長(zhǎng)距離引水管線工程經(jīng)濟(jì)管徑研究

杜曉云

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 概況

山西省東山供水工程是“山西大水網(wǎng)”骨干工程之一，為“兩縱十橫”中的第五橫，是“十二五”期間為提高全省水資源配置能力而重點(diǎn)建設(shè)的互連互通工程。工程任務(wù)是從漳河流域水資源相對(duì)豐富的左權(quán)、榆社、武鄉(xiāng)等縣調(diào)水到汾河流域晉中南部的太谷縣、祁縣、平遙縣、介休市、靈石縣，補(bǔ)充工農(nóng)業(yè)用水，年總供水量11219萬(wàn)m3。工程輸水管（洞）線總長(zhǎng)255km，其中壓力管線長(zhǎng)178km、隧洞長(zhǎng)78km。主要建筑物有進(jìn)水塔、泵站、調(diào)壓井，隧洞、壓力管線、流量調(diào)節(jié)閥室、檢修閥室、排氣閥井、泄水閥井等，約480座。

工程輸水系統(tǒng)主要特點(diǎn)有：一是規(guī)模大、管（洞）線長(zhǎng)、涉及面廣。二是多水源。取水水源4座，分別為關(guān)河水庫(kù)、云竹水庫(kù)、石匣水庫(kù)及二期水源工程，末端調(diào)蓄水庫(kù)7座（已建），分別為子洪水庫(kù)、咸陽(yáng)河水庫(kù)、南王水庫(kù)、源神廟水庫(kù)、尹回水庫(kù)、下梁水庫(kù)及大溝水庫(kù)等。三是輸水方式多，水流控制難。工程輸水方式有無(wú)壓隧洞明流輸水、壓力管道重力流、壓力管道泵流，各輸水方式間多處進(jìn)行轉(zhuǎn)換，工程安全條件下的水流平順控制是技術(shù)方案的要點(diǎn)。四是調(diào)度管理復(fù)雜，取水水源間的調(diào)度及調(diào)出水與當(dāng)?shù)厮g的信息化調(diào)度是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，也是工程運(yùn)行管理亟需重點(diǎn)研究的課題。

2 經(jīng)濟(jì)管徑影響因素

2.1 計(jì)算公式及適用范圍

經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算方法主要有經(jīng)濟(jì)流速法（靜態(tài)）和動(dòng)態(tài)法，其中年值法與凈現(xiàn)值法最為常見(jiàn)。

2.1.1 經(jīng)濟(jì)流速法

經(jīng)濟(jì)流速法一般適用于井灌區(qū)和其他一些非重點(diǎn)的管道工程設(shè)計(jì)中，該方法是根據(jù)不同的管材確定適宜流速，然后由管道水力學(xué)公式計(jì)算出一組比較經(jīng)濟(jì)的管徑，最后根據(jù)商品管徑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化修正，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水工程僅可作為管徑初選，計(jì)算公式如下：

式中：d——管道直徑，mm；

v——管道內(nèi)水的流速，m/s；

Q——計(jì)算管段設(shè)計(jì)流量，m3/h。

在長(zhǎng)距離引水工程中較多采用的是PCCP、鋼管、球墨鑄鐵管、玻璃鋼管等，應(yīng)用時(shí)首先要考慮輸水段輸水方式，重力流段應(yīng)滿足水壓、流量等要求，管徑盡可能取小些，管道流速不小于不淤流速（0.5m/s），不大于最大允許流速（2.5~3.0m/s）。而對(duì)需設(shè)置加壓泵站的，一般可先用1.0m/s計(jì)算出一個(gè)管徑，規(guī)格化后可作為初擬管徑的中間值。

2.1.2 凈現(xiàn)值法

總投資現(xiàn)值＝年經(jīng)營(yíng)成本換算為現(xiàn)值+投資現(xiàn)值，即：Pw＝A（P/A，i，n）+P。其中：Pw為總投資現(xiàn)值；P 為投資現(xiàn)值，即管道及附屬設(shè)施總費(fèi)用；A為年經(jīng)營(yíng)成本，以運(yùn)行電費(fèi)計(jì)，電費(fèi)單價(jià)綜合電價(jià)計(jì)算。收益率i取8%，計(jì)算年限n一般取20年。

2.2 水頭損失計(jì)算

對(duì)于有壓管道輸水，水頭損失直接影響泵站的揚(yáng)程，關(guān)系到運(yùn)行費(fèi)。我國(guó)多采用曼寧公式，適用于紊流粗糙區(qū)，其簡(jiǎn)化公式為：

由上式可以看出，水頭損失hf與管道的糙率n、流量Q的平方成正比，與管徑的5.33次冪成反比。

2.3 其他因素

無(wú)論采用哪種方法確定管徑，均應(yīng)滿足以下條件：一是管線任意處工作壓力的最大值應(yīng)不大于該處材料的公稱壓力；二是必須考慮輸水的泥沙含量，流速應(yīng)不小于不淤流速；三是需考慮選用管材的最大允許流速；四是選用的管徑應(yīng)是規(guī)格化的，避免生產(chǎn)模具的增加引起成本增加；五是整個(gè)輸水系統(tǒng)不同的運(yùn)行工況水泵工作點(diǎn)應(yīng)盡可能在高效區(qū)內(nèi)。

3 經(jīng)濟(jì)管徑確定過(guò)程分析

根據(jù)東山供水工程系統(tǒng)方案，對(duì)于輸水方式為明流和有壓管道重力流輸水的，管徑根據(jù)各受水點(diǎn)的水壓、設(shè)計(jì)流量等要求按過(guò)流能力及壓坡線計(jì)算確定，其經(jīng)濟(jì)管徑由系統(tǒng)總體經(jīng)濟(jì)性決定。二期支線和關(guān)河支線均需設(shè)置泵站，其管徑直接影響輸水系統(tǒng)泵站級(jí)數(shù)、揚(yáng)程、裝機(jī)容量，對(duì)工程投資、年運(yùn)行費(fèi)有較大影響。二期支線管徑確定過(guò)程為：對(duì)于泵流的管徑，先取經(jīng)濟(jì)流速，規(guī)格化后為1600mm，按PCCP管的規(guī)格前后外延幾種規(guī)格進(jìn)行水力學(xué)及揚(yáng)程計(jì)算，各種管徑的工程費(fèi)用、泵站揚(yáng)程、運(yùn)行費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果見(jiàn)表1。采用最小費(fèi)用法中的費(fèi)用現(xiàn)值比較法（收益率按8%），成果見(jiàn)表2。

表1 不同管徑水力學(xué)計(jì)算表

表2 經(jīng)濟(jì)管徑比較表

從以上計(jì)算可以看出，用經(jīng)濟(jì)流速確定的經(jīng)濟(jì)管徑為1600mm，而用凈現(xiàn)值法確定的最小管徑為1600mm，1800mm，且二者比較接近。但考慮工程運(yùn)行及汛期可能加大供水量的要求，以1800mm的管徑進(jìn)行復(fù)核，二期泵站備用機(jī)組全部啟動(dòng)，系統(tǒng)最大過(guò)流能力達(dá)到2.6m3/s，超設(shè)計(jì)流量的20%。另考慮電價(jià)可能根據(jù)政策變化的上調(diào)因素，確定二期支線管道規(guī)格為1800mm。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管道工程，經(jīng)濟(jì)管徑的確定可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速來(lái)初選，再考慮資金的時(shí)間價(jià)值采用凈現(xiàn)值法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，確定時(shí)必須多方面綜合考慮。一是研究輸水系統(tǒng)總體方案及輸水方式，做好水力計(jì)算，選好接近實(shí)際的糙率。二是需考慮政策及市場(chǎng)物價(jià)的動(dòng)態(tài)因素，選取合適的折現(xiàn)率及電價(jià)。三是要掌握管材的生產(chǎn)工藝、性能指標(biāo)，認(rèn)真做好市場(chǎng)管道綜合單價(jià)調(diào)研，并結(jié)合實(shí)際繪制管材價(jià)格曲線。四是年運(yùn)行電量計(jì)算不僅要考慮設(shè)計(jì)流量和年調(diào)水總量，還須根據(jù)調(diào)度方案概括出全年供水量變化特征值。五是對(duì)于必須考慮工程的分期建設(shè)及運(yùn)行情況，研究地形揚(yáng)程與水頭損失之間的比重關(guān)系，同時(shí)考慮管道系統(tǒng)的壓力，確保運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性。