2　梯级泵站的输水效率

2.1　梯级泵站输水系统及其特点

2.1.1　梯级泵站输水系统结构

梯级扬水灌溉工程是通过多级泵站，将低处河道的水提至高出适宜灌溉的区域进行灌溉的复杂系统，各级泵站按照其不同的扬程串联设置在输水线路上，组成泵站链逐级提水，即梯级泵站输水工程见图2-1。

图2-1　梯级泵站输水工程示意图

梯级泵站输水系统是由梯级泵站和级间输水河道、控制建筑物组成的复杂系统。各单个泵站是调水系统的控制单元，泵站之间通过输水河道、管道串联，各级泵站之间有着密切的水力联系。各站之间的流量、水位互相影响，制约整个梯级泵站输水系统的运行，梯级泵站输水系统组成见图2-2。

图2-2　梯级泵站输水系统组成示意图

因此，在进行运行优化时，可将梯级泵站输水系统分为泵站、输水两个相互关联的子系统。输水子系统由级间的渠道、管道、水工控制建筑物等输水设施组成。泵站子系统由各级泵站组成，泵站内部又由抽水装置和辅助装置组成。两个子系统的运行状况共同决定了系统的整体运行状态。两个系统的边界条件，内部变量及相互关系见表2-1。

表2-1　各系统变量及相互关系

从表2-1可以看出，泵站、输水两个子系统通过级间水位、流量水力要素相互关联。两个子系统共同决定了系统整体运行状态。现以n级泵站组成的梯级泵站输水系统为例，其系统结构如图2-3所示。

图2-3　梯级泵站输水系统结构图

2.1.2　梯级泵站输水系统主要特点

梯级泵站输水系统主要有下列特点：

（1）泵站子系统和输水子系统紧密联系。泵站子系统与输水子系统通过级间水位、流量水力要素紧密联系。其一是流量联系，即上一级泵站的出水池出流量为下一级泵站的进水池的入流量，由于两站之间距离较远，需考虑级间流量相互配合及滞后影响；其二是水位联系，站间渠道上游水位为上级泵站的出水池水位，下游水位为下级泵站的前池水位，两者之间的差值为级间水力损失。其中，水位和流量是泵站系统运行的边界条件，决定了泵站子系统运行状态。而泵站运行状态的改变将反作用于输水子系统，两个系统共同决定了梯级泵站输水系统的整体运行状态。

（2）梯级泵站输水系统为水力可控系统。大型梯级泵站输水系统级间有一定的调蓄容积，梯级间水位存在一定的变化调节区间，其水位为人工控制水位。泵站为梯级泵站输水系统的主要控制单元，通过内部机组叶片、转速的调节可完成流量的调节，辅以闸门等其他水工建筑物，可最终完成级间水位、流量的控制。

（3）梯级泵站输水系统是复杂的时变系统。梯级泵站运行过程中由于级间分水、输水要求，考虑分时电价等因素，导致梯级间水位、流量以及泵站内部运行方案经常处于动态变化中，增加了系统的优化运行及控制的难度。

2.1.3　景电灌区的工程系统

甘肃省景泰川电力提灌工程（以下简称“景电工程”）地处甘肃、宁夏、内蒙古三省（自治区）交界处，是国家为解决甘肃中部景泰川地区大量的宜耕土地荒芜、沙漠南移、生态环境恶劣等问题而建设的大型高扬程梯级提灌工程。景电工程北临腾格里沙漠南缘，南至祁连山尾翼的长岭山、东临黄河、西至内陆河（石羊河）流域尾端的大靖河灌区，地理区域为东经103°20′～104°04′、北纬37°26′～38°41′之间。

景电工程分两期建成，第一期工程于1974年建成，第二期工程1994年建成，灌区分布高程在1540.00～1917.00m之间。该工程共建有泵站43座，共装机306台套，最高提水扬程达713.00m，总装机容量2.49×105 kW，灌溉面积约0.667亿m2，是我国目前已建成的具有代表性的多梯级、高扬程、大流量的电力提灌工程之一。

2.1.3.1　景电一期工程系统

景电一期工程共建有泵站11座，干渠总长31.8km，装机容量6.87万kW，设计提水流量10.6m3／s，加大流量12m3／s，设计年提水量1.48亿m3，工程最大提水扬程445.00m。其工程系统拓扑结构如图2-4所示，各泵站的装机型号汇总见表2-2。