深圳特区原水系统调度模型的建立

韩德宏 孙文深

　　深圳由于其所处的特殊地理位置，没有自己的供水水源，原水主要来自市外引水。深圳市自来水（集团）有限公司的原水系统以东湖泵站至铁岗泵站为主干线，沿途经笔架山水厂、梅林水厂、大涌水厂、大涌转输泵站、梅林水库、西丽水库等多个用水点或供水点，因此，原水系统的组成虽然比较简单，但其运行方式却十分灵活多样，同一水库或泵站在不同时期可能具有不同的使用功能；供水水源既可能是一个，也可能是多个。随着东部水源工程的建成，原水系统将更加复杂；在供水调度的日常工作中，要经常对原水系统的运行方式加以调整。为适应复杂的原水系统调度，提高调度管理的科学性和合理性，深圳水司着手开展原水系统计算机模拟分析，进而建立原水系统调度模型，利用计算机辅助原水调度工作。本文针对深圳特区原水系统的特点、原水系统调度模型的建立及其实际使用效果进行简要介绍。

　　1. 原水系统简介

　　深圳水司原水供水系统见图1。沙头角水厂由老虎坳泵站供应原水，东湖水厂直接从深圳水库取水，图中未予标注。

　　由上图及系统设计意图，笔架山水厂的原水可由东湖泵站、东湖水厂三泵房、梅林水库供应；梅林水厂原水可由东湖泵站、梅林水库、西丽水库或铁岗水库（通过大涌转输泵站）供应；大涌水厂原水可由东湖泵站、铁岗水库、西丽水库供应。必要时，该系统须向梅林水库、西丽水库、铁岗水库储蓄原水。大冲转输泵站工况极为复杂，不同时期其工作情况不同，可接收东湖泵站来水供大冲水厂、西丽水库、铁岗水库，也可接收西丽水库、铁岗水库来供大冲水厂、梅林水厂。

　　2. 原水系统模型建立

　　原水系统计算机模拟分析系统的核心是原水系统水力计算模型。原水系统中含多个水源、水厂及泵站，对于某种运行方式，可能只有部分水库、水厂和泵站投入运行，其余部分对系统的运行不起任何作用，但对于另外一种供水方式，系统的组成又会发生变化。因此，在建立水力计算模型时，将原水系统作为一个整体考虑，即包括所有水源、水厂和泵站，将这些点与其它的管线节点统一编号，连接各节点的管线也统一编号，在确定了调度方案后，根据具体的阀门开关情况及供水方式，将部分管线和节点从整体中分离出来，保留有用部分，从而衍生出一个真实的水力计算模型，再进行相应的水力计算，为原水系统调度方案的制定提供理论依据。在这种建模思想的指导下，我们首先建立了原水系统水力计算模型，然后确定管道的阻力系数，最后还要模拟出各供水水源泵站的水泵特性曲线，下面分别加以讨论。
　　2.1 水力计算模型
　　节点和管段是水力计算模型的两大要素。在原水系统中，按进出水情况不同可将节点分为以下几类：①节点流量为负的节点：是指那些只能作为供应原水的水源节点，如：深圳水库。②节点流量为正的节点：是指那些接受原水的水厂节点，这些节点不具有转输原水的功能，如：笔架山水厂、梅林水厂、大涌水厂。③节点流量或正或负的节点：主要是指那些在不同时期具有不同使用功能的节点，它们既可作供应原水的出水节点，又可作接受原水的进水节点，如：梅林水库、西丽水库。④节点流量为零的节点：主要是管线节点，包括加压泵站节点。在实际建模过程中，考虑转输泵站功能多变，进水、出水管线复杂，所以将该泵站作为一个节点，将进出水管线作为几个管段，这样，在不同的工况下，该泵站是位于不同管线上的加压泵站，而不是某一固定管线上的加压泵站，从而大大方便了水力模型的变化。
　　需要指出，各水库、水厂、泵站与主干管线间的几十米或十几米进出管线要作为一条管段处理，即在进入水厂或水库前的主干管上增设节点，这样，可以将原水进出水库、水厂或泵站的局部水头损失更有效地分配到系统中；同时，当该水厂或水库不参与运行时，关闭管道上的阀门，可以很方便地将这一部分从整个系统中分离出来，使得所建立的模型能适合各种调度模式。同样道理，管道间的连通管通常也作为管段处理，而不是象以往建模那样将其归入节点。
　　原水在不同泵站、水库、水厂间的调配很大程度上是依赖于阀门的开关，所以，阀门对原水系统供水调度具有非常重要的作用。在建立节点及管段数据库的同时，需要建立阀门数据库，其中包括阀门编号、所在管段编号、阀门直径、开关状态等内容。当系统的运行方式改变时，只要适当调整阀门数据库的数据，系统便可以自动生成该运行方式下的水力模型。通过这种方式，可以由一个原始的数学模型，生成各种调度方式下的数学模型，而不需要针对每一调度方式逐个建立数学模型。
　　原水系统的拓扑结构组成并不复杂，在进行水力计算时不会出现“维数灾”及计算速度等问题，所以可以考虑多设立些节点，尤其在管道连通的位置，有阀门的位置，这样可以使水力模型灵活多变。根据以上讨论，我们建立了原水系统的管网水力计算数学模型，由此模型可衍变出多种工况的数学模型。
　　2.2 管道阻力系数的测定
　　在原水系统的中，各水厂进水管上均有流量计，所以各节点的节点流量可以准确确定，而管道阻力系数则成为影响水力计算的主要原因。为提高计算精度，保证计算结果与实际情况的吻合，我们在原水管线沿途设置了测压点，从而测定管道的阻力系数。根据海曾-威廉公式（1），

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

　　式中h为管段水头损失，即两个测压点间的压力差，通过测压可确定，其余d、q、l分别为管径、管段流量和管长，也是已知数，只有C是未知数，这样，可以逐段计算出管道的阻力系数C，为原水系统水力计算打下基础。
　　在设立测压点时，尽可能考虑设在主干管线上，同时还要考虑各种工况的结合，使有限的测压点能最有效地发挥作用。另外，为减少开挖量，少破坏道路和绿地，大部分测压点位于阀门井中，这样，既方便测压点的维护，也方便测量和读数。由于原水管线的管径通常都在1000mm以上，考虑到阀门开、关的难度较大，同时也为了提高供水的安全、可靠性考虑，减少停水的负面影响，我们采用管道不停水开口技术安装压力表。该项技术已有多年的应用经验，现已日趋成熟，可以保证管道开口的质量，不会因安装压力表而影响管道的供水安全性。
　　2.3 水泵特性参数的确定
　　对于某水源或泵站而言，水泵的运行方式一旦确定，其流量和扬程便具有一定的关系，为确定这种Q-H关系，首先需要知道其中各水泵的Q-H关系式，再根据具体的水泵并联方式，确定该泵站的Q-H关系。众所周知，水泵的Q-H曲线形似一条二次曲线，以如下通式表示：

　　H=a₀+a₁Q+a₂Q²

　　利用最小二乘法对该二次曲线进行拟合，从而可确定以上关系式中的参数。具体方法是：在Q-H曲线上选取若干个点，查出各点的Q、H值，构成X、Y、P三个矩阵，再利用最小二乘法的计算公式（2），可确定出水泵的特性参数a₀ a_1、a₂。

　　3. 原水系统调度模型的应用

　　按照以上方法，我们建立了原水系统水力计算模型，并利用该模型针对现有工况进行了水力模拟，结果发现该模型可以正确模拟原水系统的工作状况，但也存在一定的误差，主要是由水泵特性参数的误差引起，经校核水泵特性曲线，水力模型明显得以修正，精度大大提高。通过对原水系统的模拟，我们发现系统中有部分管道的流速偏高（大于2m/s），从而限制了整个系统的供水能力。
　　近年来，深圳地区持续干旱，宝安区、龙岗区的水库水位大幅度下降，甚至干枯，为解决宝安、蛇口地区的原水供应不足问题，须由东湖泵站通过大涌转输泵站向宝安、蛇口供应原水。鉴于目前的干旱状态，政府要求提高深圳水库向宝安、蛇口的原水供应量。我们利用所建立的原水系统水力模型，对现有运行状况进行评估，制订合适的原水调度方案，对各种可行的原水系统改造方案进行水力分析计算，并进行分析比较，这些工作为政府最终的决策提供了重要依据。

作者单位：韩德宏, 孙文深, 深圳市自来水（集团）有限公司