山丘區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)及總體優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種輸水工程系統(tǒng)，特別設(shè)及一種山丘區(qū)、多起伏、具有多級(jí)加壓累 站、長(zhǎng)距離輸水壓力管道、隧桐、暗渠等建筑物型式和加壓輸水、無壓重力流輸水、有壓重力 流輸水方式的復(fù)雜輸水系統(tǒng)。本發(fā)明還設(shè)及所述輸水工程系統(tǒng)的總體優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，水資源短缺問題越來越突出，長(zhǎng)距離、跨流域調(diào)水 工程不斷興建。山丘區(qū)、長(zhǎng)距離、大型輸水工程因地形地貌多起伏，而使輸水系統(tǒng)變得比平 原地區(qū)相同規(guī)模工程要復(fù)雜得多；設(shè)及的輸水建筑物型式種類多：如加壓累站、輸水管道、 暗渠、隧桐、分水口等，輸水方式常見的有加壓輸水、無壓重力流輸水、有壓重力流輸水，W 及多種輸水方式的結(jié)合。在W往工程實(shí)際中，由于工程組成建筑物多、總體布局復(fù)雜，設(shè)計(jì) 人員工作量巨大，只能憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行一定范圍的局部完善優(yōu)化且設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。如何快速合理 地確定山丘區(qū)、長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)的總體布局、選擇建筑物類別型式、輸水方式、建筑物 數(shù)量及其特征參數(shù)成為該類工程實(shí)施應(yīng)用的難題。因此，優(yōu)化確定輸水工程系統(tǒng)的總體布 局、組成系統(tǒng)的建筑物和特征參數(shù)等是關(guān)系節(jié)省工程投資和獲取良好經(jīng)濟(jì)效益的重要內(nèi) 容，是實(shí)現(xiàn)輸水工程功能、效益和安全運(yùn)行的關(guān)鍵之所在，也是本發(fā)明需要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，本發(fā)明提供了一種經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠的山丘 區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)及總體優(yōu)化方法。
[0004] 本發(fā)明中的山丘區(qū)輸水工程系統(tǒng)是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0005] 本發(fā)明一方面提供了一種山丘區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)，在輸水工程始端和末端的 輸水系統(tǒng)沿線上設(shè)置連續(xù)的若干級(jí)，每一級(jí)均包括前池、累站和輸水管路，所述累站前設(shè)有 前池，累站后連接輸水管路至下一級(jí)累站的前池，所述輸水管路根據(jù)地形變化選自用于輸 送水流穿越或跨越障礙的輸水管道、隧桐、暗渠中的一種或多種的結(jié)合;所述輸水系統(tǒng)沿 線上用于連通用水戶的分水閩和設(shè)有分水閥口的分水口；所述累站和分水閩連接用于提供 動(dòng)力和控制的電氣控制設(shè)備。
[0006] 本發(fā)明的山丘區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)通過逐級(jí)加壓累站及管道、隧桐、暗渠輸水， 到達(dá)輸水工程末端。各累站和水閩的電氣和控制設(shè)備分別為累站內(nèi)水累和閥口、分水閩 (閥）等提供動(dòng)力和控制，協(xié)調(diào)調(diào)度梯級(jí)加壓累站和輸水系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)供水目標(biāo)。由 此可見，本發(fā)明通過將輸水系統(tǒng)沿線上分為連續(xù)的若干級(jí)，從而既可W根據(jù)每一級(jí)的地形、 流量、分水口位置、分水流量等特點(diǎn)設(shè)置不同的、最適合的建筑組成和位置，還可W通過電 氣控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)不同級(jí)累站的輸水量等，實(shí)現(xiàn)輸水系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行。
[0007] 優(yōu)選的，所述累站由若干定速水累和調(diào)速水累組成。
[000引本發(fā)明還提供了一種山丘區(qū)長(zhǎng)距離輸水工程系統(tǒng)總體優(yōu)化方法，包括W下步驟：
[0009]步驟1:根據(jù)輸水系統(tǒng)的水源地和供水目標(biāo)，W及系統(tǒng)沿線受水區(qū)位置和地形地 貌，初步擬定多個(gè)可行的輸水系統(tǒng)平面布置方案；
[0010] 步驟2:根據(jù)上述擬定的多個(gè)輸水系統(tǒng)平面布置方案的線路地形縱斷面圖特征和 輸水系統(tǒng)沿線的設(shè)計(jì)流量、分水口位置及分水流量，初步確定各方案的建筑物組成和位置；
[0011] 步驟3:分別計(jì)算各方案的工程量:包括累站、管道、隧桐、暗渠主要建筑物和各類 閥口井的附屬建筑物；
[0012] 步驟4:分別計(jì)算上述各方案的工程投資；
[0013] 步驟5 :計(jì)算各方案的運(yùn)行費(fèi)、管理費(fèi)；確定工程使用年限、設(shè)備更換周期和折現(xiàn) 率;計(jì)算凈現(xiàn)值；
[0014] 步驟6:將上述計(jì)算結(jié)果按照凈現(xiàn)值由小到大進(jìn)行排序；
[0015] 步驟7:選擇上述凈現(xiàn)值最小及與之比較接近的一個(gè)或兩個(gè)方案作為初選線路方 案(ci、cn)，再進(jìn)行輸水系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化和輸水方式的優(yōu)化;該步驟在水力計(jì)算的基礎(chǔ) 上，分別對(duì)各方案輸水系統(tǒng)的組成、參數(shù)或規(guī)格進(jìn)行組合，形成相同初選線路方案下的新的 方案組；
[0016] 步驟8:對(duì)新的方案組中的各方案重復(fù)進(jìn)行第3~6步工作內(nèi)容，即得到輸水系統(tǒng)的 凈值最低的最優(yōu)方案。
[0017] 本發(fā)明的方法中，各步驟中如步驟1中擬定的多個(gè)可行的輸水系統(tǒng)平面布置方案、 步驟2中建筑物組成和位置等初始選擇均W滿足該輸水工程輸水要求為前提，在此前提下， 再W經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面優(yōu)化該輸水工程。
[0018] 優(yōu)選的，所述步驟1中擬定的可行的輸水系統(tǒng)平面布置方案滿足上述的山丘區(qū)長(zhǎng) 距離輸水工程系統(tǒng)。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟2中通過W下步驟初步確定各方案的建筑組成和位置：
[0020] (1)確定沿線地形特征點(diǎn)的粧號(hào)和高程；
[0021] (2)初步確定管道根數(shù)、管徑和管材，計(jì)算各管段設(shè)計(jì)流量條件下的水力損失h;
[0022] (3)根據(jù)各方案的水力損失h計(jì)算結(jié)果，優(yōu)先判斷全系統(tǒng)線路是否具有全線自流條 件或增加隧桐的自流條件，不滿足自流條件時(shí)，初步確定累站揚(yáng)程控制點(diǎn)；W單級(jí)累站揚(yáng)程 不大于90m、線路長(zhǎng)度約50km為基本原則，結(jié)合地形、地質(zhì)條件初擬累站位置;包含隧桐的方 案初步確定有壓或無壓、隧桐進(jìn)口和出口位置及高程、隧桐長(zhǎng)度;初步確定管道長(zhǎng)度和暗渠 長(zhǎng)度;初步確定各方案中累站級(jí)數(shù)及每級(jí)累站的水累揚(yáng)程、臺(tái)數(shù)、裝機(jī)容量。
[0023] 優(yōu)選的，所述步驟7中通過W下途徑分別對(duì)各方案輸水系統(tǒng)的組成、參數(shù)或規(guī)格進(jìn) 行組合：
[0024] (1)增大管徑一個(gè)規(guī)格；
[0025] (2)減小管徑一個(gè)規(guī)格；
[0026] (3)降低隧桐底進(jìn)、出口高程，相應(yīng)隧桐長(zhǎng)度可能延長(zhǎng)；
[0027] (4)部分或全部采用糖率更低的管材；
[0028] (5)累站控制點(diǎn)的前移，新控制點(diǎn)后的管徑加大；
[0029] (6)增設(shè)無壓水池，降低沿線管道工作壓力；
[0030] (7)累站級(jí)數(shù)的減少；
[0031] (8)累站位置的調(diào)整；
[0032] (9)調(diào)整暗渠斷面和長(zhǎng)度；
[0033] (10)選擇適用于各工況(不同流量)高效區(qū)運(yùn)行的水累機(jī)組，確定定速累和變速累 數(shù)量。
[0034] 優(yōu)選的，所述步驟7中輸水方式的優(yōu)化為：
[0035] 獲取輸水距離L和流量Q，水源水位Zl和出口水位Z2;
[0036] (1)如果21<22，加壓輸水
[0037] 水累揚(yáng)程 Hp = Z2-Zl+h (m)
[0038] h為輸水過程的水頭損失m
[0039] (2)如果Z1>Z2,可考慮重力輸水，重力輸水管水力坡度if和平均地形坡度io有如 下關(guān)系：
[0040] if y〇,其中io=(Z2_Zl)/L
[OOW 其中，如果有:F1>F2+F3+F4,則采用加壓輸水
[0042] Fl重力輸水管的建造費(fèi)用;F2壓力輸水管的建造費(fèi)用;F3累站建造費(fèi)用;F4管理運(yùn) 行費(fèi)用。
[0043] 如果有:F1<F2+F3+F4,宜采用重力輸水，輸水管徑要滿足在最大流量時(shí)水力坡度 小于或等于地形坡度。
[0044] 優(yōu)選的，所述管材的選擇采用輸水管道管材經(jīng)濟(jì)技術(shù)量化選擇方法，包括W下步 驟：
[0045] (1)選擇適用于輸水工程、相同輸水管道線路的多根管道或其中管道的多種管材；
[0046] (2)計(jì)算經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)值：
[0047] 為保證各種管材經(jīng)濟(jì)比選的合理性，對(duì)應(yīng)的管道工程的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)的計(jì)算是W相同 輸水規(guī)模、相同長(zhǎng)度和單位長(zhǎng)度的水力損失相等或相近為前提的；
[004引計(jì)算待評(píng)價(jià)管材的年運(yùn)營(yíng)費(fèi)
[0049] Aj = Acj+Avj+Asj (1)
[0050] 其中 j = i，2,3,........m;
[0051] 式中，Aj為年運(yùn)營(yíng)費(fèi);Au為管材相對(duì)應(yīng)的管道工程的年成本;Aw為年平均生產(chǎn)費(fèi)； Asj為年耗電費(fèi);m為參與比選的管材數(shù)量；
[0052] (3)計(jì)算技術(shù)評(píng)價(jià)值：
[0053] (3-1)賦于管材影響因素項(xiàng)目量化評(píng)分；
[0054] 影響因素項(xiàng)目包括主要影響因素 Ka,和一般影響因素項(xiàng)目Kb,其中主要影響因素 Ka 包括管道直徑、工作壓力、地質(zhì)條件、外部荷載、周圍環(huán)境、防腐措施、產(chǎn)品質(zhì)量、安裝質(zhì)量保 證程度和維護(hù)檢修，i = l，2,3…9;一般影響因素項(xiàng)目Kb包括供水方式、管道根數(shù)、管線設(shè) 計(jì)、閥口設(shè)備、二次污染和工程管理，i = l，2,3…6;
[0055] (3-2)計(jì)算管材技術(shù)特性評(píng)價(jià)值
C2)：
[0057] 式中i = l，2...9,為主要影響項(xiàng)目； 、3)
[0059] 式中i = l，2. . .6,為一般影響項(xiàng)目；
[0060] 上述Ka、肺矩陣中，"行"代表某影響因素在實(shí)際使用