井群樹狀管網輸水水力調節方式研究

劉建續，王俊鋒，王 旭

(陜西江漢水電勘測設計有限公司，陜西 西安710016)

井群管網的布置有環狀管網和樹狀管網兩種形式。環狀管網是將輸水管道組成環形網格，機井從管網節點接入，水流在管網中可向各個方向流動，最終在匯集點處流出。這種管網的優點是輸水安全、可靠性高;缺點是管線長，工程量大，投資大。樹狀管網是將井群中各個機井用輸水管道連接，形成一個樹枝狀的管網，水流在管網中向一個方向流動，最終在匯集點處流出。這種管網的優點是布置簡單、便于運行管理，管線短、工程量小、投資少;缺點是輸水可靠性較差。對于井群管網由于單井流量一般較小，井間距大，采用環狀管網投資很大。所以井群管網一般采用樹狀管網。

樹狀管網相比環狀管網除布置形式簡單外，主要還有水力特征簡單。特別是采用樹狀管網配水，僅需滿足節點的配水流量即可，管網內水壓力、系統會自行調整，不會產生壓力突變現象(不含水擊)。但對井群樹狀管網輸水相對其配水，管網的水力特征較為復雜。因接入管網節點的是各個不同型號的井泵，每個井泵都有自身的流量－揚程特性，這種特性一旦并入管網，就會與管網中的其它井泵發生關系，同時系統會通過管網自行調整、平衡這種流量－壓力關系。調整結果常常會使個別井泵的工作點處于極端狀態，從而造成事故，影響管網系統輸水。因此，有必要對井群樹狀管網輸水的水力調節進行研究，以尋求科學合理的管網調節方式，滿足社會生產、工程運行管理的要求。

1 井群中的井泵特征

地下水水源工程中，其取水建筑物大多采用水井形式。在水井形成之前，根據水源地地下水的可開采情況和水文地質條件選擇井型，并擬定合理的井距與井數，再進行井群布置。水源地的整體規劃，要進行單個水井的設計，給出每個水井的設計參數。參數主要包括:水井編號及位置、地面高程、結構尺寸(包括井徑、井深、取水層厚度及深度)、地下水位、最大安全出水量、最大降深等。

水井水源工程無論采用什么形式的水井都必須配備一套水泵裝置，才能將地下水抽出并且輸送。水泵裝置配備包括:井用泵、配電設備、輸水管(特指井泵與管網之間的管道)及其附件等。這些設備的組裝成型便形成了一套水井的水泵裝置。這一裝置在正常運行過程中表現出一種揚程隨流量變化的關系特征。水泵裝置的井泵特征有兩部分。一部分是井用泵的特性曲線，另一部分是井泵連接管網輸水管的水頭損失曲線。兩條曲線的疊加就是井泵裝置的特性曲線。一般的對離心式葉片泵其性能曲線常用二次曲線近似反應，而管道的水頭損失曲線也是一條二次曲線，它們的疊加結果是一條二次曲線，可用一個二次方程式表示。由此得出井群中第i個水井井泵裝置的性能方程為

式中:hi為水泵裝置的揚水位，(m);Hi為水泵裝置的最高揚水位，由于井用泵為多級泵，改變泵級數也可改變泵裝置的性能，(m);Si為水泵裝置的阻力系數，由三部分組成:泵阻力、管阻力、閥阻力，水泵裝置完成后，泵及管阻力不變，只有閥阻力可變，因此泵裝置中的閘閥可參與調節;(s2/m5);qi為水泵裝置的流量，(m3/s)。

上式為井群中井泵裝置的性能方程，該方程假定流量變化時該井水位降深不變。當井泵裝置接入管網、投入運行之后，井泵的運行工況點就由該方程與管網的水力平衡所決定。因此，僅有井泵裝置的性能還不能解決問題，還需研究管網的性能。

2 井群中的管網特征

地下水源工程中有了井群及其配套的井泵，還必須配備一套輸水管網才能實現地下水資源的利用。對井群輸水的管網常采用樹狀管網，其水力要素分為管段流量、管段壓降、節點流量和節點水頭等4類。這4類水力要素相互之間的關系，反映了樹狀管網的水力特征。

為了方便分析樹狀管網的水力特征，采用圖1所示的簡單管網作以說明。圖1為由0～6#等7個節點組成的簡單樹狀管網，其中0#節點是樹狀管網輸水的集中輸出點，1～6#節點分別為6個井泵裝置，向管網輸入水量。管網水流為恒定流，管網中各管管段流量qij、管段壓降hij和各節節點流量qi、節點水頭hi都是恒定的。管網中的這些水力要素都必然滿足連續性方程和能量方程。

圖1 樹狀管網示意圖

根據圖1所示管網中各管段的連接形式，可列出一組6個連續性方程如下。

再根據圖1所示管網中各管段的水流連通形式，可列出一組6個能量方程如下。

同時管網中各管段的壓降與其流量有如下關系

式中:Sij為第ij管段的阻力系數，(s2/m5);其余參數同上。

綜合分析以上4組方程，可看出:第1組方程為井泵裝置的性能方程，反映了節點水頭與節點流量的關系。第2組方程反映了管段流量與節點流量的關系。第4組方程反映了管段壓降與管段流量的關系，如果用第2組方程中的節點流量代替管段流量，則第4組方程就反映了管段壓降與節點流量的關系。第3組方程反映了節點水頭與管段壓降的關系，方程中的參數，可由第1、4組方程確定并帶入，形成一組新的方程。這組新方程有6個方程式，其中所含的參數僅有6個節點流量為未知量，其余均為已知量。因此，聯立求解這組新方程組，可求得6個水井的流量。有了這6個節點流量，其它管網參數依據第1、2、4組中的相關方程均可求得。

3 管網中的水力調節

利用上述4組方程已經可以確定管網中的各種參數，管網是要根據地形地貌、布置型式、選用的管材、節點流量等條件進行設計。井群管網設計條件除節點流量需單獨考慮外，其它條件均容易滿足。要確定節點流量，必須確定井群中各水井的設計出水量，水井的設計出水量要根據各水井的設計單獨確定。有了管網節點的輸入流量便可進行管網設計。管網的設計結果除確定了各管段的管徑、流量、壓降等參數之外，主要還確定了各節點的輸水壓力。根據節點流量和輸水壓力便可進行各水井井泵的選型。以上描述為井群管網的設計過程，設計階段確定的參數為井群管網的設計參數。

井群管網在施工過程中許多參數與設計參數相比會發生較大變化，如管段管徑、管長、井泵特性、閘閥開度、節點的位置偏移等，這些變化稱之為硬件變化;另外，井群管網在運行過程中節點流量與設計參數相比也會發生較大變化，如各井泵運行工作點的偏移、個別井泵的停運等，這些變化稱之為軟件變化。井群管網中這些硬件、軟件的變化，使管網系統形成一種新的平衡。這種由管網自身形成的平衡狀態與設計狀態相比常常相差甚遠。因此，必須人為調節管網中的硬件參數，使得管網中的軟件參數符合或者接近管網的設計狀況。

井群管網的水力調節是一個系統的復雜過程，常常需要采用一定的步驟反復調整。具體方法如下:

(1)將管網中各節點的設計流量、設計水壓力代入第1組方程，求得各節點水泵裝置的設計阻力系數Ssi。再根據各水井水泵裝置的現狀，確定其裝置阻力系數Si。采用水泵閘閥調節，使水泵裝置阻力系數Si等于其設計阻力系數Ssi。調整以后的井泵裝置性能方程可用于管網的調節計算。采用閘閥調節是一種浪費能源的調節方式，有條件的水源工程，一般采用變頻調節。該調節是利用供電電源的頻率變化改變水泵的轉速，從而改變水泵的性能。調節方法是將各節點的設計流量、設計水壓力及水泵裝置的阻力系數Si代入第1組方程，求得井泵裝置性能方程中的Hi。采用變頻調節，調整水泵性能方程中的最高揚水位，使其符合所求的 Hi。同樣，調整以后的井泵裝置性能方程可用于管網的調節計算。

(2)當管網中某幾臺井泵停止運行，管網中的水力平衡被打破，管網便會形成一種新的水力平衡。這種平衡使得運行中的水泵工作點發生明顯變化，仍需采取調節措施使得各節點流量與設計狀況基本一致。調節方法需要利用上述4組方程確定并了解管網的平衡狀態。把計算的各節點流量與設計流量對比。若兩者有明顯差距，采用閘閥調節離節點最近的管段阻力系數Sij。使得各節點流量與設計流量基本相符。

4 井群管網的調節示例

為了說明井群管網在竣工后的運行調節過程，選用圖2所示的管網設計圖進行調節。圖中有6個井節點，設計配備了兩種型號、不同級數的6臺井泵，泵裝置采用DN100的鋼管，據此可確定6臺井泵的裝置性能方程。設計圖中給出了6根管段的長度和管徑，管材為PVC－U型管，據此可確定6根管段的水頭損失方程。根據管網的布置和連接形式，分別可列出6個連續方程和能量方程。通過上述這些方程可以確定管網裝配后未調節的工作狀態。計算過程不再贅述，結果見表1。

圖2 井群樹狀管網設計圖

表1 井群管網設計及運行狀況表

從表1中可看出井群管網裝配之后運行時，其工作狀況與設計完全不同。各井的出水量和揚程均有所增加，這種變化常造成以下幾個問題:①流量增加超過單井最大出水量時，造成該井不能連續運行，進而造成管網運行波動不穩;②揚程增加造成連接管段的水壓力增大，容易造成破管;③管網總的出水量發生變化，造成供水與用水不匹配問題。因此進行水力調節勢在必行。

根據3中的調節步驟，采用簡單的閘閥調節，使其接近于設計狀況。調節過程從略，計算結果見表2。從表2中可看出，采用閘閥調節各泵裝置的阻力系數，可使井群管網運行與設計狀況相符。當然這是一種理想化的管網調節，實際運行不可能各泵同時調節，況且不可能都能調節到位。因此，對井群管網中泵的調節應采用一種控制性調節方式，如自動化控制或水力控制閥調節。

表2 井群管網設計及運行調節變化表

自動化控制調節是利用遠程控制設備，在中央控制室對井群中各井泵及管網實施的調節形式，它可以按照運行要求對管網實施各種調節。水力控制閥調節是利用水力自控設備對井群中各井泵實施的調節形式，該調節局限性較大，一般在試運行時一次調節到位，運行時不再變動。

5 結語

隨著規模化開采地下水工程的興起，出現了許多井群管網的輸水形式。在井群管網輸水的運行過程中，幾乎都會出現運行工況與設計不符的現象。有人認為:當3～4眼機井連網輸水時運行偏差問題不明顯。因此建議井群管網設計僅限4眼機井連網輸水。鑒于井群管網輸水的這一限制，筆者通過對井群樹狀管網的運行分析，得出井群樹狀管網輸水進行水力調節是必須的環節。進而再通過對管網調節示例的分析，認為最適宜井群管網的調節方式是自動化控制調節，它可實施各種工況調節，以滿足實際運行管理的需要。

[1]嚴煦世，劉遂慶.給水排水管網系統[M].北京:中國建筑工業出版社.2002.

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