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【中国科学报】让长江水爬着楼梯去北方
发布日期:2021-03-25 供稿单位:宣传部 浏览次数:


江都水利枢纽装置。金燕供图


■本报记者 崔雪芹 通讯员 张运

伴随着泵站机组一声轰鸣,清澈的江水由江都水利枢纽浩荡北去。这里是南水北调东线工程的原点,也是世界上最大规模泵站群的“龙头”。

3月19日,南水北调东线北延应急供水工程完成了主体工程建设。

南水北调东线工程地势北高南低,无法通过自流引水,需要强劲的外力“逆流引水”,而所有的动力正源自水利工程的心脏——大型泵站。

由江都水利枢纽往北,13个抽水梯级泵站、51座大型泵站(一期工程已完成21座),创造了世界水利史的一大奇迹。水利工程领域专家、中国工程院院士吴中如评价道,从最初泵装置效率只有65%,到如今南水北调泵站整体效率达到80%以上,泵站设计达到了世界先进水平。

将百亿吨水提到10层楼高

早在1954年,为解决苏北缺水难题,江苏省开始酝酿“扎根长江、引江济淮”的江水北调工程。这便是南水北调工程的前身。

事实上,要将南方的水引入北方谈何容易。将长江水调到北方,有30多米落差,仅江都站上下水位差就达6~8米。

如何让江水克服自然规律,逆流“爬”上30米?怎样建设大型泵站?会不会产生江水倒灌等负面效应?一个个现实问题摆在面前。

经过无数水利专家多年论证,最终探索出一条极富想象力的工程方案——“让长江水爬楼梯去苏北”,即沿途设计9级大型泵站,像楼梯一样,逐级向上提水。1961年12月,江都水利枢纽江都一站开工建设。这是当时国内首屈一指的大型泵站,也是当前南水北调东线的源头。

“很多创造和尝试都是第一次。”中国水利学会泵及泵站专业委员会副主任委员、江苏省水利动力工程重点实验室教授刘超对此记忆犹新。大型泵站设计是一项系统工程。建设江都一站这样一座泵站,国内没有现成图纸,也没法从国外找到资料,研发和设计几乎从零开始。

2002年,在江苏省江水北调的基础上,南水北调东线工程正式启动,计划建成后年均调水148亿立方米。这需要每年将百亿立方米水提到10多层楼高。为了实现这一目标,工程在山东省境内又增添了4级泵站,总数达13级之多,工程难度可想而知。

为南水北调定制“中国芯”

“在上世纪60年代的工业制造条件下,很难建造出复杂的流线型叶轮结构,有的水泵叶轮甚至是木头制作的。”南水北调东线一期工程建设验收组专家、81岁的严登丰回忆说,不少泵站工程处于一种“有站无心”的状态。

此外,不同流量和扬程的泵站要想达到最佳效率,每座泵站的水泵都需要单独选型,甚至重新设计。也就是说,每座泵站设计都需要“量体裁衣”。

从上世纪60年代泵站规划到21世纪初南水北调东线一期工程设计,再到即将启动的二期工程,科研团队从水泵内部流动机理开始摸索,设计新型水力模型,钻研大型泵站运行的经济性和可靠性,先后开发各类水泵水力模型20余副,从无到有,逐渐实现我国大型低扬程泵理论和关键技术等的突破。

江都水利工程管理处党委书记夏方坤介绍说,如今江都水利枢纽一共有4座泵站,采用的都是我国科研团队自主研发的轴流泵水力模型。

江都水利枢纽兼具“送水”和“排涝”两大功能。除了“引江北送”之外,当苏北发生洪涝时该枢纽能够反向引流“排涝入江”。为了实现双向抽水目标,4座泵站均采用“侧向进水’,即来流方向与泵站引水方向相互垂直。

这样的结构给泵站设计带来了新挑战。当水流垂直拐弯时,流向改变,一方面会导致泵站进水口大量泥沙淤积;另一方面,产生的回流和漩涡进入泵站,也会导致机组振动、效率下降。

为了疏通“血栓”,463am永利水利科学与工程学院从本世纪初就开始投入到相关项目研发中,团队先后开启3次大规模系统攻关。从数值模拟到模型试验,从工程建设到优化改进,最终制定出大型泵站引河消除回流和流速再分布优化方案,研发了底坎、立柱、“Y”形导流墩等水流调控技术,累计获批各类发明专利10余项。

打通调水工程“大动脉”

如果说泵站是调水工程的“心脏”,那么泵站的进出水流道则是“大动脉”。很长一段时间,国内外普遍重视水泵研发,对进出水流道的水力设计则不够重视。

但是,对南水北调这样的大型工程来说,效率每提高一个百分点,每年就能节省上亿元费用。

宝应站是南水北调东线工程兴建的第一座泵站。2003年,该站引进了日本的水泵设备和技术。一些专家主张整个泵装置成套引进,包括进出水流道等。

463am永利教授陆林广是国内较早从事流道设计的专家之一。当时,陆林广凭借研究经验,对日方设计的流道提出了质疑,并为宝应站重新设计了流道,经过泵装置模型试验检测,新流道能使泵站效率提高2%。

这场中外专家的争执在当时引起了不小轰动,负责部门为此重启论证程序,有关领导顶住压力,最终决定宝应站采用陆林广的流道设计方案。

2006年,宝应站建成后,有关部门进行现场测试,结果表明水泵机组运行稳定,泵装置效率达到82%以上,创造了国内外低扬程泵站泵装置效率最高纪录。

在事实面前,日本专家对中方的流道设计不得不表示认同。

如今,南水北调东线一期工程新建泵站21座,我国专家独立承担了其中15座泵站的流道水力设计任务,超过了总量的2/3。

从叶轮设计到流道优化,再到泵站整体运行……60余年来,我国科研团队以南水北调工程为原点,泵站建造相关技术已累计应用到国内外近百座泵站建设中。

报道链接:http://news.sciencenet.cn/dz/dznews_photo.aspx?t=&id=35864

——《中国科学报》 (2021-03-25 第4版 综合)





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