調(diào)節(jié)水庫(kù)在長(zhǎng)距離輸水工程中的應(yīng)用

呂 平

（山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

1 概況

山西省萬(wàn)家寨引黃工程是一項(xiàng)大型跨流域調(diào)水工程，該工程引水線(xiàn)路總長(zhǎng)452 km，由總干線(xiàn)、北干線(xiàn)、南干線(xiàn)和聯(lián)接段組成?？偢删€(xiàn)從萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，經(jīng)總干一、二級(jí)泵站、申同嘴水庫(kù)、總干三級(jí)泵站提水，通過(guò)隧洞、渡槽輸水至下土寨分水閘，全長(zhǎng)44.4 km，引水流量48 m3/s，年引水量12億m3，由下土寨分水閘向南至太原為南干線(xiàn)和聯(lián)接段，南干線(xiàn)長(zhǎng)度為102 km，包括南干一、二級(jí)泵站，輸水建筑物以隧洞為主；聯(lián)接段是以汾河水庫(kù)為調(diào)節(jié)樞紐相對(duì)獨(dú)立的完全利用水流勢(shì)能輸水的工程段。汾河水庫(kù)以上81.21 km采用天然河道輸水，汾河水庫(kù)以下58.25 km采用輸水管道（洞）輸水，設(shè)計(jì)輸水流量20.5 m3/s，通過(guò)壓力流輸水和無(wú)壓流輸水至太原市呼延水廠(chǎng)，實(shí)現(xiàn)全年不間斷向太原市供水6.4億m3。

鑒于引黃工程的復(fù)雜性和重要性，全線(xiàn)采用了自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制，其中水力量測(cè)是自動(dòng)化系統(tǒng)關(guān)鍵測(cè)控項(xiàng)目之一，該系統(tǒng)主要由流量測(cè)量系統(tǒng)、水位測(cè)量系統(tǒng)、泥沙測(cè)量系統(tǒng)等部分組成，由監(jiān)測(cè)站及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)構(gòu)成，測(cè)站及測(cè)點(diǎn)根據(jù)調(diào)度控制及建筑物安全運(yùn)行的要求，結(jié)合工程主體建筑物及輸水線(xiàn)路進(jìn)行總體布置，試運(yùn)行期間，總干線(xiàn)選取了以下幾個(gè)主要斷面進(jìn)行水力量測(cè)：萬(wàn)家寨取水口、總干一級(jí)泵站調(diào)壓井、總干二級(jí)泵站調(diào)壓井、申同嘴水庫(kù)閘前閘后、總干三級(jí)泵進(jìn)水池及出水調(diào)壓井、下土寨分水閘、南干一級(jí)泵站前池及出水調(diào)壓井、南干二級(jí)泵站前池及出水調(diào)壓井、頭馬營(yíng)出口、汾河水庫(kù)、呼延水廠(chǎng)。

2 申同嘴水庫(kù)在運(yùn)行中的作用

第一，利用申同嘴水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)流量、水量與庫(kù)容變化關(guān)系，了解總干一、二級(jí)泵站水泵工況及總一、二站水泵流量計(jì)工作狀態(tài)。引黃工程由萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，而萬(wàn)家寨水庫(kù)取水水位變幅很大，最高庫(kù)水位為982 m，最低為957 m，變幅為25 m。因此，總干一、二級(jí)泵站水泵揚(yáng)程也隨著萬(wàn)家寨水庫(kù)水位的變化而變化，其水泵出水流量也會(huì)隨之變化，在運(yùn)行中可由申同嘴水庫(kù)下泄流量及庫(kù)水位的升降情況了解水泵的運(yùn)行工況。

第二，根據(jù)申同嘴水庫(kù)水位及要求下泄的流量確定放水閘門(mén)的開(kāi)度。同樣，在確定閘門(mén)開(kāi)度的情況下，由庫(kù)水位的漲落變化即可知道總干一、二級(jí)泵站的出水流量是否與下泄流量匹配，當(dāng)庫(kù)水位變化很小時(shí)則是匹配的，如庫(kù)水位上升表明入庫(kù)流量大于下泄流量，庫(kù)水位下降表明入庫(kù)流量小于下泄流量，為運(yùn)行調(diào)度提供了準(zhǔn)確的信息，詳見(jiàn)表1。

表1 申同嘴水庫(kù)放水記錄計(jì)算表

第三，利用水庫(kù)空庫(kù)充水過(guò)程，通過(guò)庫(kù)水位時(shí)段變化，即可由庫(kù)容曲線(xiàn)求得時(shí)段水量變化，進(jìn)而求得入庫(kù)流量，并與總干一、二級(jí)泵站安裝的超聲波流量計(jì)的流量、水量的示值相比對(duì)，為儀器的調(diào)整使用提供參考。

第四，通過(guò)庫(kù)水位、閘門(mén)開(kāi)度與下泄流量的關(guān)系，可以比對(duì)閘下孔口出流的流量系數(shù)及閘后流量計(jì)的流量、水流示值，進(jìn)而為研究弧形門(mén)閘下孔口出流流量系數(shù)提供了原型觀(guān)測(cè)資料，為超聲波流量計(jì)的調(diào)試提供了比對(duì)數(shù)據(jù)。

3 汾河水庫(kù)在運(yùn)行中的作用

汾河水庫(kù)是一座庫(kù)容7億m3的大型水庫(kù)，是一座非常好的調(diào)節(jié)水庫(kù)。2002年在全線(xiàn)試通水運(yùn)行過(guò)程中，在250 h的連續(xù)運(yùn)行中，由頭馬營(yíng)出口向汾河送水550萬(wàn)m3，2003年試營(yíng)期向水庫(kù)送水960萬(wàn)m3，設(shè)想如果沒(méi)有汾河水庫(kù)來(lái)調(diào)蓄，則試運(yùn)行中由黃河長(zhǎng)距離調(diào)入太原的水將流入汾河，而且在正常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，呼延水廠(chǎng)用水量與引黃各泵站的抽水量也難以配套，引黃各泵站設(shè)計(jì)每臺(tái)機(jī)組流量為6.45 m3/s，而呼延水廠(chǎng)目前處理能力很難與此值相對(duì)應(yīng)，因此，必須有像汾河水庫(kù)這樣較大的水庫(kù)來(lái)調(diào)蓄才能維持引黃總干線(xiàn)、南干線(xiàn)各泵站連續(xù)正常運(yùn)行。同時(shí)由于汾河水庫(kù)的調(diào)蓄能力很強(qiáng)，故由萬(wàn)家寨水庫(kù)取水時(shí)間可以根據(jù)氣溫、水沙等情況而有較大的選擇，保證了機(jī)組運(yùn)行及水質(zhì)的最有利狀態(tài)。

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

4.1 調(diào)節(jié)水庫(kù)的作用

從引黃工程全線(xiàn)試通水過(guò)程中申同嘴水庫(kù)及汾河水庫(kù)所起的作用可以看出，在長(zhǎng)距離調(diào)水工程適當(dāng)?shù)奈恢媒ㄔO(shè)調(diào)蓄水庫(kù)是非常必要的。特別像引黃工程這樣高揚(yáng)程、多級(jí)提水的工程更是不可缺少的?？偢梢?、二級(jí)泵站與總干三級(jí)泵站的流量也不完全匹配，通過(guò)申同嘴水庫(kù)的調(diào)蓄可使各泵站工作都處在優(yōu)化狀態(tài)。假如沒(méi)有申同嘴水庫(kù)，則總二泵站突然停機(jī)，其下游的總?cè)?、南一、南二泵站也必然要跟著停機(jī)。同時(shí)若各泵站運(yùn)行機(jī)組上流量不會(huì)完全匹配，將會(huì)給運(yùn)行帶來(lái)很大困難和不必要的棄水損失。

4.2 調(diào)節(jié)水庫(kù)的位置

調(diào)節(jié)水庫(kù)應(yīng)盡可能設(shè)在運(yùn)行條件變化比較大的位置，以便于流量的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定，如申同嘴水庫(kù)位于總二泵站后是比較合理的。因總一、二級(jí)泵站為串聯(lián)式運(yùn)行，萬(wàn)家寨水庫(kù)水位變化在957.00~982.29 m，相差29 m，故泵站工作水頭變化大，抽水流量變化也大，直接影響到下游各泵站的穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)，可使下泄流量基本穩(wěn)定在下游各泵站的需要值。汾河水庫(kù)位于聯(lián)接段前，不僅可以調(diào)節(jié)供應(yīng)呼延水廠(chǎng)的用水量，而且可儲(chǔ)蓄從萬(wàn)家寨水庫(kù)取來(lái)的水，根據(jù)太原市年用水總量及萬(wàn)家寨水庫(kù)水質(zhì)等情況來(lái)調(diào)節(jié)泵站運(yùn)行時(shí)間。

4.3 調(diào)節(jié)水庫(kù)的規(guī)模

調(diào)節(jié)水庫(kù)的規(guī)模應(yīng)考慮需要和可能性?xún)煞矫?，從需要上看，要滿(mǎn)足入庫(kù)流量與下游流量匹配需要的調(diào)節(jié)庫(kù)容，同時(shí)還應(yīng)考慮某些臨時(shí)事故的應(yīng)急庫(kù)容。比如，一臺(tái)機(jī)組突然停機(jī)，在其檢修排除故障時(shí)間內(nèi)或備用機(jī)組啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)能滿(mǎn)足下游供水需求的庫(kù)容量。因此，調(diào)節(jié)庫(kù)容在地形條件允許的情況下應(yīng)盡量大一些，至少應(yīng)滿(mǎn)足正常運(yùn)行中流量調(diào)節(jié)和上游機(jī)組發(fā)生故障后排除故障或備用泵啟動(dòng)時(shí)間正常運(yùn)行的保證庫(kù)容。對(duì)于末級(jí)調(diào)節(jié)水庫(kù)則應(yīng)滿(mǎn)足足夠的儲(chǔ)備，當(dāng)上游停止運(yùn)行后也能正常供給用戶(hù)用水。另外，當(dāng)長(zhǎng)距離輸水時(shí)，兩泵站距離較遠(yuǎn)時(shí)，后一級(jí)泵站前池應(yīng)適當(dāng)加大，使其有一定的調(diào)節(jié)能力，避免停機(jī)后有過(guò)多的棄水。如總干三級(jí)泵站至申同嘴水庫(kù)有30 km，當(dāng)總?cè)蚬释C(jī)后，申庫(kù)立即關(guān)閘，從申庫(kù)至總?cè)俺厝杂屑s20萬(wàn)m3的水量（一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行），其棄水量是相當(dāng)大的。故考慮總?cè)俺匾?guī)模擴(kuò)大是有意義的。

總之，長(zhǎng)距離調(diào)水系統(tǒng)中，特別是多級(jí)泵站長(zhǎng)距離調(diào)水系統(tǒng)中，其調(diào)節(jié)水庫(kù)擔(dān)負(fù)著調(diào)節(jié)流量、減少棄水，提高效益的巨大功能，應(yīng)加強(qiáng)管理，合理調(diào)度，使其充分發(fā)揮作用。