傍河多井水源系统稳态运行及 水力过渡过程研究

研究背景

水资源是人类生存必需的基本资源，而且在维持社会稳定秩序和保障经济建设顺利进行中具有不可替代的重要地位。如今，随着我国国民生活水平的不断提升以及经济社会的快速发展，水资源的需求量也在不断增加，2018年，全国总用水量为6015.5亿m ³，其中有14.3%用于人们的生活，21.0%用于工业的生产建设，61.4%用于农业生产 ^[1]。我国整体水资源虽较为丰富，但人均占有量较少，而且由于我国国土较为广阔，各地区在地理上、气候上的差异性都较为显著，使得水资源在分布上还具有严重分布不均的特征。为解决水资源供需不平衡、水污染严重等问题，我国大力推进水源地保护、建设了大量的供水、输水工程，解决用水矛盾、保障供水安全。
为了缓解用水矛盾问题，需不断推进水资源科学合理的开发利用，目前我国的水资源开发体系中，主要的水源类型为地表水和地下水，2018年地表水和地下水的供水量分别占总供水量的82.3%和16.2%，其他类型水源的供水量仅占1.5% ^[1]。虽然在我国的水资源体系以及供水结构中，地表水源的开发利用一直占据着主导的地位，但地下水相较于地表水，具有明显的水质较好、水量变化小、处理成本低等优点，所以地下水源的开发利用同样对我国缓解水资源紧张局势、保障供水安全具有相当重要的作用，特别是在应急水源地的建设中，地下水源更是具有不可替代的地位。对此国家也在不断的加大对地下水源科学合理的开发利用，建设了大量的地下水源地保护工程以及供水项目。
在地下水源的开发利用中，为了兼顾减小地下水位的降落值和增大水源井出水量，多采用井群的形式进行取水，而井群的布置则需要根据地下水源的不同形式进行设计。地下水源根据水文及水文地质条件的不同可以分为地下溢流型、傍河型、径流型和蒸发型，其中傍河型地下水源作为一种特殊的地下水形式，其与地表水的联系极为密切，补给边界条件也较为复杂。傍河型地下水源的水源井主要沿河岸布置，在开采过程中，能很好的促进河流地表水向地下含水层的大量入渗，极大的补给了地下水资源，河水的侧渗补给过程中还能很好的利用了河床以及含水层的净化功能，不仅解决了地表水水质较差、处理成本较高的问题，而且在相同水位降深的条件下其单井出水量也更优于普通地下水源形式。另外傍河型地下水源的建设对于河岸生态治理以及湿地的研究也都具有一定的积极作用。
傍河型地下水源的井群、集水管道以及相关的设备设施共同构成了一个傍河多井水源系统，傍河多井水源系统作为一个复杂的供水系统，具有数量众多分布较广的水源井、复杂的集水管路、各种类型的水力控制元件以及各种其他设备设施等，另外其含水层还具有复杂的补给边界条件、水文以及水文地质条件等，这不仅使得多井水源系统的计算变得异常复杂，而且还增加了系统出现故障的概率。供水系统作为城市的生命线，其安全稳定运行直接关乎城市居民生活及工业生产的用水保障，关系着社会的稳定以及经济的建设，另外，供水系统事故本身往往还具有相当大的破坏力。例如供水系统事故中较为严重的管道爆管事故，不仅会造成管道下游的大面积停水，影响城市供水，而且管道爆管产生的巨大水压、大量的水流会对城市道路造成破坏，导致严重的积水，甚至更严重的会威胁人们的生命财产安全。如2017年1月18日和2月2日山东临沂市的一条DN1600供水主管道分别先后发生两次爆管事故，导致主城区的大面积停水，造成直接经济损失355.28万元，社会影响较大；2019年1月25日西安市的一条DN2000的供水干管发生爆管事故，造成1人死亡，附近多个小区被淹，大量群众财产被损毁的严重后果。可见，供水系统的安全保障问题需要引起重视，必须加强管道爆管事故的预测分析及预防工作。
在管道爆管的事故中，有很大的一部分是由极高的水锤升压引起的，当管道发生水锤现象，特别是断流弥合水锤现象时，管道会产生极高的瞬时升压，造成管道爆裂。而水锤现象的发生则是由于管道中水体流速的剧烈变化引起的，在实际工程中，突然的水泵断电停机、快速的事故关阀等原因都能引起较剧烈的水锤现象，产生较大的水锤升压，威胁供水系统的安全运行。多井水源系统由于水泵阀门数量较多、系统较为复杂，较易出现水泵停机和阀门事故关阀等情况，进而引起管道水锤现象，危害系统安全运行。

研究意义

为了缓解水资源紧张的局势，需要不断加大对地下水源科学合理的开发利用，傍河型地下水源是地下水开采的一个重要形式，具有出水量大、水质优良、促进河水入渗、有效利用含水层净化作用等优点。由于其水源井众多、管道庞杂、含水层水文以及水文地质条件较为复杂等原因，使得对傍河多井水源系统的水锤计算分析变得较为困难，目前对其的研究也相对较少。但是，水锤现象的发生将直接威胁傍河多井水源系统的安全运行，造成爆管等严重事故，水锤计算分析则是保证供水系统安全的重要前提。所以，对傍河多井水源系统进行准确的水锤计算，对其水锤现象的规律以及产生的破坏进行分析，进行水锤防护的计算和研究，并针对性的制订多井水源系统的运行管理方案，是十分重要的，是地下水源地开发设计阶段不可或缺的重要步骤。所以，本文将在傍河多井水源系统稳态运行计算的基础上，主要针对系统的水力过渡过程进行研究，通过对傍河多井水源系统各种工况下的水锤计算分析，揭示其水锤现象的发生机理以及相关特性，分析其传播规律以及对管道系统的危害程度；通过对傍河多井水源系统进行水锤防护计算分析，了解不同防护设备在多井水源系统中的防护效果并明确其的相关性能要求等；总结水锤产生、传播、危害等相关规律，为类似工程项目的设计及优化提供指导作用；保障居民生活和经济建设的用水需求，为社会的稳定和经济的可持续发展做出贡献。