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）有限公司的原水系統以東湖泵站至鐵崗泵站為主干線，沿途經筆架山水廠、梅林水廠、大涌水廠、大涌轉輸泵站、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，原水系統將更加復雜；在供水調度的日常工作中，要經常對原水系統的運行方式加以調整。為適應復雜的原水系統調度，提高調度管理的科學性和合理性，深圳水司著手開展原水系統計算機模擬分析，進而建立原水系統調度模型，利用計算機輔助原水調度工作。本文針對深圳特區原水系統的特點、原水系統調度模型的建立及其實際使用效果進行簡要介紹。

　　1. 原水系統簡介

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

　　由上圖及系統設計意圖，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；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（通過大涌轉輸泵站）供應；大涌水廠原水可由東湖泵站、鐵崗水庫、西麗水庫供應。必要時，該系統須向梅林水庫、西麗水庫、鐵崗水庫儲蓄原水。大沖轉輸泵站工況極為復雜，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. 原水系統模型建立

　　原水系統計算機模擬分析系統的核心是原水系統水力計算模型。原水系統中含多個水源、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，其余部分對系統的運行不起任何作用，但對于另外一種供水方式，系統的組成又會發生變化。因此，在建立水力計算模型時，將原水系統作為一個整體考慮，即包括所有水源、水廠和泵站，將這些點與其它的管線節點統一編號，連接各節點的管線也統一編號，在確定了調度方案后，根據具體的閥門開關情況及供水方式，將部分管線和節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，再進行相應的水力計算，為原水系統調度方案的制定提供理論依據。在這種建模思想的指導下，我們首先建立了原水系統水力計算模型，然后確定管道的阻力系數，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
　　節點和管段是水力計算模型的兩大要素。在原水系統中，按進出水情況不同可將節點分為以下幾類：①節點流量為負的節點：是指那些只能作為供應原水的水源節點，如：深圳水庫。②節點流量為正的節點：是指那些接受原水的水廠節點，這些節點不具有轉輸原水的功能，如：筆架山水廠、梅林水廠、大涌水廠。③節點流量或正或負的節點：主要是指那些在不同時期具有不同使用功能的節點，它們既可作供應原水的出水節點，又可作接受原水的進水節點，如：梅林水庫、西麗水庫。④節點流量為零的節點：主要是管線節點，包括加壓泵站節點。在實際建模過程中，考慮轉輸泵站功能多變，進水、出水管線復雜，所以將該泵站作為一個節點，將進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出管線要作為一條管段處理，即在進入水廠或水庫前的主干管上增設節點，這樣，可以將原水進出水庫、水廠或泵站的局部水頭損失更有效地分配到系統中；同時，當該水廠或水庫不參與運行時，關閉管道上的閥門，可以很方便地將這一部分從整個系統中分離出來，使得所建立的模型能適合各種調度模式。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點。
　　原水在不同泵站、水庫、水廠間的調配很大程度上是依賴于閥門的開關，所以，閥門對原水系統供水調度具有非常重要的作用。在建立節點及管段數據庫的同時，需要建立閥門數據庫，其中包括閥門編號、所在管段編號、閥門直徑、開關狀態等內容。當系統的運行方式改變時，只要適當調整閥門數據庫的數據，系統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學模型，生成各種調度方式下的數學模型，而不需要針對每一調度方式逐個建立數學模型。
　　原水系統的拓撲結構組成并不復雜，在進行水力計算時不會出現“維數災”及計算速度等問題，所以可以考慮多設立些節點，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。根據以上討論，我們建立了原水系統的管網水力計算數學模型，由此模型可衍變出多種工況的數學模型。
　　2.2 管道阻力系數的測定
　　在原水系統的中，各水廠進水管上均有流量計，所以各節點的節點流量可以準確確定，而管道阻力系數則成為影響水力計算的主要原因。為提高計算精度，保證計算結果與實際情況的吻合，我們在原水管線沿途設置了測壓點，從而測定管道的阻力系數。根據海曾-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，只有C是未知數，這樣，可以逐段計算出管道的阻力系數C，為原水系統水力計算打下基礎。
　　在設立測壓點時，盡可能考慮設在主干管線上，同時還要考慮各種工況的結合，使有限的測壓點能最有效地發揮作用。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，也方便測量和讀數。由于原水管線的管徑通常都在1000mm以上，考慮到閥門開、關的難度較大，同時也為了提高供水的安全、可靠性考慮，減少停水的負面影響，我們采用管道不停水開口技術安裝壓力表。該項技術已有多年的應用經驗，現已日趨成熟，可以保證管道開口的質量，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系，為確定這種Q-H關系，首先需要知道其中各水泵的Q-H關系式，再根據具體的水泵并聯方式，確定該泵站的Q-H關系。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行擬合，從而可確定以上關系式中的參數。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a₀ a_1、a₂。

　　3. 原水系統調度模型的應用

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

作者單位：韓德宏, 孫文深, 深圳市自來水（集團）有限公司