武汉水博会进行时：引调水工程“心脏”与“动脉”的健康管理

水是生命之源、生产之要、生命之基。引调水工程的泵站和管线，作为国家的“心脏”和“动脉”，是典型的复杂系统，具有水力脆弱性的特征。其核心是爆管和漏损产生的安全和效益问题，其主要原因是水锤。但是人们通常归结为管道老化、施工等表面原因，采用更换老旧管网、检漏等治标手段，不能进行有效预防和控制。在水利行业高质量发展的背景下，为了保障引调水工程输水目标和运行安全，有必要应用系统工程方法，集成水锤模拟分析、管道水锤与空气监测、自适应水锤防护关键阀门、瞬态过程控制等系统于一体的引调水工程水锤防护综合调控系统，大幅提高引调水工程“心脏”与“动脉”的健康管理水平。

一、引调水工程是一个典型的复杂系统

我国水资源短缺且时空分布不均，为满足社会和经济发展，为此修建了许多引调水工程。因在水量利用率、水质保证和占地等方面具有明显优势,管道输水方式被越来越多的调水工程所采用。引调水工程规模大、范围广，跨流域、长管线、多支线 、大流量、多级泵站、大功率机组；系统复杂表现在组成型式多样性，隧洞、管道、箱涵、管渠（渡槽）结合，在水力学上表现出多过程、多约束耦合、大惯性的特点，运行过程受水力脆弱性的影响，水力脆弱性会引起管道流速的变化，在正常调度、偶然操作和紧急工况的时候，任何引起水力状态变化过快的因素都有可能产生水锤风险。

因此，引调水工程这一典型的复杂系统，在受到外界威胁时，应具有抵御、吸收、适应灾害的能力，保持系统必要的结构以及水的供给，并能够以有效的方式及时从灾害的影响下恢复，将输水满足率维持在较高水平。

近年来，随着城市经济的快速发展和人口规模的不断扩大，自然灾害、事故灾害频发，我国发生多起突发性公共事件，且事件发生频率及影响均呈上升趋势。引调水工程安全管理面临日益严峻的挑战，其系统工程问题逐渐成为学术界及各级政府的研究热点。

进入21世纪以来，许多国家大量投资更换老旧管网，大多数企业也采用一系列新的漏损控制技术策略，例如水平衡管理、DMA分区、改善检漏技术、非开挖管网修复技术、降低系统压力等等，取得了明显的改善效果。但随着漏损控制达到一定水平，进一步降低管网漏损可能不经济；大规模更换管网也受到资金投入的制约。尽管漏损检测与管控技术在不断进步，但是因为没有从源头去预防，每年都会产生新的漏损和爆管。

2010年IWA（国际水协）漏损专家组指出：水锤是导致管网老化与损坏的主要原因，并最终产生爆管。据世界银行统计，每年有超过320亿立方米的清洁水从输配水管网中漏损掉。管网漏损以及更加严重的爆管事故造成的应急事件，导致巨大的经济损失和资源浪费。

“心脏”和“动脉”的爆管和漏损的健康问题，本质是水锤引发对引调水工程系统抗毁性的威胁。随着对水锤爆管和漏损认识的深入，如何应用系统工程，结束各系统孤立形态和独立工作的方式，实现系统的完整性、接口的兼容性、功能的协调性，产生更高效能的体系能力。这让管网爆管防护和漏损控制迎来了新的挑战和机遇。

据统计，2020年因管网事故造成84人伤亡。据住建部公布的统计年鉴显示，2019年全国城市、县城公共供水管网漏水量近百亿吨，相当于漏掉了700个西湖的水量。

随着工程规模和管网复杂程度的提升，水锤防护难度增加。长期以来，引调水工程水锤防护相关的模块，例如水锤模拟计算、水锤防护关键阀门、水锤监测以及过程控制等系统均处于独立存在、孤立运行的状态。阀门没有进行动态特性或者稳态特性试验，水锤模拟计算没有迭代阀门的动态特性曲线，管道没有水锤与空气监测，泵阀操作依赖的经验，难以满足复杂系统的水锤防护要求，发生极端工况时，经常产生爆管事故。

工程建设的设备厂家和智能化厂家不同一，工程上安装、调试不满足管网运行动态和瞬态的条件要求，加剧影响工程可靠性差，引调水工程运行安全无法保障。

产生这些问题的根本原因，都是因为忽略了引调水工程是典型的复杂系统，水锤防护需要应用系统工程方法。

引调水工程的抗毁性提升是保障输水能力的核心方法，主要依据引调水工程的抗毁性评价指标，主要包括系统结构鲁棒性和关键节点的可靠性两方面。

提升管网结构的鲁棒性是基础，评估系统节点的连通性和度数，基于管网结构和稳态水力模型流量分配的原理，改善节点流量分配的多元性，以提升节点连通性。对大流量关键节点优化流量分配方式，采用截流或截断方式优化拓扑结构，通过主管道大流量输入，满足关键节点度数对流量分配的要求。

改善关键节点的可靠性是重点，引调水工程运行过程中受泵阀动作引起的水锤压力波的影响，形成引调水工程运行的主要风险来源，基于瞬态水力模型对关键节点的瞬态仿真与水锤监测，掌握水锤压力波的形成过程和原因，制定水锤防护策略，包括水锤防护配置和瞬态压力管控两个方面，以提升关键节点的可靠性。

为了提升引调水工程的抗毁性，南方阀门基于系统工程方法，融合水动力学、信息图论原理以及智能阀门，采用数据同化、大数据分析校核模型，形成了瞬态过程控制方案；构建了集水锤防护关键阀门、水锤模型分析、管道水锤与空气监测、瞬态过程智能控制于一体的引调水工程水锤防护综合调控系统。

四、结语

随着南方阀门对全过程瞬态压力管理体系的创立和完善，将引调水工程的正常调度、误操作和紧急工况的水力脆弱性分析循环；瞬态水力分析、瞬态调控、管网优化、水锤防护装置以及监控系统的设计循环；泵管阀关键参数在线监测、控制系统验证、极端工况验证模拟分析与验证循环与迭代，引调水工程“心脏”与“动脉”的健康管理上升到一个全新的高质量发展阶段。