长距离梯级泵站输水站点选址研究

陈 静

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012)

水是工农业生产、生命存续的必需资源，是经济发展、人类进步不可或缺的物质条件。我国水资源分布不仅呈现出南北差距大、季节性明显等特征，在地区内部也表现出水资源的不平衡性，这种水资源分布不均，将制约缺水地区的生产、生活[1]。为了解决缺水地区的用水需求问题，实践中进行了大量的探索与实践，其中大规模、长距离梯级泵站的输水效果较好，成为广泛采用的水资源优化配置的重要方式[2];但是，长距离梯级泵站输水工程投资费用较大，运行管理费用较高，如何减少综合投资费用，提高长距离梯级泵站输水效益，成为探讨、研究的重要课题[3]。对于长距离梯级泵站输水工程，泵站的分级数量及站点选址将直接决定输水工程的造价投资、运行维护费用，故合理确定梯级泵站分级数量及泵站站点位置成为实践中的首要问题[4]。本文对长距离输水工程中梯级泵站站点选址进行优化分析，以期节约投资费用，为长距离梯级泵站输水工程提供实践参考。

1 泵站选址的一般规定

泵站站点选址不仅影响输水工程的投资造价，还影响后期的维护管理及效益发挥。科学合理确定泵站(包括进水池、泵房及出水池等)位置，一般需满足以下规定[5]：

(1)泵站选址应考虑泵站规模、供水量等因素。

(2)泵站选址应考虑地形、地质、水源状况、水质特点及泥沙情况等。

(3)泵站选址应选择在便于施工、工程布置的地点，同时应尽量排除自然灾害潜在威胁。

(4)泵站选址地点地基应选择岩土较坚实、抗渗性较好天然地基，避免在地质不良地段选址。如果选址地点地质不良，应制定地基处理方案，并采取加固措施。

(5)泵站选址应考虑电源来源、输变电工程造价，尽可能减少输电费用。

(6)泵站选址应考虑交通方便性，以便于材料设备运输、人员往来及运行管理。

(7)泵站选址还应考虑生活便利性，在条件允许下尽可能使靠近村镇或居民点，以便给予工人工作、生活的便利。

2 基于费用现值法的泵站选址模型

2.1 模型建立

基于费用现值法，可将长距离梯级泵站输水工程的费用分为4个部分，即输水管道费用现值(CpNPV)、年运行电费现值(CeNPV)、管道维修费用现值(CmNPV)及泵站厂区费用现值(B)[6]。

设某一长距离输水工程由n级泵站组成，以输水工程总费用现值最小为目标，则可建立泵站选址最优方案目标函数：

minEmin(E1、E2…Ei…En)

(1)

Ei=+Wi+Bi

(2)

Wi=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(3)

式中，E—输水工程的费用现值，元；i—第i级泵站；W—管道综合投资费用现值(CpNPV)、计算期内管道维修费用现值(CmNPV)及年运行电费现值(CeNPV)之和，元；B—泵站厂区总费用现值。

由于建站位置、占地补偿标准、土建费用、建筑工程及机电设备费用不同，甚至差距较大，考虑起来较复杂，泵站厂区费用较难确定；因此，只考虑CpNPV、CmNPV和CeNPV，即长距离输水工程中梯级泵站选址的数学模型为：

min(W)=CpNPV+CmNPV+CeNPV

(4)

2.2 约束条件

2.2.1 水量约束

2.2.2 扬程约束

长距离梯级泵站输水工程中，各级泵站静扬程之和等于输水工程总静扬程。

2.3 参数确定

2.3.1 管道投资

在地质参数、输水流量、管道布置、管材管径及泵站静扬程等一定条件下，以管道投资费用最小为目标，建立目标函数为[7]：

(5)

式中，Fg—管道投资费用，元；n—不同壁厚管段数；i—第i段管道；Fgc—材料及安装费，元；Fgf—管沟开挖及回填费，元。

2.3.2 年运行电费

采用电度电费、基本电费的两部制电价方案进行计算，公式如下：

(6)

式中，C—泵站年运行电费，元；T—泵站年运行时间，h；S1—电度电价，元/(kW·h)；w—泵站变压器总容量，kVA；S2—基本电价，元/(kVA·月)。

通常，输水工程根据不同运行期及运行方案，需考虑电费分摊及综合电价，则年运行电费的计算公式为：

(7)

式中，n—工程运行计算年；t—工程运行年份；H—水泵工作扬程，m；η—水泵机组效率；T—工程年运行时间，h；St—第t年综合电价，元/(kW·h)；i—折现率。

2.3.3 管道年维修费

输水管道在使用过程中，需进行适时维修。通常管道年维修费按管道综合投资的固定比例(1%～2.5%)计算，因此各年管道维修费用相等，其计算年限内管道年维修费现值之和计算公式为：

(8)

式中，Cm—管道年维修费用，万元；n—计算年限，一般取20a。

2.3.4 水泵流量扬程

3 算例与分析

3.1 工程概况

3.1.1 工程概述

某长距离梯级泵站输水工程呈条带状布置，输水管线(双线布置)基本沿公路旁侧布置，总长度约达29km，总静扬程477.34m。输水规模为4.0万m3/d(工业用水为3.0万m3/d，居民生活用水1.0万m3/d)，按照10%计算输水损失及水厂自用，则输水规模为4.4万m3/d，年输水总流量1606万m3。

3.1.2 费用计算

根据当地实际，输水工程用电的电度电价为0.47元/(kW·h)，基本电价为24元/(kW·月)(按变压器容量计算)和31元/(kW·月)(按最大需量计算)。输水工程管材及安装运输费、管道管沟开挖费、管沟机械回填和人工回填费、管道管壁防腐费分别为5200元/t、19.5元/m3、7.7元/m3、28.8元/m3、70.5元/m2。

此外，为了便于计算，文章选择管径DN600、管壁8.0mm的刚道进行计算分析，管道年维修费按管道投资现值的1%计，则该输水工程各项费用见表1。

表1 输水工程各项费用 单位：万元

3.1.3 泵站位置初设

根据该输水工程地形情况及泵站选址的一般规定，可设选址地点有9处，具体见表2。

表2 泵站选址位置

3.2 输水泵站理论选址分析

为了便于分析，仅讨论无分水情况下的梯级泵站站址选择情况，有分水任务时的泵站选址可简化处理为无分水情况的计算流程。假定该输水管线的布置坡度固定不变，总静扬程为400m，利用Matlab软件进行编程计算，将该输水工程分为3～8级，分级数与输水工程总费用现值关系如图1所示。

图1 不同泵站分级的输水工程总费用现值

从图1可以看出，不同分级数最优方案的总费用现值变化规律，即随分级数的增加表现为先减小后增加，理论上分6级时费用最低。同一分级情况下，不同选址方案的总费用现值差距较大，如分4级时，最差方案与最优方案相差1603万元。可见，泵站分级数量及选址位置对输水工程减少投资有重要影响。

根据梯级泵站输水站点选址数学模型，可求解出不同分级数的费用最小方案的站址位置，具体见表3。

从表3可以看出，不同分级建站方式中的的最优选址位置位于扬程均分处附近，因此，若地形、地质等条件允许，长距离输水工程中的泵站站点规划应采用等扬程划分方式。

3.3 输水泵站实例选址分析

3.3.1 分级方案初选

上述输水工程总静扬程477.34m，根据分级数量不同，分2级时，单泵静扬程过大，而扬程愈高，停泵水锤值愈大，且对管道壁厚度、水锤防护措施要求过高，因此不考虑2级泵站方案。故对该工程泵站分3～7级，并对各方案进行计算，以确定最优选址方案。

3.3.2 分级方案确定

由于可建站位置为9处，选址组合方案不同，输水泵站总费用不同。分级数为3～7级时，不同方案的输水总费用现值计算结果如图2所示。

表3 不同分级的最优建站方案站址位置及费用现值

注：P代表建站位置，L代表静扬程，m。

表4 不同分级的最优建站方案站址位置及费用现值

注：N代表站址编号，L代表静扬程，m。

图2 不同泵站分级的输水工程总费用现值

从图2可以看出，泵站分级数相同时，不同选址方案的费用现值相差较大，如分5级时，费用最高选址方案(1#、4#、5#、6#、7#)与费用最高选址方案(1#、3#、5#、7#、9#)相差1532万元。另一方面，随着分级数的增加，输水工程总费用现值先减小后增加，在6级泵站方案时，总费用现值达到最小。

不同分级数的最优方案泵站选址参数见表4。

梯级泵站分级数目将直接影响输水工程投资及运行管理，在一定范围内，泵站分级数目增多，工程费用总投资费用现值减小，但与此同时，泵站厂区建设费用及后期工程运行管理费用就会增加，因此，应合理确定输水泵站的分级数量。从表4可以看出，该输水工程在6级建站时费用现值最低，因此应在6级分级内选择最佳方案；同时，根据输水泵站理论选址分析的均分处附近为最优选址位置的结论，该工程分4级泵站输水时，最优方案静扬程变化不大，同时该方案可减小各级泵站间的流量调节问题;因此，该输水工程应将表4内4级建站方案作为该长距离输水工程的最优选址方案。

4 结语

目前，我国已建成的一些长距离、高扬程输水泵站，工程投资成为一个不可忽视的问题。合理确定长距离输水工程中的泵站分级数量和站点选址位置，对于减少投资、方便管理具有重大意义。通过对某工业园供水工程的理论分析与工程实例分析发现，当坡度固定时，泵站的理论选址点位于扬程均分处；当以工程实例分析时，6级范围内建站时的最优方案总费用不断减小，且4级建站时最优方案中各级泵站扬程差距最小，故确定4级泵站建站为该实例工程的最佳选址方案；因此，基于费用现值法建立的输水工程总费用现值数学模型，能分析出长距离输出工程中泵站分级与站点选址的最优方案，可以在实践中参考运用。