長距離輸水工程輸水能力復核問題探究

劉曾美，藍福鵬，馮斯安

(1.華南理工大學土木與交通學院水利工程系，廣東 廣州 510640；2.廣東省水利工程安全與綠色水利工程技術研究中心，廣東 廣州 510640)

隨著城市化的進程，經濟發達地區往往因人口密度大、用水量多而面臨著水資源短缺問題，城市河涌因枯水期生態基流不足、水體自凈能力退化甚至喪失而存在水環境與水景觀問題。隨著社會經濟的快速發展與水生態文明的大力推進，水資源與水環境、水景觀問題受到了全社會的普遍關注。為達到協調水資源量及改善環境和景觀的目的，區域調水補水工程應運而生，調水補水成為調配水資源和改善城市河涌水環境與水景觀的一種常見且有效的措施。以廣東省為例，大到廣東省范圍內的珠三角水資源配置工程[1]，從西江水系向東引水至深圳市羅田水庫，為廣州市南沙區、深圳市和東莞市缺水地區輸水；小至廣州市北部水系的三涌補水工程[2]，抽取珠江水至上游長虹調蓄湖，采用埋管、自流方式為沙河涌、獵德涌、車陂涌補水，改善枯水期水環境、水流態及水景觀。

調水補水工程一般采用泵站輸水方式，長距離輸水工程常常受沿線復雜地形的影響大，水力元件較多，沿程、局部水頭損失較大，因此，泵站總揚程計算需要考慮眾多因素。而我國國家標準《室外給水設計規范》(GB 50013—2006)第7.2.3節規定[6]：調查國內幾項大型輸水工程的管道局部水頭損失數值，一般占沿程水頭損失5%～10%，所以，一些工程在可研階段，根據管線的敷設情況，管道局部水頭損失可按沿程水頭損失的5%～10%計算。但該設計規范給出的管道局部水頭損失計算僅適用于管道簡單的短距離輸水工程，并未考慮長距離輸水工程特點。若對長距離輸水工程按此規范設計，不充分考慮地形地貌和土地開發利用實際情況，導致實際輸水流量與設計輸水流量存在較大差異。如以廣州市三涌補水工程為例，由于泵站設計時輸水線路的局部水頭損失是按沿程水頭損失的10%予以估算，設計輸水流量為5.775 m3/s，而實測的輸水流量僅為3.85 m3/s。因此，對長距離輸水工程，尚需復核其實際輸水能力，核算其輸水流量。

當前對于長距離輸水研究多在于空氣閥的合理設置、水錘防護及經濟管徑的選取。張健[3]提出長距離輸水工程不同工況下空氣閥設置的通用準則及相關公式；石林[4]提出一種空氣罐與出口溢流池結合的水錘防護方案；常金梅[5]采用費用現值法，探討長距離輸水工程經濟管徑的確定問題。對于長距離輸水輸水流量復核及影響因素研究較少見。

本文首先提出長距離輸水工程輸水能力復核計算方法，然后以廣州市三涌補水工程為例，從實測輸水流量遠小于設計流量現狀問題出發，根據泵站初設、管道初設、管道施工3種工況進行復核分析計算，探究長距離輸水泵站輸水流量減小原因，并提出長距離輸水泵站建設相關建議。

1 輸水能力復核計算方法

設泵站出水池高程為H1，進水池高程為H2，則泵站揚程H計算公式為：

H=H1-H2+∑h

(1)

∑h=h1+h2+h3

(2)

(3)

式中 ∑h為總水頭損失；h1為輸水管道沿程水頭損失；h2為管道局部水頭損失；h3為泵站水力損失；λ為沿程阻力系數；d為設計管徑，mm；v為管道流速；l為管道長度，m。

泵站運行的各性能參數是相互聯系和相互制約的，他們之間的變化規律曲線為水泵性能曲線。泵站性能曲線代表泵機自身固有特性。泵機運行狀況不僅與其自身特性有關，還受所連接的輸水管道系統之影響。管道的沿程損失和局部水頭損失均與流速有關，而流速由流量控制，流量與揚程的關系以及與效率系數的關系均由泵機性能曲線反映，因此，為計算泵站抽水流量，需進行迭代試算。

迭代試算方法，先假定泵機工作流量，根據流量計算管道相應流速，結合輸水管道系統求得管道沿程水頭損失及局部水頭損失，由此，計算求出泵站總揚程，根據泵站性能曲線及總揚程，求得泵機相應工作流量，與假定泵機工作流量進行對比，直至根據泵機性能曲線得出的工作流量與假定泵機工作流量的誤差在允許范圍內，則該泵機工作流量即為所求。

2 實例研究

沙河涌、獵德涌、車陂涌(以下簡稱“三涌”)是廣州市天河區主要排澇河道，由北至南匯入珠江。三涌在非雨季水量小，水質差，影響城市景觀。為改善河涌水環境，廣州市2006年啟動三涌補水工程，1期工程[7]在珠江前航道邊東圃大橋附近修建東圃泵站(1級泵站)，2期工程[8]修建環城干線輸水管道，抽取珠江水至上游長虹苗圃調蓄湖，3期工程修建長虹泵站(2級泵站)，采用埋管方式向沙河涌、獵德涌補水，采用自流方式向車陂涌補水(補水工程總平面示意見圖1)。

圖1 廣州市三涌補水工程總平面示意

《三涌補水工程一期初設報告》中，三涌需水量按三涌堰上水頭保持10～12 cm的方式補水計算，沙河涌、獵德涌、車陂涌分別需要補水流量2.25 m3/s、1.80 m3/s、1.20 m3/s，由此得到東圃泵站設計引水流量為5.775 m3/s。

東圃泵站抽取珠江水，沿環城干線管道輸水至上游長虹湖，管道長為9 357 m，由此計算沿程水頭損失，局部水頭損失據《室外給水規范》按沿程水頭損失10%計，結合進水池及出水池水位差(采用珠基高程，下同)，計算得東圃泵站特征揚程，泵站進、出水位組合表及東圃泵站特征揚程計算表分別見表1、表2。由所計算揚程及設計需水流量，選取泵機機型及泵機組數，泵站泵組基本參數見表3，泵機性能曲線示意見圖2。

根據上游長虹湖出水口實測數據，東圃泵站多年平均輸水流量為3.85 m3/s，與設計流量5.775 m3/s相差較大，影響河涌補水效果，因此，對東圃泵站實際輸水工況進行探討，分析輸水流量減小原因。

表1 東圃泵站水位組合 m

表2 東圃泵站特征揚程計算 m

表3 RDL800-840B泵型特性

圖2 泵機性能曲線示意

為分析東圃泵站設計流量與實際輸水流量有差距原因，需分析泵機實際運行工況與設計工況的不同。根據實地考察咨詢，排除泵機使用情況異常原因，實為運行工況揚程與設計工況相差較大所致。

輸水管道局部水頭損失將會影響泵機工作揚程，進而影響泵機輸水流量，由于建設東圃泵站為1期工程，泵機的設計揚程未考慮2期工程輸水管道的設計及實際施工工況，輸水管道局部水頭損失根據《室外給水規范》按沿程水頭損失的10%估算，考慮此與實際運行管道局部水頭損失存在較大差異，因此，分別對泵站設計工況、管道設計工況、管道施工工況進行分析復核其輸水能力。

2.1 泵站設計工況下的輸水能力復核

根據1期泵站初設報告，泵機總揚程為泵站靜揚程、輸水管水力損失及泵站水力損失之和，輸水管水力損失為沿程水頭損失及局部水頭損失之和，根據《室外給水規范》，局部水頭損失按沿程水頭損失10%計。根據輸水能力復核計算方法得到泵機工作流量迭代計算成果見表4，泵站設計工況泵機性能曲線示意見圖3。

由表4可知，根據泵站設計工況，局部水頭損失估計為沿程水頭損失的10%，東圃泵站輸水流量為6.02 m3/s，滿足三涌補水設計需水量，泵機效率為83.36%，工作效率高。

圖3 泵站設計工況泵機性能曲線對應示意

表4 泵站設計工況東圃泵站輸水流量計算

2.2 輸水管道設計工況下的輸水能力復核

根據2期輸水管道初設報告，由于地形復雜等原因，鋪設環城干線輸水管道所需彎頭較多，共72個，彎頭較多使得局部水頭損失增加，采用《水力學》彎管局部水頭損失公式計算：

(4)

(5)

式中d為管徑；ρ為軸線彎曲半徑；θ為彎管彎曲角度。

根據輸水能力復核計算方法得到泵機工作流量迭代計算成果見表5，輸水管道設計工況泵機性能曲線示意見圖4。

由表5可知，輸水管道設計工況，局部水頭損失為沿程水頭損失的57.83%，局部水頭的增加導致總揚程的增加，降低泵機工作效率及輸水流量，東圃泵站輸水流量為5.15 m3/s，輸水流量不滿足三涌補水設計需水量，泵機工作效率為80.8%。

圖4 輸水管道設計工況泵機性能曲線對應示意

表5 輸水管道設計工況東圃泵站輸水流量計算

2.3 輸水管道施工工況下的輸水能力復核

根據管道實際施工工況，由于施工過程受地形要素及第三方影響，施工過程與施工圖冊發生變更，彎頭增加71個，管線增長403 m，局部水頭損失采用水力學公式計算。根據輸水能力復核計算方法得到泵機工作流量復核計算成果見表6，輸水管道施工工況泵機性能曲線示意見圖5。由表6可知，受地形因素影響，輸水管道實際施工與設計工況有所差異，導致輸水管道沿程、局部水頭有所增加，進一步增加泵站總揚程及降低其工作效率和公式流量，局部水頭損失大小為沿程水頭損失的133.21%，東圃泵站輸水流量為4.3 m3/s，輸水流量不滿足三涌補水設計需水量，泵機工作效率為73.40%。

圖5 輸水管道施工工況泵機性能曲線對應示意

表6 輸水管道施工工況東圃泵站輸水流量計算

2.4 輸水能力復核結果對比分析

將上面泵站設計工況、管道設計工況與管道施工工況的輸水能力復核成果匯總于表7。

表7 東圃泵站不同工況相關參數統計

由表7可見：

① 泵站設計工況下，當局部水頭損失估計為沿程水頭損失的10%時，東圃泵站輸水流量為6.02 m3/s，滿足三涌補水設計需水流量5.775 m3/s，泵機效率為83.36%，工作效率高；

② 根據管道初設工況中環城干線補水管道彎頭和閘閥數量重新計算，局部水頭損失占沿程水頭損失的57.83%，東圃泵站輸水流量為5.15 m3/s，泵機效率為80.80%；

③ 由于施工過程受地形要素及第三方影響，施工過程與施工圖冊發生變更，使得沿程干線局部水頭損失增加至沿程水頭損失的133.21%，東圃泵站輸水流量變為4.30 m3/s，泵機效率為73.40%；

④ 由于未考慮輸水管道彎頭及施工變更的影響，環城干線輸水管道施工后，實際局部水頭損失由沿程水頭損失的10%增至133.21%，致使泵機工作效率降低了9.96%，泵站輸水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。

環城輸水管道中還布有較多閥井及閥件(排氣閥、蝶閥、排泥閥)，閥件會增加管道局部水頭損失，且管道內空氣阻力產生的水頭損失不可忽略，氣泡的存在使得水流態變得紊亂，消耗水流動能，還易產生空蝕現象，破壞管壁，以上因素都將進一步增加泵站總揚程，降低泵站輸水流量，這與上游長虹湖實測輸水流量3.85 m3/s基本吻合。

3 結語

本文提出復核長距離輸水工程輸水能力、計算實際輸水流量的方法，并以廣州市三涌補水工程的輸水系統——東圃泵站和環城干線管道為例，分別復核泵站初設、管道初設、管道施工3種工況的輸水流量。復核計算結果表明，泵站初設、管道初設、管道施工3種工況的輸水流量分別為6.02 m3/s、5.15 m3/s、4.30 m3/s，與原設計的輸水流量5.775 m3/s相差愈來愈大。由于未考慮輸水管道彎頭及施工變更的影響，環城干線輸水管道施工后，實際局部水頭損失由沿程水頭損失的10%增至133.21%，致使泵機工作效率降低了9.96%，泵站輸水流量由6.02 m3/s降低至4.30 m3/s。若再考慮閥井、閥件(排氣閥、蝶閥、排泥閥)及空氣阻力的作用，東圃泵站的輸水流量進一步降低，這與在長虹調蓄湖實測的輸水流量3.85 m3/s基本吻合。

在進行長距離輸水工程設計時，不宜簡單按相關規范將輸水管道局部水頭損失按沿程水頭損失的5%～10%計。若不充分考慮地形地貌和土地開發利用實際情況，會錯誤估算泵機總揚程，影響泵機工作效率及輸水流量，從而導致實際輸水流量與設計輸水流量存在較大差異。建議宜將泵站設計及輸水管道設計同時進行，結合實地調查盡可能充分考慮地形地貌和土地開發利用實際情況，從而合理選擇泵機機型及組數。