长距离输水工程输水能力复核问题探究

刘曾美，蓝福鹏，冯斯安

(1.华南理工大学土木与交通学院水利工程系，广东 广州 510640；2.广东省水利工程安全与绿色水利工程技术研究中心，广东 广州 510640)

随着城市化的进程，经济发达地区往往因人口密度大、用水量多而面临着水资源短缺问题，城市河涌因枯水期生态基流不足、水体自净能力退化甚至丧失而存在水环境与水景观问题。随着社会经济的快速发展与水生态文明的大力推进，水资源与水环境、水景观问题受到了全社会的普遍关注。为达到协调水资源量及改善环境和景观的目的，区域调水补水工程应运而生，调水补水成为调配水资源和改善城市河涌水环境与水景观的一种常见且有效的措施。以广东省为例，大到广东省范围内的珠三角水资源配置工程[1]，从西江水系向东引水至深圳市罗田水库，为广州市南沙区、深圳市和东莞市缺水地区输水；小至广州市北部水系的三涌补水工程[2]，抽取珠江水至上游长虹调蓄湖，采用埋管、自流方式为沙河涌、猎德涌、车陂涌补水，改善枯水期水环境、水流态及水景观。

调水补水工程一般采用泵站输水方式，长距离输水工程常常受沿线复杂地形的影响大，水力元件较多，沿程、局部水头损失较大，因此，泵站总扬程计算需要考虑众多因素。而我国国家标准《室外给水设计规范》(GB 50013—2006)第7.2.3节规定[6]：调查国内几项大型输水工程的管道局部水头损失数值，一般占沿程水头损失5%～10%，所以，一些工程在可研阶段，根据管线的敷设情况，管道局部水头损失可按沿程水头损失的5%～10%计算。但该设计规范给出的管道局部水头损失计算仅适用于管道简单的短距离输水工程，并未考虑长距离输水工程特点。若对长距离输水工程按此规范设计，不充分考虑地形地貌和土地开发利用实际情况，导致实际输水流量与设计输水流量存在较大差异。如以广州市三涌补水工程为例，由于泵站设计时输水线路的局部水头损失是按沿程水头损失的10%予以估算，设计输水流量为5.775 m3/s，而实测的输水流量仅为3.85 m3/s。因此，对长距离输水工程，尚需复核其实际输水能力，核算其输水流量。

当前对于长距离输水研究多在于空气阀的合理设置、水锤防护及经济管径的选取。张健[3]提出长距离输水工程不同工况下空气阀设置的通用准则及相关公式；石林[4]提出一种空气罐与出口溢流池结合的水锤防护方案；常金梅[5]采用费用现值法，探讨长距离输水工程经济管径的确定问题。对于长距离输水输水流量复核及影响因素研究较少见。

本文首先提出长距离输水工程输水能力复核计算方法，然后以广州市三涌补水工程为例，从实测输水流量远小于设计流量现状问题出发，根据泵站初设、管道初设、管道施工3种工况进行复核分析计算，探究长距离输水泵站输水流量减小原因，并提出长距离输水泵站建设相关建议。

1 输水能力复核计算方法

设泵站出水池高程为H1，进水池高程为H2，则泵站扬程H计算公式为：

H=H1-H2+∑h

(1)

∑h=h1+h2+h3

(2)

(3)

式中 ∑h为总水头损失；h1为输水管道沿程水头损失；h2为管道局部水头损失；h3为泵站水力损失；λ为沿程阻力系数；d为设计管径，mm；v为管道流速；l为管道长度，m。

泵站运行的各性能参数是相互联系和相互制约的，他们之间的变化规律曲线为水泵性能曲线。泵站性能曲线代表泵机自身固有特性。泵机运行状况不仅与其自身特性有关，还受所连接的输水管道系统之影响。管道的沿程损失和局部水头损失均与流速有关，而流速由流量控制，流量与扬程的关系以及与效率系数的关系均由泵机性能曲线反映，因此，为计算泵站抽水流量，需进行迭代试算。

迭代试算方法，先假定泵机工作流量，根据流量计算管道相应流速，结合输水管道系统求得管道沿程水头损失及局部水头损失，由此，计算求出泵站总扬程，根据泵站性能曲线及总扬程，求得泵机相应工作流量，与假定泵机工作流量进行对比，直至根据泵机性能曲线得出的工作流量与假定泵机工作流量的误差在允许范围内，则该泵机工作流量即为所求。

2 实例研究

沙河涌、猎德涌、车陂涌(以下简称“三涌”)是广州市天河区主要排涝河道，由北至南汇入珠江。三涌在非雨季水量小，水质差，影响城市景观。为改善河涌水环境，广州市2006年启动三涌补水工程，1期工程[7]在珠江前航道边东圃大桥附近修建东圃泵站(1级泵站)，2期工程[8]修建环城干线输水管道，抽取珠江水至上游长虹苗圃调蓄湖，3期工程修建长虹泵站(2级泵站)，采用埋管方式向沙河涌、猎德涌补水，采用自流方式向车陂涌补水(补水工程总平面示意见图1)。

图1 广州市三涌补水工程总平面示意

《三涌补水工程一期初设报告》中，三涌需水量按三涌堰上水头保持10～12 cm的方式补水计算，沙河涌、猎德涌、车陂涌分别需要补水流量2.25 m3/s、1.80 m3/s、1.20 m3/s，由此得到东圃泵站设计引水流量为5.775 m3/s。

东圃泵站抽取珠江水，沿环城干线管道输水至上游长虹湖，管道长为9 357 m，由此计算沿程水头损失，局部水头损失据《室外给水规范》按沿程水头损失10%计，结合进水池及出水池水位差(采用珠基高程，下同)，计算得东圃泵站特征扬程，泵站进、出水位组合表及东圃泵站特征扬程计算表分别见表1、表2。由所计算扬程及设计需水流量，选取泵机机型及泵机组数，泵站泵组基本参数见表3，泵机性能曲线示意见图2。

根据上游长虹湖出水口实测数据，东圃泵站多年平均输水流量为3.85 m3/s，与设计流量5.775 m3/s相差较大，影响河涌补水效果，因此，对东圃泵站实际输水工况进行探讨，分析输水流量减小原因。

表1 东圃泵站水位组合 m

表2 东圃泵站特征扬程计算 m

表3 RDL800-840B泵型特性

图2 泵机性能曲线示意

为分析东圃泵站设计流量与实际输水流量有差距原因，需分析泵机实际运行工况与设计工况的不同。根据实地考察咨询，排除泵机使用情况异常原因，实为运行工况扬程与设计工况相差较大所致。

输水管道局部水头损失将会影响泵机工作扬程，进而影响泵机输水流量，由于建设东圃泵站为1期工程，泵机的设计扬程未考虑2期工程输水管道的设计及实际施工工况，输水管道局部水头损失根据《室外给水规范》按沿程水头损失的10%估算，考虑此与实际运行管道局部水头损失存在较大差异，因此，分别对泵站设计工况、管道设计工况、管道施工工况进行分析复核其输水能力。

2.1 泵站设计工况下的输水能力复核

根据1期泵站初设报告，泵机总扬程为泵站静扬程、输水管水力损失及泵站水力损失之和，输水管水力损失为沿程水头损失及局部水头损失之和，根据《室外给水规范》，局部水头损失按沿程水头损失10%计。根据输水能力复核计算方法得到泵机工作流量迭代计算成果见表4，泵站设计工况泵机性能曲线示意见图3。

由表4可知，根据泵站设计工况，局部水头损失估计为沿程水头损失的10%，东圃泵站输水流量为6.02 m3/s，满足三涌补水设计需水量，泵机效率为83.36%，工作效率高。

图3 泵站设计工况泵机性能曲线对应示意

表4 泵站设计工况东圃泵站输水流量计算

2.2 输水管道设计工况下的输水能力复核

根据2期输水管道初设报告，由于地形复杂等原因，铺设环城干线输水管道所需弯头较多，共72个，弯头较多使得局部水头损失增加，采用《水力学》弯管局部水头损失公式计算：

(4)

(5)

式中d为管径；ρ为轴线弯曲半径；θ为弯管弯曲角度。

根据输水能力复核计算方法得到泵机工作流量迭代计算成果见表5，输水管道设计工况泵机性能曲线示意见图4。

由表5可知，输水管道设计工况，局部水头损失为沿程水头损失的57.83%，局部水头的增加导致总扬程的增加，降低泵机工作效率及输水流量，东圃泵站输水流量为5.15 m3/s，输水流量不满足三涌补水设计需水量，泵机工作效率为80.8%。

图4 输水管道设计工况泵机性能曲线对应示意

表5 输水管道设计工况东圃泵站输水流量计算

2.3 输水管道施工工况下的输水能力复核

根据管道实际施工工况，由于施工过程受地形要素及第三方影响，施工过程与施工图册发生变更，弯头增加71个，管线增长403 m，局部水头损失采用水力学公式计算。根据输水能力复核计算方法得到泵机工作流量复核计算成果见表6，输水管道施工工况泵机性能曲线示意见图5。由表6可知，受地形因素影响，输水管道实际施工与设计工况有所差异，导致输水管道沿程、局部水头有所增加，进一步增加泵站总扬程及降低其工作效率和公式流量，局部水头损失大小为沿程水头损失的133.21%，东圃泵站输水流量为4.3 m3/s，输水流量不满足三涌补水设计需水量，泵机工作效率为73.40%。

图5 输水管道施工工况泵机性能曲线对应示意

表6 输水管道施工工况东圃泵站输水流量计算

2.4 输水能力复核结果对比分析

将上面泵站设计工况、管道设计工况与管道施工工况的输水能力复核成果汇总于表7。

表7 东圃泵站不同工况相关参数统计

由表7可见：

① 泵站设计工况下，当局部水头损失估计为沿程水头损失的10%时，东圃泵站输水流量为6.02 m3/s，满足三涌补水设计需水流量5.775 m3/s，泵机效率为83.36%，工作效率高；

② 根据管道初设工况中环城干线补水管道弯头和闸阀数量重新计算，局部水头损失占沿程水头损失的57.83%，东圃泵站输水流量为5.15 m3/s，泵机效率为80.80%；

③ 由于施工过程受地形要素及第三方影响，施工过程与施工图册发生变更，使得沿程干线局部水头损失增加至沿程水头损失的133.21%，东圃泵站输水流量变为4.30 m3/s，泵机效率为73.40%；

④ 由于未考虑输水管道弯头及施工变更的影响，环城干线输水管道施工后，实际局部水头损失由沿程水头损失的10%增至133.21%，致使泵机工作效率降低了9.96%，泵站输水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。

环城输水管道中还布有较多阀井及阀件(排气阀、蝶阀、排泥阀)，阀件会增加管道局部水头损失，且管道内空气阻力产生的水头损失不可忽略，气泡的存在使得水流态变得紊乱，消耗水流动能，还易产生空蚀现象，破坏管壁，以上因素都将进一步增加泵站总扬程，降低泵站输水流量，这与上游长虹湖实测输水流量3.85 m3/s基本吻合。

3 结语

本文提出复核长距离输水工程输水能力、计算实际输水流量的方法，并以广州市三涌补水工程的输水系统——东圃泵站和环城干线管道为例，分别复核泵站初设、管道初设、管道施工3种工况的输水流量。复核计算结果表明，泵站初设、管道初设、管道施工3种工况的输水流量分别为6.02 m3/s、5.15 m3/s、4.30 m3/s，与原设计的输水流量5.775 m3/s相差愈来愈大。由于未考虑输水管道弯头及施工变更的影响，环城干线输水管道施工后，实际局部水头损失由沿程水头损失的10%增至133.21%，致使泵机工作效率降低了9.96%，泵站输水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。若再考虑阀井、阀件(排气阀、蝶阀、排泥阀)及空气阻力的作用，东圃泵站的输水流量进一步降低，这与在长虹调蓄湖实测的输水流量3.85 m3/s基本吻合。

在进行长距离输水工程设计时，不宜简单按相关规范将输水管道局部水头损失按沿程水头损失的5%～10%计。若不充分考虑地形地貌和土地开发利用实际情况，会错误估算泵机总扬程，影响泵机工作效率及输水流量，从而导致实际输水流量与设计输水流量存在较大差异。建议宜将泵站设计及输水管道设计同时进行，结合实地调查尽可能充分考虑地形地貌和土地开发利用实际情况，从而合理选择泵机机型及组数。