海口市疏水工程的水力过渡过程及运行控制研究

苏惠云

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

1 海口市疏水工程的水力过渡过程及运行控制

1.1 海口市疏水工程概况

以海口市疏水工程作为分析对象，该工程由水库连通工程、五源河防洪排涝、输配水工程、灌溉泵站、水源提水泵站、东山取水首部枢纽等组成。2030年农业灌溉设计保证率为90%、城镇供水设计保障率为95%，工程总供水量为3.09×108～3.28×108m3。南渡江引水工程新增灌溉面积7300.00 hm2，其中，永兴灌区通过东山泵站提水后借道海口中西部城市供水线路送至灌区后，由灌区泵站二次提水加压灌溉永兴500.00 hm2的灌区；昌旺灌区、龙泉灌区通过东山泵站提水，经美安黄竹分水泵站二次加压至黄竹分干渠输送至灌区，再由灌区泵站加压灌溉昌旺1426.67 hm2、龙泉2313.33 hm2灌区。通过龙塘右岸灌溉泵站直接取水加压灌溉2533.33 hm2的龙塘灌区。通过玉凤泵站直接从玉凤水库取水加压灌溉526.67 hm2的玉凤灌区。南渡江引水工程首部取水枢纽东山闸坝位于东山镇上游约400 m南渡江干流上，根据坝区的地形、地质条件，采用软基建坝，枢纽布置桩号编制以左岸控制点A为0+000.00 m桩，拦河闸坝建筑物从左至右依次为左岸连接段、泄水冲沙闸、溢流坝以及生态鱼道。枢纽坝顶全长460 m。其中，左岸连接段长53 m，泄水冲沙闸坝段长120 m，溢流坝段长224 m，生态鱼道长63 m。左岸新建四级上坝公路300 m，扩建四级上坝公路3.5 km。首部枢纽工程(东山闸坝)新建后，可抬高河道水深，提高东山泵站的取水高度及保证率。五源河整治工程整治范围，由五源河入海河口沿原河道至上游的海南安全网制造厂(Y033道路桥处)，全长12.57 km；往上可与永庄水库供水渠道相连，便于将来河道生态补水。水库连通工程是指通过渠道或管道，穿过分水岭(G224国道、海榆中线)，将永庄水库与沙坡水库汇水区连通。本工程范围为永庄水库至丘海大道排洪涵洞，线路全长3.02 km，其中，管道段长0.30 km，渠道段长2.72 km。

表1给出了灌溉泵站的设计流量。灌溉设计流量由田间至支、干输水系统逐级考虑流量输水损失累加至提水泵站得到，加大流量按设计流量加大30%计；供水设计流量由最高日用水量，并考虑输水损失推求而得。经计算，其他泵站共11座，设计流量9.1 m3/s。龙塘右泵站地处于南渡江干流河床右岸，该处在龙塘镇龙塘坝上游200 m。该泵站拥有3.10 m3/s的储水能力，该泵站内置了单级双吸水平中开式离心泵3台，其中2台正式运营和1台备用，总装机3.0 MW，设计流量为3.10 m3/s，设计扬程为40.17 m。龙塘右泵站是海口东部城市供水线路的水源泵站。塘左灌溉泵站布置在龙塘镇龙塘坝上游约250 m处南渡江左岸，泵站取水能力为2.18 m3/s，龙塘左灌溉泵站内布置3台单级双吸水平中开式离心泵，2用1备，总设计流量为2.18 m3/s。龙塘左泵站是龙塘片灌区的水源泵站。研究定义和概化沿程过水建筑物以构建一维调水工程，然后，分析水力要素的影响因素，包括水力过渡过程中开度和流量的变化，最后可获得实际操作过程中需注意的问题，为调度方案的制定提供指导意见。图1(a)和图1(b)分别为永庄水库和沙坡水库的水位-库容曲线。

图1 永庄水库和沙坡水库的水位-库容曲线

表1 灌溉泵站的设计流量

1.2 海口市疏水工程的运行控制

海口市疏水工作调度过程中，疏水系统调度方案的制定需考虑时水位的动态变化、渠道内和管道断面的流速等。操作失误将会导致局部管道的压力突变或渠道溢流，进而造成管道水锤安全性低或爆管的现象[1-3]。依据相应的工程条件以及海口市疏水调度方案的相关要求，实际的充水过程可分为三个阶段，分别是预先对疏水工程的充水方案进行确定、预先对水力和流量控制方式进行确定、对计算结果进行分析。基于此，根据实际的条件将充水方案可分为三个阶段，分别是松涛水库-东山水库、加烈水库-龙塘水库、三滩水库-龙塘水库。对于松涛水库-东山水库的充水方案，依据不同的充水水源可分为从下至上充水和从上至下充水。研究将松涛水库作为充水水源来分析充水过程中闸门的水力控制方式，因此，将从上至下充水作为充水方式完成充水工作[4-5]。首先，对于峰山口输水闸进行开启，然后，打开全部的泵站节制闸。疏水工作中的充水流量需通过闸门开度的调节力度完成控制。当水流达到泵站1时，顺沿着水流方向的沿线疏放水工程的水位逐渐增加，此时渠道内水位线逐步开始上升，在水位上升的过程中需结合各段水位和放水的时间。当各段水位达到启泵水位时，则从下到上将4个泵站节制闸依次关闭，同时在启泵条件符合后完成充水。表2是5个泵站的运行水位表。

表2 5个泵站的泵前水位和泵后水位

对于加烈水库-龙塘水库，该渠道总长度为 8 km 左右，假如将加烈水库作为充水水源，则首先需开启该水库的水源汇入水闸，进而紧挨着的渠道开始充水。当水位达到渠道内的某一高度时，则需停止该水库的放水工作，并让泵站8开始工作，同时继续充水使其满足泵站6的启泵水位。泵站启动依据单个泵运行工作考虑，疏水流量为单机设计流量。当加烈水库由于水位较低等客观原因而使其无法充当充水水源时，则可将龙塘水库作为充水水源完成充水工作。同时开启沿线节制闸，在符合泵站8运行水位后关闭节制闸，同时开始向上充水，满足泵站6的启泵水位后关闭节制闸。对于三滩水库-龙塘水库，该管道的长度为22 km左右，在充水工作完成后需进行闭水检查[6]。假如将龙塘水库作为充水水源，则充水过程中将龙塘水库的水流通过泵站1出水管调入到蓄水池中，当深度达到不能再升高的深度后，再以小流量的形式向复合型管材中充水。

2 海口市疏水工程水力过渡和运行控制效果分析

海口市疏水工程各个组成部分的设计流量和开销成本如下，东山取水首部枢纽1座，死水位13 m，设计运行水位15 m；水源提水泵站4座，总设计流量19.08 m3/s(其中，从南渡江引水流量为18.70 m3/s)；分水泵站1座，设计流量5.00 m3/s；新增灌区配套泵站10座，设计流量4.10 m3/s；输水干线长50.617 km，其中，输水管道长21.150 km，输水箱涵(隧洞)长29.467 km；灌区骨干工程总干管9.22 km，干管34.12 km，分干管46.02 km，支管115.64 km，分区水塔(水池)20座，分块水池(水塔)261座；田间工程灌溉毛管223.67万m，微喷带2013.01万m，土方开挖272万m3，回填220万m3；五源河综合整治河段长12.574 km；永庄水库至沙坡水库连通工程3020 m。工程静态总投资为322 259.94万元。研究以从永庄水库疏水的方向为正方向，而负流量则为反向疏水。流量变化可分为流量增加和流量减少两种情况。流量增加是指永庄水库水量从初始0 m3/s增加到13 m3/s。流量减少模拟过程如下，逐级关闭3级和6级泵站，采用由上而下阶梯方式关泵。两种情况下研究从流量和水位两个方面进行考虑。图2(a)是指第一阶段稳态水位，从图2(a)中可知，5个泵站均在稳定水位。图2(b)是指各级泵站前断面水位变化曲线，图中可以分析得到各个泵到达稳定的时间。如泵1在1.2 h后水位因为流量的变化而开始变化，在4.6 h后水位达到稳态。实际调度过程中，任意两个相邻的泵站的渠道水位需符合相应的水位标准。

图2 第一阶段稳态水位和各级泵站前段面水位变化曲线

流量减少过程中，管道断面流量过程认为降低流量这一工况对流量影响较小。图3(a)是指第一阶段某一时刻的沿程流量，图3(b)是指5个泵站流量变化曲线。图3(b)可表示疏水过程中5个泵站在稳定状态时疏水流量均达到了标准，依据无流量通过可知道计算结果准确。当时间为1 h，则泵站1开始有了流量；当时间为11 h，则泵站的流量达到了标准流量。由其余4个泵站的疏水流量可知，稳定流量均可满足工况的标准。

图3 第一阶段某一时刻的沿程流量和5个泵站流量变化曲线

海口市疏水工程运行控制三个阶段的累计充水量分别为368.28万m3、27.00万m3、11.70万m3，累计充水时间分别为204.60 h、14.30 h、33.00 h；阶段一的累计放水量为368.28万m3，累计放水时间为204.26 h。图4(a)是指0时刻第一阶段沿程水位。从0时刻沿程水位结果图可知，在充水刚开始前渠道为干渠，当水库的水到泵站1渠道开始充水。伴随着充水时间的增加，水位开始逐渐变化，并达到疏水的要求。水位的底高程和顶高程的取值范围分别47.6～51.4 m和51.6～58.7 m。图4(b)是指充水完成后第一阶段沿程水位。从图可知，充水完成后，各个泵站的水位均相对比0时刻的水位有一定程度的提高。水位的底高程和顶高程的取值范围分别46.3～57.5 m和52.0～60.2 m。

图4 0时刻第一阶段沿程水位和充水完成后的水位

管道在充水过程中流速过大将会造成水锤等危险事故，因此需严密重视疏水工程的流速。图5(a)和图5(b)分别是指海口市疏水工程的第一阶段和某一断面的沿程流速。从图5(a)可知，沿程流速约为-0.20～0 m/s。在此流速下管路出现水锤现象的概率非常低，因此，海口市充水工况的流量调度具有安全性。由某断面流速变化曲线图可知，在该时间段内的最大流速为0.55 m/s，平均流速为0.30 m/s，任意时刻管道的流速均低于0.60 m/s。

图5 海口市疏水工程的第一阶段和某一断面的沿程流速

3 结 论

为了模拟海口市疏水工程的水力过渡过程，研究提出了疏水工程的水力过渡过程及运行控制方案。当时间为1 h，则泵站1开始有了流量；当时间为11 h，则泵站的流量达到了标准流量。海口市疏水工程运行控制三个阶段的累计充水量分别为368.28万m3、27.00万m3、11.70万m3，累计充水时间分别为204.60 h、14.30 h、33.00 h；阶段一的累计放水量为368.28万m3，累计放水时间为204.26 h。另外，第一阶段五个泵站水位在0时刻的底高程和顶高程的取值范围分别47.6～51.4 m和51.6～58.7 m。充水完成后相应的取值范围分别46.3～57.5 m和52.0～60.2 m。伴随着充水时间的增加，水位开始逐渐变化，并达到疏水的要求。第一阶段沿程流速约为-0.20～0 m/s，在该时间段内的最大流速为0.55 m/s，平均流速为0.30 m/s，任意时刻管道的流速均低于0.60 m/s。研究结果丰富了疏水工程的水力过渡过程及运行控制的相关理论。但研究仍然存在不足之处，后续需考虑到实际调度中需考虑到运行控制方式。