南水北调应急排水系统运行方案优化研究——以北京段干线工程为例

石建杰，杨 卓(.北京市水利规划设计研究院 北京00048 .北京市水文总站 北京00089 )

南水北调北京段工程起自北拒马河暗渠，终点团城湖，全长约80 km，具有管线长、管径大、流量大、重要程度高等特点，是维系着城市正常运转的命脉，一旦发生突发事故不能正常工作，需迅速排空相应输水管涵内的积水，进行应急处置，排空速度和排空效果对减少事故损失、降低影响范围有着举足轻重的意义；同时，工程应急排空还应充分考虑在可能的情况下充分利用南水北调珍贵水源，减少弃水，避免浪费。因此对现状应急排水系统运行方案进行优化研究有着重要的现实意义和指导作用。

1 南水北调北京段干线工程应急排水系统概况

南水北调北京段干线工程排水设计工况为单侧管涵分段应急抢修工况，即当南水北调干线工程单侧管涵发生事故时，关闭相应闸阀设施，在保证一侧管涵正常通水的条件下，抽排事故段管涵积水。

图1 南水北调北京段干线工程布置简图Fig.1 The diagram of mainline project in Beijing section of the South-to-North Water Diversion

北京段因大宁调压池而分为两端，上段为惠南庄泵站～大宁调压池段，下段为大宁调压池～团城湖明渠段。上段为双排、管径4 m的PCCP管道，全长约56.4 km，占北京段总干渠长度的70%，沿线设分水口5处、连通阀井3处、排气阀井102处、排水井19处、末端阀井1座，3处连通阀井将双线管道分为单线4段、双线共8段。按照有关规范要求，PCCP管道工程按单线一段管道应急排水为条件设计排水设施，并以全线检修排水量最大段为不利情况选取排水设备。工程排空主要由排空井自流、强排两部分组成，先进行自流排空，自流完成后架设排水泵进行强排，排水设备主要有长轴深井泵6台、便携式潜水电泵6台。

大宁调压池～团城湖明渠段由永定河倒虹吸、卢沟桥暗涵以及西四环暗涵等段组成，卢沟桥暗涵为双孔内径3.8 m×3.8 m方涵；西四环暗涵工程为双孔直径4 m输水涵洞，由于中间无节制设施，本段工程在应急检修排水时需排空全线单侧管涵，排水设备按单侧全线管涵积水量为设计排水量。本段排水设备主要有长轴深井泵5台，拖车式排水泵2台[1]。

2 排水系统运行方案优化研究

2.1 优化研究的必要性

2009年12月，根据运行管理要求，对干线北京段进行了一次全线排水。最终结果证明，原设计应急排水方案可满足工程检修的需要，各排水点均发挥了应有的作用，但也存在个别排水点因沟渠被侵占等变化而致使排水受限，以及在全线全排空等非设计工况下排水时间稍长等问题，并存在大量弃水现象，而且北京段在国内外首次采用了大规模地双排、管径超大、沟槽最深的PCCP管道，在城市快速路下建成的长距离、大口径输水隧洞也属罕见，缺乏能够直接借鉴的排水检修运行经验。加之地形变化大，运行水力条件复杂，难以预测和检验排水后管道内部情况和排水质量。因此通过数值模拟方法来模拟在现状排水设施和排水设备的情况下全线应急排水系统工作状况，并据此研究优化运行措施和设备调度方案，以提高排水速率、减少排水时间、节约宝贵水资源，为应急抢修指挥等工作提供决策支持。

2.2 技术路线

主要建立北京段干线工程管涵内排水水流的数字模型，并构建可视化的建模平台和结果展示平台，可提供各个排水点排水量的输出、各段排水动画、制定断面水位、流量等水力参数的变化过程以及积水情况的定量展示，通过该平台对南水北调的数字模型进行调整形成不同的方案，为决策提供条件。

排水模型的生成主要有计算模型开发和应用、数字管道搭建方案集成两部分工作组成。将工程CAD图作为源数据，一些说明文件作为辅助数据，通过多个流程的处理，生成可以计算的基本管道。

计算模型采用管道中非恒定流动的质量守恒方程和动量方程，其一维二维形式也被称为圣维南方程。该方程可表示为如下形式：

(1)

式中：x是管道流动的方向；t是时间；A是横断面的面积；Q是流量；H是水头(水深加上压力)；Sf是摩阻系数(单位长度上的水头损失)；hL是沿程能量损失；g是重力加速度。

方程的摩阻项Sf和hL可以表示成如下的形式：

式中：n是曼宁系数；V是管道的平均速度；R是管道断面的水力半径；k是修正系数，一般取1；K是局部水头损失系数；L是管道的长度。

当考虑单个管道时，只需给出首末断面的边界条件和管道的初始状态就能求解。而对于要分析的管网，需要考虑连接各个管道节点的水流运动模型。本模型假定节点存在渐变的水面线，水体在节点处水量平衡。

(2)

式中：Astore是节点处的水面面积；∑As是管道连接节点处贡献的水面面积。

有的节点不具备蓄水能力，那么Astore=0[2-5]。

2.3 不同工况排水方案优化研究

南水北调北京段排水数字模拟模型的计算结果应明确分段排水及全线排水的主体排水量、排水时间和局部剩余水体的情况。本文主要对事故检修设计工况和全线排空检修工况进行模拟。均采用先自流后强排方式，当水位达到强排水位时，立即利用水泵进行强排，且下文提到的强排时间均不包含安装、开启水泵所需要的时间。

2.3.1事故检修设计工况

设计工况以1、2、3号连通井为分段点，将PCCP工程分为4段，加上永定河倒虹吸至西四环暗涵段共计5段。

惠南庄泵站停泵后起始处的水位为58 m，其他各段的水位按照管道的摩阻坡降降低。停泵后，采取先自流后强排的措施，其中自流和强排的转换采用水位控制的方式，不同排水点取不同的自流出流系数和泵型。大宁之后的排水段，仅通过水泵进行强排。

分别对以上5段管道单侧排水情况进行模拟计算，以2号至3号连通井PCCP管段为例，计算结果如下，该段从桩号HD20+948至桩号HD40+155，全长约20 km，单管水量约24万m3。该段所包含8～15号共8个排水点，除14、15号使用1 600 m3/h的强排泵外，其余均用800 m3/h的强排泵。

由模拟看出，每个排水点的强排曲线均出现拐点，证明各排水点在各自负担的排水段中均能够排除积水。排空阀井12、14号具有比较大的自流能力。排空阀井9、11号的排水工作时间较短，排水任务较小。

如图3所示，36 h之后，管内水深不再发生变化，排水任务基本结束，出现四处积水。其中HD27111～HD27839之间积水较为严重，是由于受条件限制12号排空阀井未设置在低洼处，后段积水是由于靠近处于关闭的3号连通井，水体无法排出。

设计工况下全线5段管涵各排水点排水量、排水时间计算结果如表1所示。

表1 设计工况自流强排流量统计Tab.1 The free-flow statistics of design conditions

续表1 设计工况自流强排流量统计

从模拟结果中可明显看出，全线总体排水能力能满足工程事故抢修的需要，但因地面条件受限等原因而导致管道敷设局部低洼点较多，排水口无法顾及全部低洼处，因此全线有23处积水点，积水情况如表2所示。

表2 各段的局部积水量Tab.2 The local water of each segment

2.3.2设计工况优化研究

(1)推荐排水点。在工程分段排水的工况下，根据设计工况计算结果和现状排水点受限条件，并结合现有排水设备情况，选定重要排水点作为实际排水的推荐方案，在应急排水检修情况下，可优先启用此类排水点进行排水。

根据表1统计数可得出各排水点任务量，结合能否自流以及现状地面受限情况推荐各段优先排水点如下，1号联通井前：1号排空井；1号联通井-2号联通井管段：2、4、6、7号排空井；2号联通井-3号联通井管段：8、9、13、14、15号排空井；3号联通井-大宁调压池管段：16、17、19号排空井；永定河倒虹吸工程-西四环暗涵段：倒虹吸1号排气阀井、卢沟桥暗涵2号排空井、西四环暗涵调压塔、14号通气孔、暗涵渐变方涵、三厂分水口。以PCCP管道左纵为例，各段排水模拟结果如下。

图4 PCCP管道排水情况(16 47 h)Fig.4 PCCP drainage pipes(16 47 h)

本方案相对于设计工况，减小了若干排水点。通过计算结果对比分析， 1号连通井前以及倒虹吸至西四环段积水百分比大致相同，其余3个管段积水均有所增加，增量最大的1号连通井-2号连通井，积水量由设计工况4.35%增至优化工况6.45%，由此可见，这种选取建议排水点的方案是有效的。

根据前面的分析，按照排水点排水范围和负担任务，排水点可分为重要和次级重要两个部分。重要的排水点包括：1、2、8、9、17、18、19号排空阀井、2号排空井、调压塔、14号通气孔、渐变方涵、水源三厂等排水点。其余为次级排水点。排水过程中需要首先保证重要排水点的排水能力。

表3 事故检修优化工况积水量Tab.3 The water quantity of accident overhaul optimize conditions

(2)排空井阀门开度控制。实际运行中，如果排水管流量太大会产生诸多不利的影响。因此一般出口流量不应超过2 m3/s。但为节约排水时间，当流量不超过2 m3/s时，应尽可能加大阀门开度。因此通过数值模拟计算出各阀门允许流量时的开度和全开时间两个参数。

计算可知，自流状态1、7、19号排空阀井排水流量超过2 m3/s，如获得3个阀门限制开度和全开时间，需要进行两组迭代。第一组，通过阀门开度步进，从全开一直到限制开度；第二组，通过自流流量变化点向后步进，得到理想的全开时间。以0.05个开度为步进单位，得到各阀门限制开度，以30 min为步进步长，求得各阀门全开且出口流量小于2 m3/s的时间，结果如表4所示[6]。

表4 各排水点阀门限制开度及全开时间Tab.4 The valve opening degree and full time limit for each drain points

2.3.3全线排空检修

全线排空检修工况在输水管涵投入使用后较少用到，为非设计工况，全线排空时既要考虑尽量降低排空时间，又要节约水资源尽量先通过末端自流进受水池-团城湖。因此通过计算重点分析全线局部积水和各排水点工作情况，据此对排水泵优化配置及末端闸门开度控制进行研究。

(1)末端出口闸开度控制研究。为节省水资源，减少强排水量，在关闭惠南庄泵站后，先由团城湖明渠自流全线积水，然后监测某个排水点附近的水位。当排水点附近的水位不再变化(变化很缓慢)时，各排水点开始各自的自流和强排。

由图5可以看出，末端自流排水主要集中在20 h内，17 h以后自流流量降至2 m3/s，20 h以后自流流量为1.22 m3/s，31 h以后自流流量降至0.3 m3/s，总排水量为596 776.625 m3。

图5 团城湖出口处自流曲线Fig.5 The free-flow curves of Tuancheng Lake outlet

由图5末端闸全开时的流量过程线可知闸门初始出流流量很大，容易在上段管涵产生较大负压，危害管涵及其附属设备安全，因此需对闸门开度进行限制，保证其过流流量不超过4 m3/s。在对单管限制流量为4 m3/s情况下，43 h后，其流量小于2 m3/s(单管1 m3/s)。

(2)各排水点工作情况以及排水泵优化配置。在现有排水设备的条件下，为降低全线排水时间、减少工作成本和提高调度效率，一方面尽可能延长排水点的自流时间，另一方面协调各排水点的用泵时间。通过对数值计算分析，PCCP管道的1、2、8、16、19号排空阀井以及倒虹吸～西四环暗涵段的2号排空井、调压塔、水源三厂排水任务较重，应优先保证强排用泵需求，其他排水点可根据积水水位下降情况采用轮转用泵的方式。PCCP管道的1、2、7、14、15、19号排空阀井具有较强的自流能力，应通过进一步加大自流时间的方法降低排水时间。3、4、5、9、10、11、12和13号排空阀井具有一定的自流能力，但排水任务相对较小，可以延长自流时间减少排水总时间。

图6 48 h后全线管道排水水头分布图Fig.6 The distribution diagram of head for the drainage pipe line after 48 h

从表5可以看出，全线排水的局部积水明显小于事故检修设计工况，说明连通井的开启对其前后管段低洼处积水的排除有十分重要的作用。

3 结 语

通过构建排水模型和结果展示平台，直观显示了各排水点的排水量、断面水位、流量等水力参数的变化过程，通过计算分析确定各排水点重要程度和优先级别，并对出口闸门自流流量和开度控制等问题进行研究，据此对排水系统运行调度方案进行优化，为工程管理决策提供了科学依据。在运行管理中，应结合实际排水工况对干线各排水点排水过程进行记录，详细记录流量曲线、排水量曲线等过程数据，并据此率定模型参数，使排水模型能更准确反映排水点工作情况，更好地指导运行管理。

表5 全线排空局部积水量Tab.5 The water quantity of local water volume drained

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