CN103324814B - 一种输水系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输水系统的设计方法，步骤包括：地形分析；调蓄节点选址；调蓄节点分析；确定工程参数；配水管网设计参数选择。本发明采用的地形分析和调蓄节点的分析，充分考虑的调蓄节点的安全性和社会因素，最大限度的解决了调水工程末端设计的技术以及相关的社会和环保问题，同时建立供需平衡模型以解决调水与供水、用水的矛盾，充分考虑了糙率和供水管网的设计要素，实现了调水工程设计的规律化过程。

Description

一种输水系统的设计方法

技术领域

本发明涉及一种输水系统的设计方法，是一种大型水工工程的设计方法，是一种调水工程的受水末端设计方法。

背景技术

对于水资源缺乏的中国北方来说，将南方丰富的水资源通过水工工程调运至干旱少雨的地区，是一个不错的选择。但如何将调运来的水源储存和充分利用，是一种需要解决的问题，这是一个系统工程。

首先，必须考虑如何充分利用受水区已有的自然和人工水网存储来水，以最小的工程投资建立蓄水系统。蓄水容量不能太低，以防止出现弃水，严重的会出现运行事故，造成人员和财产的损失。蓄水容量也不能太高，以致使一部分库容闲置，造成浪费。库容的大小，不但是工程投资问题，还有移民和生态环境的保护等社会问题，十分复杂，在设计中也必须予以考虑。

供需分配的平衡也十分重要。水资源的调配需要很多的花费，所以使用这些水应当十分谨慎，防止浪费。为此，应当充分的考虑用水区域的现状和中、长期需求，避免产生调水不足或过度。

随着社会经济的发展，需要越来越多的调水工程，如何充分有效地解决上述问题并找到一个通用的解决方案，是一个需要研究的课题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种输水系统的设计方法。所述的方法总结了多处调水工程的受水末端设计经验，提出了一套完整的解决方案。充分考虑用水地方的生态环境和社会情况，细致的研究了供过程和需水过程的匹配性要求，从技术上解决了工程调蓄和供需匹配的问题。

本发明的目的是这样实现的：一种输水系统的设计方法，所述的方法的步骤如下：

地形分析的步骤：用于将受水区域的地形地物进行分析，寻找适于蓄水的低洼地区；

调蓄节点选址的步骤：用于根据海拔高程和调蓄节点的空间关系分析选取调蓄节点的位置；

调蓄节点分析的步骤：用于对确定的调蓄节点进行库容分析和提出节点分布方案；

确定工程参数的步骤：用于进行用水分析和供水过程分析，建立供需平衡模型；

配水管网设计参数选择的步骤：用于建立各段输水模型、选取输水干渠糙率，从而计算配水管网不同流段流量参数。

本发明产生的有益效果是：本发明采用的地形分析和调蓄节点的分析，充分考虑的调蓄节点的安全性和社会因素，最大限度的解决了调水工程末端设计的技术以及相关的社会和环保问题，同时建立供需平衡模型以解决调水与供水、用水的矛盾，充分考虑了糙率和供水管网的设计要素，实现了调水工程设计的规律化过程。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的实施例一所述方法的设计流程图；

图2是本发明的实施例八所述方法中设计的梯形明渠的截面形状示意图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例是一种输水系统的设计方法，设计流程图见图1所示。本实施例所述方法有两个基本要素：调蓄节点的选取和工程参数的确定。

在调水工程的末端，来水和配水段的需水在时间以及流量上都存在不一致性和不同步性，具体来说，调水段来水过多而配水段分水较少，会导致调配接口段管网或渠道出现水量盈余而发生工程事故；相反，调水段来水过少而配水段需水较多，会导致工程供水保证率下降，不能满足预期要求。基于此，在调水段与配水段过渡过程中，设置合理的调蓄节点，不仅对保护调水和配水工程设施具有重要的作用，同时也对提高工程供水保证率，满足用水户需求具有重要的意义。

设置调蓄工程（调水节点），就是在工程调水段和配水管网段之间设置调蓄设施（水库或蓄水池），从而对调水段的来水按照一定的调蓄制度进行存储或释放，调蓄制度必须考虑到配水管网的需水过程进行相应的耦合。

配水系统调蓄节点的选址是本实施例所述方法的核心工作。对受水区范围现有的水库、池塘、配水管路沿线沟道及工程末端进行分析后选址。调蓄工程节点的选取需考虑地形地质条件、周边环境，工程造价和移民等关键因素。设置调蓄工程，就是在工程调水段和配水管网段之间设置调蓄设施，从而对调水段的来水按照一定的调蓄制度进行存储或释放，调蓄制度必须考虑到配水管网的需水过程进行相应的耦合。

调蓄节点设置合理一方面可以改善周边的水环境，促使形成新的生态景观；另一方面，还可以围绕水库（调蓄节点）设立各种绿化带和文化景观，成为旅游景观，改善当地人民的生活环境。调蓄节点的设置还涉及到土地占用、移民补偿、水源地保护等技术因素以外的社会因素，需要通盘考虑，进行全面的可行性分析。

调蓄节点的工程设计参数，直接涉及到工程投资。设计参数的确定非常复杂，需要综合考虑调水工程的可调水量，分析受水区用水过程。既要避免设计的节点参数过大，造成工程闲置，投资浪费。也避免设计的参数过小，影响调蓄工程作用的发挥，造成弃水，影响整个调水工程的效益。

调蓄工程的蓄水容量在这些参数中最为关键，涉及到调蓄工程的运行安全和可靠性等问题。蓄水容量不能确定得过小，这样使得工程的保证率不高，甚至出现工程的运行事故。蓄水容量不能确定的太大，容易造成浪费，使得一部分库容闲置，不经济。

为确定调蓄工程的调蓄容量参数，需要通过对用水户的供、用水过程进行长系列的模拟调算，分析现状和未来各种调水量情况下的需要的调蓄容量。

根据对当地历年来的生活和工业用水总量，以及再生水、地表水和地下水供水量，结合调水工程已确定的供水规模和供水过程，建立长系列调算的供需平衡模型，确定各调蓄节点需要的最大调蓄库容、不同典型年调蓄库容等节点工程参数。

蓄水包括两部分：当旬来水未能用完而蓄，配水管道直径过小，输水量不能满足用水需求而蓄水。为使蓄泄过程持续合理，需设置初始蓄水值，大小与末旬蓄水量相等。根据调蓄节点供需平衡计算分析模型，可得到调蓄节点蓄水量的逐旬变化过程，最大蓄水量值与最小值之差即为需要的调蓄容积；根据各调蓄节点上下游逻辑关系，对各调蓄节点的蓄水过程进行叠加，得到各节点的蓄水曲线和各调蓄节点的调蓄容积分布。

本实施例所述的方法的步骤如下：

地形分析的步骤：用于将受水区域的地形地物进行分析，寻找适于蓄水的低洼地区。通过GIS和DEM分析或其他方法可以找到使用设置调蓄节点的低洼地带。

调蓄节点选址的步骤：用于根据海拔高程和调蓄节点的空间关系分析选取调蓄节点的位置。通过对地区的调研，找到低洼地区的水文、地理、社会、经济等资料进行研究和分析，同时进行实地考察，挑选最适合设置调蓄节点。

调蓄节点分析的步骤：用于对确定的调蓄节点进行库容分析和提出节点分布方案。对各个预先的节点进行地形分析，选择合理的筑坝位置。进行库容分析，基于GIS平台，通过对高精度的DEM（30×30m）提取分析，获得各个预选调蓄节点的集水面积。在集水区域的河道出口点设置不同的高程（即筑坝高度），初步计算该预选节点的调蓄库容。基于以上思路，分析不同筑坝高度下该调蓄水量的大小。

确定工程参数的步骤：用于进行用水分析和供水过程分析，建立供需平衡模型。通过用水和供水过程分析获得往年的用水、供水规模，建立长系列调算的供需平衡模型，确定各调蓄节点需要的最大调蓄库容、不同典型年调蓄库容等调蓄节点参数。

配水管网设计参数选择的步骤：用于建立各段输水模型、选取输水干渠糙率，从而计算配水管网不同流段流量参数。根据不同配水管网的截面形状、建筑材料建立输水模型和选取糙率。糙率的选取十分复杂，不能简单的确定为某一个糙率，而是确定一定的范围。

实施例二：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于地形高程和调蓄节点空间关系分析的细化。本实施例所述的海拔高程和调蓄节点空间关系分析是基于GIS平台和DEM进行的。

（1）调蓄节点高程分析

引汉济渭工程来水在受水区黄池沟出口的水位为510m,因此，考虑到输水过程中的运行费用问题，各个调蓄节点所处的海拔不能太高。借助GIS平台，利用DEM数据进行分析，自动对潜在的可供调蓄的节点的平均海拔进行筛选，排除平均海拔过高的调蓄节点。

（2）节点空间关系分析

调蓄节点选取过程中，还需要考虑节点与引汉济渭工程主输水线路的距离，如果距离过大，输水工程量过大，同时也不方便水量的调度。基于此，利用GIS软件的缓冲区分析工具，以引汉济渭工程受水区输水线路为基准，做半径为10km的缓冲区，之后选取潜在的调蓄节点位于该缓冲区内的节点作为最终优选的调蓄节点。

利用GIS软件工具，经过高程分析和空间位置分析，选取的调蓄节点在垂直高程和水平距离上都能满足引汉济渭工程输水的要求，在一定程度上实现了受水区调蓄节点的目标优选效果。

实施例三：

本实施例是实施例一的改进，是实施例关于调蓄节点选址的细化。本实施例所述的调蓄节点选址的步骤中的调蓄节点采用集中调蓄节点或分散调蓄节点中的一种。

（1）集中调蓄节点布置：

该方案在比较适合在建立大型水库的位置，建立调蓄节点，再通过泵站输送至各个受水区的配水节点上。这一方案工程相对简单，技术难度不大，运行调度简单易行。但在人口密集的发达地区使用较为困难，需要较多的移民。受到地形的影响，通常很难在平原地形找出合适的大小调蓄节点的位置，在经济上可行性不强。

（2）分散调蓄节点布置：

分散式调蓄节点不需要寻找占地面积很大的平原水库，而是在配水范围内根据现有的水利工程和洼、淀，塘等设施，建立若干个小型调蓄水池。分散式调蓄工程的优点在于，减小了调蓄工程的规模，将原先一个大的调蓄水库分成若干个小型调蓄池，减小了大型工程的操作风险，小型调蓄池占地面积较小，同时也分散到了各个地市级受水区，每一个地市受水区负责调蓄池的选址设计，可以同时开工，提高工程效率。

实施例四：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于调水节点分析的细化。本实施例所述的调蓄节点分析的步骤包括以下子步骤：

1.受水区供用水过程分析。

用水过程分析：

目前，城市短期需水预测的研究集中于日需水预测，研究方法主要有线性回归模型、时间序列模型、神经网络模型、模糊理论、混沌理论和解释性预测方法等，其中时间序列模型包括指数平滑法、自回归移动模型、灰色预测模型等。而解释性预测方法是找出被预测量的各种影响因素，建立回归模型，包括线性回归和组合动态模型。

虽然各种方法都得到较精确的结果，但模型并没有在时间和空间上进行需水量的展布，不能体现出城市内部各用水单元的用水特征，在应对突发事件时，不能有效地调度供水系统。

为此，本实施例在城市用水户的分区和分类基础上，划分城市用水斑块，并结合生活习惯和生产制度对用水时间的影响，建立对各斑块不同时间段的需水预测模型，为供水系统调度提供更可靠的指导依据。利用高分辨率的quick-bird遥感影像结合实地调查，运用目视解译和计算机自动识别相结合的方法，获取研究区地物类别、建筑物的高度等数据信息。

供水过程分析：

供水过程分为再生水供水过程、地表水供水过程、调水供水过程和地下水供水过程。

2.根据供水基数和机动供水能力划分计算单位并确定供水优先次序。

调蓄计算与各水源供水过程有很大关系，若供水顺序为再生水、当地地表水、调水水量、地下水时，过多的调水来水得不到及时使用，造成对蓄水要求较高，若调蓄容量不能够满足蓄水要求，造成弃水浪费。若优先使用调水，虽然调蓄要求降低，但调水的成本远高于当地水资源成本，是当地水源的浪费，也是资金上的浪费。因此，引入当地水供水基数和机动供水能力两个概念，使得当地水按照某种原则，分步骤合理使用。供水能力为当旬最大可供水量，供水基数是初步参与配置的水量，机动供水能力为两者之差，调水能力是以管道直径计算所得最大水量。

各种情况下的供水优先序如下。

（1）受水区有地表水，有地下水：

当受水区有地表水供水时，制定地表水供水基数。

此时供水顺序为：再生水、当地地表水基数、调水来水、调水蓄水、地表水机动供水、地下水供水。

（2）受水区无地表水，有地下水：

若无地表水供水，则制定地下水供水基数。

此时供水顺序为：再生水、当地地下水基数、调水来水、调水蓄水、地下水机动供水。

（3）受水区有地表水，无地下水：

当受水区有地表水供水时，制定地表水供水基数。

此时供水顺序为：再生水、当地地表水基数、调水来水、调水蓄水、地表水机动供水。

（4）受水区无地表水，无地下水：

此时供水顺序为：再生水、调水来水、调水蓄水。

3.建立供需平衡模型。

供需平衡模型基本假定：

节点调蓄参数的计算，按照调蓄库容最大的原则，求解需要的最大调蓄库容，有以下基本假定。

（1）生活和生产用水随季节变化，年内分配过程参考已建成自来水厂的供水过程，未来不同水平年年内分配系数和现状一致。

（2）再生水优先利用，且年内过程有稳定的水源供应。

（3）地表水供水不设调蓄，不考虑来水条件，可以在某一个区间内向受水区供水。

（4）地下水开采不考虑时段累加，设定一个供水基数和供水能力，供水能力可以超过地下水可开采量。初始水量分配时采用供水基数优先供水，最终供水量不超过供水能力。

（5）采用丰增枯减的原则，各个水厂的供水过程与调水来水过程基本一致。

（6）调水水量在配水工程中的沿途损失，采用固定的损失系数折算。

（7）根据调蓄库容设置的情况，可对各规划水厂的水量分配系数进行小幅度调整。

（8）计算中不考虑各个调蓄工程之间水源联动，某一调蓄节点不能使用其他调蓄节点受水对象的蓄水，在调蓄节点优化阶段再考虑“水源联动”。

调蓄节点供需平衡计算分析模型，根据当旬需水量，判断当旬再生水与当地地表水基数能否满足需水，当不能满足时，加入当月调水水量，若剩余，则剩余水作为蓄水，若不足，则调用调水蓄水，若此时仍不能满足需水，再启用当地地表水机动供水，以及地下水。

供需平衡模型参数：

（1）模型输入

计算单元生活需水量，年，万m³/年；

生活用水年内分配系数，逐旬，无量纲；

计算单元工业需水量，年，万m³/年；

工业用水年内分配系数，逐旬，无量纲；

当地地表水可供水量，年，万m³/年；

当地地下水可供水量，年，万m³/年；

再生水可供水量，年，万m³/年；

引汉济渭来水量，逐旬，m³/旬。

（2）模型输出

计算单元水量平衡框架；

计算单元调蓄池蓄水过程曲线；

计算单元调蓄池需要的调蓄容量；

调蓄节点蓄水过程曲线；

调蓄节点需要的调蓄容量。

（3）模型参数

地表水旬供水基数，通常小于1；

地表水旬供水能力，通常大于1；

地下水旬供水基数，通常小于1；

地下水旬供水能力，通常大于1。

实施例五：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于各段输水模型的细化。本实施例所述的各段输水模型以隧洞和明渠输水为主，通过求解圣·维南方程组来模拟其中水流的非恒定流过程。

实施例六：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于糙率的细化。本实施例所述的糙率：

n=(n _b +n ₁ +n ₂ +n ₃ +n ₄ )m

其中：n _b ——为顺直、均匀、光滑渠道的基准n值、n ₁ ——不规则度、n ₂ ——渠道断面的变化、n ₃ ——障碍物、n ₄ ——渠道植被、m——弯度。

调水工程多数为大型输水工程，其工程难度极大，牵涉面广，影响因素。其中，糙率n值的确定是渠道设计和输水能力分析中一个关键问题。糙率n值选小了会使过流断面偏小，导致渠道过水能力不足n值选大了会使过流断面偏大，导致工程量不必要的加大。

如果调水工程主要是明渠输水，工艺主要采用混凝土衬砌。因而对糙率大小的影响主要有地址条件及自然环境、渠道施工质量和渠道运行管理的水平。同时也有研究表明与渠道中的水流流动状态和水力半径大小有关。

不规则度（n ₁）。调水工程属于重大工程项目，其施工工艺应有保障，在施工完成和运行初期，渠道表面会比较光滑，渠道表面不规则度对糙率系数的影响相对要小。同时，根据已有调水工程的实际经验，运行一定时间后，即使在管理完善的前提条件下，渠道表面总是会存有一定程度的侵蚀或者边坡冲刷，因此，渠道表面不规则性对工程糙率的影响值可取为0.001。

渠道断面的变化（n ₂）。如果渠道断面和形状的变化是渐变和均匀的，即使渠道断面的形状和尺寸变化比较大，对糙率n的影响也不会显著。调水工程沿线渠道断面的尺寸和形状应属于缓慢渐变过程，沿程也不存在断面突然收缩或者扩张的情况，因此，可以认为渠道断面变化对糙率系数的影响可以忽略，取值为0。

障碍物（n ₃）。障碍物，诸如圆木、树根、大石头、残骸、桩和桥墩，会改变渠道中的流态，从而增加渠道的糙率系数。其影响大小取决于障碍物的形状、障碍物相对于渠道断面的尺寸、以及障碍物的数量、排列和间距。障碍物对糙率的影响是流速的函数。如果调水工程为隧洞输水为主，沿程全封闭模式，渠道中存在圆木、树根、孤立的石头、桩和残骸的可能性很小。根据障碍物所占面积小于断面面积5%的判断标准，调水工程渠道中障碍物对糙率系数的影响应该在很小的范畴，因此，参考调整值取为0。

渠道植被（n ₄）。渠坡植物生长会增加水流的紊动和渠道的粗糙程度，减少渠道输水能力，尤其对窄深渠道，影响更为明显。调水工程渠道运行期间，明渠边坡上不可避免地会在一些缝隙中长草，但考虑到将来运行期间的良好管理，边坡上长草的覆盖面积不会超过25%的湿周。同时，工程的封闭式运行方式，沿程无雨水的排入，因此，大量密集生长水草的可能很小。考虑到重大工程运行管理质量应该比较高，因此，工程渠道渠底的水草生长情况应该不明显，调整值取为0。

弯度（m）。弯度的影响m，取决于弯渠道总长与直渠道总长的比例。调水各段总体来讲，属于长直渠道，完全可以认为弯度对工程渠道糙率的影响可以忽略不计，即m取值为1。

实施例七：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于不同流段流量参数的细化。本实施例所述的不同流段流量参数，输水段为圆形管道时：

根据管段长度L、管段流量Q和管段首未的水头差h，求管径D：

a)计算水力坡度J：

；

b)计算管段比阻S：

；

c)计算管径D：

。

实施例八：

本实施例是实施例一的改进，是实施例一关于不同流段流量参数的细化。本实施例所述的不同流段流量参数，输水段为梯形截面（见图2）明渠输水时：

其中，b——梯形的底边长、h——水深、Q为流量，n为渠道率、m为坡道系数、i为渠底纵坡、β为宽深比。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如步骤的先后顺序、计算公式的使用等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种输水系统的设计方法，其特征在于，所述的方法的步骤如下：

地形分析的步骤：用于将受水区域的地形地物进行分析，寻找适于蓄水的低洼地区；通过GIS和DEM分析找到设置调蓄节点的低洼地带；

调蓄节点选址的步骤：用于根据海拔高程和调蓄节点的空间关系分析选取调蓄节点的位置；通过对地区的调研，找到低洼地区的水文、地理、社会、经济资料进行研究和分析，同时进行实地考察，挑选适合设置调蓄节点的地址；

调蓄节点分析的步骤：用于对确定的调蓄节点进行库容分析和提出节点分布方案，对各个预选的调蓄节点进行地形分析，选择合理的筑坝位置；进行库容分析，基于GIS平台，通过对高精度的DEM提取分析，获得各个预选调蓄节点的集水面积；在集水区域的河道出口点设置不同的高程，初步计算该预选节点的调蓄库容；

确定工程参数的步骤：用于进行用水分析和供水过程分析，建立供需平衡模型；通过用水和供水过程分析获得往年的用水、供水规模，建立长系列调算的供需平衡模型，确定各调蓄节点需要的最大调蓄库容、不同典型年调蓄库容的调蓄节点参数；

配水管网设计参数选择的步骤：用于建立各段输水模型、选取输水干渠糙率，从而计算配水管网不同流段流量参数；根据不同配水管网的截面形状、建筑材料建立输水模型和选取糙率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调蓄节点选址步骤中的调蓄节点采用集中调蓄节点或分散调蓄节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的调蓄节点分析的步骤包括以下子步骤：

受水区供用水过程分析；

根据供水基数和机动供水能力划分计算单位并确定供水优先次序；

建立供需平衡模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的各段输水模型以隧洞和明渠输水为主，通过求解圣·维南方程组来模拟其中水流的非恒定流过程。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的糙率：

其中：n _b ——为顺直、均匀、光滑渠道的基准n值，n ₁ ——不规则度，n ₂ ——渠道断面的变化，n ₃ ——障碍物，n ₄ ——渠道植被、m——弯度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不同流段流量参数，输水段为圆形管道时：

根据管段长度L、管段流量Q和管段首未的水头差h，求管径D；

a)计算水力坡度J：

；

b)计算管段比阻S：

；

c)计算管径D：

。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的不同流段流量参数，输水段为梯形截面明渠输水时：

其中，b——梯形的底边长、h——水深、Q为流量，n为渠道率、m为坡道系数、i为渠底纵坡、β为宽深比。