山丘区长距离输水工程系统及总体优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种输水工程系统，特别设及一种山丘区、多起伏、具有多级加压累 站、长距离输水压力管道、隧桐、暗渠等建筑物型式和加压输水、无压重力流输水、有压重力 流输水方式的复杂输水系统。本发明还设及所述输水工程系统的总体优化方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济社会的快速发展，水资源短缺问题越来越突出，长距离、跨流域调水 工程不断兴建。山丘区、长距离、大型输水工程因地形地貌多起伏，而使输水系统变得比平 原地区相同规模工程要复杂得多；设及的输水建筑物型式种类多：如加压累站、输水管道、 暗渠、隧桐、分水口等，输水方式常见的有加压输水、无压重力流输水、有压重力流输水，W 及多种输水方式的结合。在W往工程实际中，由于工程组成建筑物多、总体布局复杂，设计 人员工作量巨大，只能凭经验进行一定范围的局部完善优化且设计周期长。如何快速合理 地确定山丘区、长距离输水工程系统的总体布局、选择建筑物类别型式、输水方式、建筑物 数量及其特征参数成为该类工程实施应用的难题。因此，优化确定输水工程系统的总体布 局、组成系统的建筑物和特征参数等是关系节省工程投资和获取良好经济效益的重要内 容，是实现输水工程功能、效益和安全运行的关键之所在，也是本发明需要解决的问题。
【发明内容】
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[0003] 针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种经济合理、安全可靠的山丘 区长距离输水工程系统及总体优化方法。
[0004] 本发明中的山丘区输水工程系统是通过如下技术方案来实现的：
[0005] 本发明一方面提供了一种山丘区长距离输水工程系统，在输水工程始端和末端的 输水系统沿线上设置连续的若干级，每一级均包括前池、累站和输水管路，所述累站前设有 前池，累站后连接输水管路至下一级累站的前池，所述输水管路根据地形变化选自用于输 送水流穿越或跨越障碍的输水管道、隧桐、暗渠中的一种或多种的结合;所述输水系统沿 线上用于连通用水户的分水闽和设有分水阀口的分水口；所述累站和分水闽连接用于提供 动力和控制的电气控制设备。
[0006] 本发明的山丘区长距离输水工程系统通过逐级加压累站及管道、隧桐、暗渠输水， 到达输水工程末端。各累站和水闽的电气和控制设备分别为累站内水累和阀口、分水闽 (阀）等提供动力和控制，协调调度梯级加压累站和输水系统的联合运行，实现供水目标。由 此可见，本发明通过将输水系统沿线上分为连续的若干级，从而既可W根据每一级的地形、 流量、分水口位置、分水流量等特点设置不同的、最适合的建筑组成和位置，还可W通过电 气控制设备实现不同级累站的输水量等，实现输水系统的联合运行。
[0007] 优选的，所述累站由若干定速水累和调速水累组成。
[000引本发明还提供了一种山丘区长距离输水工程系统总体优化方法，包括W下步骤：
[0009]步骤1:根据输水系统的水源地和供水目标，W及系统沿线受水区位置和地形地 貌，初步拟定多个可行的输水系统平面布置方案；
[0010] 步骤2:根据上述拟定的多个输水系统平面布置方案的线路地形纵断面图特征和 输水系统沿线的设计流量、分水口位置及分水流量，初步确定各方案的建筑物组成和位置；
[0011] 步骤3:分别计算各方案的工程量:包括累站、管道、隧桐、暗渠主要建筑物和各类 阀口井的附属建筑物；
[0012] 步骤4:分别计算上述各方案的工程投资；
[0013] 步骤5 :计算各方案的运行费、管理费；确定工程使用年限、设备更换周期和折现 率;计算净现值；
[0014] 步骤6:将上述计算结果按照净现值由小到大进行排序；
[0015] 步骤7:选择上述净现值最小及与之比较接近的一个或两个方案作为初选线路方 案(ci、cn)，再进行输水系统的进一步优化和输水方式的优化;该步骤在水力计算的基础 上，分别对各方案输水系统的组成、参数或规格进行组合，形成相同初选线路方案下的新的 方案组；
[0016] 步骤8:对新的方案组中的各方案重复进行第3~6步工作内容，即得到输水系统的 净值最低的最优方案。
[0017] 本发明的方法中，各步骤中如步骤1中拟定的多个可行的输水系统平面布置方案、 步骤2中建筑物组成和位置等初始选择均W满足该输水工程输水要求为前提，在此前提下， 再W经济、技术方面优化该输水工程。
[0018] 优选的，所述步骤1中拟定的可行的输水系统平面布置方案满足上述的山丘区长 距离输水工程系统。
[0019] 优选的，所述步骤2中通过W下步骤初步确定各方案的建筑组成和位置：
[0020] (1)确定沿线地形特征点的粧号和高程；
[0021] (2)初步确定管道根数、管径和管材，计算各管段设计流量条件下的水力损失h;
[0022] (3)根据各方案的水力损失h计算结果，优先判断全系统线路是否具有全线自流条 件或增加隧桐的自流条件，不满足自流条件时，初步确定累站扬程控制点；W单级累站扬程 不大于90m、线路长度约50km为基本原则，结合地形、地质条件初拟累站位置;包含隧桐的方 案初步确定有压或无压、隧桐进口和出口位置及高程、隧桐长度;初步确定管道长度和暗渠 长度;初步确定各方案中累站级数及每级累站的水累扬程、台数、装机容量。
[0023] 优选的，所述步骤7中通过W下途径分别对各方案输水系统的组成、参数或规格进 行组合：
[0024] (1)增大管径一个规格；
[0025] (2)减小管径一个规格；
[0026] (3)降低隧桐底进、出口高程，相应隧桐长度可能延长；
[0027] (4)部分或全部采用糖率更低的管材；
[0028] (5)累站控制点的前移，新控制点后的管径加大；
[0029] (6)增设无压水池，降低沿线管道工作压力；
[0030] (7)累站级数的减少；
[0031] (8)累站位置的调整；
[0032] (9)调整暗渠断面和长度；
[0033] (10)选择适用于各工况(不同流量)高效区运行的水累机组，确定定速累和变速累 数量。
[0034] 优选的，所述步骤7中输水方式的优化为：
[0035] 获取输水距离L和流量Q，水源水位Zl和出口水位Z2;
[0036] (1)如果21<22，加压输水
[0037] 水累扬程 Hp = Z2-Zl+h (m)
[0038] h为输水过程的水头损失m
[0039] (2)如果Z1>Z2,可考虑重力输水，重力输水管水力坡度if和平均地形坡度io有如 下关系：
[0040] if y〇,其中io=(Z2_Zl)/L
[OOW 其中，如果有:F1>F2+F3+F4,则采用加压输水
[0042] Fl重力输水管的建造费用;F2压力输水管的建造费用;F3累站建造费用;F4管理运 行费用。
[0043] 如果有:F1<F2+F3+F4,宜采用重力输水，输水管径要满足在最大流量时水力坡度 小于或等于地形坡度。
[0044] 优选的，所述管材的选择采用输水管道管材经济技术量化选择方法，包括W下步 骤：
[0045] (1)选择适用于输水工程、相同输水管道线路的多根管道或其中管道的多种管材；
[0046] (2)计算经济评价值：
[0047] 为保证各种管材经济比选的合理性，对应的管道工程的年运营费的计算是W相同 输水规模、相同长度和单位长度的水力损失相等或相近为前提的；
[004引计算待评价管材的年运营费
[0049] Aj = Acj+Avj+Asj (1)
[0050] 其中 j = i，2,3,........m;
[0051] 式中，Aj为年运营费;Au为管材相对应的管道工程的年成本;Aw为年平均生产费； Asj为年耗电费;m为参与比选的管材数量；
[0052] (3)计算技术评价值：
[0053] (3-1)赋于管材影响因素项目量化评分；
[0054] 影响因素项目包括主要影响因素 Ka,和一般影响因素项目Kb,其中主要影响因素 Ka 包括管道直径、工作压力、地质条件、外部荷载、周围环境、防腐措施、产品质量、安装质量保 证程度和维护检修，i = l，2,3…9;一般影响因素项目Kb包括供水方式、管道根数、管线设 计、阀口设备、二次污染和工程管理，i = l，2,3…6;
[0055] (3-2)计算管材技术特性评价值
C2)：
[0057] 式中i = l，2...9,为主要影响项目； 、3)
[0059] 式中i = l，2. . .6,为一般影响项目；
[0060] 上述Ka、肺矩阵中，"行"代表某影响因素在实际使用