農村飲水安全脫貧攻堅項目供水管網水力的計算分析

王樹生

（遼寧省昌圖縣毛家店鎮水利工作站，遼寧 昌圖 112508）

國家“十三五”規劃實施以來，極大程度上改善了我國農村地區飲水問題，但是由于農村飲水工程量很多，工程沿線比較分散，集中供水工程的供水管網多呈樹枝狀布置。在管網水力計算中，一旦出現誤差，在實際供水期間，尤其供水高峰時段，往往會出現水壓低、流量小的現象，甚至出現有的用戶無水可用。因此，管網水力的計算必須要結合實際使用的人口、用水量，使工程的作用落在實處。

1 工程概況

毛家店鎮位于遼寧省鐵嶺市昌圖縣東北部，2019 地債資金農村飲水安全脫貧攻堅項目涉及昌圖縣毛家店鎮新農村和虻牛村2 個行政村，新農村現有總人口1435 人，虻牛村現有總人口1119 人。包括12 個村民小組，分別為東明水、南河沿、袁家屯、任家屯、安家屯、老虻牛街內、甸子劉、明水泡、頭道溝、二道溝、楊家窩堡、趙家店。本次設計水源井井1 位于大泉村，井2 位于侯家村，自南向北供應各村民小組。單井預計出水量可達20 m3/h，通過水泵抽取，經過次氯酸鈉發生器后進入新建的供水管網；配水管網采用樹狀管網布置。

2 供水規模計算

經調查，項目區內無集體或專業戶飼養畜類，企業用水為獨立管，項目區允許短時間內斷水，澆灑道路和綠地用水量：實際生活中無澆灑道路和綠地用水需求，故只需計算居民生活用水量。根據農村實際需水要求，日變化系數Ka取1.3，時變化系數Kh取3.5。

（1）居民生活用水計算公式：W1=Pq/1000

式中：P 為設計用水人口總數，取2554 人；γ 為按規范要求，非城鎮及中心村，設計人口不應超過現有人口數，故不計人口增長；q 為最高日居民生活用水定額，35L/（人·d）。

計算得出居民生活用水89.39 m3/d；

（2）管網漏失水量和未預見用水量：結合當地發展情況，本項目取用水量的20%，即W2=W1×20%，結算結果為17.89 m3/d；

（3）最高日用水量：Wd=W1+W2，即107.27 m3/d；

（4）最高日供水量：Wmax=kaWd，即139.45 m3/d；

（5）最高日最高時供水量：Qh=KhWmax/24，計算結果為5.81 m3/d；

故本工程的供水規模為W=139.45 m3/d。

3 管網水力計算

3.1 節點流量計算

設計流量由最高日最高時用水量確定：

式中：Q設為設計流量，L/s；Kh為時變化系數，依據規范，取3.5；Wmax為最高日供水量，按照設計用水人口，確定井1 為126.37 m3/d，井2 為13.08 m3/d。

經計算：Q設1=18.43 m3/h=5.12 L/s，Q設2=1.91 m3/h=0.53 L/s。

管路各管段配水流量：

設計人均用水量=Q設/設計用水人口

每條管路配水流量=設計人均用水量×本段用水人口

節點流量=交匯于該節點各管段沿線流量總合

表1 節點流量計算表(以井2 為例）

續表1

3.2 管段設計流量計算，管徑選擇及水頭損失計算

（1）管段設計流量=本管段下游端點節點流量+轉輸流量，由管路下游向上游推求各管段設計流量。

（2）管徑選擇：

式中：D 為管道計算內經，mm；Q 為管段設計流量，m3/h；v 為管道經濟流速，m/s。

計算結果見表2。

（3）沿程水頭損失按《村鎮供水工程設計規范》（SL 687-2014）式7.2.7-1 和式7.2.7-2 計算：

式中：h1為沿程水頭損失，m；L 為計算管段的長度，m；i 為單位管長水頭損失，m/m；C 為海曾威廉系數，PE 管取145；Q 為管段流量，m3/s；d 為管道內徑，m，根據初選管徑D 查得。

（4）局部水頭損失按其沿程水頭損失的10%計算。

根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288-99），輸水管道水頭損失計算公式為：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；f 為摩阻系數；m 為流量指數；b為管徑指數；Q 為流量，m3/h；L 為管道長度，m；d 為管道內徑，mm。

計算結果見表2。

表2 各管段水頭損失計算表

3.3 管道壓力計算

依據《村鎮供水工程設計規范》（SL 687-2014），為保證配水管網中用戶接管點的最小服務水頭符合規范要求，逐點計算各節點自由水頭和節點水壓，計算結果見表3。

表3 各節點壓力計算表（井2 為例）

結合目前國內管材生產和實際使用情況，考慮到給水用聚乙烯管（PE）具有耐腐蝕，不結水垢、不滋生微生物，無毒潔凈、對水質無污染、良好的抗震、抗地基不均勻沉降性能，以及自重小，運輸及安裝方便、管壁光滑耐磨，輸水壓力損失小等特點，本項目除入戶立管選用PP-R 給水管外，其余輸配水管道均采用PE 管。

3.4 水泵的選型

水泵的選型需要綜合考慮水泵機組和泵站的投資和運行費用等綜合性的技術經濟指標，使之符合經濟、安全、適用的原則。

（1）設計揚程

設計揚程計算公式：

式中：H2為設計揚程，m；h1為水源井動水位與地面的高差；h2為最不利點水頭損失；h3為自由水頭，10 m；h4為凈水設備水頭要求，0m；h5為水泵泵件水頭損失。

經計算：井1 揚程為149.9 m，井2 綜合考慮到共同供應侯家村部分村民小組及大六家子村部分村民小組，通過計算揚程為192.3 m。

（2）水泵型號

查閱水泵規格型號和使用說明后，井1 確定選取水泵型號為150QJ20-150/23，該水泵額定流量為20 m3/h，額定揚程150 m，電機功率為 15 kW。 井 2 確定選取水泵型號為175QJ20-208/16，該水泵額定流量為20 m3/h，額定揚程208 m，電機功率為22 kW。

（3）變壓器容量的確定

根據水泵及配套電機的有關參數，按照“小容量、密布點、短半徑”的原則考慮，根據實際地形盡量放在負荷中心，避開易爆、易燃、污穢嚴重及地墊低洼地帶，每臺變壓器控制1 眼井，計算變壓器有效容量，計算公式如下：

式中：S 為變壓器容量，kVA；P1為電動機額定功率，kW；η 為電動機效率；cosφ 電動機的功率因數，取0.85；表示同時投入運行的電動機功率之和。

式中：K1為電動機負荷系數；P3為水泵軸功率，kW；K3為換算系數，取1.05。

代入相應數據，計算結果見表4、表5。

表4 井1 變壓器容量計算表

表5 井2 變壓器容量計算表

根據上表的計算結果，結合項目區現有農電變壓器容量、變壓器安全運行相關規范（有效容量不超過總容量85%），選擇變壓器型號為S13-M-30/10-0.4 兩臺。

4 結語

毛家店鎮2019 地債資金農村飲水安全脫貧攻堅項目管網工程投資2085450.39 元，共計鋪設輸水管線42641 m，截止2020 年11 月30 日已經完成。此次管網工程的難點就在于涉及的村子有十多個，居住比較分散，輸供水管線較長，投資巨大，如何根據實際情況選擇合適的輸配水管網就顯得尤為重要。在農村供水中，由于人口分散，不能用比流量來計算，容易造成資源浪費，為了保證用戶用水均勻合理、安全、經濟，適宜根據人口數量計算設計用水量最為該管段的設計流量。