農(nóng)村環(huán)形供水之初探討

劉偉 柏大團(tuán) 周路寶

【摘要】飲水安全工程中管網(wǎng)水壓和水量對整個(gè)供水管網(wǎng)的運(yùn)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(gè)農(nóng)村供水主管網(wǎng)進(jìn)行了升級改造設(shè)計(jì)，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(jìn)行了水力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，在各節(jié)點(diǎn)需水量不變的情況下，改造后的環(huán)形管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水壓上升，達(dá)到最低服務(wù)水頭要求，同時(shí)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(jì)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(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)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(kuò)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(diǎn)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(jìn)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(shí)對改造前后的管網(wǎng)進(jìn)行水力計(jì)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(gè)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(xiàng)目實(shí)施較早，當(dāng)初所鋪設(shè)管道管徑較小，隨著項(xiàng)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(duì)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(xiàng)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(jì)算

計(jì)算原理基于質(zhì)量守恒和能量守恒，環(huán)狀網(wǎng)計(jì)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(jì)算原理

（1）連續(xù)性方程

任一節(jié)點(diǎn)，流向該節(jié)點(diǎn)的流量等于從該節(jié)點(diǎn)流出的流量。假定從節(jié)點(diǎn)流出的流量為正，流向節(jié)點(diǎn)的流量為負(fù)，得：

式中：

qi——節(jié)點(diǎn)流量，（m3/s）；

qij——該節(jié)點(diǎn)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(shí)針的管段，水頭損失為正，逆時(shí)針方向的為負(fù)，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(diǎn)i對某一基準(zhǔn)點(diǎn)的水壓，（m）；

Hj——節(jié)點(diǎn)j對某一基準(zhǔn)點(diǎn)的水壓，（m）；

Sij——管段摩阻。

2環(huán)形管網(wǎng)計(jì)算

環(huán)形網(wǎng)計(jì)算采用哈代-克羅斯法，即管網(wǎng)平差計(jì)算方法。主要計(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)針方向管段的水頭損失為正，水流逆時(shí)針方向管段的水頭損失為負(fù)。計(jì)算各環(huán)內(nèi)管段水頭損失代數(shù)和∑hij。∑hij不等于零時(shí)，以△hi表示，稱為閉合差?！鱤i>0，說明順時(shí)針方向各管段中初步分配的流量多了一些，逆時(shí)針方向管段中分配的流量少了些；△hi<0，說明順時(shí)針方向各管段中初步分配的流量少了一些，逆時(shí)針方向管段中分配的流量多了些。

（5）按下式計(jì)算各環(huán)的校正流量△qi，若閉合差為正，校正流量為負(fù)；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(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)，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(jìn)行計(jì)算，如果閉合差未能達(dá)到允許的精度，再從（3）進(jìn)行反復(fù)計(jì)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(jì)算時(shí)，每環(huán)閉合差小于0.5m，大環(huán)閉合差小于1.0m。

3水力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)管網(wǎng)布置，簡化為四個(gè)內(nèi)環(huán)，根據(jù)初步分配流量計(jì)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(jì)算滿足精度要求的前提下進(jìn)行水力計(jì)算，計(jì)算工況為最高日最高用水時(shí)，時(shí)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(jì)算，項(xiàng)目區(qū)在改造后管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行改造設(shè)計(jì)，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(jì)算結(jié)果表明，在項(xiàng)目區(qū)需水量不變的情況下，最高日最高時(shí)的管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)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(dá)到規(guī)范要求。

2本次改造不僅提升項(xiàng)目區(qū)服務(wù)水頭，同時(shí)實(shí)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(dòng)頻繁的情況下，對保護(hù)農(nóng)村供水管網(wǎng)，提升保證率，均可發(fā)揮重要作用。同時(shí)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(jià)。