长距离管道输水工程几个问题研究-硕士论文

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：力勋氧时间：侈年衫月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：岩勋煮 时间： 磁年乡月f 日 导师签名：时间：7 力l J 年么月日 摘要 本文以本地区长距离管道输水工程在规划设计及运行期间出现的几个工程问题为例，简单分 析了长距离输水工程输水方案的选择、管道水力计算公式的选择对管道设计的影响、长距离重力 输水管道的水锤防护问题以及长距离重力输水管道试运行中要解决的问题。 ( 1 ) 通过对实际工程在规划设计时可采用的三种输水方案进行分析比较得出，在中间无分水要 求的前提下，采用水泵加压输水比水泵与高位水池联合输水方案水泵扬程明显降低，达到减小运 行费用、降低供水成本的目的，可优先选用这一布置方案。 ( 2 ) 以实际工程中同种管道、相同条件为背景，用不同的沿程水头损失公式计算比较，推荐出 球墨铸铁管、钢管及玻璃钢管较适用的沿程水头损失计算公式；同种管道的粗糙系数取值不同计 算得到的沿程水头损失进行比较，归纳出与实际更加接近的粗糙系数值。以宁夏中南部城乡饮水 安全工程三个典型的长距离输水工程为例，详细计算了局部水头损失的值，通过计算得出：局部 水头损失的值是沿程水头损失的1 0 - 2 0 。 ( 3 ) 分析长距离重力输水管道水锤的几种形式及其危害，以实际工程为例，通过计算分析得出， 长距离重力输水管道水锤压力与阀门的关闭时间有关，保证管道安全运行关键的是合理确定阀门 的关闭时间。 ( 4 ) 以长距离重力输水管道发生爆管为例，分析了产生爆管的主要原因，提出了长距离重力输 水管道避免爆管的关键是解决好充水排气问题，按规范要求做好管道分段打压、试水等工作，确 保管道安全运行。 关键词：输水管道，水头损失，重力输水，爆管分析 A b s t r a c t I nt h i sp a p e r , w et a k es e v e r a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sd u r i n gt h ed e s i g na n do p e r a t i o np e d o di n l o n g - d i s t a n c ew a t e rp r o j e c t si nt h er e g i o nf o re x a m p l e ，a n a l y z i n gt h es e l e c t i o no fl o n g - d i s t a n c ew a t e r c o n v e y a n c ep r o j e c tp l a n , c a l c u l a t ew a t e rp i p eh e a dl o s s ，l o n g - d i s t a n c ew a t e rh a m m e rp r o t e c t i o ni s s u e s 硒w e l la si s s u e sr e l a t e dt ol o n g - r a n g ep r o j e c t sG r a v i t yW a t e rs a f eo p e r a t i o n ( 1 ) B a s e do np r a c t i c a le n g i n e e r i n gC a nb eu s e di np l a n n i n ga n dd e s i g ni sa n a l y z e db yt h r e ek i n d so f w a t e rc o n v e y a n c ep r o j e c t , u n d e rt h ep r e m i s eo fn ow a t e rr e q u i r e m e n t si nt h em i d d l e ，t h ew a t e rp u m p p r e s s u r i z e dw a t e rt h a nt h ew a t e rp u m pw i t hh i 曲p o o lw a t e rs o l u t i o np u m ph e a di sd e c r e a s e do b v i o u s l y , t h eo p e r a t i o nc o s t , r e d u c et h ec o s ta n ds u p p l yo fw a t e r , g i v ep d o r i t yt oc h o o s ep l a no f t h el a y o u t ( 2 ) w i t l lt h es a m ek i n do fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gp i p e l i n e ，t h es a m ec o n d i t i o n sa st h eb a c k g r o u n d , c o m p a r i n gd i f f e r e n tf r i c t i o n a l1 1 e a dl o s sf o r m u l a , r e c o m m e n dt h en o d u l a rc a s ti r o np i p e s t e e lp i p ea n d g l a s ss t e e lp i p ei sa p p l i c a b l ef o r m u l a o ff r i c t i o n a lh e a d ；T h es a m ep i p e so fd i f f e r e n tr o u g h n e s s c o e f f i c i e n tv a l u e sc a l c u l a t e df r i c t i o n a lh e a dl o s sc o m p a r i s o n , i n d u c ea n dr o u g h n e s sc o e f f i c i e n tv a l u eo f t h er e a lc l o s e r I nc e n t r a la n ds o u t h e r nN i n g x i at h r e et y p i c a lu r b a na n dr u r a ld r i n k i n gw a t e rs a f e t y p r o j e c to fl o n gd i s t a n c ew a t e rc o n v e y a n c ep r o j e c ta sa ne x a m p l e ，d e t a i l e dc a l c u l a t i n gt h ev a l u eo ft h e l o c a lw a t e rh e a dl o s s ，c a l c u l a t e s ：t h ev a l u eo f t h el o c a lh e a dl o s si s1 0 一1 0 o f f r i c t i o n a lh e a dl o s s ( 3 ) A n a l y s i so fl o n g - d i s t a n c ew a t e rc o n v e y a n c ep i p e l i n eg r a v i t ys e v e r a lf o r ma n dh a r mo fw a t e r h a m m e ri np r a c t i c a le n g i n e e r i n g , f o re x a m p l e ，t h r o u g l ac a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，l o n gd i s t a n c ew a t e r c o n v e y a n c ep i p e l i n ew a t e rh a m m e rp r e s s u r ea n dg r a v i t yv a l v ec l o s i n gt i m e ，t h ek e yt oe n s u r es a f e o p e r a t i o no f t h ep i p e l i n ev a l v ec l o s i n gt i m ei sr e a s o n a b l e ( 4 ) I nl o n gd i s t a n c eg r a v i t yw a t e rp i p et u b ea sa ne x a m p l e ，a n a l y z e st h em a i nr e a s o n sf o rt u b e ，a n d p u t sf o r w a r dt h eg r a v i t yw a t e rp i p et oa v o i dl o n gt u b ei st h ek e yt os o l v et h ep r o b l e mo fg o o dw a t e r f i l l i n ge x h a u s t , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t ss t a t e di nt h es p e c i f i c a t i o np i p es e c t i o nd o w n , t e s tt h e w a t e r s ，e t c ，t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h ep i p e l i n e K e y w o r d s ：W a t e rp i p e l i n e s ，H e a dl o s s ，G r a v i t yw a t e rs u p p l y , A n a l y s i so ft u b er u p t u r e 目录 第一章绪论1 1 1 研究目的及研究意义1 1 2 长距离输水工程的研究现状1 1 3 主要研究内容及方法3 1 4 技术路线5 1 5 创新点6 第二章长距离输水工程输水方案的选择7 2 1 水泵加压输水7 2 2 水泵加压与重力联合输水8 2 3 工程实例9 2 4 本章小结1 3 第三章管道水力计算公式选择对管道设计的影响1 4 3 1 水头损失的物理概念及产生原因1 4 3 2 管材性能及沿程水头损失计算1 5 3 3 局部水头损失计算2 1 3 4 本章小结2 8 第四章长距离重力输水管道水锤防护3 0 4 1 水锤及其危害3 0 4 2 长距离重力输水管道水锤的防护3 0 4 3 关阀时间对水锤压力的影响分析3 6 4 4 本章小结3 7 第五章长距离重力输水管道试运行中要解决的问题3 8 5 1 长距离输水管道中的水流流态3 8 5 2 长距离重力输水管道试运行期间的爆管现象4 0 5 3 工程实例4 1 5 4 本章小结4 4 第六章结论与展望4 5 6 1 结论4 5 6 2 展望4 5 参考文献4 6 致谢4 9 个人简历5 0 I I I 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及研究意义 第一章绪论 水是生命之源，是不可替代的自然物质资源。虽然地球有着各种形态的丰富的水量，但可供 人类生活生产利用的淡水资源是十分有限的。水资源在时间与空间上的分布并不均衡，与日俱增 的工业、农业、居民用水量，以及水资源的污染，致使世界各地出现严重缺水的局面n 2 1 。许多国 家兴建了一些大型或特大型的长距离输水工程，这些工程的建设，解决了部分地区面临缺水的严 峻问题，提高了人们的生活质量，维持着经济的可持续稳定发展哺3 。 我国也在水资源匮乏之列。我国淡水资源总量为2 8 万亿立方米，但人均占有量仅是世界人 均水平的1 1 4 ，且水量分布严重不均。北方地区土地占国土面积的3 5 以上，水资源的拥有量不 足全国总量的1 5 。据统计，全国城市中有4 7 供水不足。水资源短缺已经成为我国经济社会发 展的严重制约因素，北部地区尤为严重。随着社会经济的发展，仅凭流域内的水资源已经难以维 持经济发达地区的正常用水需求。因此长距离跨流域输水工程的建设已经成为解决区域性缺水问 题的迫切需要H 1 。 近年来，随着长距离输水工程的数量逐渐增多，规模逐渐增大，工程的安全运行问题也日益 突出。所以研究并解决长距离输水工程运行过程中出现的一系列问题，保证输水系统安全稳定地 运行具有非常重要的现实意义。 1 2 长距离输水工程的研究现状 1 2 1 国内研究历史及现状 在我国，长距离的输工程已有悠久的历史。引长江水入淮河的邢沟工程建于公元前4 8 6 年岬。： 引黄入淮的鸿沟工程于公元前3 6 1 年建成；都江堰引水工程建于公元前2 5 6 年的：郑国渠兴建于 公元前2 4 6 年；公元前2 1 9 年，又建成了沟通湘江和漓江的灵渠，以及全线贯通的京杭大运河等 早期跨流域输水工程。早期的这些工程主要用于水上运输和农业灌溉。 新中国建国以来，我国也建设了很多大型的长距离输水工程。如东深工程、“引滦入津”、 “引碧入连”、“引黄济青”、引黄供水、引大入秦、黄浦江上游引水工程、龙门滩引水工程H 吨3 等都具有典型代表性。近年已投入使用的采用重力输水方式的山西万家寨引黄工程、北京张坊水 源应急供水工程、广州市西江引水工程等，这些输水工程的用途己从水运与灌溉扩大到为工业、 城乡生活和改善生态环境而服务。 ( 1 ) 引滦入津工程 引滦入津工程是从滦河干流引水到天津市，缓解天津市缺水局面的一项规模巨大的跨流域输 水工程。其水源地是位于河北省迁西县境内的滦河干流上的潘家口水库，潘家口水库调蓄后的下 1 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 泄水沿滦河流入大黑汀水库，经引滦总干渠引水枢纽向天津市和唐山市两地供水隋3 。输水管线全长 2 3 4 k m ，于1 9 8 2 年开工，建成于1 9 8 3 年。年输水量达1 9 5 亿m 3 。引滦入津工程的运行缓解了天 津和唐山的供水紧张局面，发挥了巨大的社会效益、经济效益和环境效益。 ( 2 ) 引黄济青工程 引黄济青工程始建设于1 9 8 6 年4 月中旬，1 9 8 9 年1 1 月正式通水，是一项将黄河水引向青岛 的大型长距离输水工程。工程线路全长2 9 0k m ，具有输水、蓄水、配水、沉砂、净水等完整功能 配套。该输水工程的建设运行使青岛摆脱了缺水的局面，并成为青岛市主要用水来源，使其发展 不再受到用水条件的约束，同时也改善了山东的水资源分布情况。 ( 3 ) 引大入秦工程 引大入秦工程将甘肃与青海交界处的大通河水向东输送1 2 0 k m 到兰州市以北6 0 k m 处干旱缺 水的秦王川盆地，是一项规模宏大的以灌溉为目的的自流输水工程。工程全长8 8 4 3 k m ，相当于 京杭大运河的4 9 2 9 n 引。1 9 7 6 年起开始动工建设，至1 9 9 5 年通水运行。 ( 4 ) 南水北调工程 我国南涝北旱，南水北调是缓解我国北方水资源严重短缺局面，实现中国水资源优化配置的 战略性水利工程。南水北调工程分东、中、西三条输水路线，通过跨流域的水资源合理配置，促 进南北方经济、人口、资源与环境之间的协调发展。工程规划输水规模为东线1 4 8 亿m 3 、中线 1 3 0 亿m 3 、西线1 7 0 亿0 1 3 ，整个工程需4 0 - - 一5 0 年方能建设完成。建成后将解决7 0 0 余万人长期 饮用高氟水和苦咸水的问题。中线干线主体工程2 0 1 3 年已经完工。 对于长距离输水工程研究，国内外的学者不断地贡献着自己的力量，为我们后续的学习和研 究产生积极的影响，也推动着水利事业的发展。齐向南等n u 对长距离输水管道在冲水调试阶段的 水锤产生原因和措施进行了研究，杨照明n 列等详细阐述了长距离大落差重力流输水工程的关键技 术及应用，冯磊通过对泵站压力管道气液两相流的数值模拟n 引，分析得出泵站空管开机时管道破 裂喷水的原因；叶飞、高学平n 幻对输水管道弯曲管路的水头损失进行了系统地研究，谷广伟u 副 供水管道水头损失产生的原因及计算一文从产生原因这一角度入手，介绍了说头损的计算方 法，在司徒菲、陈才高u 明等对长距离大口径输水管线摩阻系数及局部水头损失系数的研究中，我 们得到了重要的启发。 1 2 2 国外研究历史及现状 国外最早的长距离输水工程是建于公元前2 4 0 0 余年的埃及尼罗河输水工程，大量兴建长距 离输水工程始于1 9 世纪中期进入2 0 世纪以后。国外已建的大型长距离输水工程有美国联邦中央 河谷输水工程、以色列北水南调工程、加利佛尼亚州北水南调工程、秘鲁东水西调工程、澳大利 亚雪山输水工程等 1 7 - l g Jo 世界各地已建、在建和拟建的大型跨流域输水工程中以美国、加拿大、 以色列等最为突出。 ( 1 ) 加州“北水南调”工程 加利福尼亚调水工程是为解决美国加州中部和南部地区干旱缺水而建设的四项调水工程之 一，其调水范围延伸到了加州南部的洛杉矶地区。工程有输水干支渠5 条，总长1 0 2 8 k m ；泵站 2 2 座，总扬程2 3 9 6 m ；该工程集供水、灌溉、防洪、发电及旅游于一体，自1 9 5 9 年历经2 6 年完 2 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 成建设。但是由于大量引用萨克拉门托河和圣华金河的淡水，减少了流入金山湾的淡水，造成了 海湾水质恶化，为此已采取了适当控制引水量的措施。 ( 2 ) 澳大利亚雪山输水工程 澳大利亚地广人稀，淡水资源人均占有量不少，但同时也是世界上降水量较少的地区。雪山 输水工程将位于澳大利亚东南部的斯诺伊河的一部分水量引向西坡的缺水地区，是澳大利亚集输 水、发电功能于一体的大型水利工程，也是世界上较为复杂的长距离输水工程之一。雪山输水工 程1 9 4 9 年开始修建，1 9 7 5 年竣工，该工程投入运行后取得了相当可观的经济效益。 ( 3 ) 以色列北水南调工程 北水南调将以色列北部较为丰富的水输送到干旱缺水的南方，是以色列最大的水利工程。水 源为以色列东北部的太巴列湖，年均调取太巴列湖水4 0 亿m 3 左右。工程1 9 5 3 正式开工建设， 1 9 6 4 年建成投入运行。该工程的运行在改善以色列水资源配置的不利状况，缓解制约南部地区发 展的主要限制因素的同时，也改善了严酷的生态环境条件，带动了南部经济社会的发展。 1 8 世纪，W e b e r 研究建立了压力波的运动方程和连续方程，成为我们研究水锤的理论基础， 1 8 0 8 年R e S a l 完善发展了连续方程和运动方程，并提出了二阶波动方程心刚，1 9 0 2 年，意大利工程 师A l l i e v i 啪1 介绍了A l l i e v e 常数和阀门关闭特性两个无因次参数，并引用了水锤常数。1 9 世纪至 2 0 世纪中期，A n g u s 提出了对于复杂管道和分叉管道的水锤压力和液柱分离计算坫副，M a r t i n e l l iR C 、N e l s o nDB 等研究了气液两相流流态瞳3 。2 引。2 0 世纪9 0 年代，W e i s m a n 和a n d K a n g s y 共同研究 了垂直向上管道的流态过程砼7 1 。S 仃e e t e r v L 研究了瞬态空化管流幢引。A B e r g a n t 和A R s i m p s o n 建 立了空化管流的界面模型啪1 。V a r d y A E 和B r o w n J 等人研究非稳定流态下管道摩阻，并运用加权函 数法计算了管道瞬态湍流摩阻渺3 2 1 。 由此可见，国内外对长距离输水工程的研究主要涉及到液流形态、摩阻系数及安全运行等方 面，尤其以水锤研究居多。随着越来越多的长距离输水工程的投入使用，为人们的生产生活带来 很多方便的同时，在运行过程中出现的种种问题也阻碍着长距离输水工程发挥应有的工程效益。 这就需要以实际工程在运行中出现的各种问题，来展开研究。本文针对本地区长距离输水工程在 设计及运行时出现的几个问题，如不同管材的水头损失、重力输水运行中爆管等，在总结前人研 究经验的基础上，分析问题产生的原因，并找出解决这些问题的有效措旌。 1 。3 主要研究内容及方法 论文主要针对近年来宁夏在长距离管道输水在规划设计、施工及运行管理中出现的一些典型 工程问题，采用理论分析与典型工程实例分析计算相结合的研究方法，探讨出现这些工程技术问 题的原因，提出解决长距离管道输水工程技术问题的措施与建议，为长距离管道输水工程的设计、 施工及运行管理提供相应的技术依据。论文主要研究内容如下。 1 3 1 输水方案的选择 随着水资源的日益匮乏，为满足经济的迅速发展和人们生活水平的不断提高对用水更高的需 求，长距离输水工程的建设运行迫在眉睫。而压力管道输水的水量损失少、运行维护方便、且不 - 3 - 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 易受到污染口引。压力管道输水可根据动力来源不同分为水泵加压输水和重力输水两种。 ( 1 ) 水泵加压输水 水泵加压输水是利用水泵进行加压，在管道内形成压力水流的输水方式【3 4 1 。其特点是运行方 式较灵活、调整控制性较大、对地形的适应性较好，适用于长距离、地形起伏大、高扬程的输水 工程。 ( 2 ) 重力输水与水泵加压联合输水 重力输水是利用管道进口和出口的地形高差，因重力的作用在管道内形成压力水流的输水方 式。重力输水对地形的要求较高，管道进出口的水位差必须高于管道的水头损失，且容易受到管 道沿线的安装高程影响。在实际应用中，重力输水多应用于与水泵加压进行联合输水。水源地的 地势较低，且输水区域的地形高低起伏较大，这种情况多借助两种方式联合进行输水，将水源的 水通过泵站加压，输送到高位水池，再利用重力输水系统将水流输送到用水区。 1 3 2 管道水力计算公式选择对管道设计的影响 水是具有粘滞性的液体物质，在流动的过程中会产生阻力，克服阻力所损耗的能量即为水头 损失I ”】。对于平顺的边界，水头损失是沿程都有，并会随着长度的增加而增加的为沿程水头损失， 用h r 表示；由于水流的局部边界条件急剧改变导致水流结构、流速分布发生变化，并产生旋涡区 而弓l 起的水头损失为局部水头损失，用h ，表示。 ( 1 ) 不同管材沿程水头损失计算公式的选择 管道的糙率是输水管道产生沿程水头损失的直接原因。由于管道糙率的存在，水流与管道内 壁的接触面产生摩擦阻力，水流消耗动能，产生沿程水头损失。不同管材的粗糙程度不同，其沿 程水头损失必然不同。以工程上常用的水力计算公式计算不同管材管道的沿程水头损失，总结出 各管材最适宜的水力计算公式，对实际工程是非常有帮助的。 ( 2 ) 局部水头损失的计算 管道上的弯头和各类阀门部件是产生局部水头损失的直接原因。长距离输水工程的地形较为 复杂，管道是由许多管段组成，各管段之间用各种型式的管件连接，如各种弯头、三通或阀门等 一系列配套部件，当水流流经这些部件时，水的流态由层流变为不稳定的紊流，产生局部的水能 消耗，从而产生了局部水头损失。不同部件之间相互连接的阻力不同，水流经部件之后的流速不 同，这正是计算局部水头损失的重要因子。一般的，长距离输水管道局部水头损失是沿程水头损 失的5 一1 0 9 6 。在这个范围内计算局部水头是否准确，还需要进一步的验证。 1 3 3 长距离重力输水管道水锤防护与安全措施 水锤是压力管道内水流流速骤然变化而引起的水压瞬变过程，是一种非常不稳定的运动状 态。如果管道中水压的变化超过管道的承压能力极限，就会发生爆管等事故，危及整个管线的安 全运行。 ( 1 ) 重力输水的特点 重力输水工程具有节能、投资少、运行成本低、施工难度小、运行管理简单等优点，因此重 力输水是长距离输水工程中优先选择的输水方式。但采用重力输水需要具各一定的地形高差条 4 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 件，这个地形高差要满足输水管线完全依赖重力作用自流至各处理构筑物的水头损失；要求地形 坡降要大于或等于管道水力坡降，以保证末端进入管网时有一定的自由水头。 ( 2 ) 长距离重力输水管道水锤的分类 断流弥合水锤 长距离重力输水管道中的流速在各运行阶段不尽相同。当输水管道中的流速变化时，会导致 水压的变化，当压力低于水的汽化压力时，水柱会被拉断出现断流空腔，水流在空腔处弥合时将 产生强烈的撞击，形成断流弥合水锤。 末端关阀水锤 长距离重力输水工程利用有利的自然地形落差达到输水目的。当管路上的阀门关闭后，管中 最大静水头即为最大地形高差，高差越大，管道承受的压力越高；当阀门发生非正常关闭时，容 易产生较大的水击压力，称为末端关阀水锤。 ( 3 ) 重力输水管道的水锤防护措施 安装减压阀 减压恒压阀可减动压也可以减静压，无论管道进口压力和流量如何变化，减压阀的出口压力 均可保持稳定，常用于大型重力输水系统。 进排气阀 进排气阀的工作原理是当管内的压力低于大气压力时阀门打开，空气进入管道，避免管内压 力下降过低；当管内的压力高于大气压力时，管内的空气又通过阀门排出。 其他措施 为了减小长距离重力输水管道的水锤压力，传统的方法中还包括在管道设计中进行变径处 理，逐级减小管径的措施。 ( 4 ) 开、关阀时间对长距离重力输水管道水锤的影响 开阀速度过快，会造成管道内水流及空气之间的对流和挤压，导致压力急剧升高，产生水锤 乃至发生爆管的现象。因此要合理控制关阀时间，减少输水管道内对流升压的可能。 1 3 4 长距离重力输水管道试运行中要解决的问题 长距离重力输水管道在充水运行之前，管道内部被气体充满，在充水时出水管的前段首先被 水流充满，随着水流的运动，管内的空气被推向前方，到了管线的局部高点，空气处在管道上部， 而水流则在管道下部继续向前流动。通过管路上的排气阀，部分空气被排出去，但管道内始终有 气体存在。随着运行时间的推移，管道中气液两相的流动更加复杂。大部分空气被不断地压缩， 而产生很大的压力，导致爆管事故的发生。 为防止空管开机导致爆管现象，除了沿线布置数量和位置合理的排气阀外，严格控制阀门的 开启度和开启时间也同样重要。 1 4 技术路线 针对宁夏长距离管道输水在规划设计、运行中存在的具体工程问题，结合工程案例，分析出 5 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 现问题的原因，提出具体的解决办法。技术路线如下： 1 5 创新点 针对宁夏农村饮水安全工程长距离输水工程在规划设计、运行管理中出现的问题，采用实际 调研与理论分析相结合的研究方法，结合具体的典型工程案例，通过分析论证、方案比较，找出 长距离输水管道出现问题的原因，提出解决措施，为解决相关的工程问题以及今后类似工程的规 划设计提供相关的技术参考。 6 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 第二章长距离输水工程输水方案的选择 长距离输水工程按水的动力来源分为压力输水、重力输水和压力与重力联合输水。无论是水 泵加压还是重力输水，都由取水工程、净水工程和输配水工程三部分组成。不同形式的输水系统 在布置形式上会有所取舍，相应的也有其特点和适用性。 取水工程包括取水构筑物和一级泵站，其作用是从选定的水源取水，输水至处理构筑物，保 证足够的用水量。净水工程包括水处理构筑物和清水池，水处理构筑物的作用是使处理后的水能 满足生活饮用水水质标准或工业用水水质标准的要求，清水池的作用是贮存和调节相邻泵站之间 水量的差额。输配水工程包括二级泵站、输水管道、配水管网、水塔和高位水池等，作用是将足 够的水量输送和分配到用水地点，同时保证水量、水质、水压的要求。输水管道和配水管网较长， 投资占的比重很大。 2 1 水泵加压输水 2 1 1 水泵加压输水的布置形式 长距离管道输水系统由一系列相互联系的构筑物和输配水管网组成。当水源水位低于供水区 地形标高时，需要采用泵站加压的方式输水，在水源水位与地形高差较大的情况下，需设置多级 泵站进行加压。通常由以下工程设施来共同完成输水任务。 ( 1 ) 取水构筑物 取水构筑物用以从选定的水源或取水地点获取原水。水源的水文、地质、环境和施工等条件 对取水工程的投资产生直接影响，因此尤为重要。取水构筑物需要对其进行独立运行和管理。 ( 2 ) 水处理构筑物 水处理构筑物是对由水源取得的来水进行净化处理而设置的各种构筑物的总称，使处理后的 水满足水质标准的要求。这些构筑物常集中布置在水厂范围内，是水厂保证供水水质的主要设施 设备。 ( 3 ) 泵站 泵站是将水从地势较低的地方提升到要求的压力或高度的构筑物，以满足水处理构筑物的运 行和向用户供水的需要。按功能可分为一级泵站、二级泵站和设于管网中的增压泵站等。 一级泵站的任务是将取水构筑物取得的水输送给水处理构筑物。二级泵站又称清水泵站，将 处理后的清水提升到一定的压力或高度，通过管道系统输送给用水区。增压泵站是进一步提升输 水压力的泵站。增压泵站依具体需要可以设在各种长距离输水的管网和管渠中间，可以输送清水 和浑水。 ( 4 ) 输水管渠 输水管渠是输送处理后的水到各个用水区的全部管( 渠) 道，即使取水构筑物与水厂的距离 不尽相同，输水管渠都是必不可少的。 ( 5 ) 配水管网 7 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 配水管网是供水区域内向用户配水的管道系统，它们承担着将清水输送并分配到各个用户的 任务。配水管网又分为干管和支管，干管主要将清水输送到城镇，支管则将水分配给各个用户。 2 1 2 水泵加压输水的优缺点及适用地形 水泵加压输水对地形的适应性较好，供水效率较高，运行方式灵活，对流量、水压等的调整 控制性较大。但需建设加压泵房，系统相对复杂，运行费用相对较高。加压输水适用于水源低于 用水区的地形，如水源为江河水时。海拔较高的高原地区，适宜用高扬程梯级泵站。 2 2 水泵加压与重力联合输水 2 2 1 联合输水布置形式 长距离输水工程多采用加压输水和重力输水联合的方式，将水由水源地提到线路地势较高的 地方，修建高位水池或水塔，再由水池或水塔在重力作用下自流向前输水。在输配水管网中增设 水塔和高位水池等调节构筑物，可以贮存和调节二级泵站送水量与用户用水量之间的差额，并保 持管网中有一定的压力。在地形起伏变化大的地区，这种输水方式比较常见，依据地形特点及输 水要求，可修建多个高位水池分多级提水。这种方式有利的结合两种方式的特点，起到了更好的 调节作用。根据供水区域地形的特点，结合泵站供水量与用户用水量的实际情况，水塔的设置位 置有所不同。 ( 1 ) 网前水塔：利用地形条件，输水前段地势高，在高点布置水塔，将水源的水由泵站提到 水塔，再由水塔在重力作用下将水输送到地势较低的用水区。 ( 2 ) 对置水塔：当用水区地形越高，或离二级泵站越远时，水塔宣布置在管网末端，形成对 置水塔的管 水塔供给用 于供水量时， 图2 - 1 水塔在管网中的位置 F i g2 - 1W a t e rt o w e ri nt h ep o s i t i o n so ft h en e t w o r k ( 3 ) 网中水塔：当输水线路的中间地形高于水源及用水区地形时，在中间布置水塔。若水塔 为止靠近二级泵站，且泵站供水量大于泵站和水塔间用户的用水量时，情况类似于网前水塔。当 - 8 - 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 泵站供水量小于泵站和水塔间用户的用水量，必须由水塔供给一部分水量时，这种情况类似子对 置水塔。 一级泵站往往均匀的供水到水厂，二级泵站根据用水量变化供水到管网，两者的供水量不平 衡时，可在一二级泵站之间设清水池，以调节两泵站之间的流量差。供水范围较大、昼夜供水量 相差较大的地区，及低压区需要提高水压的用水户，可设水池来调节水量和局部加压。 2 2 2 联合输水的优缺点 在管网中设置水塔或高位水池后，能够使管网中用户的供水水压保持相对稳定，并调节水量。 水塔或高位水池可作为供水水源向管网供水。 但是布设水塔和高位水池的管网不便于扩建，因为扩建供水管网时要提高水厂的供水压力， 这样会导致管网中已建的水塔溢水，因此水塔或高位水池只用于发展有限的小型管网。 2 3 工程实例 某长距离输水工程，水源水位为1 2 2 6 m ，用水区水位为1 4 2 3 m ，输水线路总长7 6 8 k m ，中间 无分水要求。沿管线高程变化如图2 - 2 所示。该输水工程距离长，地形高差大，管线的布置要翻 越三处高点，所以选取输水方式优先考虑借助于梯级泵站加压输水。 根据实际地形情况，在梯级泵站加压的基础上，还可以利用地形的起伏条件，在高处设高位 蓄水池，将输送到高处的水通过高位水池以重力流的形式输送至目的地。这种输水方式的利用有 效结合了泵站加压输水和重力输水二者的优点，对沿线的水压和流量进行调节，可实现对泵站运 行的时间进行适时的调整。 n 。n Z a U 2 0 0 歹、； 笛1 5 0 7 稍 丹妊 键1 0 0 走 厂、 飞二，岬涉 5 0 j 、l 一 I i V 7 V F V U 01 0 0 0 02 0 0 0 03 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 06 0 0 0 07 0 0 0 08 0 0 0 0 距离( m ) 一高差 图2 2管线高程变化示意图 F i g2 - 2P i p e l i n es c h e m a t i ce l e v a t i o nc h a n g e s 9 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 2 3 1 水泵加压与重力流联合输水 规划设计中分三级泵站提水与重力流相结合进行输水，设计流量0 3 3 m 3 s 。这种输水方式因 为水池对流量和水压的调节作用而广泛应用于符合地形条件的长距离输水工程中。 ( 1 ) 联合输水方案一 工程初次设计时充分考虑到项目区地形特点，在三级提水的管线中布设三个高位水池，三个 高位蓄水池的水位分别为1 4 5 9 9 m 、1 4 6 8 8 7 m 、1 5 4 0 8 0 m 。其具体布置如下示意图。 图2 - 3 管线高程变化及水池位置示意图 F i g2 - 3P i p e l i n ed i a g r a mo fe l e v a t i o nc h a n g e sa n dp o o l 该工程泵站与高位水池的具体布置情况及其简单计算见表4 1 。 表2 - 1 联合输水方案一 T a b2 - 1T h ef i r s tj o i n tw a t e rs o l u t i o n 名称 桩号 管中心高程( m )输水方式 管线长( m )净扬程( m )高差( m ) 一泵站0 + 0 0 01 3 4 2 4 2 5 高位水池1 二泵站 高位水池2 三泵站 1 4 5 9 9 1 4 1 4 9 2 0 1 4 6 8 8 7 0 1 4 2 7 6 1 0 高位水池35 5 + 9 0 0 15 4 0 8 0 0 加压4 3 2 2 6 重力流 1 7 5 7 7 4 加压“2 2 2 重力流 2 1 6 7 7 8 加压 5 9 0 0 1 1 7 4 7 5 5 3 9 5 1 1 3 1 9 4 4 9 8 4 1 2 6 重力流 2 0 9 0 0l1 9 4 2 1 用水区 7 6 + 8 0 01 4 2 1 3 7 9 管线全长 7 6 8 0 0 三级的净扬程分别为1 1 7 4 7 5 m 、5 3 9 5 m 、1 1 3 1 9 m 。高位水池1 的出口与二泵站进口的水位 高差为4 4 9 8 m ，高位水池2 出口与三泵站进口的水位高差为4 1 2 6 m ，高位水池3 与用水区水位 1 0 - 勉 舢 ； 惝 扒 强 轮 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 的高差为1 1 9 4 2 1 m 。 在管材选择方面，该方案一泵站与高位蓄水池1 之间的管道采用D N 6 0 0 的球墨铸铁管；高位 水池1 与流经二泵站直到三泵站之间的管段选用同管径的玻璃钢管；三泵站与高位水池3 之间的 管道采用D N 6 0 0 的球墨铸铁管；高位水池3 以后的重力输水管段采用D N 4 5 0 的玻璃钢管。管道埋 置在冻土层深度1 5 m 以下。 ( 2 ) 联合输水方案二 第二种联合输水方案在前一种方案的基础上，保持三级泵站的位置不变，取消高位蓄水池1 和高位蓄水池2 ，只在沿管线最高处布置一个高位水池，即保留高位蓄水池3 ，布置示意图如图 2 - 4 所示，其相关计算见表2 2 。 图2 - 4 管线高程及高位水池布置示意图 F i g2 - 4P i p e l i n el a y o u ts c h e m a t i ce l e v a t i o na n dh i g hp o o l 一泵站的净扬程为7 2 4 9 5 m 、二泵站的净扬程为1 2 6 9 m 、三泵站的净扬程不变，仍为1 1 3 1 9 m ， 重力流输水段高位蓄水池3 至用水区的高差仍为11 9 4 2 1 m 。 管材布置与方案一有所区别，一泵站至高位蓄水池3 之前的管道采用D N 6 0 0 的球墨铸铁管， 高位水池3 至用水区的管段为D N 4 5 0 的玻璃钢管。 表2 - 2 联合输水方案二 T a b2 - 2T h es e c o n dj o i n tw a t e rs o l u t i o n 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 2 3 2 水泵直接输水( 方案三) 除以上两种水泵加压与重力流联合输水的方式外，也可以采用水泵加压直接输水的方式。包 括一级泵站提水和梯级泵站提水，这里为方便比较，采用一级提水的方式，选择合理的泵房结构 和水泵型号，将水源水通过加压输送到用水区，管线中间不设调节构筑物。其布置方式如图2 5 。 图2 - 5 水泵加压输水示意图 F i g2 - 5P u m pp r e s s u r i z e dw a t e rd i a g r a m 泵站一级加压输水，整个管线长度不变，在合理选择水泵泵型并正常运行的情况下，整个输 水的净扬程只有7 8 9 5 4 m ，见表2 3 。 表2 3 水泵加压输水 名称 桩号管中心高程( m )输水方式 管线长( m )净扬程( m ) 2 3 3 输水方案的比选 对于水泵输水和联合输水这两种输水方式下的以上三种输水方案，我们从节能及节省投资的 角度，讨论各输水方案的优缺点，作以下分析，综合比较。 ( 1 ) 方案一与方案二利用地形条件将加压输水和重力输水有效的结合，对管道输水的流量及 压力具有调节作用；但在长距离管道输水工程中加设高位蓄水池，需要较大的挖方工程，明显增 加了工程的工作量及工程投资。 ( 2 ) 采用水泵直接加压供水，大大降低了水泵的净扬程，节省了建设高位水池所需的工程投 资；但在水泵启动时水流要翻越最高点，此时水泵扬程要达到2 0 0 m 以上，而水泵正常运行时的 扬程要比这个最大值小很多；停泵时在高点处的进排气阀打开，空气进入管道后局部出现空流段， 下次开机时可能产生断流弥合水锤。 对上述三种输水方案进行比较可知，方案二在利用了重力流输水特点的同时，减小了工程投 资和净扬程，因此优先选择方案二。 1 2 宁夏大学硕士学位论文第二章长距离输水工程输水方案的选择 2 4 本章小结 对于长距离输水工程输水方式的选择，要结合工程的具体需要及地形等方面的条件，如是否 有分水任务、是否需要调节构筑物对管道输水进行调节等。对长距离输水方式的选择做以下建议 及注意事项： ( 1 ) 如果地形条件适宜用重力流输水且有分水任务，则在管线高点布设高位水池是很好的选 择。 ( 2 ) 高点设高位水池的输水系统，在发生事故停泵时，水池中的水一部分沿管线正常的水流方 向流出，另一部分水流很可能从水池中沿原来的管道倒流回水泵系统中，发生水锤现象，且倒流 流量较大，产生的水锤压力也较大。 ( 3 ) 若取消出水池，采用水泵直接加压供水，在水泵启动时水流要翻越最高