重力流长途输水

重力流长途输水“减压”及安全问题初探
黄晖
以高地水源供水的工程越来越多地出现在现实的项目当中。

在摒弃了传统输水方式（如新疆的坎儿井等）之后，不断地工业化、大流量的长途输送是目前国内许多地方供水现状的真实写照。

而其引发的安全性的考量与评估不免令各方面担忧。

尽管西北等地区（尤其如新疆）高山重力式供水方式比较普遍，并积累了一定的实际运行经验，但由于全国范围内类似工程项目的集中性、大规模的上马，项目具体工程特点又各有差异，相应的技术总结仍显苍白，远不具备指导性。

因此有必要进行分步骤的总结与整理，在工程技术的高度上进行普适性归纳，并不断地进行完善，使得今后的输水工程项目的展开更加合理，运行更加有条理，直至对项目的整体理解作到心中有数、胸有成竹。

一． 现状与问题
主观轻视：相对于水泵长输供水，重力流供水相对传统，小规模工程较为普遍，主观上似有简易的错觉。

因此在初期的工程当中，明显地感觉到“功课不足”。

主要表现为：实际流速过快（2.5m/s~3m/s）,平时流量波动较大。

可能出现离奇突发的爆管事件。

经验不足：由于时间、投资与地形的限制，在设计当中，由于习惯了水泵输水计算（阻力为主导因素，决定扬程）的设计人员往往并不熟练掌握重力流水力计算（水头为主导因素，决定阻力与流量），在下坡段局部突起部分，可能会出现半管流、虹吸等不利工况，而在设计阶段并未被发现，使得实际运行过程当中出现流量变化的随机性。

控制不当：过分注重关阀水锤的水力计算，而疏于对水锤发生原理的本质理解，造成教条性的操作失误，引发水力激荡，甚至管线的破坏。

不加控制：对长距离输水管线无控制地变流量输水，使得管道长期处于压力陡变的随机变化，
二． 基本原理及理论思想
基于上述并不全面的现状与问题，这节里按步骤进行原理性的解释与分析，并引出一定的理论思想。

长距离输水无论是重力流供水还是水泵供水，单从安全的角度上讲，宜采用恒定流的供水方式，即从甲地到乙地供水周期稳定，流量尽可能保持不变。

当然目前更着重于项目的“经济效率”，越来越多的系统末端直接对用户，流量多变化。

客观上，由于国内管材、附件以及设备成熟的质量已经达到了变流量长输水的基本要求，完全可以实现系统的调节功能。

或缺的其实只是主观上的认识深度与掌控思想。

对事故发生原因寻根究底的过程必须进行综合化的考量，绝不可以点代面；即必须从系统本身以及运行特征上着手，深入了解，详细计算，进行多层次的归纳总结，多管齐下，才是解决系统的真正法门。

单一方向的考虑思想，比如：单纯的水锤研究、简单的阀门操作时间、苛刻的空气阀特性参数、随意的减压需求等等均可能会让我们陷入更加狭窄模糊的圈囿，与真相愈走愈远。

不如回归系统运行的本真，从根本上解决一些潜在的问题。

2.1 变流量重力长输水的运行特征
以下利用实际工程对变流量长输水进行举例说明。

如下图，其为西北地区一输水项目。

该管线长约十多公里，中间有支线分出，但分出水量很少；除起端的1公里为DN800之外，其余管线管径均为DN600。

在设计流量下，我们得到相应的供水力线图：
图1
而这样的系统，理论上我们可以得到如下的供水工况：
图2
上图的供压力线仅为理论存在，意味着系统在无限制供水的工况下，如果管线覆设得异常完美，则会出现近一半管段的“虹吸”工况，即系统在后段的高点段产生虹吸供水工况。

在此理论工况下，流量将非常大，大约是设计流量的四倍之多。

然而，理论上的长距离虹吸现象难以实现，也是我们实践工作当中必须避免的工况。

因为有太多可以想见的基础原因会造成系统虹吸的破坏，或者系统本身的破坏。

实际工况下，由于空气阀的应用，系统不会出现哪怕是局部的“虹吸”，因此，系统在无限制供水时可能趋近于下图的供水工况。

在此工况下，“自由流量”也是非常大的，大约是设计供水量的三倍之多。

图3
因此，实际供水的压力线，在图面上便总是在“图1”与“图3”之间进行变化。

而末端用户之前的背压则几乎是在140米水头与数米水头之间的变化，相应的流量变化将异常剧烈。

假设最小用时流量要求几乎为零时，末端水池前端的阀门背压大约为140米；而如果下一时段需水量增加，此时但凡打开阀门，在如此高压差的工况下，其实际过阀流量将远远超过需水量本身，甚至远远超过我们的想象。

反之，也会在关阀的末段时刻也会同样地出现流量剧变的过程。

任何流量的剧烈变化可能都会带来危险的隐患（压力波动），管线距离越长，其所引发的压力波动将越大。

当然，实际工况下由于末端水池有一定的贮水量，开关阀门的操作有一定的直观经验，所以文字叙述的所谓“剧烈变化”可能不太会被观察到或者重视到，但是当我们考察系统的流量记录时，我们会发现如下杂乱无章的曲线。

该曲线印证了上述的阐明。

图4
2.2 水锤以及防水锤的必要条件
详见《防水锤关阀控制器》章节内的相关内容，简单地由两条表述如下：
约克夫斯基公式∆
：H=∆V*C/g 指出系统的压力变化正比于流量变化，流量变化越大，压力波动也就越大；
其中：H 表示压力升高
∆
∆V 表示水流速度的变化率
C 表示水锤波的波速
g 表示重力加速度
当系统流量变化与时间成简单的一次线性关系则将运行稳定，即在单位时间内流量均匀变化，而不是急剧的骤然变化，则系统安全。

这是控制系统的基本法则。

2.3 “减压阀”应用讨论
在如下的项目当中，在设计流量下，我们都得到如下的供水压力线：
项目1设计流量工况
项目2设计流量工况
在如此设计工况下，所有工程技术人员均会立即看到局部管线压力过大，存在潜在危险。

于是，减压阀的应用似乎成为系统调节的首选方案。

可是，问题果真如此么？减压阀在这样的系统当中真是最佳选择么？——这是个问题。

经历过实践工作的人员有时会发现减压阀在某些工况下无法调压，因为此时阀后压力为零，阀后水流被拉断，减压阀不得不全部打开——即减压阀全部失去应有的调压功能。

而此时系统并不因为减压阀的设置而变得更安全，仍旧是隐患不断，系统显得脆弱依旧。

由于这样的工况存在，不妨权且将系统分为两个范畴：封闭式系统和开放式系统。

所谓封闭式系统可以指重力流管线的末端接城市管网，由于管网用水量有一定的规律性，总能提供一定的“背压”，“顶住”输水管线的下泄水流。

管线的输水量随管网的用水量
变化，从最高用水时到最低用水时有规律地波动，管网越大其波动越小，相反波动较大，但一般不会出现流量骤变的工况。

所谓开放式系统则可以指类似管网末端接用户水池的工况，如果用户用水量性质单一，要回答这个问题，我们必须要明白在重力流系统当中流量更加取决于需水量的多少。

系统水源的供水不像水泵那样可以随管道阻力变化而灵活地调整，它的供水驱动能力只来自于高差，需水量大系统在高差下供应相应的水量，同时压力线下降；需水量小，压力线上升。

水源水位无从控制。

因此，系统分别会出现如下的大流量工况。

项目1最大用水量工况
项目2最大用水量工况
在最大用水量的工况下，试问减压阀会起到作用么？减压阀只起到降低阀后压力的作用，将阀后压力因为水量的增大而减少时，减压阀只能不断地开启来满足需水要求；如果减压阀的反应较慢，而阀后的压力下降较快，则会出现阀后水柱“拉断”的无控制现象。

此时，减压阀将失去其所有功能。

因此，减压阀此处并不能进行有效的控制，系统的流量依然决定于管线当中需水量（即自由流量），用户均有机会得到比设计流量更多的水量，系统依然在自由流的状态下工作，流量变化依然剧烈，压力波动也非常大——减压阀从未对类似系统的危险进行有效防预。

当然应当指出，上述讨论仅限于所讨论的类似工程，也有另外特征的系统的确适合减压阀的应用，不可一概而论。

2.4 系统控制思路初探
针对上述两个项目，技术人员的目标是如下控制系统压力：
项目1设计流量时有效控制
项目2设计流量时有效控制
其控制目标为：
尽量让压力线降低，使系统在较低的压力下工作；
系统流量不超过设计流量。

能够满足上述要求的，应当是调流阀，或者称为流量控制阀，即在限定最大流量的前提下，像水泵供水系统中的水泵那样根据流量或者压力来调节系统。

其控制方式亦与我们十分熟悉的水泵控制相类似，可以分几个流量阶段进行控制，也可以如变频水泵一样进行流量变化的连续控制。

一旦对流量变化进行有效的控制，阻止自由流的工况出现，系统就有望得到有效的保护。

尽管流量控制阀与减压阀控制结果看似相同——降低系统压力，但流量控制阀与减压阀有着本质的区别，在于：减压阀仅控制阀后压力，而阀后压力由用水量决定，因此减压阀是被动的控制，可否进行减压则取决于系统自由工况的转变；流量控制阀则通过对流量控制，间接地控制阀前压力（即阀前系统压力线），系统并不能决定流量，更不会出现随意的自由流工况，而决定流量的是阀门本身，因此为真正主动型控制。

关于流量调节与压力线效果的联系，需要重新做一定的水力学功课，它实质上是伯努力
基础公式的灵活应用。

下图为南方某输水项目不同流量工况下的压力坡降线图：
项目3流量控制下小流量工况
项目3流量控制下平均流量工况
项目3流量控制下最大流量工况
三．。