溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体而言涉及一种溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统。

背景技术

我国西北地区地广人稀，气候干燥、降水量少、日照时间长、蒸发快，当地人民的生产生活水平严重受到水资源短缺的制约。

为了满足当地人民在生产、生活、生态等方面的用水需求，并实现水资源优化高效配置，我国修建了一批大型梯级泵站，以解决西北内陆地区水资源严重短缺、区域水资源分配不均等问题，如宁夏的固海扩灌工程、红寺堡扬水工程；甘肃的景电、西岔、兴堡子川、靖会、中部供水等高扬程电力提灌工程。梯级泵站输水系统是将不同扬程的多个泵站串联设置于输水线路上，组成泵站链，以达到逐级提水的目的，这类工程具有流量大、扬程高、沿线地形起伏大等特点。

我国西北地区大规模梯级提水泵站的修建，有效改善了当地居民的生存条件，同时发展人工灌溉扩大了农作物的种植面积，对当地经济的发展贡献巨大。

但其中任意一级甚至多级泵站难免会因超负荷、大流量、高水位运行以及外部供电系统稳定性等因素从而发生泵站停机事故，此时事故点上游渠道内全部水量和下游渠道内的部分水量将从事故泵站前发生泄流，而由于工程建设初期条件限制，泵站溢流堰多设置在天然沟道处，导致无法发挥防溢流作用，从而使溢流水冲毁沟道两侧的房屋、耕地及地面附着物，对下游造成严重的次生灾害，且造成水电资源的严重浪费。特别是输水渠尾泵站遭遇事故停机，渠首泵站原有提水水流一直向前推进的情况，会导致渠尾泵站进水前池水位急剧上升，同时水体在输水系统内产生剧烈的水力振荡，威胁泵站厂房、机组及输水渠道的安全。

发明内容

本发明目的在于针对现有梯级泵站输水系统因泵站出现事故停机后，由于水的溢流造成的问题，提供一种溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，通过在输水渠道旁修建调蓄水池，将各泵站间因泵站事故产生的溢流水量存放于调蓄水池中，可以有效地储存泵站事故停机时渠道溢流水量，节约水资源，降低泵站综合能耗、周围居民的损失以及泵站运行成本，减少次生灾害，待事故结束后可将调蓄水池中水反抽回渠道内以达到水资源高效利用的目的，灌溉高峰期时还可提前蓄水以起到局部调蓄的作用。

根据本发明目的的第一方面，提供一种溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，包括多个具有不同扬程的第一泵站，所述第一泵站通过输水渠道串联在一起，串联在一起的第一泵站沿低水位到高水位的方向依次呈现由低到高的高程差，从而形成梯级泵站输水系统；其中，在相邻两级泵站之间，定义高程低的泵站为低水位泵站，高程高的泵站为高水位泵站；

在每一级泵站中，输水渠道的第一端与低水位泵站的出水池连接，输水渠道的第二端与位于高水位泵站的进水前池连接，且以地平线为X轴方向，在Y轴方向上输水渠道的第一端的位置高于第二端的位置，从而使输水渠道的第一端和第二端之间形成高程差，水由低水位泵站的出水池经有压管道输送至输水渠道内，通过重力作用流入高水位泵站的进水池；

其中，每一个输水渠道上易发生溢流的位置处被设置至少一个溢流堰，所述溢流堰与设于溢流堰的下方的调蓄水池连接，所述调蓄水池与输水渠道之间设有输水通道，调蓄水池的容积根据实际溢流量进行设计；

当因泵站发生事故产生溢流时，从输水渠道溢流出的水通过溢流堰流入调蓄水池内，从而对溢流水进行保存；当溢流结束后泵站正常运行，调蓄水池内的水通过输水通道重新进入输水渠道内，从而对溢流水进行再利用。

在可选的实施方式中，调蓄水池的容积根据公式(1)进行计算：

其中，V为调蓄水池的容积，m

在可选的实施方式中，所述输水渠道的第二端被设置成逐渐扩大的引水渠，直至与高水位泵站的进水前池形成连接。

在可选的实施方式中，所述输水通道与输水渠道呈角度连接，角度可根据工程布置确定。

在可选的实施方式中，所述输水通道上设有第二泵站，通过第二泵站将调蓄水池内的水回抽至输水渠道内。

在可选的实施方式中，所述输水渠道被设置成底部宽度小于开口宽度的梯形渠道。

在可选的实施方式中，所述输水渠道的高度高于第一泵站正常运行时输水渠道内的水位高度。

在可选的实施方式中，所述调蓄水池采用露天布置形式，形状根据场地大小、地形地质等条件来决定。

在可选的实施方式中，第一泵站的位置以及个数根据低水位出水口与高水位进水口之间的高程、地势条件、泵站扬程决定。

与现有技术相比，本发明的显著有益效果在于：

1、本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，通过在输水渠道旁修建调蓄水池，将各泵站间溢流水量存放于调蓄水池中，可以有效地储存泵站停机时渠道溢流水量，节约水资源，降低泵站综合能耗、周围居民的损失以及泵站运行成本，减少次生灾害，待事故结束后可将调蓄水池中水反抽回渠道内以达到水资源高效利用的目的，灌溉高峰期时还可提前蓄水以起到局部调蓄的作用。

2、本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，调蓄水池的容积根据实际溢流量进行设计，保证发挥有效的防溢流作用，且为修建调蓄水池提供理论指导，降低人力物力成本。

3、本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，调蓄水池在灌溉高峰期可提前蓄水，使灌溉不受泵站提水时间的限制，利于发展微灌、喷灌、滴灌等高效节水农业，也可起到局部调蓄的作用。

4、本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，在泵站冬季停水阶段可以将输水渠道内剩余水量抽出储存，保护输水渠道不被渠内水体冻胀破坏。

5、本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，适用于多梯级、长距离、高扬程的泵站，对其溢流的调蓄具有积极的作用。

附图说明

图1是本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统其中一级泵站的平面图。

图2是本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统其中一级泵站的剖面图。

图3是本发明中泵站高差不小于溢流堰高度时调蓄水池容量侧视计算简图。

图4是本发明中泵站高差不小于溢流堰高度时溢流堰高程以下输水渠道容量示意图。

图5是本发明中泵站高差小于溢流堰高度时调蓄水池容量侧视计算简图。

图6是本发明中泵站高差小于溢流堰高度时溢流堰高程以下输水渠道容量平面图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。

在水利水电工程枢纽中，泵站出现事故停机后水的溢流回收再利用问题是必须要解决的，因此，针对西北地区泵站工程扬程高、能耗大等的特点，本发明提出一种溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，通过在渠道旁修建调蓄水池，将各泵站间溢流水量存放于调蓄水池中，渠道与调蓄水池相结合，有效地储存渠道溢流水量，节约水资源、降低能耗、次生灾害以及泵站逐级提水过程中的经济损失，达到水资源高效利用的目的。

结合图1、图2所示，在本发明其中一个优选的实施例中，提供一种溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，包括多个具有不同扬程的第一泵站，所述第一泵站通过输水渠道1串联在一起，串联在一起的第一泵站沿低水位到高水位的方向依次呈现由低到高的高程差，从而形成梯级泵站输水系统；其中，在相邻两级泵站之间，定义高程低的泵站为低水位泵站，高程高的泵站为高水位泵站；

在每一级泵站中，输水渠道1的第一端与低水位泵站的出水池连接，输水渠道1的第二端与位于高水位泵站的进水池2连接，且以地平线为X轴方向，在Y轴方向上输水渠道的第一端的位置高于第二端的位置，从而使输水渠道的第一端和第二端之间形成高程差，水由低水位泵站的出水池经有压管道输送至输水渠道1内，通过重力作用流入高水位泵站的进水池；

其中，每一个输水渠道上易发生溢流的位置处被设置至少一个溢流堰3，所述溢流堰3与设于溢流堰的下方的调蓄水池4连接，所述调蓄水池4与输水渠道1之间设有输水通道5，调蓄水池的容积根据实际溢流量进行设计；

当因泵站发生事故产生溢流时，从输水渠道1溢流出的水通过溢流堰3流入调蓄水池4内，从而对溢流水进行保存；当溢流结束后泵站正常运行，调蓄水池4内的水通过输水通道5重新进入输水渠道1内，从而对溢流水进行再利用。

虽然，通过在渠道旁修建调蓄水池，将各泵站间溢流水量存放于调蓄水池中，可以有效地储存泵站停机时渠道溢流水量，但若只是根据经验设计调蓄水池的容积，难免会出现容积过大或者过小的情况，若在修建调蓄水池前没有理论指导，则可能会出现因调蓄水池的容积过小导致的防溢水达不到效果，或者会出现因调蓄水池的容积过大导致的修建成本的浪费；

因此，在可选的实施方式中，调蓄水池的容积根据公式(1)进行计算：

其中，V为调蓄水池的容积，m

其中，公式(1)的推理过程如下：

以相邻两级泵站以及之间的疏水渠道作为一个单元进行推理计算过程，则：

定义底坡为i，输水渠道的底宽为b，边坡系数为m，第一泵站正常运行时输水渠道中的水位为h，溢流堰堰的高度为h

对比泵站高差h

因输水渠道自上级泵站出水口(渠首)至下级泵站进水前池(渠尾)间存在高差(即输水渠道第一端和第二端之间的高程差)，进水前池地势最低，故给出的输水渠道侧视计算简图走向为自渠首至渠尾由高到低。

注：公式中长度、宽度、水位、高差的单位均为米，面积单位为平方米，调蓄水池容量单位为立方米。

(一)h

结合图3所示，当h

调蓄水池容量V＝V

其中，V

泵站正常运行水位下明渠过水断面面积A＝(b+mh)h(4)

结合图4所示，渠道溢流堰高程下渠道容量为1/2个以L

其中，溢流堰高程下明渠过水断面面积A

L

故当h

(二)h

结合图5所示，当h

调蓄水池容量V＝V

泵站正常水位运行下渠道容量V

结合图6所示，溢流堰高程下渠道容量为溢流堰高程以下渠首渠尾不同梯形断面组成的棱台体积。如图6所示，渠首断面为四边形KLNM，渠尾断面为四边形GHIJ，渠尾溢流堰高程QJ＝h

溢流堰高程下渠道容量V

其中，V

V

利用相似三角形定理，△GKO∽△KMQ，则

其中，GK＝GQ-KQ＝mh

则，

根据勾股定理，

△GKO中，

△GQJ中，

则，

所以，

所以，

即，溢流堰高程下渠道容量V

故调蓄水池容量V为：

考虑到实际工程中渠道水流流量、流速、沿程水力损失、糙率等因素的影响，导致调蓄水池容量的理论计算结果偏大，故根据工程经验，选取理论计算结果的0.84倍作为实际的调蓄水池容量。

故调蓄水池容量计算表达式为：

根据实际溢流量设计调蓄水池的容积，保证发挥有效的防溢流作用，且为修建调蓄水池提供理论指导，降低人力物力成本。

在可选的实施方式中，所述输水渠道1的第二端被设置成逐渐扩大的引水，直至与高水位泵站的进水池形成连接。

在可选的实施方式中，所述输水通道5与输水渠道1呈角度连接，角度可根据工程布置确定，例如，角度可为90°。

在可选的实施方式中，所述输水通道5上设有第二泵站6，通过第二泵站6将调蓄水池内的水回抽至输水渠道内。

在可选的实施方式中，所述输水渠道1被设置成底部宽度小于开口宽度的梯形渠道。

在可选的实施方式中，所述输水渠道的高度高于第一泵站正常运行时输水渠道内的水位高度，优选为高出1m的高度。

在可选的实施方式中，所述调蓄水池采用露天布置形式，形状根据场地大小、地形地质等条件来决定，无固定形状，一般设置成不规则多边形。

在可选的实施方式中，第一泵站的位置以及个数根据低水位出水口与高水位进水口之间的高程、地势条件、泵站扬程决定。

本发明提供的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，通过在输水渠道溢流堰下方设置调蓄水池，当泵站事故停机造成大量的溢流水量时，溢流水可通过溢流堰泄入露天设置的调蓄水池内，既节约水资源，又降低了梯级泵站运行的成本。

待事故结束后，可通过输水通道，例如回抽水管，将调蓄水池内储存的溢流水量反抽回渠道里，再者若泵站运行过程中未出现事故溢流问题，调蓄水池也可提前蓄水，使灌溉不受泵站提水时间的限制，缓解高峰期的用水需求，利于发展微灌、喷灌、滴灌等高效节水农业，达到一池两用、水资源高效利用的目的。

可以理解的，本发明的溢水可调蓄再利用的多梯级泵站输水系统，既可以根据需要修建一个完整的输水系统，也可在现有的多梯级泵站输水系统中修建本发明的输水系统中的调蓄水池，以完善整个输水系统。

为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，本发明内容不限于此。

实施例1

以甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心二期工程(简称景电二期工程)六七泵站间的六干渠为例。

输水渠道内输水断面形式选取占比最多梯形石渠断面，渠长19841m，渠道下底宽2.9m，边坡系数0.75，两泵站间高差4.93m，正常运行时渠道内水深2.5m，溢流堰堰高3m；其中，渠道的倾斜角度为θ，sinθ＝4.93/19841＝0.000248，因此θ≈0°，由于渠道长度较长，倾斜角度较小，因此渠道的水平投影长度L相当于渠长。

景电二期工程设计提水流量18m

若在六七泵站间修建调蓄水池，则调蓄水池容量的计算对应上述推理过程的第一种情况，即高差h

则甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心二期工程六七泵站间修建调蓄水池的容量至少为132000m

如果没有修建调蓄水池，则该泵站因事故停机时，则产生约13万m

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。