浅谈宁波市水库群联网联调工程水力过渡过程计算

朱亚磊

【摘要】在输水系统中，水流从一个稳定状态变到另一个稳定状态，称为水力过渡过程，水锤是水力过度过程中流体运动速度骤然发生变化而引起水压力剧烈变化的瞬变过程。对输水系统水力过渡过程进行模拟分析是输水系统安全的需要，模拟结果可以为水锤防护策略制定提供了基础依据。对水锤的破坏作用认识不足， 考虑防护不周， 就可能会引起事故造成巨大损失。 因而， 水力过渡过程分析，并研究过渡过程中水锤的规模及防护对于保证工程安全运行、降低工程成本，合理制定工程运行调度原则有着十分重要的意义。

【关键词】水库群；联网联调，水力过度过程；水锤；计算

1、工程概况

宁波市水库群联网联调（西线）一期工程主要由钦寸水库亭下至宁波引水工程、溪下水库引水工程、东西线（岭脚至萧镇段）连通工程三部分组成，主要位于宁波市奉化和鄞州西部山区，本工程线路输水线路全长41.32km。本项目建成后，将进一步提高宁波市水资源调控能力、完善并优化宁波市水资源配置网络，为宁波市经济社会发展提供重要基础支撑。

2、工程任务和规模

2.1引水工程规模

根据2030水平年宁波中心城区、杭州湾新区需水要求，结合本次2030水平年联合调度水量平衡分析成果，从充分利用丰、平水年水库优质水资源增加供水量的角度考虑，认为可行性研究阶段确定的引水工程规模是合适的。

（1）钦寸水库亭下至宁波引水工程。钦寸水库亭下至宁波引水工程是西线水源联网连通工程的主力输水工程，该工程调节钦寸、亭下、许江岸（远期纳入）水库水源主要向桃源水厂、江北水厂（远期纳入）配置原水，水量丰富时向杭州湾新区、江东水厂供水。根据逐日水量平衡计算成果，亭下调节站至岭脚分水点段输水工程设计规模（净输水规模，以下同）97万m3/d（桃源水厂（50万m3/d）、杭州湾新区（12万m3/d）、江北水厂（15万m3/d）和江东水厂（20万m3/d））；岭脚分水点至溪桃源水厂段输水工程设计规模77万m3，其中至杭州湾新区和江北水厂的输水隧洞接口在本工程中予以预留，预留规模为27万m3/d，满足钦寸—亭下—许江岸等水库水量丰富时向杭州湾新区（12万m3/d）、江北水厂（15万m3/d）的输水要求。

当周公宅—皎口水库因故不能向毛家坪水厂供水时，钦寸水库亭下至宁波引水工程承担毛家坪水厂的应急供水，大岙连接段输水工程设计规模为35万m3/d。

（2）溪下水库引水工程。皎口水库至溪下水库连通工程实施后，溪下水库日常供水规模为10万m3/d，溪下水库向桃源水厂应急供水设计输水规模为35万m3/d，相应的溪下加压泵站规模为35万m3/d。

（3） 皎口水库至溪下水库连通工程。皎口水库至溪下水库连通工程输水规模80万m3/d，可以充分利用皎口水库弃水增加溪下水库供水量。

（4）东西线（岭脚至萧镇段）连通工程。东西线（岭脚至萧镇段）连通工程即岭脚分水点至萧镇常规输水规模20万m3/d，满足西线水库群水量丰富时向江东水厂（20万m3/d）的输水要求；为了远期东西线骨干水源沟通（即萧镇至横山水库引水管线沟通工程），实现东西线骨干水源工程的应急调节，东西线（岭脚至萧镇段）连通工程预留至横山水库引水工程输水管线接口，预留规模与横山水库至东线水厂（东钱湖及北仑水厂）引水规模25万m3/d相匹配。因此，东西线（岭脚至萧镇段）连通工程输水规模45万m3/d。

2.2主要引水工程

经过技术经济综合比较，本工程推荐线路输水线路全长41.32km，主要由钦寸水库亭下至宁波引水工程、溪下水库引水工程、东西线（岭脚至萧镇段）连通工程三部分组成。

（1）钦寸水库亭下至宁波引水工程。钦寸水库亭下至宁波引水工程主要由亭下调节站、输水隧洞、输水管道、沿线各类阀室、大岙连接段等组成。输水线路自亭下流量调节站起始，终至桃源水厂，输水主线长约27.90km（不包括大岙连接段长度约0.8km），其中隧洞长25.76km，管道长2.14km。

（2）溪下水库引水工程。溪下水库引水工程设计引水规模为35万t/d，主要建筑物由输水管道、输水隧洞、溪下加压泵站等组成。溪下水库引水管道从大坝发电引水钢管末端（放空管分岔点下游）位置接出后经溪下泵站加压后向西跨越泄洪渠进入隧洞，向西经永福庵南侧再折向南至溪下水库库尾出洞后，以管道的型式往南穿越溪下水库库尾进入桃源水厂配水井。输水线路全长2.68km，其中隧洞长2.17km，管道长0.51km。

（3）东西线（岭脚至萧镇段）连通工程。东西线（岭脚至萧镇段）连通工程输水隧洞设计引水规模为45万t/d，输水管道设计引水规模为45万t/d，主要建筑物由输水隧洞、输水管道、萧镇配水站及附属建筑物等组成。输水管线自钦寸水库亭下至宁波引水工程输水隧洞岭脚南侧处分水，向东南开挖隧洞至自觉寺水库西侧，出洞后以管道的形式穿越国道、甬金高速至萧镇配水站，再利用萧镇至江东水厂现有管道引水至江东水厂。岭脚至萧镇输水线路全长9.93km，其中隧洞长8.51km，管道长1.42km。

3、 工程布置与参数设置

3.1上游水位

钦寸水库：正常蓄水位98m，死水位66m，最高輸水水位102.96m；亭下水库：正常蓄水位82.65m，死水位44.05m，最高供水水位为89.63m；许江岸水库：正常蓄水位98m，供水死水位65m；亭下调节站：钦寸水库、亭下水库、许江岸水库（远期纳入）来水经流量调节阀调节后亭下调节站最高水头88m，最低水头58.8m。溪下水库：正常蓄水位55m；供水死水位27m；

3.2供水流量

（1）钦寸水库亭下至宁波引水工程。1）亭下调节站至岭脚分水点段输水工程设计规模（净输水规模，以下同）97万m3/d，满足钦寸—亭下—许江岸等水库水量丰富时向桃源水厂（50万m3/d）、杭州湾新区（12万m3/d）、江北水厂（15万m3/d）和江东水厂（20万m3/d）的输水要求；2） 岭脚分水点以下输水工程设计规模77万m3/d，满足钦寸—亭下—许江岸等水库水量丰富时向桃源水厂（50万m3/d）、杭州湾新区（12万m3/d）、江北水厂（15万m3/d）的输水要求（其中至杭州湾新区和江北水厂的输水隧洞接口在本工程中予以预留）。

（2）溪下水库引水工程。溪下水库日常供水规模为10万m3/d。钦寸亭下水库引水工程因故不能向桃源水厂供水时，由溪下水库向桃源水厂应急供水，应急工况设计输水规模为35万m3/d，相应的溪下加压泵站规模为35万m3/d。

（3）东西线（岭脚至萧镇段）连通工程。东西线（岭脚至萧镇段）连通工程即岭脚分水点至萧镇常规输水规模20万m3/d，预留规模与横山水库至东线水厂（东钱湖及北仑水厂）引水规模25万m3/d相匹配。因此，东西线（岭脚至萧镇段）连通工程输水规模45万m3/d。

3.3调度方式

本工程运行调度控制原则及方式如下：

1）钦寸水库亭下至宁波引水工程。钦寸水库亭下至宁波引水工程调度方式分为两种情况，一是联合供水，二是单独供水。联合供水；即钦寸、亭下、许江岸（远期纳入）水库水源经输水管道、调节阀汇合至亭下调节站联合供水，由亭下调节站调节来自三个水源地的压力水头，实现亭下至宁波引水的总流量控制。单独供水：当遇到某个水库处于低水位，或遇到应急情况如某个突发水污染事故、或输水工程事故时，可由其余两个或单个水库来供水。根据上游水位及供水流量，在上游水位不能满足重力流供水的情况下利用桃源水厂前泵站加压供水。

2）溪下水库引水工程。溪下水库引水工程，由溪下水库引水，经溪下泵站控制其供水流量。

3）东西线（岭脚至萧镇段）连通工程。东西线（岭脚至萧镇段）连通工程，取水自西线工程岭角分水点由萧镇配水站站前控制阀门控制其供水流量。

4、计算方法

运用特征线法求解水锤问题的步骤为：第一步，将不能直接求解的流动暂态偏微分方程式转化为特定形式的全微分方程组，称为特征线方程；第二步，对全微分方程组进行积分，产生近似的代数积分式——有限差分方程；有限差分方程对管路划分为多个步段 Δ x，对时间划分为多个时段 Δt ，逐次地进行求解，分段愈细密，其解与原积分愈近似，不过计算工作量也愈大；第三步，根据有限差分方程和管路系统的边界条件方程编制源程序上机运算。

5、结论与建议

5.1 结论

为保证上游输水隧洞水击安全，石沿山支洞、张家车支洞、晚香岭支洞、倪家岙支洞及雪岙支洞予以保留。工程建成后，关阀正常运行工况和紧急工况的时间应尽量控制开阀和关阀时间，本工程模拟中，采用的关阀时间为20s，按上述时间操作，可保证系统安全。东西线（岭脚至萧镇）联通工程萧镇处阀萧镇处阀门关闭对钦寸水库亭下至宁波引水工程主线路影响较小，对分水点至萧镇段影响较大，最大压力水头出现在阀门前，因此在阀前管道设计中应注意安装安全泄压阀等保护装置。溪下泵站停泵水锤对输水线路影响较小，过程中局部会出现负压，产生负压的位置在上游桃源水厂进水阀位置，但并未出现水柱拉斷的现象，不会产生弥合性水锤。

5.2 建议

本工程水力过渡过程对工程的安全性对阀门启闭的过程依赖性较大，建议对桃源水厂前控制阀及萧镇处启闭阀的启闭方式及结构可靠性进行研究，以确保运行中阀门的启闭可控制，结构可靠。