CN105587003B - 山丘区长距离输水工程系统总体优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种山丘区长距离输水工程系统及总体优化方法，系统通过逐级加压泵站及管道、隧洞、暗渠输水，到达输水工程末端。本发明的总体优化方法能够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。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。

Description

山丘区长距离输水工程系统总体优化方法

技术领域

本发明涉及一种输水工程系统，特别涉及一种山丘区、多起伏、具有多级加压泵站、长距离输水压力管道、隧洞、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。本发明还涉及所述输水工程系统的总体优化方法。

背景技术

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；涉及的输水建筑物型式种类多：如加压泵站、输水管道、暗渠、隧洞、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，以及多种输水方式的结合。在以往工程实际中，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：

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。

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：

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、泵站和输水管路，所述泵站前设有前池，泵站后连接输水管路至下一级泵站的前池，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、隧洞、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闸和设有分水阀门的分水口；所述泵站和分水闸连接用于提供动力和控制的电气控制设备。

本发明的山丘区长距离输水工程系统通过逐级加压泵站及管道、隧洞、暗渠输水，到达输水工程末端。各泵站和水闸的电气和控制设备分别为泵站内水泵和阀门、分水闸(阀)等提供动力和控制，协调调度梯级加压泵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，从而既可以根据每一级的地形、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，还可以通过电气控制设备实现不同级泵站的输水量等，实现输水系统的联合运行。

优选的，所述泵站由若干定速水泵和调速水泵组成。

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，包括以下步骤：

步骤1：根据输水系统的水源地和供水目标，以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；

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；

步骤3：分别计算各方案的工程量：包括泵站、管道、隧洞、暗渠主要建筑物和各类阀门井的附属建筑物；

步骤4：分别计算上述各方案的工程投资；

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；

步骤6：将上述计算结果按照净现值由小到大进行排序；

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、CⅡ)，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；

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。

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以满足该输水工程输水要求为前提，在此前提下，再以经济、技术方面优化该输水工程。

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。

优选的，所述步骤2中通过以下步骤初步确定各方案的建筑组成和位置：

(1)确定沿线地形特征点的桩号和高程；

(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；

(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洞的自流条件，不满足自流条件时，初步确定泵站扬程控制点；以单级泵站扬程不大于90m、线路长度约50km为基本原则，结合地形、地质条件初拟泵站位置；包含隧洞的方案初步确定有压或无压、隧洞进口和出口位置及高程、隧洞长度；初步确定管道长度和暗渠长度；初步确定各方案中泵站级数及每级泵站的水泵扬程、台数、装机容量。

优选的，所述步骤7中通过以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：

(1)增大管径一个规格；

(2)减小管径一个规格；

(3)降低隧洞底进、出口高程，相应隧洞长度可能延长；

(4)部分或全部采用糙率更低的管材；

(5)泵站控制点的前移，新控制点后的管径加大；

(6)增设无压水池，降低沿线管道工作压力；

(7)泵站级数的减少；

(8)泵站位置的调整；

(9)调整暗渠断面和长度；

(10)选择适用于各工况(不同流量)高效区运行的水泵机组，确定定速泵和变速泵数量。

优选的，所述步骤7中输水方式的优化为：

获取输水距离L和流量Q，水源水位Z1和出口水位Z2；

(1)如果Z1＜Z2，加压输水

水泵扬程Hp＝Z2-Z1+h (m)

h为输水过程的水头损失m

(2)如果Z1＞Z2，可考虑重力输水，重力输水管水力坡度i_f和平均地形坡度i₀有如下关系：

i_f≤i₀，其中i₀＝(Z2－Z1)/L

其中，如果有：F1＞F2+F3+F4，则采用加压输水

F1重力输水管的建造费用；F2压力输水管的建造费用；F3泵站建造费用；F4管理运行费用。

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。

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，包括以下步骤：

(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；

(2)计算经济评价值：

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以相同输水规模、相同长度和单位长度的水力损失相等或相近为前提的；

计算待评价管材的年运营费

A_j＝A_cj+A_vj+A_Sj (1)

其中j＝1，2，3，........m；

式中，A_j为年运营费；A_cj为管材相对应的管道工程的年成本；A_Vj为年平均生产费；A_Sj为年耗电费；m为参与比选的管材数量；

(3)计算技术评价值：

(3-1)赋于管材影响因素项目量化评分；

影响因素项目包括主要影响因素K_a,和一般影响因素项目K_b，其中主要影响因素K_a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＝1,2,3…9；一般影响因素项目K_b包括供水方式、管道根数、管线设计、阀门设备、二次污染和工程管理，i＝1,2,3…6；

(3-2)计算管材技术特性评价值

式中i＝1,2...9，为主要影响项目；

式中i＝1,2...6，为一般影响项目；

上述Ka、Kb矩阵中，“行”代表某影响因素在实际使用条件下对参与比选所有管材的模糊评价值；“列”代表某管材在各影响因素对应使用条件下的模糊评价值；a_ij∈[0，1]，b_ij∈[0，1]；j＝1,2,...m，m为参与比选的管材数量；

主要项目评分值：

一般项目评分值：

管材技术特性综合评价值

K_j＝βK_aj+(1-β)K_bj (6)

式中β为管材主要项目权重值β∈[0.6，0.85]，j＝1,2,...m。

(4)管材经济技术综合价值的计算

C_j＝(1-α)E_j+αP_j

管材评价值C_j越大，说明其经济合理、安全可靠，其经济和技术价值越高，越适合于该工程的应用。

式中：C_j为管材经济技术综合评价值；E_j为管材经济相对评价值；P_j为管材技术相对评价值；α为管材技术特性权重系数，工程规模大型取0.6～0.7，中小型取0.45～0.6；m为参与比选的管材数量；

管材评价值C_j越大，说明其经济合理、安全可靠，其经济和技术价值越高，越适合于该工程的应用。

本发明的上述输水管道管材经济技术评价方法用于对一段管道工程的某一输水管路的一根管材进行经济和技术性能综合评价的方法。本发明的输水管道管材经济技术量化选择方法用于对同一输水工程、相同输水管道线路的多根管道或其中一段管道的多种管材的经济和技术性能综合的比较方法和选择方法。其中工程规模不同，管材的经济和技术性能两方面所占的权重不同，大型工程的管材技术性能所占权重大。本发明的方法能够客观地根据工程规模、管材技术特性和使用条件等多方面全面合理地对长距离输水工程管材进行经济技术综合比选，为长距离输水工程管材的选择提供依据。

本发明的总体优化方法能够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。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。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明实施例1中方案一的输水管线平面布置示意图；

图2为本发明实施例1中方案一的输水管线纵断示意图

图3为本发明实施例1中方案二的输水管线平面布置示意图；

图4为本发明实施例1中方案二的输水管线纵断示意图；

图5为本发明实施例1中方案三的输水管线平面布置示意图；

图6为本发明实施例1中方案三的输水管线纵断示意图；

图7为本发明实施例1优化设计的流程简图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

一种山丘区长距离输水工程系统，包括设置在输水系统中的泵站前池、泵站、输水管道、无压隧洞、有压隧洞、分水闸(阀)、暗渠、设有分水阀门的分水口、泵站的水泵设备、泵站的电气和控制设备、沿线管道附属设施和附件等。其特征是：输水系统通过逐级加压泵站及管道、隧洞、暗渠输水，到达输水工程末端。具体是，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、泵站和输水管路，所述泵站前设有前池，泵站后连接输水管路至下一级泵站的前池，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、隧洞、暗渠中的一种或多种的结合，满足输水系统沿线用水户的分水闸和设有分水阀门的分水口。所述输水系统沿线上用于连通用水户的分水闸和设有分水阀门的分水口。每座泵站由若干定速水泵和调速水泵组成。各泵站和分水闸的电气和控制设备分别为泵站内水泵和阀门、分水闸(阀)等提供动力和控制，协调调度梯级加压泵站和输水系统的联合运行，实现供水目标。

如图1-6所示，所述输水系统分3个方案：

方案一：输水系统由第一泵站1-1、第二泵站1-2、第三泵站1-3、第四泵站1-4；第一前池2-1、第二前池2-2、第三前池2-3、第四前池2-4；第一压力管道3-1、第二压力管道3-2、第三压力管道3-3、第四压力管道3-4、第五压力管道3-5；第一隧洞4-1、第二隧洞4-2；第一暗渠5-1；第一分水口6-1、第二分水口6-2、第三分水口6-3、第四分水口6-4；第一水库7-1、第二水库7-2等组成。见方案一平面布置及纵断面附图。

方案二：输水系统由第一泵站1-1、第二泵站1-2、第三泵站1-3、第四泵站1-4；第一前池2-1、第二前池2-2、第三前池2-3、第四前池2-4；第一压力管道3-1、第二压力管道3-2、第三压力管道3-3、第四压力管道3-4、第五压力管道3-5、第六压力管道3-6、第七压力管道3-7；第一隧洞4-1、第二隧洞4-2、第三隧洞4-3；第一暗渠5-1、第二暗渠5-2；第一高位水池8-1、第二高位水池8-2；第一分水口6-1、第二分水口6-2、第三分水口6-3、第四分水口6-4；第一水库7-1、第二水库7-2等组成。见方案二平面布置及纵断面附图。

方案三：输水系统由第一泵站1-1、第二泵站1-2、第三泵站1-3、第四泵站1-4；第一前池2-1、第二前池2-2、第三前池2-3、第四前池2-4；第一压力管道3-1、第二压力管道3-2、第三压力管道3-3、第四压力管道3-4、第五压力管道3-5、第六压力管道3-6、第七压力管道3-7、第八压力管道3-8；第一隧洞4-1、第二隧洞4-2、第三隧洞4-3、第四隧洞4-4、第五隧洞4-5；第一暗渠5-1、第二暗渠5-2；第一高位水池8-1、第一分水口6-1、第二分水口6-2、第三分水口6-3、第四分水口6-4；第一水库7-1、第二水库7-2等组成。见方案三平面布置及纵断面附图。

如图7所示，本发明中上述的山丘区输水工程系统的总体布置优化方法，所采用的技术方案包括如下步骤：

1、根据输水系统的水源地第一前池2-1和供水目标第一水库7-1、第二水库7-2，以及系统沿线受水区位置和地形地貌，初步拟定几条可行的输水系统平面布置方案(如前述方案一、方案二、方案三......，见附图1-6)；

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等，初步确定各方案的建筑物组成和位置。

(1)确定沿线地形特征点(高点和低点)的桩号和高程，L1、L2、L3、L4、L5、L6，.....及对应的高程Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6，......。

(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。

(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洞的自流条件，满足条件时进入步骤4计算工程高效、运行费和净现值，不满足自流条件时，再初步确定泵站扬程控制点(桩号和高程)；以单级泵站扬程不大于90m、线路长度50km左右为基本原则，结合地形、地质条件初拟泵站位置；包含隧洞的方案初步确定有压或无压、隧洞进口和出口位置及高程、隧洞长度；初步确定管道长度和暗渠长度。初步确定各方案中泵站级数及每级泵站的水泵扬程、台数、装机容量。

3、分别计算各方案的工程量。包括泵站、管道、隧洞、暗渠主要建筑物和各类阀门井的附属建筑物。

4、分别计算上述各方案的工程投资。

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；计算净现值或年值。

6、将上述计算结果按照净现值由小到大进行排序。

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、CⅡ)，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，通过以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：

(1)增大管径一个规格(一般200mm)；

(2)减小管径一个规格；

(3)降低隧洞底进、出口高程，相应隧洞长度可能延长；

(4)部分或全部采用糙率更低的管材；

(5)泵站控制点的前移，新控制点后的管径加大(不限于一个规格)；

(6)增设无压水池，降低沿线管道工作压力；

(7)泵站级数的减少；

(8)泵站位置的调整；

(9)调整暗渠断面和长度；

(10)选择适用于各工况(不同流量)高效区运行的水泵机组，确定定速泵和变速泵数量。

形成相同初选线路方案下的新的方案组，如CⅠ—1、CⅠ—2、CⅠ—3……；CⅡ—1、CⅡ—2、CⅡ—3……。

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。

其中步骤7中管道水力计算包括以下内容

一、根据经济流速推荐管径选择范围

1、设计指标输入

输入管道设计总流量、管道最小流速、管道最大流速、管道根数(根据年运行时间及工程重要性确定)。

2、推荐管径选择范围

管径的大小与流量、流速有关，确定输水管径需先确定流速，为防止发生过大水锤现象，最大流速不超过2.5～3.0m/s；当输送混水时，为避免管内淤积，最小流速应不小于0.6m/s。

d_max＝(4Q/πv₁)^1/2

式中：d_max—推荐输水管最大内径(m)

Q—管道计算流量(m³/s)

v₁—管道最小流速(m/s)，取0.6(或根据经验输入其它数据)

d_min＝(4Q/πv₂)^1/2

式中：d_min—推荐输水管最小内径(m)

Q—管道计算流量(m³/s)

v₂—管道最大流速(m/s)，(取2.5～3.0或根据经验输入其它数据)

计算结果显示：推荐最大管径、最小管径。

二、管道方案经济技术比较

1、设计指标输入

在已输入设计流量、管道根数基础上，再输入管道长度、年运行时间、泵站进水池设计水位(或管道首端高程)、管道末端出水池水位(或管道控制点高程)，然后根据推荐的管道直径范围，依次输入方案一、二、三、四(前述内容未列出)选择的管材、管径，并输入相应的管道单价，计算机据此计算出各方案的管道水头损失和泵站扬程，管道工程投资和运行费等，输出管道方案经济技术比较表。根据比较表内容，从性价比最优原则确定出最优方案。如果比较表内容中没有出现最优方案，则从性价比向优方向重新选择输入四个管材、管径方案，直至确定出最优方案。

管道方案经济技术比较表(案例)

注：表中管道单价为运至工地现场价，年运行费计算按流量0.64m3/s，年运行91天，电价每度0.7元计算。

2、水力计算

总水头损失：h_z＝h_y+h_j

沿程水头损失：h_y＝iL

式中：h_z—管道总水头损失(m)；

h_y—沿程水头损失(m)

h_j—局部水头损失(m)；

L—计算管段长度(m)；

i—单位管长水头损失；

可研和初步设计阶段局部水头损失按其沿程水头损失的10％计算。

不同管材沿程水头损失计算公式如下：

1)UPVC、PE等塑料管、玻璃钢管

v＝4Q/(πd²)

(魏斯巴赫-达西公式)

(勃拉休斯公式)，其中Re＝d×v×10⁶

简化后计算公式：

i＝0.000915Q^1.774/d^4.774

局部水头损失：h_j＝∑ξv²/(2g)

式中：h_y—沿程水头损失(m)；

h_j—局部水头损失(m)；

L—计算管段长度(m)；

i—单位管长水头损失；

Q—管段流量(m³/s)；

v—管内流速(m/s)；

d—管道内径(m)；

ξ—管道局部水头损失系数；

g—重力加速度(m/s²)。

2)钢管、铸铁管

v＝4Q/(πd²)

当v＜1.2m/s时，i＝0.000912v²(1+0.867/v)^0.3/d^1.3

当v≥1.2m/s时，i＝0.00107v²/d^1.3

局部水头损失：h_j＝∑ξv²/(2g)

式中：i—单位管长水头损失；

v—管内流速(m/s)；

d—管道内径(m)；

L—管道长度(m)；

Q—管段流量(m³/s)；

ξ—管道局部水头损失系数；

g—重力加速度(m/s²)。

3)混凝土管、钢筋混凝土管、钢筒混凝土管及采用水泥砂浆内衬的金属管道

v＝4Q/(πd²)

或i＝10.294n²Q²/d^5.333

式中：i—单位管长水头损失；

v—平均流速(m/s)；

R—水力半径(m)；

d—管道内径(m)；

C—流速系数；

n—粗糙系数(玻璃钢管0.009，钢管水泥砂浆内衬0.012，钢管涂料内衬0.011，旧钢管未做内衬0.016，预应力混凝土管0.0125，预应力钢筒混凝土管0.012，矩形混凝土渠道0.014)。

3、泵站装机容量

泵站装机容量计算公式：

N＝1.1×9.81HQ/η_bη_j

式中：N—泵站运行功率(kW)；

H—泵站设计扬程(m)(泵站净扬程+管道总水头损失)；

Q—泵站设计总流量(m³/s)；

η_b—水泵效率系数(一般按0.85)；

η_j—电动机效率系数(一般按0.91)。

4、泵站工程投资

泵站工程投资＝N×(0.8～1)(万元)(简单泵站取小值，复杂泵站取大值)。

5、泵站年运行费

泵站年运行费计算公式：

E＝N×h×e/10000

式中：E—泵站年运行费(万元)；

N—泵站运行功率(kW)；

h—泵站运行时间(小时)

e—电价(一般按每度0.7元计算)

6、管道工程投资

管道工程投资＝A+B

式中：A—管道购置费

B—施工费(含管道安装、管沟开挖回填费等)(安装费可按管道购置费的10％估算)

1)管沟开挖方量计算

为了确保管身安全和尽量节省工程投资，设计最小管顶覆土深度根据管道直径而定，对于直径1.0m以下的管道，管顶覆土深度按1.0m，直径1.0m以上的管道，管顶覆土深度同管道直径。管道过河(沟)倒虹及穿越公路处管顶覆土深度应大于1.5m。管沟低宽按下表自动选取。

管沟横断面设计

管沟为梯形，开挖边坡暂按1：1.0。

开挖工程量W＝D₀L[2(D₀+2b₁)+4D₀]

开挖费额E_W＝

式中：W—管沟开挖工程量(m³)

L—管道长度(m)

D₀—管道外径(m)

b₁—管道一侧的工作面宽度(m)

2)管沟回填方量计算

T＝W-LπD₀ ²/4

式中：T—管沟回填工程量(m³)

W—管沟开挖工程量(m³)

L—管道长度(m)

D₀—管道外径(m)

三、自流管道方案经济技术比较

1、设计指标输入

输入管道两端水位差、管道长度、管道根数，依次输入方案一、二、三……选择的管材、管径，据此计算出各方案的管道流量，根据计算出的管道流量输出能力情况，确定管材和管径方案。

2、确定管材和管径

根据输入的管道长度L(m)、管道两端水位差H(m)、管道粗糙系数n计算出相应的输出流量Q(m³/s)，根据满足流量要求的管材价格确定合理的管材和管径。

计算公式：

流量

其中：流量系数

λ＝8g/C²；

R₀＝d/4；

n＝(玻璃钢管0.009，钢管水泥砂浆内衬0.012，钢管涂料内衬0.011，旧钢管未做内衬0.016，预应力混凝土管0.0125，预应力钢筒混凝土管0.012，矩形混凝土渠道0.014)。

ξ—管道局部水头损失系数；

g—重力加速度(m/s²)。

所述步骤7中输水方式的选择：

距离L和流量Q，水源水位Z1和出口水位(末端)水位Z2

1、如果Z1＜Z2，加压输水

水泵扬程Hp＝Z2-Z1+h (m)

h为输水过程的水头损失m

2、如果Z1＞Z2，可考虑重力输水，重力输水管水力坡度i_f和平均地形坡度i₀有如下关系：

i_f≤i₀，其中i₀＝(Z2－Z1)/L

如果有：F1＞F2+F3+F4，则采用加压输水

F1重力输水管的建造费用；F2压力输水管的建造费用；F3泵站建造费用；F4管理运行费用。

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。

具体地，

方案一：线路自第一前池2-1，沿线共布置了4级泵站，2座隧洞，第一压力管道3-1和第二压力管道3-2均为2根，第三压力管道3-3、第四压力管道3-4、第五压力管道3-5为单管输水。经过水力计算，输水系统第一泵站1-1的扬程控制点为第二前池2-2上游、第二泵站1-2的扬程控制点为第一隧洞4-1进口高程、第三泵站1-3的扬程控制点为D1、第四泵站1-4的扬程控制点为第二隧洞4-2进口底高程，4级泵站扬程配置基本相同。第一压力管道3-1、第二压力管道3-2全部为加压输水，第三压力管道3-3在第三泵站1-3至控制点D1之间管道为压力输水、D1至第四前池2-4位有压重力输水，第四压力管道3-4为加压输水，第五压力管道3-5为有压重力流输水。第一隧洞4-1、第二隧洞4-2和暗渠均为无压重力输水。

该线路方案通过增大、减小管径，在隧洞洞底坡度一定的情况下降低进口底高程、相应调整隧洞和暗渠长度、管道长度、水泵机组扬程等。即可以形成本线路方案组。

方案二：线路自第一前池2-1，沿线共布置了4级泵站，3座隧洞，第一压力管道3-1和第二压力管道3-2均为2根，第三压力管道至第七压力管道3-3、3-4、3-5、3-6、3-7均为单管输水。经过水力计算，输水系统第一泵站1-1的扬程控制点为为第一隧洞4-1进口高程、第二泵站1-2的扬程控制点为第二隧洞4-2进口高程、第三泵站1-3的扬程控制点第一高位水池8-1的底高程、第四泵站1-4的扬程控制点为第三隧洞4-3进口底高程。第一压力管道3-1、第二压力管道3-2、第三压力管道3-3、第六压力管道3-6全部为压力输水，第四压力管道3-4、第五压力管道3-5、第七压力管道3-7为重力流压力输水。第一隧洞4-1、第二隧洞4-2、第三隧洞4-3和第一暗渠5-1、第二暗渠5-2均为无压重力输水。

该线路方案较方案一：(1)增加了第一隧洞4-1和第一暗渠5-1，输水线路缩短；(2)第一泵站1-1扬程增大、第二泵站1-2扬程减小，第一泵站1-1、第二泵站1-2总扬程减小；(3)第一泵站1-1至第三前池2-3的工程投资和运营费用均减小；(3)增加了第一高位水池8-1和第二高位水池8-2，第三泵站1-3的扬程控制点往上游前移，变为第一高位水池8-1，第三泵站1-3扬程降低；第一高位水池8-1至第二高位水池8-2之间输水方式变为有压重力输水，第三压力管道3-3直径增大或直径不变改为糙率更低的管材；第三泵站1-3至第四前池2-4的工程投资增加，但运行能源费用降低。

本线路方案通过增大、减小管径，使用糙率更低的管材，在隧洞洞底坡度一定的情况下降低进口底高程、相应调整隧洞和暗渠长度、管道长度、水泵机组扬程等。即可以形成本线路方案组。

方案三：线路自第一前池2-1，沿线共布置了4级泵站，5座隧洞，第一压力管道3-1和第二压力管道3-2均为2根，第三压力管道-至第八压力管道3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8均为单管输水。经过水力计算，输水系统第一泵站1-1的扬程控制点为为第一隧洞4-1进口高程、第二泵站1-2的扬程控制点为第二隧洞4-2进口高程、第三泵站1-3的扬程控制点高位水池的底高程、第四泵站1-4的扬程控制点为第三隧洞4-3进口底高程。第一压力管道3-1、第二压力管道3-2、第三压力管道3-3、管道7全部为压力输水，第四压力管道3-4、第五压力管道3-5、第六压力管道3-6、第八压力管道3-8为有压重力输水。第一隧洞4-1、第二隧洞4-2、第四隧洞4-4、第五隧洞4-5和第一暗渠5-1、第二暗渠5-2均为无压重力输水，第三隧洞4-3为有压重力输水。

该线路方案较方案一：(1)增加了第一隧洞4-1、第三隧洞4-3、第四隧洞4-4和第一暗渠5-1，输水线路缩短；(2)第一泵站1-1扬程增大、第二泵站1-2扬程减小，第一泵站1-1、第二泵站1-2总扬程减小；(3)第一泵站1-1至第三前池2-3的工程投资和运营费用均减小；(3)增加了高位水池，第三泵站1-3的扬程控制点往上游前移，变为第一高位水池8-1，第三泵站1-3扬程降低；高位水池至第四前池2-4之间输水方式变为有压重力输水，第四压力管道3-4直径增大和采用了糙率更低的管材；第三泵站1-3至第四前池2-4的工程投资增加，但运行能源费用降低；(4)第三泵站1-3至第二水库7-2的输水线路缩短。

本线路方案通过增大、减小管径，使用糙率更低的管材，降低进出口底高程、相应调整隧洞和暗渠长度、管道长度、水泵机组扬程等。即可以形成本线路方案组。

实施例2

本实施例针对具体输水管道工程全部或其中一段线路初步确定的一根或多根管道或其中管道的多种管材的经济和技术性能综合的比较方法和选择方法。

所采用的技术方案是：其包括如下步骤：

(1)分别计算各种管材管道工程的年运营费

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以相同输水规模、相同长度和单位长度的水力损失相等或相近为前提的。

年运营费主要为投资成本提成、生产费和能源费三项。

A_j＝A_cj+A_vj+A_Sj (1)

(j＝1，2，3，........m)

式中A_j为年运营费；A_cj为管材相对应的管道工程的年成本，与管道工程总投资、使用年限和年利率有关；A_Vj为年平均生产费，主要是系统折旧及维修、养护、管理等费用；A_Sj为年耗电费；m为参与比选的管材数量。

各种管材管道工程的年运营费的可以依整条管道为计算单元，也可以单位长度(每1km)管段为计算单元。

(2)管材技术特性量化计算

①制定管材—影响因素项目量化评分表，见下附表1。

本发明附表1列出了各种管材分别对应性能影响因素的评分，共15个影响因素、43个分项。其中K_a为主要影响因素项目，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＝1,2,3…9；K_b为一般影响因素项目，包括供水方式、管道根数、管线设计、阀门设备、二次污染和工程管理，i＝1,2,3…6。附表1中K_a、K_b与管材及其对应的各影响因素分项有关，管材数量不限于表中所列内容；该表为通用表格，评价值给出了取值范围。

②分别计算各管材技术特性评价值

对于某一项输水管道工程或某项工程中的一个管段，如果参与经济技术比选的管材数量为m，根据附表1和工程具体条件，即可确定各管材对应各影响因素分项的评分值，其Ka、Kb对应的矩阵则为:

式中i＝1,2...9，为主要影响项目。

式中i＝1,2...6，为一般影响项目。

上述Ka、Kb矩阵中，“行”代表某影响因素在实际使用条件下对参与比选所有管材的模糊评价值；“列”代表某管材在各影响因素对应使用条件下的模糊评价值；a_ij∈[0，1]，b_ij∈[0，1]；j＝1,2,...m，m为参与比选的管材数量。

主要项目评分值：

一般项目评分值：

管材技术特性综合评价值

K_j＝βK_aj+(1-β)K_bj (6)

式中β为管材主要项目权重值β∈[0.6，0.85]，j＝1,2,...m。

(3)各管材经济技术综合评价值的计算

式中：C_j为管材经济技术综合评价值；E_j为管材经济相对评价值；P_j为管材技术相对评价值；α为管材技术特性权重系数，工程规模大型取0.6～0.7，中小型取0.45～0.6；m为参与比选的管材数量。

管材评价值C_j越大，说明其经济合理、安全可靠，其经济和技术价值越高，越适合于该工程的应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例和比较例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种山丘区长距离输水工程系统总体优化方法，其特征在于，所述山丘区长距离输水工程系统为，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、泵站和输水管路，所述泵站前设有前池，泵站后连接输水管路至下一级泵站的前池，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、隧洞、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闸和设有分水阀门的分水口；所述泵站和分水闸连接用于提供动力和控制的电气控制设备；

包括以下步骤：

步骤1：根据输水系统的水源地和供水目标，以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；

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；

步骤3：分别计算各方案的工程量：包括泵站、管道、隧洞、暗渠主要建筑物和各类阀门井的附属建筑物；

步骤4：分别计算上述各方案的工程投资；

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；

步骤6：将上述计算结果按照净现值由小到大进行排序；

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、CⅡ)，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；

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；

所述步骤2中通过以下步骤初步确定各方案的建筑组成和位置：

(1)确定沿线地形特征点的桩号和高程；

(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；

(3)根据各方案的水力损失h计算结果，初步确定泵站扬程控制点；以单级泵站扬程不大于90m、线路长度45-55km为基本原则，结合地形、地质条件初拟泵站位置；包含隧洞的方案初步确定有压或无压、隧洞进口和出口位置及高程、隧洞长度；初步确定管道长度和暗渠长度；初步确定各方案中泵站级数及每级泵站的水泵扬程、台数、装机容量；

所述步骤7中通过以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：

(1)增大管径一个规格；

(2)减小管径一个规格；

(3)降低隧洞底进、出口高程，相应隧洞长度可能延长；

(4)部分或全部采用糙率更低的管材；

(5)泵站控制点的前移，新控制点后的管径加大；

(6)增设无压水池，降低沿线管道工作压力；

(7)泵站级数的减少；

(8)泵站位置的调整；

(9)调整暗渠断面和长度；

(10)选择适用于各工况(不同流量)高效区运行的水泵机组，确定定速泵和变速泵数量；

所述步骤7中输水方式的优化为：

获取输水距离L和流量Q，水源水位Z1和出口水位Z2；

(1)如果Z1＜Z2，加压输水

水泵扬程Hp＝Z2-Z1+h (m)

h为输水过程的水头损失m

(2)如果Z1＞Z2，可考虑重力输水，重力输水管水力坡度i_f和平均地形坡度i₀有如下关系：

i_f≤i₀，其中i₀＝(Z2－Z1)/L

其中，如果有：F1＞F2+F3+F4，则采用加压输水

F1重力输水管的建造费用；F2压力输水管的建造费用；F3泵站建造费用；F4管理运行费用；

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；

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，包括以下步骤：

(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；

(2)计算经济评价值：

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以相同输水规模、相同长度和单位长度的水力损失相等或相近为前提的；

计算待评价管材的年运营费

A_j＝A_cj+A_vj+A_Sj (1)

其中j＝1，2，3，........m；

式中，A_j为年运营费；A_cj为管材相对应的管道工程的年成本；A_Vj为年平均生产费；A_Sj为年耗电费；m为参与比选的管材数量；

(3)计算技术评价值：

(3-1)赋于管材影响因素项目量化评分；

影响因素项目包括主要影响因素K_a,和一般影响因素项目K_b，其中主要影响因素K_a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＝1,2,3…9；一般影响因素项目K_b包括供水方式、管道根数、管线设计、阀门设备、二次污染和工程管理，i＝1,2,3…6；

(3-2)计算管材技术特性评价值

式中i＝1,2...9，为主要影响项目；

式中i＝1,2...6，为一般影响项目；

上述Ka、Kb矩阵中，“行”代表某影响因素在实际使用条件下对参与比选所有管材的模糊评价值；“列”代表某管材在各影响因素对应使用条件下的模糊评价值；a_ij∈[0，1]，b_ij∈[0，1]；j＝1,2,...m，m为参与比选的管材数量；

主要项目评分值：

一般项目评分值：

管材技术特性综合评价值

K_j＝βK_aj+(1-β)K_bj (6)

式中β为管材主要项目权重值β∈[0.6，0.85]，j＝1,2,...m；

(4)管材经济技术综合价值的计算

式中：C_j为管材经济技术综合评价值；E_j为管材经济相对评价值；P_j为管材技术相对评价值；α为管材技术特性权重系数，工程规模大型取0.6～0.7，中小型取0.45～0.6；m为参与比选的管材数量；

管材评价值C_j越大，说明其经济合理、安全可靠，其经济和技术价值越高，越适合于该工程的应用。