韓德宏 孫文深

　　深圳由于其所處的特殊地理位置，沒有自己的供水水源，原水主要來自市外引水。深圳市自來水（集團(tuán)）有限公司的原水系統(tǒng)以東湖泵站至鐵崗泵站為主干線，沿途經(jīng)筆架山水廠、梅林水廠、大涌水廠、大涌轉(zhuǎn)輸泵站、梅林水庫、西麗水庫等多個用水點或供水點，因此，原水系統(tǒng)的組成雖然比較簡單，但其運行方式卻十分靈活多樣，同一水庫或泵站在不同時期可能具有不同的使用功能；供水水源既可能是一個，也可能是多個。隨著東部水源工程的建成，原水系統(tǒng)將更加復(fù)雜；在供水調(diào)度的日常工作中，要經(jīng)常對原水系統(tǒng)的運行方式加以調(diào)整。為適應(yīng)復(fù)雜的原水系統(tǒng)調(diào)度，提高調(diào)度管理的科學(xué)性和合理性，深圳水司著手開展原水系統(tǒng)計算機模擬分析，進(jìn)而建立原水系統(tǒng)調(diào)度模型，利用計算機輔助原水調(diào)度工作。本文針對深圳特區(qū)原水系統(tǒng)的特點、原水系統(tǒng)調(diào)度模型的建立及其實際使用效果進(jìn)行簡要介紹。

　　1. 原水系統(tǒng)簡介

　　深圳水司原水供水系統(tǒng)見圖1。沙頭角水廠由老虎坳泵站供應(yīng)原水，東湖水廠直接從深圳水庫取水，圖中未予標(biāo)注。

　　由上圖及系統(tǒng)設(shè)計意圖，筆架山水廠的原水可由東湖泵站、東湖水廠三泵房、梅林水庫供應(yīng)；梅林水廠原水可由東湖泵站、梅林水庫、西麗水庫或鐵崗水庫（通過大涌轉(zhuǎn)輸泵站）供應(yīng)；大涌水廠原水可由東湖泵站、鐵崗水庫、西麗水庫供應(yīng)。必要時，該系統(tǒng)須向梅林水庫、西麗水庫、鐵崗水庫儲蓄原水。大沖轉(zhuǎn)輸泵站工況極為復(fù)雜，不同時期其工作情況不同，可接收東湖泵站來水供大沖水廠、西麗水庫、鐵崗水庫，也可接收西麗水庫、鐵崗水庫來供大沖水廠、梅林水廠。

　　2. 原水系統(tǒng)模型建立

　　原水系統(tǒng)計算機模擬分析系統(tǒng)的核心是原水系統(tǒng)水力計算模型。原水系統(tǒng)中含多個水源、水廠及泵站，對于某種運行方式，可能只有部分水庫、水廠和泵站投入運行，其余部分對系統(tǒng)的運行不起任何作用，但對于另外一種供水方式，系統(tǒng)的組成又會發(fā)生變化。因此，在建立水力計算模型時，將原水系統(tǒng)作為一個整體考慮，即包括所有水源、水廠和泵站，將這些點與其它的管線節(jié)點統(tǒng)一編號，連接各節(jié)點的管線也統(tǒng)一編號，在確定了調(diào)度方案后，根據(jù)具體的閥門開關(guān)情況及供水方式，將部分管線和節(jié)點從整體中分離出來，保留有用部分，從而衍生出一個真實的水力計算模型，再進(jìn)行相應(yīng)的水力計算，為原水系統(tǒng)調(diào)度方案的制定提供理論依據(jù)。在這種建模思想的指導(dǎo)下，我們首先建立了原水系統(tǒng)水力計算模型，然后確定管道的阻力系數(shù)，最后還要模擬出各供水水源泵站的水泵特性曲線，下面分別加以討論。
　　2.1 水力計算模型
　　節(jié)點和管段是水力計算模型的兩大要素。在原水系統(tǒng)中，按進(jìn)出水情況不同可將節(jié)點分為以下幾類：①節(jié)點流量為負(fù)的節(jié)點：是指那些只能作為供應(yīng)原水的水源節(jié)點，如：深圳水庫。②節(jié)點流量為正的節(jié)點：是指那些接受原水的水廠節(jié)點，這些節(jié)點不具有轉(zhuǎn)輸原水的功能，如：筆架山水廠、梅林水廠、大涌水廠。③節(jié)點流量或正或負(fù)的節(jié)點：主要是指那些在不同時期具有不同使用功能的節(jié)點，它們既可作供應(yīng)原水的出水節(jié)點，又可作接受原水的進(jìn)水節(jié)點，如：梅林水庫、西麗水庫。④節(jié)點流量為零的節(jié)點：主要是管線節(jié)點，包括加壓泵站節(jié)點。在實際建模過程中，考慮轉(zhuǎn)輸泵站功能多變，進(jìn)水、出水管線復(fù)雜，所以將該泵站作為一個節(jié)點，將進(jìn)出水管線作為幾個管段，這樣，在不同的工況下，該泵站是位于不同管線上的加壓泵站，而不是某一固定管線上的加壓泵站，從而大大方便了水力模型的變化。
　　需要指出，各水庫、水廠、泵站與主干管線間的幾十米或十幾米進(jìn)出管線要作為一條管段處理，即在進(jìn)入水廠或水庫前的主干管上增設(shè)節(jié)點，這樣，可以將原水進(jìn)出水庫、水廠或泵站的局部水頭損失更有效地分配到系統(tǒng)中；同時，當(dāng)該水廠或水庫不參與運行時，關(guān)閉管道上的閥門，可以很方便地將這一部分從整個系統(tǒng)中分離出來，使得所建立的模型能適合各種調(diào)度模式。同樣道理，管道間的連通管通常也作為管段處理，而不是象以往建模那樣將其歸入節(jié)點。
　　原水在不同泵站、水庫、水廠間的調(diào)配很大程度上是依賴于閥門的開關(guān)，所以，閥門對原水系統(tǒng)供水調(diào)度具有非常重要的作用。在建立節(jié)點及管段數(shù)據(jù)庫的同時，需要建立閥門數(shù)據(jù)庫，其中包括閥門編號、所在管段編號、閥門直徑、開關(guān)狀態(tài)等內(nèi)容。當(dāng)系統(tǒng)的運行方式改變時，只要適當(dāng)調(diào)整閥門數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)便可以自動生成該運行方式下的水力模型。通過這種方式，可以由一個原始的數(shù)學(xué)模型，生成各種調(diào)度方式下的數(shù)學(xué)模型，而不需要針對每一調(diào)度方式逐個建立數(shù)學(xué)模型。
　　原水系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成并不復(fù)雜，在進(jìn)行水力計算時不會出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”及計算速度等問題，所以可以考慮多設(shè)立些節(jié)點，尤其在管道連通的位置，有閥門的位置，這樣可以使水力模型靈活多變。根據(jù)以上討論，我們建立了原水系統(tǒng)的管網(wǎng)水力計算數(shù)學(xué)模型，由此模型可衍變出多種工況的數(shù)學(xué)模型。
　　2.2 管道阻力系數(shù)的測定
　　在原水系統(tǒng)的中，各水廠進(jìn)水管上均有流量計，所以各節(jié)點的節(jié)點流量可以準(zhǔn)確確定，而管道阻力系數(shù)則成為影響水力計算的主要原因。為提高計算精度，保證計算結(jié)果與實際情況的吻合，我們在原水管線沿途設(shè)置了測壓點，從而測定管道的阻力系數(shù)。根據(jù)海曾-威廉公式（1），

　　　　　h=10.667C^-1.852d^-4.87q^1.852l (1)

　　式中h為管段水頭損失，即兩個測壓點間的壓力差，通過測壓可確定，其余d、q、l分別為管徑、管段流量和管長，也是已知數(shù)，只有C是未知數(shù)，這樣，可以逐段計算出管道的阻力系數(shù)C，為原水系統(tǒng)水力計算打下基礎(chǔ)。
　　在設(shè)立測壓點時，盡可能考慮設(shè)在主干管線上，同時還要考慮各種工況的結(jié)合，使有限的測壓點能最有效地發(fā)揮作用。另外，為減少開挖量，少破壞道路和綠地，大部分測壓點位于閥門井中，這樣，既方便測壓點的維護(hù)，也方便測量和讀數(shù)。由于原水管線的管徑通常都在1000mm以上，考慮到閥門開、關(guān)的難度較大，同時也為了提高供水的安全、可靠性考慮，減少停水的負(fù)面影響，我們采用管道不停水開口技術(shù)安裝壓力表。該項技術(shù)已有多年的應(yīng)用經(jīng)驗，現(xiàn)已日趨成熟，可以保證管道開口的質(zhì)量，不會因安裝壓力表而影響管道的供水安全性。
　　2.3 水泵特性參數(shù)的確定
　　對于某水源或泵站而言，水泵的運行方式一旦確定，其流量和揚程便具有一定的關(guān)系，為確定這種Q-H關(guān)系，首先需要知道其中各水泵的Q-H關(guān)系式，再根據(jù)具體的水泵并聯(lián)方式，確定該泵站的Q-H關(guān)系。眾所周知，水泵的Q-H曲線形似一條二次曲線，以如下通式表示：

　　H=a₀+a₁Q+a₂Q²

　　利用最小二乘法對該二次曲線進(jìn)行擬合，從而可確定以上關(guān)系式中的參數(shù)。具體方法是：在Q-H曲線上選取若干個點，查出各點的Q、H值，構(gòu)成X、Y、P三個矩陣，再利用最小二乘法的計算公式（2），可確定出水泵的特性參數(shù)a₀ a_1、a₂。

　　3. 原水系統(tǒng)調(diào)度模型的應(yīng)用

　　按照以上方法，我們建立了原水系統(tǒng)水力計算模型，并利用該模型針對現(xiàn)有工況進(jìn)行了水力模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型可以正確模擬原水系統(tǒng)的工作狀況，但也存在一定的誤差，主要是由水泵特性參數(shù)的誤差引起，經(jīng)校核水泵特性曲線，水力模型明顯得以修正，精度大大提高。通過對原水系統(tǒng)的模擬，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中有部分管道的流速偏高（大于2m/s），從而限制了整個系統(tǒng)的供水能力。
　　近年來，深圳地區(qū)持續(xù)干旱，寶安區(qū)、龍崗區(qū)的水庫水位大幅度下降，甚至干枯，為解決寶安、蛇口地區(qū)的原水供應(yīng)不足問題，須由東湖泵站通過大涌轉(zhuǎn)輸泵站向?qū)毎病⑸呖诠?yīng)原水。鑒于目前的干旱狀態(tài)，政府要求提高深圳水庫向?qū)毎?、蛇口的原水供?yīng)量。我們利用所建立的原水系統(tǒng)水力模型，對現(xiàn)有運行狀況進(jìn)行評估，制訂合適的原水調(diào)度方案，對各種可行的原水系統(tǒng)改造方案進(jìn)行水力分析計算，并進(jìn)行分析比較，這些工作為政府最終的決策提供了重要依據(jù)。

作者單位：韓德宏, 孫文深, 深圳市自來水（集團(tuán)）有限公司