井群树状管网输水水力调节方式研究

刘建续，王俊锋，王 旭

(陕西江汉水电勘测设计有限公司，陕西 西安710016)

井群管网的布置有环状管网和树状管网两种形式。环状管网是将输水管道组成环形网格，机井从管网节点接入，水流在管网中可向各个方向流动，最终在汇集点处流出。这种管网的优点是输水安全、可靠性高;缺点是管线长，工程量大，投资大。树状管网是将井群中各个机井用输水管道连接，形成一个树枝状的管网，水流在管网中向一个方向流动，最终在汇集点处流出。这种管网的优点是布置简单、便于运行管理，管线短、工程量小、投资少;缺点是输水可靠性较差。对于井群管网由于单井流量一般较小，井间距大，采用环状管网投资很大。所以井群管网一般采用树状管网。

树状管网相比环状管网除布置形式简单外，主要还有水力特征简单。特别是采用树状管网配水，仅需满足节点的配水流量即可，管网内水压力、系统会自行调整，不会产生压力突变现象(不含水击)。但对井群树状管网输水相对其配水，管网的水力特征较为复杂。因接入管网节点的是各个不同型号的井泵，每个井泵都有自身的流量－扬程特性，这种特性一旦并入管网，就会与管网中的其它井泵发生关系，同时系统会通过管网自行调整、平衡这种流量－压力关系。调整结果常常会使个别井泵的工作点处于极端状态，从而造成事故，影响管网系统输水。因此，有必要对井群树状管网输水的水力调节进行研究，以寻求科学合理的管网调节方式，满足社会生产、工程运行管理的要求。

1 井群中的井泵特征

地下水水源工程中，其取水建筑物大多采用水井形式。在水井形成之前，根据水源地地下水的可开采情况和水文地质条件选择井型，并拟定合理的井距与井数，再进行井群布置。水源地的整体规划，要进行单个水井的设计，给出每个水井的设计参数。参数主要包括:水井编号及位置、地面高程、结构尺寸(包括井径、井深、取水层厚度及深度)、地下水位、最大安全出水量、最大降深等。

水井水源工程无论采用什么形式的水井都必须配备一套水泵装置，才能将地下水抽出并且输送。水泵装置配备包括:井用泵、配电设备、输水管(特指井泵与管网之间的管道)及其附件等。这些设备的组装成型便形成了一套水井的水泵装置。这一装置在正常运行过程中表现出一种扬程随流量变化的关系特征。水泵装置的井泵特征有两部分。一部分是井用泵的特性曲线，另一部分是井泵连接管网输水管的水头损失曲线。两条曲线的叠加就是井泵装置的特性曲线。一般的对离心式叶片泵其性能曲线常用二次曲线近似反应，而管道的水头损失曲线也是一条二次曲线，它们的叠加结果是一条二次曲线，可用一个二次方程式表示。由此得出井群中第i个水井井泵装置的性能方程为

式中:hi为水泵装置的扬水位，(m);Hi为水泵装置的最高扬水位，由于井用泵为多级泵，改变泵级数也可改变泵装置的性能，(m);Si为水泵装置的阻力系数，由三部分组成:泵阻力、管阻力、阀阻力，水泵装置完成后，泵及管阻力不变，只有阀阻力可变，因此泵装置中的闸阀可参与调节;(s2/m5);qi为水泵装置的流量，(m3/s)。

上式为井群中井泵装置的性能方程，该方程假定流量变化时该井水位降深不变。当井泵装置接入管网、投入运行之后，井泵的运行工况点就由该方程与管网的水力平衡所决定。因此，仅有井泵装置的性能还不能解决问题，还需研究管网的性能。

2 井群中的管网特征

地下水源工程中有了井群及其配套的井泵，还必须配备一套输水管网才能实现地下水资源的利用。对井群输水的管网常采用树状管网，其水力要素分为管段流量、管段压降、节点流量和节点水头等4类。这4类水力要素相互之间的关系，反映了树状管网的水力特征。

为了方便分析树状管网的水力特征，采用图1所示的简单管网作以说明。图1为由0～6#等7个节点组成的简单树状管网，其中0#节点是树状管网输水的集中输出点，1～6#节点分别为6个井泵装置，向管网输入水量。管网水流为恒定流，管网中各管管段流量qij、管段压降hij和各节节点流量qi、节点水头hi都是恒定的。管网中的这些水力要素都必然满足连续性方程和能量方程。

图1 树状管网示意图

根据图1所示管网中各管段的连接形式，可列出一组6个连续性方程如下。

再根据图1所示管网中各管段的水流连通形式，可列出一组6个能量方程如下。

同时管网中各管段的压降与其流量有如下关系

式中:Sij为第ij管段的阻力系数，(s2/m5);其余参数同上。

综合分析以上4组方程，可看出:第1组方程为井泵装置的性能方程，反映了节点水头与节点流量的关系。第2组方程反映了管段流量与节点流量的关系。第4组方程反映了管段压降与管段流量的关系，如果用第2组方程中的节点流量代替管段流量，则第4组方程就反映了管段压降与节点流量的关系。第3组方程反映了节点水头与管段压降的关系，方程中的参数，可由第1、4组方程确定并带入，形成一组新的方程。这组新方程有6个方程式，其中所含的参数仅有6个节点流量为未知量，其余均为已知量。因此，联立求解这组新方程组，可求得6个水井的流量。有了这6个节点流量，其它管网参数依据第1、2、4组中的相关方程均可求得。

3 管网中的水力调节

利用上述4组方程已经可以确定管网中的各种参数，管网是要根据地形地貌、布置型式、选用的管材、节点流量等条件进行设计。井群管网设计条件除节点流量需单独考虑外，其它条件均容易满足。要确定节点流量，必须确定井群中各水井的设计出水量，水井的设计出水量要根据各水井的设计单独确定。有了管网节点的输入流量便可进行管网设计。管网的设计结果除确定了各管段的管径、流量、压降等参数之外，主要还确定了各节点的输水压力。根据节点流量和输水压力便可进行各水井井泵的选型。以上描述为井群管网的设计过程，设计阶段确定的参数为井群管网的设计参数。

井群管网在施工过程中许多参数与设计参数相比会发生较大变化，如管段管径、管长、井泵特性、闸阀开度、节点的位置偏移等，这些变化称之为硬件变化;另外，井群管网在运行过程中节点流量与设计参数相比也会发生较大变化，如各井泵运行工作点的偏移、个别井泵的停运等，这些变化称之为软件变化。井群管网中这些硬件、软件的变化，使管网系统形成一种新的平衡。这种由管网自身形成的平衡状态与设计状态相比常常相差甚远。因此，必须人为调节管网中的硬件参数，使得管网中的软件参数符合或者接近管网的设计状况。

井群管网的水力调节是一个系统的复杂过程，常常需要采用一定的步骤反复调整。具体方法如下:

(1)将管网中各节点的设计流量、设计水压力代入第1组方程，求得各节点水泵装置的设计阻力系数Ssi。再根据各水井水泵装置的现状，确定其装置阻力系数Si。采用水泵闸阀调节，使水泵装置阻力系数Si等于其设计阻力系数Ssi。调整以后的井泵装置性能方程可用于管网的调节计算。采用闸阀调节是一种浪费能源的调节方式，有条件的水源工程，一般采用变频调节。该调节是利用供电电源的频率变化改变水泵的转速，从而改变水泵的性能。调节方法是将各节点的设计流量、设计水压力及水泵装置的阻力系数Si代入第1组方程，求得井泵装置性能方程中的Hi。采用变频调节，调整水泵性能方程中的最高扬水位，使其符合所求的 Hi。同样，调整以后的井泵装置性能方程可用于管网的调节计算。

(2)当管网中某几台井泵停止运行，管网中的水力平衡被打破，管网便会形成一种新的水力平衡。这种平衡使得运行中的水泵工作点发生明显变化，仍需采取调节措施使得各节点流量与设计状况基本一致。调节方法需要利用上述4组方程确定并了解管网的平衡状态。把计算的各节点流量与设计流量对比。若两者有明显差距，采用闸阀调节离节点最近的管段阻力系数Sij。使得各节点流量与设计流量基本相符。

4 井群管网的调节示例

为了说明井群管网在竣工后的运行调节过程，选用图2所示的管网设计图进行调节。图中有6个井节点，设计配备了两种型号、不同级数的6台井泵，泵装置采用DN100的钢管，据此可确定6台井泵的装置性能方程。设计图中给出了6根管段的长度和管径，管材为PVC－U型管，据此可确定6根管段的水头损失方程。根据管网的布置和连接形式，分别可列出6个连续方程和能量方程。通过上述这些方程可以确定管网装配后未调节的工作状态。计算过程不再赘述，结果见表1。

图2 井群树状管网设计图

表1 井群管网设计及运行状况表

从表1中可看出井群管网装配之后运行时，其工作状况与设计完全不同。各井的出水量和扬程均有所增加，这种变化常造成以下几个问题:①流量增加超过单井最大出水量时，造成该井不能连续运行，进而造成管网运行波动不稳;②扬程增加造成连接管段的水压力增大，容易造成破管;③管网总的出水量发生变化，造成供水与用水不匹配问题。因此进行水力调节势在必行。

根据3中的调节步骤，采用简单的闸阀调节，使其接近于设计状况。调节过程从略，计算结果见表2。从表2中可看出，采用闸阀调节各泵装置的阻力系数，可使井群管网运行与设计状况相符。当然这是一种理想化的管网调节，实际运行不可能各泵同时调节，况且不可能都能调节到位。因此，对井群管网中泵的调节应采用一种控制性调节方式，如自动化控制或水力控制阀调节。

表2 井群管网设计及运行调节变化表

自动化控制调节是利用远程控制设备，在中央控制室对井群中各井泵及管网实施的调节形式，它可以按照运行要求对管网实施各种调节。水力控制阀调节是利用水力自控设备对井群中各井泵实施的调节形式，该调节局限性较大，一般在试运行时一次调节到位，运行时不再变动。

5 结语

随着规模化开采地下水工程的兴起，出现了许多井群管网的输水形式。在井群管网输水的运行过程中，几乎都会出现运行工况与设计不符的现象。有人认为:当3～4眼机井连网输水时运行偏差问题不明显。因此建议井群管网设计仅限4眼机井连网输水。鉴于井群管网输水的这一限制，笔者通过对井群树状管网的运行分析，得出井群树状管网输水进行水力调节是必须的环节。进而再通过对管网调节示例的分析，认为最适宜井群管网的调节方式是自动化控制调节，它可实施各种工况调节，以满足实际运行管理的需要。

[1]严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京:中国建筑工业出版社.2002.

[2]西北农学院，华北水利水电学院.地下水利用[M].北京:水利电力出版社.1984.

[3]刘竹溪.水泵及水泵站[M].北京:水利电力出版社.1986.