。因此，如何通過調(diào)度實(shí)現(xiàn)泵站群區(qū)間水量的平衡運(yùn)行是急需解決的問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對水量調(diào)度的方案及方法做了較多研究。在分析計算方面，Nepal等[1]通過水文空間過程（SPHY）模型評估了尼泊爾查梅利亞流域30 a（1990—2019年）的水平衡情況；陳記臣等[2]以云浮市鎮(zhèn)安灌區(qū)為例，對灌溉水量進(jìn)行了平衡分析計算。在水量調(diào)度算法研究方面，侯文娟[3]以某流域大型水庫群為研究對象，基于逐步優(yōu)化算法構(gòu)建用水調(diào)度模型，對水庫群中長期水量調(diào)度問題進(jìn)行計算分析；雷曉輝等[4]利用遺傳學(xué)算法，采用模擬模型和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合的方式，優(yōu)化了引江濟(jì)巢段的雙線引江比例。在水量調(diào)度的數(shù)值仿真研究方面，李生錢等[5]設(shè)計了引洮供水一期工程水量調(diào)度模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證；Hassan等[6]基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文模型，開發(fā)了一種水平衡模型以預(yù)測埃塞俄比亞文藝復(fù)興大壩（GERD）流入量，證明了衛(wèi)星數(shù)據(jù)和水文模型在跨界水庫管理方面的有效性；易漢文等[7]以都江堰灌區(qū)為例，對各分水樞紐的閘門分別建模，研究了流量-閘門開度模型。在水量調(diào)度優(yōu)化研究方面，Mwanga等[8]通過分析加納北部邦坦加灌溉大壩水庫水資源供應(yīng)的變化，構(gòu)建了優(yōu)化水庫管理的水資源平衡模型，對大壩水分配策略、放水時間和儲存決策進(jìn)行了優(yōu)化；王吉勇等[9]依托數(shù)學(xué)模型，對濱海平原超低揚(yáng)程大流量排水泵站群建立“河—閘—泵”匹配和轉(zhuǎn)換機(jī)制；張舒等[10]對中小河流水電站梯級水量優(yōu)化調(diào)度技術(shù)進(jìn)行了研究；趙麗萍[11]對水量平衡模型和水資源聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行概化，預(yù)測沂河流域的來水量、需水量。

國內(nèi)外學(xué)者對水量調(diào)度模型的研究基于已建成的模型，而且大多針對水庫群、流域、單梯級調(diào)度模型，而對多梯級、高揚(yáng)程情況下泵站群系統(tǒng)區(qū)間水量平衡調(diào)度模型的研究較少。因此，本文以景電二期工程為例，在分析泵站群區(qū)間總流量變化原因的基礎(chǔ)上，考慮非恒定非均勻流的影響，更符合實(shí)際情況。調(diào)節(jié)方式的選擇基于流量差，可以更精準(zhǔn)地控制區(qū)間水量，避免過度調(diào)節(jié)或調(diào)節(jié)不足。通過區(qū)間水量變化的計算、水量平衡調(diào)節(jié)方式和調(diào)節(jié)時刻的選擇，建立水量平衡調(diào)度模型，合理調(diào)節(jié)各泵站區(qū)間運(yùn)行的水量，實(shí)現(xiàn)泵站群系統(tǒng)安全、高效、平穩(wěn)運(yùn)行，同時也為其他灌區(qū)高揚(yáng)程、多梯級、大流量灌溉工程的水量平衡調(diào)節(jié)提供參考。

1 揚(yáng)水灌溉泵站群系統(tǒng)的特征

1.1 泵站群系統(tǒng)布置復(fù)雜、水泵機(jī)組數(shù)量多

在景電二期工程運(yùn)行期間，平均投入運(yùn)行不同型號、不同流量的水泵數(shù)量多達(dá)240臺，根據(jù)工程運(yùn)行的總需求，投入運(yùn)行的水泵數(shù)量隨灌季、流量的不同不斷進(jìn)行增減。

泵站布置方面，大多數(shù)泵站由于站址地形、地質(zhì)、取水、對外交通等條件的差異，分散布局往往不同，相鄰泵站之間通過長度不等的干渠渠道和水工建筑物連接。由于各泵站所在地理位置不同，為了協(xié)調(diào)各泵站間流量的差別，各級泵站揚(yáng)程略有差異，泵站之間選擇的水泵型號亦不同。如景電二期工程總干渠共設(shè)13級泵站，全部采用臥式離心泵，一至五泵站均設(shè)置8臺1200S-56型泵，六泵站為8臺1200S-56B型泵，單機(jī)流量均為3 m3/s，除上述8臺主機(jī)外，二至五泵站還均設(shè)2臺14sh-9B型泵，六泵站設(shè)2臺14sh-13型泵，作為調(diào)節(jié)機(jī)組，單機(jī)流量為0.28 m3/s。為了適應(yīng)黃河水位變幅所造成出水流量的差異，在一泵站特設(shè)2臺14sh-9B型和2臺20sh-9型調(diào)節(jié)機(jī)組。七至十三泵站已進(jìn)入灌區(qū)，為了適應(yīng)沿線分水灌地和靈活運(yùn)行的要求，選用了大、中、小三種機(jī)型，大機(jī)、中機(jī)作為主機(jī)，小機(jī)作為調(diào)節(jié)機(jī)組。大機(jī)機(jī)型為1200S-32，單機(jī)流量為3 m3/s；中機(jī)機(jī)型為24sh-19，單機(jī)流量為0.89～0.94 m3/s；小機(jī)機(jī)型為14sh-19，單機(jī)流量為0.28 m3/s。

不同泵站內(nèi)部水泵安裝數(shù)量不等，大部分泵站水泵并聯(lián)安裝，每1條出水管道并聯(lián)安裝了2～3臺流量不同的水泵。如景電二期工程總干一泵站1#管道并聯(lián)安裝了設(shè)計流量為3 m3/s的水泵2臺和設(shè)計流量為0.3 m3/s的水泵1臺（見圖1）。

1.2 泵站群系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時間長

景電灌區(qū)內(nèi)水資源貧瘠，地表、地下水儲備匱乏，多年平均降雨量僅為184 mm，年蒸發(fā)量卻高達(dá)3 038 mm。為解決區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物的灌溉問題，工程運(yùn)行時間將覆蓋灌區(qū)農(nóng)作物的整個生長周期。按照灌季劃分，有冬季灌溉、春季灌溉、夏季一苗灌溉、夏季二苗灌溉、夏季三苗+秋季一苗灌溉、秋季二苗灌溉、秋季三苗灌溉共七輪灌溉。景電二期工程每年3月下旬上水，至11月下旬停水，期間除9月中旬至10月上旬停水外，基本上連續(xù)上水，年運(yùn)行時間長達(dá)5 160 h。

1.3 泵站區(qū)間灌溉進(jìn)度平衡控制要求嚴(yán)格

大型梯級揚(yáng)水工程灌溉用水的管理方式是因供定需型，工程的供水能力直接影響灌溉用水量和用水時間。各灌溉區(qū)塊的供水能力受該區(qū)塊所在上下兩級泵站的水泵機(jī)組運(yùn)行方式的限制，在工程設(shè)計中，各泵站區(qū)間的支渠分配流量由上、下游泵站不同流量和不同開啟數(shù)量的水泵提供，如位于總干九泵站與總干十泵站區(qū)間的總干三支渠控制灌溉面積為4.27萬hm2，設(shè)計流量為1.39 m3/s；而位于總干九泵站與總干十泵站之間的總干五支渠控制灌溉面積為2.19萬hm2，設(shè)計流量為0.71 m3/s。如果各泵站區(qū)間的灌溉進(jìn)度失去平衡，如某一個泵站區(qū)間灌溉進(jìn)度滯后于整個灌區(qū)的灌溉進(jìn)度，則該區(qū)間所在的上、下游泵站無法提供趕上全灌區(qū)灌溉進(jìn)度所需的增加流量。

1.4 工程運(yùn)行中出現(xiàn)故障的風(fēng)險高

揚(yáng)水灌溉工程泵站群的運(yùn)行包含了眾多水工建筑、供電線路、電氣設(shè)備、水力機(jī)械等，系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因眾多，如操作不當(dāng)、設(shè)備超負(fù)荷運(yùn)行、工程破損老化加劇等，出現(xiàn)垮渠、跳閘停機(jī)等事故或故障的幾率較大，特別是當(dāng)發(fā)生泄流事故時，會對整個工程的綜合能耗產(chǎn)生較大影響，造成水電資源的嚴(yán)重浪費(fèi)以及次生災(zāi)害。

2 泵站群系統(tǒng)運(yùn)行時總流量變化的原因分析

泵站群系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于水流中泥沙含量、水泵運(yùn)行效率、水泵機(jī)組運(yùn)行方式、前池水位變化等原因，系統(tǒng)運(yùn)行區(qū)間流量在一定范圍內(nèi)變化，區(qū)間流量的不穩(wěn)定影響上、下級泵站之間的供水或灌溉流量，而灌溉流量一直是灌區(qū)用水調(diào)度的重要依據(jù)。因此，詳細(xì)分析泵站群系統(tǒng)運(yùn)行時總流量變化的原因，有利于更好地發(fā)揮該泵站工程的效益。

2.1 水源水質(zhì)的變化

水泵軸功率的計算式為式中：ρ為水的密度（kg/m3）；g為重力加速度Q為水泵流量（m3/s）；H為水泵揚(yáng)程（m）。

由式（1）可知，當(dāng)水泵軸功率在額定值運(yùn)行，并且需要滿足水泵揚(yáng)程要求的高度時，水流泥沙含量不同造成水的密度變化時，流量Q發(fā)生改變。

根據(jù)景電二期工程設(shè)計資料，黃河安寧度站多年（1954—1981年）平均含沙量為5.09 kg/m3，1951年8月3日該站最大斷面平均含沙量更是達(dá)到382 kg/m3，工程設(shè)計控制含沙量為16 kg/m3。

對于從河道直接取水的泵站，河道水質(zhì)受降雨、季節(jié)等自然因素的影響，水流的泥沙含量隨時發(fā)生變化，導(dǎo)致水泵流量出現(xiàn)偏差。

2.2 水泵效率的變化

水泵效率（η）由水力效率（ηw）、容積效率（ηv）、機(jī)械效率（ηm）構(gòu)成，計算式為水泵葉輪、軸套、扣環(huán)等水泵配件在運(yùn)行中的磨損程度不同。隨著運(yùn)行時間的延長，汽蝕磨損作用使水泵過流部件表面粗糙度增大，水泵密封環(huán)間隙增大，水泵的出水流量隨之減小，導(dǎo)致水泵容積效率下降。運(yùn)行管理方面，若水泵機(jī)組的軸承（套）潤滑工作不到位，會導(dǎo)致水泵機(jī)組軸承（套）在運(yùn)行中因摩擦發(fā)熱，降低機(jī)械效率。水泵效率的變化導(dǎo)致泵站總流量發(fā)生變化。

2.3 水泵機(jī)組運(yùn)行方式的差別

水泵出水管道的水頭損失包括局部水頭損失和沿程水頭損失。管道局部水頭損失計算式為管道沿程水頭損失計算式為式中：v為斷面平均流速（m/s）；ξ為局部阻力系數(shù)；λ為沿程阻力系數(shù)；L為管道長度（m）；i為管段數(shù)量；di為管道直徑（m）。

對于已經(jīng)建成的泵站，管道長度和直徑相對固定，水頭損失僅與管道內(nèi)流速的平方成正比，管道內(nèi)流速越大，水頭損失越大。在泵站實(shí)際運(yùn)行中，由于水泵機(jī)組故障檢修等多種原因，泵站內(nèi)運(yùn)行機(jī)組的差別，導(dǎo)致了泵站總流量的變化。

2.4 泵站前池水位的變化

從式（1）可知，某一級泵站水中泥沙含量的變化、水泵運(yùn)行方式的調(diào)整，會造成水泵出水流量及運(yùn)行揚(yáng)程的改變，導(dǎo)致該泵站或上、下級泵站機(jī)組進(jìn)行開停機(jī)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)會迅速影響下級泵站前池水位的變化，并逐級影響到后續(xù)泵站前池水位的變化，引起一系列連鎖反應(yīng)，進(jìn)而影響泵站群系統(tǒng)的運(yùn)行工況，破壞泵站群系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2.5 泵站區(qū)間支渠閘門操作與分流流量

圖2為揚(yáng)水灌溉工程泵站群系統(tǒng)布局示意圖。設(shè)計有分流支渠的后級泵站總流量為前級泵站總流量與支渠分流后的剩余流量。

支渠分流值的準(zhǔn)確性，直接影響該支渠所處下游泵站前池水位的變化。分流值大于確定值，導(dǎo)致下游泵站前池水位的降低；分流值小于確定值，則導(dǎo)致下游泵站前池水位的升高。

對分流支渠閘門操作的及時性也會導(dǎo)致下游泵站前池水位的變化。提前操作支渠閘門，即使分流值精確，也會導(dǎo)致下游泵站在低于設(shè)計水位的工況下運(yùn)行，反之，則會導(dǎo)致下游泵站在高于設(shè)計水位的工況下運(yùn)行。

3 揚(yáng)水灌溉工程泵站群系統(tǒng)運(yùn)行水量平衡調(diào)度模型

3.1 泵站區(qū)間運(yùn)行水流流態(tài)

實(shí)際運(yùn)行中的兩級泵站，在不考慮水的滲漏、蒸發(fā)等微觀因素造成水量損失的前提下，總出水流量會因前一級泵站前池水位、水泵運(yùn)行機(jī)組、水泵運(yùn)行效率等因素不斷變化，該區(qū)間分流流量也會受到干渠水位變化的影響，因此，前后兩級泵站區(qū)間運(yùn)行水流流態(tài)屬于非恒定非均勻流。

3.2 泵站前池水位變化的調(diào)節(jié)措施

在串聯(lián)式泵站群系統(tǒng)的運(yùn)行中，某一級泵站前池水位發(fā)生變化會引起后級多個泵站前池水位的變化。泵站前池水位的調(diào)節(jié)，從水量方面只有水量補(bǔ)給、水量減少兩種方法；在泵站調(diào)節(jié)措施方面，有開啟或停用調(diào)節(jié)水泵、改換主水泵、開啟備用主水泵、暫停主水泵等措施；在區(qū)間水量運(yùn)行方面，可通過改變分流流量滿足泵站前池水位調(diào)節(jié)的需要。

3.3 水量平衡調(diào)節(jié)調(diào)度模型

3.3.1 泵站區(qū)間的水量變化計算

泵站間明渠水流流態(tài)為非恒定非均勻流，采用一維非恒定流模型來描述水流在明渠中的運(yùn)動，基本方程圣維南偏微分方程組為

流入渠道水量為

渠道內(nèi)水量平衡公式為

渠道供水流量約束條件為

式中：BT為當(dāng)量河寬（m）；Z為斷面水位（m）；t為時間（s）；x為河長（m）；q為河道旁側(cè)入流流量（m3/s）；A為過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；K為流量模數(shù)；H1 為水泵凈揚(yáng)程（m）；Hfi為i級渠道沿程水頭損失（m）；Hji為i級渠道局部水頭損失之和（m）；Qi、Qqi、Qqmin、Qqmax、Qbi、Qi+1分別表示第i級渠道流入流量、渠內(nèi)流量、安全范圍內(nèi)渠內(nèi)最小流量、安全范圍內(nèi)渠內(nèi)最大流量、支渠分流流量、流出流量（m3/s）。

以泵站最佳運(yùn)行工況下前池設(shè)計水位對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行水量為基本需求水量m，計算T1時刻泵站前池水位對應(yīng)泵站區(qū)間水量m1與基本需求水量m的差值Δmd：

選擇T1時刻與距Δt時間間隔的T2時刻，T1時刻水位對應(yīng)水量為m1，T2時刻水位對應(yīng)水量為m2，由兩個時刻的水量差Δm與間隔時間Δt，計算引起泵站區(qū)間運(yùn)行水量差值的前后兩級泵站之間的流量差ΔQq。表達(dá)式為

渠道水位線公式為

泵站水位線約束條件為

式中：Zmin、Z、Zmax分別表示安全范圍內(nèi)渠內(nèi)最小水位、渠內(nèi)水位、安全范圍內(nèi)渠內(nèi)最大水位（m）。

通過式（5）—式（15）計算泵站群中各泵站區(qū)間的運(yùn)行水量變化量。

3.3.2 調(diào)節(jié)方式選擇

根據(jù)式（15）計算泵站區(qū)間的水位線，直觀判斷各泵站區(qū)間運(yùn)行水量的余缺，超最大水位線運(yùn)行表示有多余的水量，反之，表示水量缺少。采用補(bǔ)充缺少水量、減少多余水量的辦法，使各泵站區(qū)間運(yùn)行水量處于最優(yōu)狀態(tài)。使用式（13）計算相鄰前后兩級泵站的流量差ΔQq，由此確定各泵站區(qū)間水量的調(diào)節(jié)方式，有以下四類：①當(dāng)ΔQq符合調(diào)節(jié)水泵流量且調(diào)節(jié)水泵處于備用狀態(tài)時，將調(diào)節(jié)水泵投入運(yùn)行；②當(dāng)ΔQq遠(yuǎn)小于調(diào)節(jié)水泵流量且調(diào)節(jié)水泵處于運(yùn)行狀態(tài)時，改變主水泵運(yùn)行方式；③當(dāng)ΔQq符合調(diào)節(jié)水泵流量而調(diào)節(jié)水泵作為主水泵運(yùn)行，通過改變主水泵運(yùn)行方式無法滿足ΔQq，在調(diào)節(jié)時間范圍內(nèi)，增加或減少主水泵臺數(shù)；④當(dāng)泵站區(qū)間有分流且ΔQq符合分流條件時，采用調(diào)節(jié)分流值的運(yùn)行方式。

區(qū)間水量平衡調(diào)節(jié)的持續(xù)時間T由式（10）計算出的水量差Δmd和調(diào)節(jié)方式所提供的調(diào)節(jié)水泵流量qr確定，表達(dá)式為

3.3.3 調(diào)節(jié)時刻的確定

以泵站區(qū)間運(yùn)行基本需求水量m為目標(biāo)，以當(dāng)前運(yùn)行缺少或多余水量為參數(shù)，進(jìn)行水量調(diào)度。當(dāng)泵站前池水位需要前級泵站調(diào)節(jié)時，根據(jù)該泵站前池當(dāng)前的水位變化趨勢、達(dá)到最高設(shè)計水位或最低設(shè)計水位需要的時間、前級泵站調(diào)節(jié)水量到達(dá)該泵站前池水位需要的時間，選擇最小時間間隔確定調(diào)節(jié)時刻。

4 結(jié)論

結(jié)合揚(yáng)水灌溉工程泵站群系統(tǒng)的特征，在分析系統(tǒng)運(yùn)行時總流量變化原因的基礎(chǔ)上，依據(jù)泵站區(qū)間水量變化的計算方法、水量平衡調(diào)節(jié)方式及調(diào)節(jié)時刻的選擇，構(gòu)建水量平衡調(diào)節(jié)調(diào)度模型。通過對各泵站區(qū)間水量的聯(lián)合調(diào)度，保證泵站群區(qū)間水量的平衡穩(wěn)定，減少工程運(yùn)行中的故障率，可為以后的工程調(diào)度管理提供一定的參考。

揚(yáng)水灌溉工程泵站群系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度是一項(xiàng)動態(tài)的系統(tǒng)工程，本文僅對通過調(diào)節(jié)水泵機(jī)組運(yùn)行方式和分流流量來實(shí)現(xiàn)區(qū)間水量平衡進(jìn)行了研究，后續(xù)可以考慮從泵站群系統(tǒng)運(yùn)行過程中水源水質(zhì)的變化、水泵運(yùn)行效率的變化、實(shí)際調(diào)度工作中驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性等方面進(jìn)行深入研究。

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Discussion on Interval Water Balance Dispatching Model of Pumping Station Group System for Water Lifting Irrigation：A Case Study on Jingdian Phase Ⅱ Project

ZHAO Yaping1，F(xiàn)AN Xinjian2，HOU Huimin2，SHANG Lulu2

（1. Gansu Jingtaichuan Electric Power Irrigation Water Resources Utilization Center，Baiyin 730400，China；

2. College of Energy and Power Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Abstract：High-lift irrigation projects are mainly distributed in water-deficient areas of northwest China，playing a vital role in addressing the production and domestic water demands for local people. In high-lift，multi-cascade and large-flow irrigation projects，water balance regulation of pumping stations is the focus and challenge in project operation and dispatching management. Taking Jingdian Phase II Project as an example，we analyzed the reasons for interval flow change during operation based on the characteristics of pumping station group system，and proposed the calculation method of interval flow change，as well as the selection of water balance adjustment method and adjustment time for pumping station group. Furthermore，the water balance dispatching model of pumping station group was established. The research findings provide reference for project dispatching management.

Key words：Jingdian Project；pumping station group system；interval water balance；dispatching model；adjustment measure

基金項(xiàng)目：甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21JR7RA238）；甘肅省水利科學(xué)試驗(yàn)研究及技術(shù)推廣項(xiàng)目（23GSLK079）

作者簡介：趙亞萍，女，高級工程師，本科，主要從事泵站運(yùn)行調(diào)度研究。E-mail：zypjd1972@163.com