泵站水錘風險快速評估方法研究

王婷婷

（江蘇瑞沃建設集團有限公司，江蘇 高郵 225600）

我國水資源分布不均，東南多西北少，南部多丘陵地帶，地勢起伏差異大、各地降水量變化大等自然客觀條件，使我國出現了很多大流量、長距離、管道敷設曲折、高揚程的供水工程。此類工程的供水安全性關乎經濟民生，而水錘問題在此類工程供水工程安全性問題最突出。一旦發生水錘事故，輕則設備損壞、管道破裂加劇漏損，重則泵房淹沒、路面損壞、人身傷亡，造成慘重的經濟損失。

故判斷泵站建設工程是否可能發生水錘、是否需要設置水錘防護措施是必要且必須的。然而，我國目前的市政、二供市場缺乏水錘模擬普及應用的水平和能力，使水錘風險評估和防治未能廣泛應用于工程中，提出一套簡單有效的評估方法具有應用普及意義。

1 我國設計標準中有關水錘風險評估方法的缺乏

在我國的設計標準中，有關水錘規定闡述較多的是《泵站設計規范》，它規定：“有可能產生水錘危害的泵站，在各設計階段均應進行事故停泵水錘計算”，并對事故停泵瞬態的系統最高壓力、水柱連續性作出規定，建議了高揚程、長壓力管道的泵出口兩階段關閉時液壓操作閥門的應用。在《城鎮給水排水技術規范》中規定：“長距離管道輸水系統應在輸水線路、輸水方式、管材、管徑等方面進行技術、經濟比較和安全論證，并應對管道系統進行水力過渡過程分析，采取水錘綜合防治措施”。

顯然，國標規定的“有可能發生水錘危害的泵站”“安全論證”“過渡過程分析”并未明確地表達一種切實、有效、可行、簡便的評估方法來判定泵站工程水錘發生的可能性或風險級別。

2 模糊綜合評價

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法。該綜合評價法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體的評價。一級模糊綜合評價比較簡單，學過矩陣知識的的工程人員可以輕松地解出，有利于在工程設計中快速判斷其水錘風險等級。

2.1 泵站水錘核心影響因素

龍俠義在其碩士學位論文中，基于HAMMER軟件建立水錘計算模型，并基于Design-Expert軟件，采用Box-Behnken Design實驗設計方法得出：靜壓差、流量、波速、管長、關閥歷時對閥前最大壓力的影響是顯著的。然而，在實際泵站設計和建設中，流量即設計規模、供水規模，需要滿足用戶需求量，是一個必須要保證的值，通過改變流量來控制泵站事故水錘在現實工程中是沒有現實意義的。本文基于龍碩士的研究結論結合工程實際與軟件模擬確定泵站水錘的核心影響因素。

本文基于HAMMER軟件建立水錘計算基礎模型，管路系統由上游水池R-1、三臺水泵PMP-1/2/4（67m揚程）、管線（初始管徑800mm）、節點（初始絕對標高42.64-95.75）、節流閥FCV-1（設置為1800m3/h）、下游水池R-2組成，如圖1所示。

圖1 水錘計算模型

在流量不變的情況下改變管徑，模擬其停泵水錘，得出如圖2數據：

圖2 同流量不同流速下的停泵水錘模擬記錄

在同一模型流量不變的情況下，通過改變管徑以改變供水管道內的流速，其停泵水錘壓力隨流速的改變而改變，可見水錘是受管道內流速影響而非流量。流量是管徑和流速的乘積，當管徑一定時，流量是由流速決定的，采用流速作為水錘影響因素更具實際意義。

泵站后的供水管路在設計、建設泵站前通常已經敷設完畢，即由管材決定的波速已經確定，無法通過改變波速控制泵站事故水錘。通過關閥歷時來控制水錘是一種有效的水錘防治手段，將其作為控制手段來模擬更合適。

綜上，本文主要考慮靜壓差、管長、流速三大核心影響因素為評估對象，因素集U={靜壓差，流速，管長}，影響因素越少，矩陣計算越簡單，越有利于快速得出結論。

2.2 評語集

本文擬通過HAMMER模型多次模擬對比，確定模糊綜合評價方法中不可缺少的評語集。

2.2.1 管長因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m3/h）不變，改變管長來模擬停泵水錘數據，記錄數據見圖3。

圖3 管長因素模擬

由于水泵揚程67m，選擇承壓等級為1.0MPa的管道是最經濟的，當水錘最高壓力超過100+42.64（起點高程）=142.64時，管道超出承壓范圍，存在爆管風險。由圖可見，管長5Km以內可以認定為：不發生水錘或不需要采取水錘控制措施；管長5～10Km時，水錘最大壓力有所上升，臨近管道承受壓力等級，需要采取少量措施降低水錘；當管長超過10Km時，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風險，需要采取多項措施降低水錘壓力。

故對于管長因素，其低、中、高風險等級可以按5Km、10Km、15Km評價，V管長=[5,10,15]。

2.2.2 靜壓差因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的供水管道管長（1320m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m3/h）不變，改變模型的靜壓差來模擬停泵水錘數據，記錄數據見圖4。

圖4 靜壓差因素模擬

由圖可見，靜壓差在30m以內可以認定為：不發生水錘或不需要采取水錘控制措施；靜壓差在30～45m時，水錘最大壓力有所上升，需要采取少量措施降低水錘。靜壓差超過45m時，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風險，需要采取多項措施降低水錘壓力。

故對于靜壓差因素，其低、中、高風險等級可以按30m、45m、50m評價，V管長=[30,45,50]。

2.2.3 流速因素模擬

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、管長（13200m）、流量（1800m3/h）不變，改變流速來模擬停泵水錘數據，記錄數據見圖5。

圖5 流速因素模擬

由圖可見，流速在1m/s以內可以認定為：不發生水錘或不需要采取水錘控制措施；流速在1～1.15m/s時，水錘最大壓力有所上升，需要采取少量措施降低水錘。流速在1.15m/s以上時，水錘最大壓力急劇上升，管道存在爆管風險，需要采取多項措施降低水錘壓力。

故對于流速因素，其低、中、高風險等級可以按1m/s、1.15m/s、1.2m評價，V管長=[1,1.15,1.2]。

綜上，水錘風險評價標準V可以按表1執行。

表1 水錘風險評價標準

2.3 權重確定

本文利用HAMMER模擬軟件，通過改變三個影響因素造成的水錘最大壓力之間的相互比對，以確定某一影響因素相對另一影響因素更重要，進而確定權重。水錘模擬采用評價集中的低、中數值對評估項進行模擬，模擬出的水錘最大壓力數據見圖6。

由圖可見，流速較管長更重要，靜壓差較管長更為重要，而靜壓差和流速的重要程度基本相同。權重集A={3,3,1}。

2.4 單因素模糊評價矩陣和綜合評判

通過指派法，根據評語集計算各指標對每個評語的隸屬率，記為Ri。

利用公式B=A·R，求得綜合評判結果，集合B中數值最大的評語即為綜合評判的結果。

3 評價方法案例驗證

泵站設計規模300m3/h，供水至6公里以外的城鎮，地勢沿程逐漸升高35m，管道敷設為DN300的球墨鑄鐵管。根據管徑、流量、公式計算流速為1.14m/s。

本文在HAMMER中建立模型，模擬該項目的停泵水錘情況，水錘最大壓力約為103m，需要采取少量確實降低為100m以下。當在地勢最高位置安裝單向調壓塔后，水錘最高壓力降低為95m，不超過管道承壓壓力，見圖7所示。模擬結果是符合本文所述評價方法的。

圖7 案例停泵水錘模擬

4 結論與建議

4.1 結論

通過案例的模糊評價計算結果與HAMMER模擬結果對比，驗證了利用三因素一級模糊評價評估方法快速判斷泵站水錘風險等級是可行的。快速判斷步驟：（1）計算出項目的流速、高程差、管長；（2）利用隸屬率函數1-1～1-3和表1水錘風險評價標準，得出模糊評價矩陣Ri。（3）利用綜合評價矩陣，得出B矩陣。（4）B矩陣得數對應低、中、高風險，得數最高的即為該泵站的水錘風險等級。風險級別為低，認為該泵站不發生水錘或無須采取水錘防治措施；風險級別為中，認為該泵站需采取單項或少量水錘防治措施；風險級別為高，認為該泵站需采取多項水錘防治措施才能防止水錘發生時的巨大破壞。

4.2 建議

在泵站工程、市政工程實際設計施工中，特別是在早期可研方案設計階段，可利用本文所述的快速評估方法判斷工程的水錘風險等級，有利于減少方案設計階段的工作量。

利用快速評估方法判斷出泵站工程存在中、高風險，需要進行水力過渡過程分析，利用模擬軟件配合防治措施將水錘控制在管網可承受范圍內，保證供水系統的安全性。