井库流量补偿式配水系统及其配水方式研究

张永进，赖 勇，陈 舟(浙江省水利水电勘测设计院， 浙江 杭州 310002)

井库流量补偿式配水系统及其配水方式研究

张永进，赖 勇，陈 舟
(浙江省水利水电勘测设计院， 浙江 杭州 310002)

分析城市多水源供水工程中配水系统不同组成方式存在的不足，通过改进“供水水库+调节水库”联合供水方式，创新地提出了一种井库流量补偿式配水系统。配水系统在调节水库库岸增设配水井，上游供水水库输水管道接入配水井后再向下游水厂供水，配水井设连通闸与调节水库连通，配水井与调节水库之间供水流量可相互补偿,在常规的供水水库单独供水、调节水库单独供水、供水水库和调节水库联合供水配水方式基础上，还具有供水水库向调节水库和下游水厂同时供水的功能。配水井是井库流量补偿调节的中枢，配水井的布置以及体型对系统调节的稳定性及效率影响巨大，结合千岛湖配水工程水工模型试验成果，提出了一种岸坝组合碗式配水井结构。

配水系统；配水井；流量补偿；多水源

城市供水工程中，为提高供水流量及供水保证率，往往采用多水源[1-3]供水的方式，供水水库可以采用串联或并联的方式[4]。

串联配水系统通过连通隧洞或管道，将各供水水库连接后，由末端水库统一向水厂配水，这一系统可以有效汇总各供水水库的来水流量，提高配水量。然而，一旦系统下游水库水质发生问题或下游隧洞管道需要检修，将影响整个系统的配水，供水保证率不高[5-6]。

并联配水系统各供水水库均通过独立的隧洞或管道向水厂配水，既可有效利用各供水水库的来水流量，又可提高供水保证率；然而，供水水库全部采用独立的供水管网也意味着工程量及投资的大幅度增加[7-10]。

考虑到经济性和合理性，也有城市供水工程采用“供水水库+调节水库”进行供水的方式[11-13]。与供水水库相对独立的调节水库库容一般较小，与水厂距离不大，管网投资小，独立运行仅能满足城市短期的配水需求，仅在供水水库流量不足，需要临时加大配水流量或供水水库管网需要检修等情况下运用。由于调节水库集雨面积及库容小，枯水期来水流量小，往往制约调节水库调节能力的发挥，另外，调节水库供水后，备用库容只能靠自身集雨面积内的径流逐渐恢复，所需恢复时间较长。

为提高多水源供水工程的供水保证率，并节省投资，在“供水水库+调节水库”的基础上，本文通过调整供水水库接入水厂方式，并增设与调节水库可连通也可断开的配水井结构，构建了一种井库流量补偿式配水系统，并对其配水方式进行了研究，多水源配水系统布局如图1所示。

图1 多水源配水系统布局示意图

1 系统组成方案及配水方式

1.1 系统构成

井库流量补偿式配水系统主体结构包括配水井、调节水库、进水管、进水闸、连通管、连通闸、出水管和出水闸，系统布置如图2、图3所示。

图2 配水系统构成平面布置示意图

图3 配水系统构成纵剖面图

配水井位于长距离输水隧洞(管道)末端，调节水库附近，顶部为敞开式圆筒，底部低于调节水库的底高程；配水井分别与进水管、连通管、出水管相连接；配水井顶部设溢流口，溢流口堰顶高程略高于调节水库的正常蓄水位，溢流水量可直接进入调节水库或导入调节水库。调节水库既可利用已建的水库，也可以是新建的水库，位于城市近郊，库容一般不大，供水库容满足输水系统的检修要求即可；进水管与供水水库连接，出水管与水厂连接；进水管上设置有进水闸，用于控制供水水库来水进入配水井；连通管上设置有连通闸，用于控制配水井与调节水库之间的连通；出水管上设置有出水闸，用于控制配水井向下游水厂供水。

1.2 配水方式

井库流量补偿式配水系统的配水方式包含以下5种：

(1) 供水水库单独供水(正常运行模式)。开启进水闸及出水闸，关闭连通闸，控制进水管的流量与出水管的流量基本一致或略大于出水管的流量，进水管从供水水库的来水流量进入配水井后，从出水管进入水厂，配水井中的水位基本恒定或缓慢上升，少量富余水量从溢流口进入调节水库。

(2) 调节水库单独供水(检修运行模式)。关闭进水闸，开启连通闸及出水闸，调节水库的补水进入配水井后从出水管进入水厂，这一运行模式一般在配水井上游输水系统检修时使用。

(3) 供水水库和调节水库联合供水(补偿运行模式)。开启进水闸、连通闸与出水闸，由于水厂所需水量较大，进水管供水水库来水流量小于出水管流量，调节水库同时补水进入配水井，向水厂供水，从而提升系统的供水能力。

(4) 供水水库向调节水库和下游水厂同时供水(分流运行模式)。开启进水闸、连通闸与出水闸，控制进水管流量大于出水管流量，进水管从供水水库的来水流量进入配水井后，一部分流量从出水管进入水厂满足供水需求，一部分流量从连通管进入调节水库补充调节水库水量。

(5) 快速恢复调节水库的水质(应急运行模式)。万一调节水库内水质出现异常，关闭连通闸和出水闸，暂时中断向水厂的供水，进水管自供水水库的来水流量进入配水井后从溢流口向调节水库溢流，当配水井内水质恢复后，开启出水闸，由溢流口继续向调节水库溢流补水的同时，经出水管向下游水厂供水，当调节水库的水质完全恢复后，开启连通闸，通过连通管向调节水库分流补水。

1.3 主要特点

井库流量补偿式配水系统主要特点如下：

(1) 与供水水库、调节水库串联的配水系统相比，井库流量补偿式配水系统仅多了配水井、连通管及连通闸，投资相差不大，却实现了供水水库与调节水库均可独立运行的功能，提高了供水保证率。

(2) 与供水水库、调节水库并联的配水系统相比，不仅投资省，同样可实现供水水库单独供水、调节水库单独供水、供水水库和调节水库联合向水厂供水3种配水方式，还多了供水水库同时向调节水库和水厂供水的配水方式，供水水库流量可以补偿调节水库使其保持较多的水量，进一步提高整个配水系统的供水保证率。

(3) 配水调度上更加灵活，连通闸关闭时，下游供水流量需求的变化可以由配水井水位变化自行调整，配水井配水过程中，同时发挥调压井的作用。配水井流量富余时，甚至无需操作连通闸，富余水量由配水井溢流口进入调节水库，原水不会浪费。

(4) 调节水库水质出现异常情况时，可关闭连通闸，一方面，输水系统隔离调节水库正常运行，保障系统供水安全；另一方面，控制配水井进水管流量大于出水管流量，抬升配水井水位，从配水井的溢流口向调节水库分流改善调节水库水质，快速恢复调节水库功能。

1.4 运用条件

尽管井库流量补偿式配水系统相对于常规的水库多水源串、并联供水方式具有投资省、供水保证率高的特点，但也存在以下运用条件：

(1) 要求调节水库至水厂输水线路短，可靠性高，即使需要检修维护，也要速度快、时间短，否则一旦调节水库至水厂段需长时间检修维护，反而影响供水保证率。

(2) 供水水库需存在富余水头，以便下游配水井自动进行水位调节，整个系统对运行调度自动化要求也较高。

2 配水井布置及体型优化设计

配水井是井库流量补偿调节的中枢，配水井的布置以及体型对系统调节的稳定性[14]及效率影响巨大，因此，在系统布置和体型设计时应充分考虑这一因素。根据工程经验和水工模型试验成果[15-16]，采用如图4、图5所示的岸坝组合碗式配水井较为合理。

图4 岸坝组合碗式配水井平面图

配水井位于调节水库库区内结合库岸布置，为上口大、下口小的碗式结构，配水井由护岸段、闸坝段与井底围合而成。护岸段为钢筋混凝土护坡结构，利用调节水库的天然凹岸或局部拓挖库岸形成，护岸段边坡直接兼作配水井的井壁。护岸段内设有进水管的出口和出水管的进口。闸坝段包括非溢流坝段、闸室段和溢流坝段三部分，连通管和连通闸布置在闸室段内；溢流坝段顶部即为配水井的溢流口。井底为钢筋混凝土护底，高程低于进水管、连通管以及出水管的管底，方便管道清淤检修。

图5 岸坝组合碗式配水井剖面图

配水井位于调节水库库区内结合库岸布置，为上口大、下口小的碗式结构，配水井由护岸段、闸坝段与井底围合而成。护岸段为钢筋混凝土护坡结构，利用调节水库的天然凹岸或局部拓挖库岸形成，护岸段边坡直接兼作配水井的井壁。护岸段内设有进水管的出口和出水管的进口。闸坝段包括非溢流坝段、闸室段和溢流坝段三部分，连通管和连通闸布置在闸室段内；溢流坝段顶部即为配水井的溢流口。井底为钢筋混凝土护底，高程低于进水管、连通管以及出水管的管底，方便管道清淤检修。

配水井可根据清淤检修及边坡稳定需要在井壁增设马道平台。护坡段、非溢流坝段顶部设井周道路，与闸室段检修平台齐平，方便检修设施的安装及检修交通。连通闸一般设一道工作闸门和两道检修闸门，用于控制配水井与调节水库的水体交换。另外，配水井碗口外形轮廓除了圆形外，也可为椭圆、或扇形或不规则的其它封闭图形。

配水井利用库岸与重力坝组合构成的主要原因是：

(1) 流态及消能调压效果好。配水井发挥调节作用时，水位波动区主要在井筒的中上部，即中上部容积才是有效调节容积。碗式配水井上口大，下口小，与同样高度、体积的竖井式配水井相比，消能效果好，运行时水位波动也要小。另外，配水井位于调节水库库区内，连通管长度极短，连通闸开启时，配水井内水位与调节水库的水位联动性极佳，有利于改善流态。

(2) 结构稳定。碗式配水井护岸段边坡为斜坡，坡比可根据边坡的自稳要求确定；闸坝段边坡为重力式，相对常规的竖井圆筒式结构更稳定。

(3) 占地少、投资省。尽管碗式配水井上口面积大，但可结合调节水库布置，充分利用调节水库的库周管理范围，因此，实际新增占地少。另外，尽管表面上岸坝组合碗式配水井可能侵占了部分调节水库的库容，但由于井库流量补偿式配水系统的配水井对调节水库具有流量补偿的功能，因此，这方面的影响可忽略。配水井可结合护岸建设，投资相对较省，对于新建的调节水库，投资节约情况更加明显。

(4) 体型美观、交通检修方便。岸坝组合碗式配水井布置于调节水库周边，不仅体型美观，而且，可以最大可能地利用调节水库上坝公路或对外道路，交通检修方便。

3 工程应用

杭州市第二水源千岛湖配水工程是关系800万杭州居民饮水安全、健康及钱塘江水资源科学配置的重大民生工程，也是浙江省“五水共治”重点示范工程。项目从千岛湖淳安县境内取水，通过长约112.34 km的输水洞线将水引至杭州市郊区闲林水库，为下游原水输水工程提供优质千岛湖水，同时在输水线路途中向建德市、桐庐县及富阳区部分区域供水。工程为I等工程，年设计引用流量9.78亿m3，水源地千岛湖即新安江水库，是新安江电站建成后形成的库区。新安江水库正常蓄水位108.0 m，校核洪水位114.0 m，总库容216.3亿m3，是一座具有多年调节性能的大(1)型水库。

闲林水库坝址位于闲林镇朱田坞村，坝址以上集雨面积16.89 km2，正常蓄水位为70.0 m，校核洪水位为70.86 m，总库容为1 984万m3，是杭州市的应急备用水源。为提高千岛湖配水工程的供水保证率，以千岛湖为供水水库、闲林水库作为调节水库，利用闲林水库建坝时库中小岛开挖石料形成的凹槽建设配水井，构建了如图6所示的井库流量补偿式配水系统。配水井底高程37.0 m，底部半径25.0 m，护岸及非溢流坝段顶高程72.0 m，溢流坝段堰顶高程71.0 m，碗口半径60.0 m，进水管即上游千岛湖—闲林水库输水隧洞衬后洞径6.7 m，出水管共2根，即衬后洞径6.0 m的九溪、余杭方向输水隧洞和衬后洞径4.0 m的江南方向输水隧洞。

千岛湖配水工程初设概算静态总投资96.14亿元，已于2014年12月开工，目前正在建设中，项目前期配水井体型已通过水工模型试验进行验证优化。

图6 千岛湖配水工程井库流量补偿式配水系统

根据浙江省水利河口研究院就配水井配水方式和流态所开展的水工模型试验成果：

(1) 当千岛湖来流、连通闸关闭时，配水井内主流集中在37 m～50 m高程井内，来流沿进水管轴线行进，顶冲对面岸壁斜坡后，主流往上抬升，连通闸—溢流堰左侧附近水面略有壅高，且存在一定波动，平均波高为1.8 cm～2.3 cm；溢流工况时，溢流堰左半侧面层流态存在较为明显的分流现象，一部分经溢流堰进入闲林水库，另一部分则往配水井内行进，与底流形成较大范围的垂向逆时针回流；溢流堰右半侧水流则相对较为平缓，基本上以进入闲林水库为主，溢流堰堰顶左侧流速大于右侧。下游出水管口部流速相对较小，无明显绕流现象。

(2) 当闲林水库来流时，由于连通闸与配水井轴线存在偏差，配水井各层水深内均形成大范围的逆时针回流，主流集中连通闸出口附近。

根据模型试验成果，配水井结构设计合理，系统可有效实现预设的配水方式，水流条件及流态均较好。

4 结 语

根据对当前城市多水源供水工程中不同配水系统组成方式存在的不足进行分析，提出了一种井库流量补偿式配水系统，并对该配水系统配水方式以及配水井结构进行了研究，主要结论如下：

(1) 井库流量补偿式配水系统与串连配水系统投资相差不大，配水方式比并联配水系统还要灵活，并可较并联配水系统进一步提高整个配水系统的供水保证率。

(2) 配水井是井库流量补偿调节的中枢，采用岸坝组合碗式结构稳定性好，同时还具有占地少、投资省、体型美观、交通检修方便等特点。

(3) 根据千岛湖配水工程就配水井配水方式和流态所开展的水工模型试验成果，配水系统可有效实现预设的配水方式，配水井水流条件及流态均较好。

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Water Distribution System and Compensatory Water Distribution Method
Between Distribution Well and Reservoir

ZHANG Yongjin, LAI Yong, CHEN Zhou

(ZhejiangInvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandElectricPower,Hangzhou,Zhejiang310002,China)

This paper analyzes the problems existing in the construction methods of different water distribution systems in urban multi source water supply project, by improving the regular mode of water supply reservoir plus regulating reservoir, new water distribution system for compensating water between distribution well and regulating reservoir is proposed. In this system, a distribution well should be set at the regulating reservoir bank, and water flows from supply reservoir to downstream water works through the well. A sluice gate is also set between the distribution well and regulating reservoir, the water distributing well and regulating reservoir can compensate water for each other. The proposed system not only has regular functions of water supply from supply reservoir, regulating reservoir or both, but also can deliver water from supply reservoir to both regulating reservoir and water works. Water distribution well is the center of the water distribution system, the arrangement and the size of the water distribution well has great influence on the stability and efficiency of the system, according to the results of the hydraulic model test of the water distribution project of Qiandao Lake, a bowl-type distribution well was proposed, which combined with reservoir bank and dam.

water distribution system; water distribution well; water compensation; multiple water sources

TV68

A

1672—1144(2016)06—0071—05