山丘区长距离输水工程系统总体优化方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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，也是本发明专利技术需要解决的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。本专利技术还涉及所述输水工程系统的总体优化方法。
技术介绍
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，也是本专利技术需要解决的问题。
技术实现思路
：针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术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。本专利技术中的山丘区输水工程系统是通过如下技术方案来实现的：本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的方法中，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if和平均地形坡度i0有如下关系：if≤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Aj＝Acj+Avj+ASj(1)其中j＝1，2，3，........m；式中，Aj为年运营费；Acj为管材相对应的管道工程的年成本；AVj为年平均生产费；ASj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Ka,和一般影响因素项目Kb，其中主要影响因素Ka包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种山丘区长距离输水工程系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种山丘区长距离输水工程系统，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的山丘区长距离输水工程系统，其特征在于，所述泵站由若干定
速水泵和调速水泵组成。
3.一种山丘区长距离输水工程系统总体优化方法，其特征在于，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。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤1中拟定的可行的输水系统平面
布置方案满足权利要求1或2所述的山丘区长距离输水工程系统。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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。
7.根据权利要求3所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜培文，高峰，许志刚，祝凤山，岳永起，张力友，李孟，
申请(专利权)人：山东省水利勘测设计院，
类型：发明
国别省市：山东;37