跨流域多水源引调水工程系统设计方案研究

张红武

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

跨流域多水源引调水工程系统设计方案研究

张红武

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

引调水工程输水系统是多目标决策问题，设计时可以把大系统划分若干子系统，利用优化控制理论和分析方法，分别对子系统优化控制，再对整个大系统综合分析，从而获得较优的方案。本文结合多水源调水的工程实例，从线路布置、输水方式、泵站分级、调度控制等方面进行优化研究，得到了总体较优的系统方案，研究结论可供工程设计人员参考借鉴。

水网；输水；泵站；枢纽

1 引言

随着经济发展，水资源分布不均匀性与需水不均衡性日趋突出，跨流域调水工程越来越多。输水系统方案直接影响工程投资、施工难度、工期、运行管理。本文以山西大水网某骨干工程为实例，结合工程自身特点和运行管理要求，针对工程设计中需要解决及系统运行可能遇到的实际问题，运用优化控制理论和分析方法，将输水系统多目标的大系统，划分为 2个子系统，分别进行优化控制，以期得到安全可靠、经济合理的设计方案，并为工程建成的运行管理创造优化控制的条件。

2 工程概况

“十二五”期间，为突破山西省水资源短缺的瓶颈，山西省启动“两纵十横、六河连通，纵贯南北、横跨东西，多源互补、保障应急，丰枯调剂、促进发展”的大水网建设，它以纵贯山西省南北的黄河北干流和汾河两条天然河道为主线，以十大骨干供水体系（十横）为骨架，通过连通工程建设，将黄河、汾河、沁河、桑干河、滹沱河、漳河这六大河流及各河流上的大中型水库相连通。

本文实例工程是“山西大水网”骨干工程之一，工程实现跨流域调水，补充受水区的工农业用水，供水规模1.12亿m3/年。取水水源四座，分别为水源1、2、3、4，并利用受水区的8座已建水库作为末端调蓄水库。工程输水管（洞）线总长 255km，其中压力管线长178km、隧洞长75km（含3.0km洞穿管）。共布置3座泵站，设计扬程分别为120、159、108（76）m，总装机容量18MW，附属建筑物包括流量调节阀室、检修阀室、排气阀井等，共计469座。

3 子系统划分及优化控制总目标

运用优化控制理论和分析方法，结合工程自身特点，将输水系统大系统划分为输水子系统及控制子系统。输水子系统主要项目包括线路布置方案、取水口方案、输水方式，控制子系统主要为加压泵站、流量调节阀等。设计时分别对以上项目进行优化控制，再进行综合分析，以确定总体较优的输水系统方案。输水系统优化控制目标为：

（1）满足山西大水网规划的规模、投资、工期等总体要求；

（2）实现多水源地的灵活调度，有机统一。

（3）确定合理输水方式、线路布置方案及输水建筑物设计，满足系统运行的安全、经济、可靠。

4 输水子系统优化控制

4.1 线路布置方案

工程任务是实现漳河与汾河两个流域的连通，取水水源 1、2位于浊漳河，正常蓄水位分别为1025.2m、961.6m，水源 3、4位于清漳河，正常蓄水位分别为1142.5m、852.0m；用水区位于汾河流域，规划布置了7座已建水库作为末端调蓄库，蓄水高程均在1000～750m。

从水源地的流域关系上看，水源 2与水源 1同属浊漳流域，水源 2位于水源 1下游（东南向）约30km；水源 3、4同属清漳流域，水源 4位于水源3下游（东南向）约 50km。从水源地、用水区的相对位置及地形高程上看，水源 1距用水区最近，蓄水高程刚好满足自流输水至用水区的要求，水源2则需设置泵站提水；水源3位于水源1的东北约50km，从其附近穿越清、浊漳河分水岭段约 30km，可自流输水；水源 4位于水源 1的东南，从其附近穿越清、浊漳河分水岭段约50km，需设置泵站提水。

根据以上分析，输水线路从清漳河至浊漳河、浊漳河至汾河流域均需穿越分水岭，为工程关键区段，线路布置方案的优化控制的总体最优方案为：“水源4提水至水源3下游，汇水后穿越清、浊漳河分水岭，四座水源在水源 1附近汇水后穿漳河、汾河分水岭”，以山西大水网的规划的规模、投资、工期等总体要求进行优化控制，满足目标方案见图 1。

图1 输水系统线路布置示意图

4.2 取水口方案

本工程有四座取水水源，水源 4为在建工程，其余 3座水源都是上世纪建成并运行多年。取水口方案优化控制考虑的主要因素，一是取水口水位和水质要求；二是库岸地形、地质及输水线路总体布置；三是现状水库管理单位的运行情况；四是取水口的施工难度及施工期的环境保护问题；五是有条件时尽可能利用已有建筑物。

（1）水源1位于调水区的核心，既是调水水源，也是调水区的调蓄水库，水源取水口布置在云竹水库溢洪道右侧哑口，为岸边取水，取水口包括引水渠段、进水池段、进水塔及取水隧洞四部分组成，考虑供水及调蓄双重功能，取水隧洞采用了单洞双流道的设计。水源1取水口布置见图2。

（2）水源 2位于供水区下游，需设置泵站，采用库岸取水方式，取水口选址结合了地形、地质及施工围堰布置，布置于库区右岸的一沟道内（距坝址约 1km），取水口采用竖井式结构，并将泵站与取水口结合布置，为适应库水位的变幅，泵组选型为立式长轴泵（斜流）。

（3）水源 3位于主管线上游，可自流输水，取水口选址坝前右岸，受地形、地质条件限制，不具水的事故率低、末端调蓄库规模及当地水源互补性等因素，综合国内同类工程经验，确定采用单线输水方式。备新建输水隧洞条件，对原导流涵洞采用洞穿钢管，进水塔至导流涵洞进口采用沉管方案。

（4）水源 4为新建工程，需设置泵站，泵站采用引水式，取水口直接利用该水源的发电洞取水建筑物，设计在电站压力管道上增设岔管和控制阀，直接引水。

4.3 输水方式

引调水工程的输水方式主要有无压重力输水、有压重力输水、泵流等，输水建筑物主要有明渠、管道及隧洞等。明渠输水过流能力强，投资较低、施工简单，但受地形影响较大、占地大、水量蒸发渗漏损失较大、沿途污染难以控制、日常运行管理较为困难；管道输水供水保证率高、损失水量少、施工方便、运行维护方便、防污染性强，但工程造价较高。隧洞输水是长距离引调水工程在穿山过岭地段的主要型式，其优点是供水保证率高、损失水量少、防污染性强，但施工难度大、工期长，造价高。

《室外给水设计规范》（GB50013）规定：“输水干管不宜少于 2条，当有安全贮水水池或其他安全供水设施时，也可修建一条”，规范还规定：“城镇的事故水量为设计水量的 70%”。充分分析本工程取水多水源的互为备用、高性能管材及长隧洞输

图2 水源 1取水口布置图

优化控制后输水方式：①过分水岭的长隧洞段采用无压隧洞明流输水，减少水头损失和隧洞投资；②主管线段采用压力管道重力流输水；③泵站进、出水池间采用压力管道泵流输水；④为减少输水流态的频繁变化，明流隧洞的连接段采用明渠（管）输水，有压管道间的长度较短隧洞采用洞穿压力管道输水。

5 控制子系统

本工程的控制子系统项目主要有：加压泵站、流量调节阀室、检修阀井、排（进）气等，核心是加压泵站及流量调节阀。

5.1 加压泵站

加压泵站优化控制主要内容，一是泵站级数、各级间扬程分配、泵站内泵型、泵组台数（容量），二是泵站与输水子系统连接方式。

泵站级数太多调度运行复杂、管理不便，级数太少单级泵站杨程过高，会带来泵组选型困难和管线运行压力高、安全性差等问题。本工程主管材为PCCP，结合同类工程经验及管道制作工艺，以工作压力不超过1.5MPa，瞬时压力不超过2.0MPa控制，结合输水系统压坡线的水压要求，确定水源2支线采用1级加压方案，水源 4支线采用 2级梯级加压方案。泵组选型选用已有运行经验的定型泵型，并做到一、二级泵站间的流量匹配、高效运行等因素。为适应工程讯期与非讯期的不同取水流量的高效经济，3座泵站均设置了两台变频电机，泵站 3还采用了大小泵组合的配置方案。优化控制后的泵站级数及泵组参数如表1。

泵站与输水系统连接方式有直抽增压、泵站设前池、泵站设前池和出水池三种。设置前池可使加压泵站的运行更稳定，前池设计一要有足够容积，保证一定的换水系数，二是尽可能采用较大的池面积，以减少水位波动，增强泵组的运行稳定性。设置高位出水池，在泵站选址时就应考虑修建出水池的地形、地质条件，其作用是减少系统的泵流段长度，泵流不仅有流速的变化，而且有流动方向变化（停泵水锤、水柱拉断—再弥合水锤），输水系统优先采用重力流输水，也即重力流输水一般不会发生倒流，通过控制流量变化率和关（开）阀时间、设置空气阀即可避免水锤或限制在允许范围内。美国和日本多将泵流段管道长度是否大于 20倍扬程作为衡量水锤严重程度的重要指标之一，本工程 3座泵站均设置了高位出水池，水力过渡分析的结果“通过优化泵出口蝶阀关闭工况，即可满足规划要求的管道压力升高率和允许的机组的倒转转速”，进一步验证了系统设计是合理的。

表1 泵站级数及泵组参数表

5.2 流量调节阀

根据输水系统布置，工程共布置了 13座调节阀，而多水源系统的调度核心为水源 1附近的流量调节阀（调水枢纽），位置如图 1。水源1既是调水水源，也是调水区的调蓄水库，调水枢纽一要实现4座调水水源的汇水、平压，二要满足所有调水水源直接供水及调蓄的双重功能，并做到总调水规模的灵活、准确调控制。设计优化控制以满足不同工况的调水流量为前提，从调节阀选型、厂房及设备布置、连接箱涵等方面综合进行优化。

调节阀一方面调节流量，另一方面要消减阀前多余水头，保证输水水压要求，调节阀选型须做到经济实用，对调流调压幅度大的支线选用价格较贵的活塞式调节阀，调压幅度小的支线选用半球阀。

调节阀选型厂房及设备布置优化内容：①将调水枢纽厂房由L形优化为”一”字形，大大减少了土建投资，且减少了一套起重设备；②通过入库调蓄与直接供水的互为备用，相应减少了2套调节阀、2套半球阀，即满足了规范要求，又大大节省了设备投资；③出水池布置时巧妙利用安装间下的地下部分做为水流通道，很好地解决了管道转弯的问题，避免管道交叉。优化后功能及可靠性不变，建筑物、设备布置更为合理，大大减少了土建及设备工程量，相应节省工程投资300余万元。目前该枢纽已建成，优化前后的布置见图 3、图4 。

图3 优化前的调水枢纽布置图

图4 优化后的调水枢纽布置图

6 结束语

本次优化控制的主要成果包括：

（1）线路布置方案的优化控制很好地解决了多水源跨越两座分水岭问题，实现了总线路最短，投资最省，且为 4座水源的联合调度创造了条件。

（2）四座水源条件不同，优化控制从多方面综合分析，确定了较优的取水口方案，水源1取水口的单洞双流道方案是洞穿双管技术的首次应用。

（3）优化控制后将无压隧洞明流输水、压力管道重力流（含洞穿管）、泵流输水等输水方式很好的应用于系统设计中，对减少水头损失、节省工程投资、运行安全创造了条件。

（4）泵站控制中的泵站分级原则、泵组选型采用大小泵组合方案、定速和变频（变速）相结合的运行方式使系统调度运行更方便、更经济；泵站与输水系统连接采用设前池和高位出水池方式，泵流段长度均缩短到 1km以内，水锤问题迎刃而解。

（5）调水枢纽的全面优化取得了较好的经济效益，其“入库调蓄与直接供水阀组互为备用”及“出水池流道的巧妙布置”是优化的核心与亮点。

通过输水子系统与控制子系统的优化控制得到总体最优的输水大系统方案，其方法和主要结论可为类似工程提供借鉴。

［1］孟晋忠.泵站与输水系统非调节工况特性与控制［J］.太原理工大学学报，2005（01）：85-89.

［2］蒋慰孙、俞金寿.过程控制工程［M］.北京：中国石化出版社，1999.

［3］杨建玺、徐莉萍等.控制工程基础［M］.北京：科学出版社，2008.

TV68

B

1672-2469（2015）08-0061-05

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.020

张红武（1971年—），男，高级工程师。