输配水管网水锤问题初步探讨

魏 闯雷成霞雷成茂郭 银

（1.山西水利职业技术学院 山西运城 044004；2.黄河水利委员会河南水文水资源局 河南郑州 450000；3.黄河水利委员会水文局 河南郑州 450000）

1 管网输水水锤问题研究的意义

我国水资源紧缺且分配不均的问题日益突出，伴随着耕地的急剧减少和环境危机，如何高效利用灌溉水资源显得尤为重要。总体来讲，我国的农业灌溉水利用率和单方水的生产效率都很低，处于干旱半干旱地区尤为突出，农业灌溉用水有效利用率仅为0.42，农产品生产效率只有0.7 kg/m3左右，这一数据远低于国内及发达国家的灌溉农业生产水平[1]，这也表明我国节水灌溉农业仍然有很大的节水潜力有待开发。

节水农业水分损失主要体现在：输水过程中的渗漏和蒸发；田间水分渗漏和径流损失；田间土壤水分蒸发损失；作物的水分奢侈性蒸腾消耗。在这四个节水环节中，输水过程中水量的蒸渗损失是最极大的，这也是导致灌溉水有效利用率低下的主要因素。如果推广实施先进的管道输水工程技术，不仅可以提高灌溉水的输送效率，还可以有效地解决输配水工程中的蒸渗和冻胀破坏问题，更为重要的是可以大幅度提高灌溉水生产效率和有效利用率。

管网输水以其蒸发和渗漏损失最小的优点被广泛采用[2]。管道输水可以节能25%左右，节地3%左右，工程节水效益显著，节水发展前景看好，己成为我国节水灌溉工程技术的主要发展趋势[3]。

2 管网中水锤发生的原因

水锤，是灌溉水在输水管道中水力要素随时空高频快速突变，并形成周期性衰减冲击波动现象。在管网运行时，管道内的有压高速水流必然产生很大的动能，当这种水流状态由于各种原因突然发生改变时，水流的速度、压力等就会产生瞬间的突变，引起很大的动量变化量，又由于液体具有惯性和压缩性，在管壁弹性和系统阻力影响下，对水锤波又产生了缓冲的作用，这种动量变化量最终就转变成为高压冲击波，在停止点和有压水源之间进行周期性的衰减波动[4-10]。

外因方面，就是水泵、管材、设计施工以及人为操作管理不当等因素造成的。如水泵由于断电或者装置损坏等原因而突然启闭，阀门的开关和调节流量时的不规范操作；管道系统设计的不合理性和施工技术及工艺的不规范都会造成管道的压力分布的不均衡，以至于削弱过流能力，多出现在分叉管、阀门以及管道出现弯道和局部凸起或凹陷等的部位。

3 水锤对管网运行的破坏性

由于水锤能够瞬间产生正常工作压力的几百倍的压力，并且在管道内快速高频传播，这种大幅度的水力冲击必然会引起管道的剧烈的高频振动，造成阀门设备破坏，使附属装置松动损坏，严重时，在最大水锤压强遇到管道抗压能力弱的地方使管道变形以至爆裂等重大事故，导致整个输水管网系统瘫痪停运[11-13]。这会给我们的农业生产造成很大的不便和损失。

我国的农业输水管道通常采用的管道材料，都会在高频次的水力高压冲击下出现疲劳、空化，甚至变形和破坏，相关实验研究已经证明[14]。这就有力地说明材料本身的强度在抵抗水锤压力冲击时是有安全隐患的，当然，我们也不可能无限制地采用高强度的管材材料，这样会增加管网系统的成本，不利于推广应用，同时也造成了资源浪费。

输水管网系统是一个由各级管道相连接的输配水的体系，以整体的结构实现它的系统功能，各级管道相互联系、相互影响。工程实践表明，水锤破坏是管道输配水工程不容忽视的首要安全问题，输配水管网系统的控制面积较大，管道系统复杂，分水管路多，设备较多，阀门设备同步操作现象机率大增，产生的水锤压力波会在管道系统中波动传播，这就大大提高了水锤波在干管内叠加的概率和风险程度，这个叠加压力瞬间作用在管壁上，持续时间很短，但破坏力强大，它产生的破坏性远比单管水锤要严重，造成管网运行的不稳定和输水效率的降低。

4 水锤问题研究的计算模型

计算水锤问题使用非线性一阶双曲型偏微分方程[15]，以非恒定流态条件成立。为方便计算使用，需要对方程的偏微分形式进行转化。代数法和特征线法是目前计算管网水锤准确有效的方法。包括特征线方程、有限差分方程和代数方程，它们的理论依据都是建立在水锤基本控制方程上。

水锤计算常用的方法是特征线法，它是基于弹性水柱理论，建立水锤运动方程和连续性方程。基础方程是经过线性组合和简化求解后得到的。这个方程组的基本意义在于：表明管网中任何一点的压力和速度与直接波和反射波的相互作用，特征线就是直接波和反射波在坐标轴中传递的表现形式。同时，可将上述基础方程经过转换成为便于计算机计算的特殊方程，由此通过计算机来模拟各种情况下的水锤情况。如下图1。

线性化后的瞬态水锤特征线方程见式（1）和式（2）。

式中：C+、C-——水锤波的正、负特征线方程；

H——水头，m；

V——管道内液体流速，流向阀门为正方向，m/s；

x——水锤波传播距离，指向阀门处为正方向，m；

t——水锤波传播历时，s；

a——水锤波传播速度，m/s；

D——管道内径，m；

f——管道摩阻系数；

g——重力加速度，m/s2。

将式（1）和（2）转化成有限差分的形式，并且忽略二阶以上微量，得：

式中：HP、HA、HB——水锤相应位置处的截面水头，m；

QP、QA、QB——相应水锤位置截面的流量，m3/s；

A——管道过水断面面积，m2；

Δx——水锤波传播距离，m；

Δt——水锤波传播时间，s。

为了便于利用工业计算机运算，将差分方程（3）和（4）改写成

式中：CP，CM——综合参数

H——对应过水断面压力水头值，m；

Q——对应过水断面的流量，m3/s；

B、R——计算常数。

方程的初始条件为管网稳态流；瞬态条件计算时，边界条件分2种情况，就是阀门和分水口，如图2所示。

图2 管道中阀门和分水口边界示意图

因管材产品型号和规格相同，且水锤波速a和管道截面积A相同，则计算常数B相同，阀门的正、负特征线方程为：

分水口处针对分水角度的正、负特征线方程按照图2b逐个截面列出，方程形式如同式（6），只是分水口处的流量关系如式（7）所示：

支管中流量的分配大小直接由支管分水角度的大小决定，流量分配会引起管道中流速的大小和传播方向的变化。因此，支管分水流量是通过分水角的边界条件改变来实现对水锤压力的影响的。

分水口处针对支管对置间距的正、负特征线方程按照图2c逐个截面列出，方程形式也如同式（6），其分水口处的流量关系如式（8）所示：

水锤波由不同支管中传递至干管中，波叠加的位置是固定的，因此，支管对置间距的大小会直接影响水锤波在干管中的波动距离，进而影响叠加压力波效能。

5 管网系统中的水锤问题

关于水锤的研究，目前大部分试验主要基于单管水锤，关于管网系统中的水锤研究较少，只有很少研究文献和理论成果可以参考，管网水锤也是与实际应用联系紧密的一种水锤问题，也是较单管水锤更为复杂的水锤问题，主要是存在水锤波在管道系统内的分配和叠加波动问题，管网水锤也应该受到研究者们的重视。

水锤压力波动过程中也存在负压水锤，也就是存在负压值，管网中的负压冲击波对塑料管道的破坏作用也不能忽视。上述水锤冲击波对庞大的管网系统的运行造成极大危害，在管道布置设计时，配水管连接位置、分水角度和管道坡度都必须经过试验科学合理确定，并研究水锤波与相关水力要素和管材性能的关联关系，以提高水锤防控效果。此外该值的计算方法还需要进一步理论和实践的探索研究，以得出其产生和分布规律。

管网中水锤的一个重要问题是水锤波的传播规律和压力分布规律，对于灌溉输水管网系统常用的树状布置形式，支管和干管是并联形式，要想有效降低水锤波在干管内的叠加压力或最大限度地降低水锤波的叠加波动现象，通过优化阀门关闭过程和设置水锤防护装置，同时，在设计它的连接位置时，就必须考虑它的水锤叠加效应，就是结合实际工况研究水锤波的传播规律和压力分布情况，设计管网的布置方式时进一步优化，这对管网水锤的研究有着极为重要的意义。