農(nóng)村飲水安全管網(wǎng)工程計(jì)算及建模的簡(jiǎn)易方法

□焦振民（獲嘉縣水利局）

農(nóng)村飲水安全管網(wǎng)工程計(jì)算及建模的簡(jiǎn)易方法

□焦振民（獲嘉縣水利局）

農(nóng)村安全飲水工程投資中，管網(wǎng)部分費(fèi)用比重很大，設(shè)計(jì)時(shí)的方案比選及工程運(yùn)行時(shí)的管理均屬不便。文章從管網(wǎng)建模開(kāi)始，到干支管流量、管徑計(jì)算，根據(jù)計(jì)算分區(qū)和實(shí)際供水分區(qū)直接建模，直至在工程建成后的運(yùn)行管理中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、改進(jìn)管理方法等，進(jìn)行了系統(tǒng)的建模和論述，以期在今后工程中加快設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度，并最大限度地減少管網(wǎng)運(yùn)行的管理費(fèi)用。

農(nóng)村飲水安全工程；管網(wǎng)；計(jì)算；建模

農(nóng)村飲水安全工程是黨中央、國(guó)務(wù)院為解決全國(guó)近3億農(nóng)村人口飲水安全的一項(xiàng)造福當(dāng)代、利在千秋的偉大工程，是一項(xiàng)惠民工程，也是一項(xiàng)德政工程。目前已在全國(guó)各地全面展開(kāi)。農(nóng)村飲水安全工程投資中，管網(wǎng)費(fèi)用（包括管道、閥門、附屬設(shè)施等）約占70%～80%。因此，必須進(jìn)行多方案比選，才能達(dá)到其全壽命期間技術(shù)先進(jìn)、管理方便、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

1 問(wèn)題的提出

給水管網(wǎng)水力計(jì)算的目的在于根據(jù)供水需求（計(jì)算流量）確定管網(wǎng)中各管段的直徑和水頭損失。由于經(jīng)濟(jì)條件限制，農(nóng)村飲水安全工程管網(wǎng)布置很多采用樹(shù)枝狀管網(wǎng)，其計(jì)算方法是按照近似折算法：先定出各管段水流方向，計(jì)算干管總長(zhǎng)度，按照最高日最高時(shí)供水量計(jì)算比流量；計(jì)算管段沿線流量和節(jié)點(diǎn)流量；根據(jù)節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行管網(wǎng)流量分配，確定各管段計(jì)算流量；選定經(jīng)濟(jì)流速，確定管徑，從而推求水頭損失，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭和水壓。支管計(jì)算：利用已知干管節(jié)點(diǎn)水頭和水力坡度、流量計(jì)算管徑。但計(jì)算過(guò)程比較麻煩，尤其是管網(wǎng)設(shè)計(jì)中，管徑確定需要采用優(yōu)化方法求得最優(yōu)解，才能使管網(wǎng)工程年總費(fèi)用和總投資最少，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目標(biāo)。這些都需要通過(guò)大量的計(jì)算，并且采用上述方法計(jì)算結(jié)果不能直接用于管理和運(yùn)行，也無(wú)法直接建模，以便科學(xué)管理。雖然目前給排水設(shè)計(jì)和建模已進(jìn)入電算時(shí)代，但由于農(nóng)村飲水工程普遍存在時(shí)間緊、任務(wù)重，準(zhǔn)備時(shí)間倉(cāng)促，縣（市）基本上均不具備電算化條件，并且電算化邊界條件、連續(xù)條件和能量守恒條件等均較復(fù)雜，基層技術(shù)人員難以正確使用。因此，如何簡(jiǎn)捷而有效地對(duì)農(nóng)村飲水安全工程的管網(wǎng)進(jìn)行建模及計(jì)算，從而快速進(jìn)行樹(shù)枝狀管網(wǎng)的工程設(shè)計(jì)及建模，就顯得十分必要而又迫切。

2 管網(wǎng)建模及計(jì)算步驟

2.1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)總流量及控制點(diǎn)水壓的確定

根據(jù)水利部頒發(fā)的《農(nóng)村供水技術(shù)規(guī)范》確定近期和遠(yuǎn)期用水需求，確立人均需水量；根據(jù)實(shí)際調(diào)查確定大用戶集中水量；適當(dāng)選取日變化系數(shù)和時(shí)變化系數(shù)，計(jì)算出管網(wǎng)設(shè)計(jì)總流量，選定控制點(diǎn)水壓。具體計(jì)算過(guò)程比較簡(jiǎn)單，不再贅述。

2.2 干管確定

根據(jù)居民實(shí)際分布按照管線布置的原則和管網(wǎng)“供水高速公路”理論，農(nóng)村供水管網(wǎng)干網(wǎng)，一般應(yīng)采取一字型、L型、十字型、外環(huán)型布置，以便為今后的管網(wǎng)擴(kuò)建、改造留下余地，不至于改變供水重心。確定干管還要依據(jù)計(jì)算原則，即干管與支管的區(qū)別原則是：干管終點(diǎn)（控制點(diǎn)）水壓已定，起點(diǎn)待求；支管是水力坡度已定（起點(diǎn)在干管上水壓已知），只根據(jù)支管流量和水力坡度計(jì)算確定管徑，以充分利用已有水壓。

2.3 劃分供水分區(qū)，并確定管段和節(jié)點(diǎn)

2.3.1 根據(jù)樹(shù)枝狀管網(wǎng)的布置和實(shí)際居民分布，劃分供水分區(qū)

原則上干管下一級(jí)每一條支管所涉及的供水戶劃分為一個(gè)供水分區(qū)，并按照供水管網(wǎng)水流方向，圖幅位置進(jìn)行系統(tǒng)編號(hào)，標(biāo)明分區(qū)供水人口、集中流量、戶數(shù)和供水流量需求數(shù)，以大寫英文字母Q開(kāi)頭，便于識(shí)別。

2.3.2 劃分管段和節(jié)點(diǎn)

根據(jù)供水分區(qū)劃分管段和節(jié)點(diǎn)。對(duì)于管段和節(jié)點(diǎn)，仍然要依據(jù)水流方向按順序系統(tǒng)編號(hào)（需要注明的是支管以下可以按上述程序進(jìn)一步劃分，以便以后細(xì)化建模管理，文章不再涉及支管以下劃分和計(jì)算。）分別以大寫英文字母GD和JD開(kāi)頭，以便于識(shí)別。

2.4 節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算

將管網(wǎng)總設(shè)計(jì)流量按分區(qū)供水人口均分至各供水分區(qū)，集中流量按實(shí)際所在分區(qū)和需水量分至各供水分區(qū)，并標(biāo)注在各分區(qū)編號(hào)后，然后從終點(diǎn)（控制點(diǎn)）開(kāi)始依次確定節(jié)點(diǎn)流量，按照“總流量等于分流量之和”的原理，節(jié)點(diǎn)流量等于節(jié)點(diǎn)控制點(diǎn)的各分區(qū)所需流量之和，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)流量并標(biāo)注在節(jié)點(diǎn)編號(hào)之后。

2.5 管段計(jì)算流量

按照連續(xù)性條件，管段計(jì)算流量應(yīng)等于該管段末端節(jié)點(diǎn)計(jì)算流量，也即該管段所輸送的總流量應(yīng)等于該管段控制的供水流量。

2.6 節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭和水壓計(jì)算

式中：D—管道直徑，m；q—管段的計(jì)算流量，m3/s；v—經(jīng)濟(jì)流速，m/s。

從控制點(diǎn)開(kāi)始，依據(jù)不同管材選取沿程水頭損失和局部水頭損失（可忽略不計(jì)）公式，如適用鋼管、鑄鐵管的舍維列夫公式（水溫10℃），系數(shù)n=0.013時(shí)的巴甫洛夫斯基公式和塑料管普遍采用的勃拉修斯公式等，查摩阻系數(shù)表計(jì)算各管段的水頭損失。求得管段水頭損失后，各節(jié)點(diǎn)服務(wù)水頭和水壓即可算出。根據(jù)各節(jié)點(diǎn)水壓值給出水壓線，并將水壓值標(biāo)注在節(jié)點(diǎn)編號(hào)之后，起點(diǎn)水壓即為管網(wǎng)所需提供的設(shè)計(jì)水壓。最后，繪制供水建模圖。

2.7 運(yùn)行管理及建摸修正

建模完畢實(shí)際運(yùn)行后，應(yīng)選取某月的總用水量為基準(zhǔn)，并測(cè)量節(jié)點(diǎn)實(shí)際水壓及各分區(qū)實(shí)際用水量（各戶水表用量之和）、水壓（可用透明軟膠管測(cè)試，也可用壓力表測(cè)試），和建模各節(jié)點(diǎn)流量、水壓進(jìn)行比較，如兩者流量、水壓相差較大，應(yīng)找出原因；應(yīng)對(duì)建模進(jìn)行修正。修正應(yīng)首先考慮摩阻系數(shù)選取是否正確、實(shí)際管網(wǎng)與設(shè)計(jì)是否有較大變動(dòng)，其次應(yīng)考慮運(yùn)行工況是否正常；如發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)水頭損失過(guò)大應(yīng)取合理管徑，進(jìn)行更換，以減少運(yùn)行成本，并據(jù)此對(duì)消防用水、轉(zhuǎn)輸、事故等工況進(jìn)行核算，以滿足用水量經(jīng)常變化所選管徑和水泵能否滿足不同工況下的要求，以確保經(jīng)濟(jì)合理地用水。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用農(nóng)村安全飲水工程建模同步對(duì)管網(wǎng)工程進(jìn)行計(jì)算的方法，計(jì)算物理意義明確、簡(jiǎn)便，廣大基層人員易于掌握（不必計(jì)算比流量、沿線流量），避免單雙側(cè)供水計(jì)算失誤，且設(shè)計(jì)的同時(shí)已經(jīng)初步建模，縮短了建模和設(shè)計(jì)時(shí)間。此外，及時(shí)建模也奠定了飲水工程科學(xué)管理的基礎(chǔ)，對(duì)管網(wǎng)今后的改造也提供了科學(xué)依據(jù)，能夠最大限度地節(jié)約成本、管理費(fèi)用；也便于基層設(shè)計(jì)人員積累經(jīng)驗(yàn)，減少摩阻系數(shù)等參數(shù)選取不當(dāng)造成的計(jì)算錯(cuò)誤，對(duì)多批次的當(dāng)?shù)剞r(nóng)村飲水安全工程的設(shè)計(jì)、管理具有指導(dǎo)意義。

[1]韓得宏,孫文博,黃宇陽(yáng).深圳市給水管網(wǎng)水力計(jì)算模型的建立[J].中國(guó)給水排水,2011,9(12).

[2]周建華、趙洪賓.城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)面臨的問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)給水排水,2012,06(11).

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1673-8853（2014）01-0045-02

2013-12-06

劉長(zhǎng)垠）