劉偉 柏大團 周路寶
【摘要】飲水安全工程中管網(wǎng)水壓和水量對整個供水管網(wǎng)的運行影響很大。目前連云港市贛榆區(qū)絕大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)供水管網(wǎng)布設(shè)方式為樹枝型管網(wǎng),有些管網(wǎng)鋪設(shè)年代較早,隨著用水量不斷增加,原管道供水能力已不能滿足需水區(qū)的用水要求。本文主要對贛榆區(qū)青口鎮(zhèn)南部18個農(nóng)村供水主管網(wǎng)進行了升級改造設(shè)計,將現(xiàn)狀樹枝型供水管網(wǎng)升級為環(huán)形供水管網(wǎng),并對改造后的管網(wǎng)進行了水力計算。計算結(jié)果表明,在各節(jié)點需水量不變的情況下,改造后的環(huán)形管網(wǎng)節(jié)點水壓上升,達到最低服務(wù)水頭要求,同時可提高供水保證率并節(jié)約管網(wǎng)投資。
【關(guān)鍵詞】農(nóng)村供水;樹枝型供水管網(wǎng);環(huán)形供水管網(wǎng);管網(wǎng)水力計算
、供水工程供水管網(wǎng)一般分為樹枝型和環(huán)形兩種形式。農(nóng)村供水管網(wǎng)以樹枝型為主,相對于環(huán)形管網(wǎng)具有節(jié)約管材、造價低的優(yōu)點,缺點為供水保證率不如環(huán)形管網(wǎng)。
連云港市贛榆區(qū)農(nóng)村供水主管網(wǎng)現(xiàn)狀主要以樹枝型管網(wǎng)為主,隨著管網(wǎng)供水范圍的擴大,以及需水區(qū)用水量的上升,原管網(wǎng)普遍存在供水能力不足、水壓不夠和供水保證率低的情況,樹枝型管網(wǎng)的缺點被不斷放大,甚至影響到農(nóng)村用水安全。本文著眼于對贛榆區(qū)青口鎮(zhèn)南部農(nóng)村樹枝型供水管網(wǎng)進行改造,意在盡量利用現(xiàn)狀供水管網(wǎng)的基礎(chǔ)上,將樹枝型管網(wǎng)改造為環(huán)形供水管網(wǎng),以求提升管網(wǎng)供水能力和服務(wù)水頭,并提高管網(wǎng)供水保證率。同時對改造前后的管網(wǎng)進行水力計算對比,凸顯改造后的環(huán)形管網(wǎng)的優(yōu)勢,為后續(xù)的農(nóng)村供水管網(wǎng)改造工程提供一個可參考的思路。
一、基本情況
青口鎮(zhèn)南部農(nóng)村飲水安全項目實施較早,當(dāng)初所鋪設(shè)管道管徑較小,隨著項目區(qū)內(nèi)用水規(guī)模逐年增長,現(xiàn)狀管道供水能力逐漸不能滿足需水區(qū)用水要求。另外由于管網(wǎng)形式為樹枝狀,經(jīng)常發(fā)生管道因過路段被壓壞或者施工隊挖斷管道導(dǎo)致停水的事故,供水保證率大大降低,農(nóng)民用水安全得不到保障。
二、工程布置
項目區(qū)本次鋪設(shè)三條主管,分別為大莊村至新村DN160主管、朱南干渠南堤DN160主管、新村至二溝村DN160主管,通過鋪設(shè)此3條主管,與域內(nèi)現(xiàn)狀主管形成環(huán)形管網(wǎng),提高供水能力和保證率。
1大莊村至新村DN160主管:自大莊村南現(xiàn)狀主管分流,往南鋪設(shè)DN160主管至新村,與新村內(nèi)主管閉合,全長4014m。
2朱南干渠南堤DN160主管:沿朱南干渠南堤往東鋪設(shè)DN160主管至老204國道與現(xiàn)狀主管閉合,該段主管全長1554m。
3自新村現(xiàn)狀主管沿范河北堤往東鋪設(shè)DN160主管至新204國道折向北至城新村,再往北至二溝村,與二溝村現(xiàn)狀主管閉合,該段主管全長5165m。
三、改造后環(huán)形管網(wǎng)水力計算
計算原理基于質(zhì)量守恒和能量守恒,環(huán)狀網(wǎng)計算即為聯(lián)立求解連續(xù)性方程、能量方程和壓降方程。
1環(huán)形管網(wǎng)計算原理
(1)連續(xù)性方程
任一節(jié)點,流向該節(jié)點的流量等于從該節(jié)點流出的流量。假定從節(jié)點流出的流量為正,流向節(jié)點的流量為負,得:
式中:
qi——節(jié)點流量,(m3/s);
qij——該節(jié)點上的各管段流量,(m3/s)。
(2)能量方程
管網(wǎng)每一環(huán)中各管段的水頭損失之總和等于零。一般假定,水流順時針的管段,水頭損失為正,逆時針方向的為負,得:
式中:
hij——管段沿程水頭損失,(m)。
(3)壓降方程
表示管段流量和水頭損失的關(guān)系,為:
式中:
Hi——節(jié)點i對某一基準(zhǔn)點的水壓,(m);
Hj——節(jié)點j對某一基準(zhǔn)點的水壓,(m);
Sij——管段摩阻。
2環(huán)形管網(wǎng)計算
環(huán)形網(wǎng)計算采用哈代-克羅斯法,即管網(wǎng)平差計算方法。主要計算步驟如下:
(1)根據(jù)管網(wǎng)供水情況,擬定環(huán)狀網(wǎng)各管段水流方向,根據(jù)連續(xù)性方程,并考慮供水可靠性進行流量分配,得到初步分配的管段流量qij。
(2)根據(jù)管段流量qij,按經(jīng)濟流速確定管徑。
(3)求各管段的摩阻系數(shù)Sij,然后求水頭損失:
(4)假定各環(huán)內(nèi)水流順時針方向管段的水頭損失為正,水流逆時針方向管段的水頭損失為負。計算各環(huán)內(nèi)管段水頭損失代數(shù)和∑hij。∑hij不等于零時,以△hi表示,稱為閉合差?!鱤i>0,說明順時針方向各管段中初步分配的流量多了一些,逆時針方向管段中分配的流量少了些;△hi<0,說明順時針方向各管段中初步分配的流量少了一些,逆時針方向管段中分配的流量多了些。
(5)按下式計算各環(huán)的校正流量△qi,若閉合差為正,校正流量為負;反之,校正流量為正。
式中, b=1.852。
(6)設(shè)校正流量△qi符號以順時針方向為正,逆時針方向為負,凡是流向和校正流量△qi方向相同的管段,加上校正流量,否則減去校正流量,據(jù)此調(diào)整各管段流量,得到校正后的管段流量。
(7)按校正后的管段流量再進行計算,如果閉合差未能達到允許的精度,再從(3)進行反復(fù)計算,直到閉合差滿足要求。
根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》要求,手工計算時,每環(huán)閉合差小于0.5m,大環(huán)閉合差小于1.0m。
3水力計算結(jié)果
根據(jù)管網(wǎng)布置,簡化為四個內(nèi)環(huán),根據(jù)初步分配流量計算,環(huán)1閉合差為0.01,環(huán)2為0.16,環(huán)3為0.61,環(huán)4為0.14,其中環(huán)3閉合差不滿足內(nèi)環(huán)閉合差小于0.5m的規(guī)范要求。經(jīng)一次校正,環(huán)1閉合差為0.03,環(huán)2為0.27,環(huán)3為0.16,環(huán)4為0.39,均滿足《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》(SL687-2014)管網(wǎng)平差精度要求。
根據(jù)主管網(wǎng)平差計算滿足精度要求的前提下進行水力計算,計算工況為最高日最高用水時,時變化系數(shù)為2.0。局部水頭損失取沿程水頭損失的8%。
經(jīng)計算,項目區(qū)在改造后管網(wǎng)節(jié)點服務(wù)水頭均滿足規(guī)范要求的10~12m最低服務(wù)水頭。
四、結(jié)語
1本文主要對青口鎮(zhèn)南部農(nóng)村供水管網(wǎng)進行改造設(shè)計,通過鋪設(shè)管道,連接現(xiàn)狀管網(wǎng),最終形成環(huán)形管網(wǎng)。改造前的樹枝型管網(wǎng)和改造后的環(huán)形管網(wǎng)水力計算結(jié)果表明,在項目區(qū)需水量不變的情況下,最高日最高時的管網(wǎng)節(jié)點服務(wù)水頭發(fā)生了明顯的變化,原來不滿足最低服務(wù)水頭的農(nóng)村在改造后均達到規(guī)范要求。
2本次改造不僅提升項目區(qū)服務(wù)水頭,同時實現(xiàn)區(qū)內(nèi)供水管網(wǎng)環(huán)形封閉,在農(nóng)村建設(shè)活動頻繁的情況下,對保護農(nóng)村供水管網(wǎng),提升保證率,均可發(fā)揮重要作用。同時改造工程可最大程度利用現(xiàn)有管網(wǎng),大大節(jié)約管材,降低造價。