泵站水锤风险快速评估方法研究

王婷婷

（江苏瑞沃建设集团有限公司，江苏 高邮 225600）

我国水资源分布不均，东南多西北少，南部多丘陵地带，地势起伏差异大、各地降水量变化大等自然客观条件，使我国出现了很多大流量、长距离、管道敷设曲折、高扬程的供水工程。此类工程的供水安全性关乎经济民生，而水锤问题在此类工程供水工程安全性问题最突出。一旦发生水锤事故，轻则设备损坏、管道破裂加剧漏损，重则泵房淹没、路面损坏、人身伤亡，造成惨重的经济损失。

故判断泵站建设工程是否可能发生水锤、是否需要设置水锤防护措施是必要且必须的。然而，我国目前的市政、二供市场缺乏水锤模拟普及应用的水平和能力，使水锤风险评估和防治未能广泛应用于工程中，提出一套简单有效的评估方法具有应用普及意义。

1 我国设计标准中有关水锤风险评估方法的缺乏

在我国的设计标准中，有关水锤规定阐述较多的是《泵站设计规范》，它规定：“有可能产生水锤危害的泵站，在各设计阶段均应进行事故停泵水锤计算”，并对事故停泵瞬态的系统最高压力、水柱连续性作出规定，建议了高扬程、长压力管道的泵出口两阶段关闭时液压操作阀门的应用。在《城镇给水排水技术规范》中规定：“长距离管道输水系统应在输水线路、输水方式、管材、管径等方面进行技术、经济比较和安全论证，并应对管道系统进行水力过渡过程分析，采取水锤综合防治措施”。

显然，国标规定的“有可能发生水锤危害的泵站”“安全论证”“过渡过程分析”并未明确地表达一种切实、有效、可行、简便的评估方法来判定泵站工程水锤发生的可能性或风险级别。

2 模糊综合评价

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法。该综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。一级模糊综合评价比较简单，学过矩阵知识的的工程人员可以轻松地解出，有利于在工程设计中快速判断其水锤风险等级。

2.1 泵站水锤核心影响因素

龙侠义在其硕士学位论文中，基于HAMMER软件建立水锤计算模型，并基于Design-Expert软件，采用Box-Behnken Design实验设计方法得出：静压差、流量、波速、管长、关阀历时对阀前最大压力的影响是显著的。然而，在实际泵站设计和建设中，流量即设计规模、供水规模，需要满足用户需求量，是一个必须要保证的值，通过改变流量来控制泵站事故水锤在现实工程中是没有现实意义的。本文基于龙硕士的研究结论结合工程实际与软件模拟确定泵站水锤的核心影响因素。

本文基于HAMMER软件建立水锤计算基础模型，管路系统由上游水池R-1、三台水泵PMP-1/2/4（67m扬程）、管线（初始管径800mm）、节点（初始绝对标高42.64-95.75）、节流阀FCV-1（设置为1800m³/h）、下游水池R-2组成，如图1所示。

图1 水锤计算模型

在流量不变的情况下改变管径，模拟其停泵水锤，得出如图2数据：

图2 同流量不同流速下的停泵水锤模拟记录

在同一模型流量不变的情况下，通过改变管径以改变供水管道内的流速，其停泵水锤压力随流速的改变而改变，可见水锤是受管道内流速影响而非流量。流量是管径和流速的乘积，当管径一定时，流量是由流速决定的，采用流速作为水锤影响因素更具实际意义。

泵站后的供水管路在设计、建设泵站前通常已经敷设完毕，即由管材决定的波速已经确定，无法通过改变波速控制泵站事故水锤。通过关阀历时来控制水锤是一种有效的水锤防治手段，将其作为控制手段来模拟更合适。

综上，本文主要考虑静压差、管长、流速三大核心影响因素为评估对象，因素集U={静压差，流速，管长}，影响因素越少，矩阵计算越简单，越有利于快速得出结论。

2.2 评语集

本文拟通过HAMMER模型多次模拟对比，确定模糊综合评价方法中不可缺少的评语集。

2.2.1 管长因素模拟

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m³/h）不变，改变管长来模拟停泵水锤数据，记录数据见图3。

图3 管长因素模拟

由于水泵扬程67m，选择承压等级为1.0MPa的管道是最经济的，当水锤最高压力超过100+42.64（起点高程）=142.64时，管道超出承压范围，存在爆管风险。由图可见，管长5Km以内可以认定为：不发生水锤或不需要采取水锤控制措施；管长5～10Km时，水锤最大压力有所上升，临近管道承受压力等级，需要采取少量措施降低水锤；当管长超过10Km时，水锤最大压力急剧上升，管道存在爆管风险，需要采取多项措施降低水锤压力。

故对于管长因素，其低、中、高风险等级可以按5Km、10Km、15Km评价，V管长=[5,10,15]。

2.2.2 静压差因素模拟

利用HAMMER模型保持模型的供水管道管长（1320m）、流速（0.99m/s）、流量（1800m³/h）不变，改变模型的静压差来模拟停泵水锤数据，记录数据见图4。

图4 静压差因素模拟

由图可见，静压差在30m以内可以认定为：不发生水锤或不需要采取水锤控制措施；静压差在30～45m时，水锤最大压力有所上升，需要采取少量措施降低水锤。静压差超过45m时，水锤最大压力急剧上升，管道存在爆管风险，需要采取多项措施降低水锤压力。

故对于静压差因素，其低、中、高风险等级可以按30m、45m、50m评价，V管长=[30,45,50]。

2.2.3 流速因素模拟

利用HAMMER模型保持模型的高程差（26.56m）、管长（13200m）、流量（1800m³/h）不变，改变流速来模拟停泵水锤数据，记录数据见图5。

图5 流速因素模拟

由图可见，流速在1m/s以内可以认定为：不发生水锤或不需要采取水锤控制措施；流速在1～1.15m/s时，水锤最大压力有所上升，需要采取少量措施降低水锤。流速在1.15m/s以上时，水锤最大压力急剧上升，管道存在爆管风险，需要采取多项措施降低水锤压力。

故对于流速因素，其低、中、高风险等级可以按1m/s、1.15m/s、1.2m评价，V管长=[1,1.15,1.2]。

综上，水锤风险评价标准V可以按表1执行。

表1 水锤风险评价标准

2.3 权重确定

本文利用HAMMER模拟软件，通过改变三个影响因素造成的水锤最大压力之间的相互比对，以确定某一影响因素相对另一影响因素更重要，进而确定权重。水锤模拟采用评价集中的低、中数值对评估项进行模拟，模拟出的水锤最大压力数据见图6。

由图可见，流速较管长更重要，静压差较管长更为重要，而静压差和流速的重要程度基本相同。权重集A={3,3,1}。

2.4 单因素模糊评价矩阵和综合评判

通过指派法，根据评语集计算各指标对每个评语的隶属率，记为Ri。

利用公式B=A·R，求得综合评判结果，集合B中数值最大的评语即为综合评判的结果。

3 评价方法案例验证

泵站设计规模300m³/h，供水至6公里以外的城镇，地势沿程逐渐升高35m，管道敷设为DN300的球墨铸铁管。根据管径、流量、公式计算流速为1.14m/s。

本文在HAMMER中建立模型，模拟该项目的停泵水锤情况，水锤最大压力约为103m，需要采取少量确实降低为100m以下。当在地势最高位置安装单向调压塔后，水锤最高压力降低为95m，不超过管道承压压力，见图7所示。模拟结果是符合本文所述评价方法的。

图7 案例停泵水锤模拟

4 结论与建议

4.1 结论

通过案例的模糊评价计算结果与HAMMER模拟结果对比，验证了利用三因素一级模糊评价评估方法快速判断泵站水锤风险等级是可行的。快速判断步骤：（1）计算出项目的流速、高程差、管长；（2）利用隶属率函数1-1～1-3和表1水锤风险评价标准，得出模糊评价矩阵Ri。（3）利用综合评价矩阵，得出B矩阵。（4）B矩阵得数对应低、中、高风险，得数最高的即为该泵站的水锤风险等级。风险级别为低，认为该泵站不发生水锤或无须采取水锤防治措施；风险级别为中，认为该泵站需采取单项或少量水锤防治措施；风险级别为高，认为该泵站需采取多项水锤防治措施才能防止水锤发生时的巨大破坏。

4.2 建议

在泵站工程、市政工程实际设计施工中，特别是在早期可研方案设计阶段，可利用本文所述的快速评估方法判断工程的水锤风险等级，有利于减少方案设计阶段的工作量。

利用快速评估方法判断出泵站工程存在中、高风险，需要进行水力过渡过程分析，利用模拟软件配合防治措施将水锤控制在管网可承受范围内，保证供水系统的安全性。