多水源地长距离供水工程恒定流水力仿真研究

于海忠，王泽民，郎华伟，刘源，王学坤

（唐山市曹妃甸供水有限责任公司，河北 唐山 063200）

0 引言

长距离供水工程的目的是解决不同流域、地区之间紧张的城市用水和生态环境用水问题，充分保证人们在工农业生产、生活中的用水需求[1]。随着社会经济的发展，供水需求不断增加，供水工程的数量也在不断扩充，并呈现大型化和复杂化的趋势[2-4]，现正从过往的单个泵站、单个水源地供水工程向复杂化、多目标化的多泵站、多水源地联合运行供水工程发展[5]。然而，由于存在多个水源地，管道沿线需要设计并预留数个进水口，管道系统则由单一的主干管变为含有多个分支管汇集的输水管道系统，这也增加了系统后期运行的风险[6]。对于多泵站、多水源地供水工程，由于水源地的进水口水位不同，不同泵站机组之间的水泵扬程存在差异[7]，要求满足管道过流的同时，管道沿程水体压力需控制在一定范围之内。若水压控制不当，可能导致水压较低，不满足用户用水需求，甚至是管道内的水体倒流[8]，影响供水工程效益；或者是水压超过管道承压标准导致水管破裂，引发严重的供水事故[9]。

因此，建立与实际相符合的供水管网数学模型是解决管道水压不平衡、水量分配不合理的基础，也是实现供水安全的重要保障。本文通过建立不同工况下的恒定流水力仿真模型，对各泵站在不同的水位和流量下的运行状态进行仿真模拟计算，以及对各工况下管道系统沿线的瞬态压力进行模拟预测，对于多水源地、多泵站联合供水管网工作效益的提升和管网的安全稳定运行具有重要意义。

1 工程概况

某工程共有3 座水源站，第一水源A 泵站取水能力为8 200 万m3/a，距离管网末端95.00 km，为主要供水泵站；第二水源B 泵站取水能力为5 000万m3/a，距离管网末端约40.00 km；第三补充水源C 泵站取水能力约为2 000 万m3/a，距离管网末端约5.00 km。日常使用情况下，由A 与B 两个泵站共同向管道末端输水，当A 泵站无法正常供水时，C 泵站作为备用水源进行补充供水。供水工程供水系统总体示意图见图1。

图1 某供水工程供水系统示意图

设计输水管道全长95.55 km，采用2条压力管道输水，管径为1 200 mm。供水系统设计双管运行总流量为2.60 m3/s，单管运行时总流量为1.30 m3/s。A，B，C泵站进水池运行水位分别为28.30，2.70，7.50 m，为满足末端用户0.1 MPa 的用水需求，出水池运行水位为10.00 m。输水管道沿程纵断面图见图2。

图2 某供水工程输水管道纵断面图

2 计算原理及数学模型

2.1 压力管道的水力计算公式

管道中的水流流速和管道摩擦损失计算采用海曾-威廉公式：

式中：V为平均流速，m/s；C为海曾-威廉系数，取120；r为管道水力半径，m；s为水力梯度的坡度；L为管道长度，m；hL为管道长为L的摩擦水头损失；Q为流量，m3/s；D为管道内径，m。

2.2 水泵节点控制方程

描述水泵特性的水泵全面性能曲线[10]是水力计算的基础，现对水泵全特性曲线作如下转换处理：

式中：WH( ) 为流量函数；WB( ) 为力矩函数；x为弧度制定义下的自变量；y为导叶开度；h，β，a，q分别为水头、力矩、转速和流量的无量纲值；M′1r为额定工况单位力矩，kN·m；x( )为无量纲函数；k1，k2为系数，取k1=1.1，k1=0.5。

2.3 阀门控制节点方程

一般情况下，出口阀门的过流方程：

式中：Qp为阀门流量，m3/s；Cd为阀门流量系数；AG为阀门开启面积，m2；△Hp为过阀水头损失；τ为阀门相对开度；Cr为阀门全开时的流量系数；Ar为阀门全开时的面积，m2。

3 多工况稳态运行仿真模拟计算

3.1 日常运行工况

日常运行工况为两管双泵站运行，由A，B 两泵站向主管线供水，C 泵站停用。A，B 泵站机组总流量分别为2.85，0.95 m3/s，向A 泵站与B 泵站之间的用户1 与用户2 分别供水0.50，0.70 m3/s，供水系统保证管道内双管运行总流量为2.60 m3/s。A，B 泵站取水端运行水位分别为28.30，2.70 m，出水池水位为10.00 m。A 泵站（3 用1 备）水泵扬程为58.37 m，单泵流量为0.95 m3/s；B 泵站（3 用1备）水泵扬程为29.23 m，单泵流量为0.35 m3/s（2台）与0.25 m3/s（1 台），剩余流量皆进入下库。供水系统布置图见图3。

图3 两管双泵站联合运行供水系统布置图

A，B 泵站共同运行能否稳定过流需验证沿程内水压力是否满足要求。供水沿线最小压力原则上须满足GB 50013—2006《室外给水设计规范》，输水管道系统运行中，应保证在各种设计工况下，管道不出现负压。供水沿线最大压力原则上须满足GB/T 50265—2010《泵站设计规范》，最高压力不应超过水泵出口额定压力的1.3～1.5 倍。

双管双泵站运行时，管道沿线内水压力分布见图4。由图4 可以看出，泵站管道沿线压力最小值为7.10 m 水柱，位于桩号95+588 处，最大值为59.32 m 水柱，出现在桩号7+511 处。输水管道不出现负压，最大内水压力未超过承压标准，即该工况下输水系统满足过流能力。

图4 日常运行工况管道沿线内水压力分布

3.2 常规检修工况

常规检修工况：主管线发生故障时，启用C 泵站，检修时以单管三泵站工况临时运行，即由A，B，C 三泵站向主管线单管供水。A，B，C 泵站机组总流量分别为0.80，0.54，0.56 m3/s，向A 泵站机组与B 泵站机组之间的用户1 与用户2 分别供水0.25，0.35 m3/s，保证管道末端运行总流量为1.30 m3/s。A，B，C 泵站取水端运行水位分别为28.30，2.70，5.50 m，出水池水位为10.00 m。A 泵站（3 用1 备）水泵扬程为59.30 m，单泵流量为0.27 m3/s；B泵站（3 用1 备）水泵扬程为29.56 m，单泵流量为0.17 m3/s（2 台）与0.20 m3/s（1 台）；C 泵站（3 用1备）水泵扬程为12.44 m，单泵流量为0.19 m3/s，剩余流量皆进入下库。供水系统布置图见图5。

图5 单管三泵站联合运行供水系统布置图

单管三泵站运行时，管道沿线内水压力分布见图6。由图6可以看出，泵站管道沿线压力最小值为7.10 m，位于桩号95+588 处，最大值为58.87 m，出现在桩号7+511 处。输水管道不出现负压，即设计工况下输水系统满足过流能力。

图6 常规检修工况管道沿线内水压力分布

3.3 应急抢险工况

突发应急工况为主泵站（A 泵站）停运，B 泵站与C 泵站联合运行，由B，C 两泵站向主管线供水。由于主管线停运，B 泵站接入主管线节点处的原布置蝶阀关闭，仅考虑B 泵站接入管道节点的后续管道供水情况，此时B，C 泵站机组总流量分别为1.76，0.84 m3/s，供水系统保证双管末端运行流量为2.60 m3/s。B，C 泵站取水端运行水位为2.70，7.50 m，出水池水位为10.00 m。B 泵站（4 用0 备）水泵扬程为29.76 m，单泵流量为0.63 m3/s（2台）与0.25 m3/s（2 台），C 泵站（3 用1 备）水泵扬程为13.81 m，单泵流量为0.28 m3/s。供水系统布置见图7。

图7 单管两泵站联合运行供水系统布置图

主泵站（A 泵站）停运，B 泵站与C 泵站联合运行时，管道沿线内水压力分布见图8。由图8 可以看出，泵站管道沿线压力最小值为7.10 m，位于桩号95+588 处，最大值为34.87 m，出现在桩号56+755 处。输水管道不出现负压，即该工况下输水系统满足过流能力。

图8 应急抢险工况管道沿线内水压力分布

经以上3 种工况下水力仿真模拟的计算结果可知，3 个泵站在不同的机组流量、水泵扬程及管道布置条件下，均可满足管道末端的供水需求。

4 结语

本文通过开展多泵站、多水源地长距离供水管网恒定流稳态水力过程的模拟分析研究，对输水系统的运行稳定性、可靠性和应急能力进行了预测模拟。通过研究对该供水工程的各个工况内水压力的具体变化情况有了进一步的了解，以便于工作人员后期针对不同情况作出快速调整与应急反应，同时，也避免了水资源的浪费，有利于提高工程的经济效益。但本文并没有针对该供水工程的过渡过程进行研究，因此，在未来的工作中将着重针对该工程的事故工况进行过渡过程的仿真模拟。