遼西農(nóng)村飲水安全工程枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算方法

李海軍，李香凝

（1.遼寧省阜新蒙古族自治縣水利局，遼寧阜新123100；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

農(nóng)村飲水安全工程供水管網(wǎng)水力計(jì)算比較繁瑣，工作量大，若計(jì)算方法不當(dāng)，管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量與實(shí)際用水量出現(xiàn)較大偏差，會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)管徑過大浪費(fèi)資金或設(shè)計(jì)管徑偏小不能保證用戶正常用水兩種情況。

遼西丘陵區(qū)農(nóng)村缺水村屯多分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，住戶零散，屯內(nèi)居民多在百戶左右。且自然屯之間距離較遠(yuǎn)，地形復(fù)雜，房屋分散不均，適合單村屯供水,不適宜聯(lián)村供水，供水管網(wǎng)多采用枝狀管網(wǎng)布設(shè)。通過比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法的比較，得出用節(jié)點(diǎn)流量試算法計(jì)算出的管徑更符合實(shí)際，且計(jì)算過程簡(jiǎn)單，容易操作。

1 比流量法

遼西地區(qū)現(xiàn)在多采用比流量法進(jìn)行枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算，該方法假設(shè)管路沿線用水戶均勻分布，將扣除了集中流量后的用水量均勻分布在干管上，計(jì)算出單位長(zhǎng)度上的流量，該流量就是長(zhǎng)度比流量。計(jì)算過程如下：

1.1 計(jì)算比流量

計(jì)算公式為：

式中：qs——比流量，m3/（s·m）；Q ——管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量，按最高日最高時(shí)流量計(jì)算，m3/s；∑q——大用戶集中于節(jié)點(diǎn)的總流量，m3/s；∑L——干管總長(zhǎng)度m，不配水的管段不計(jì)，只有一側(cè)配水的管段折半計(jì)。

1.2 計(jì)算沿程流量

計(jì)算公式為：

式中：qs——比流量，m3/（s·m）；l——該管段管長(zhǎng)，m。

1.3 計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量

計(jì)算公式為：

式中：qi——節(jié)點(diǎn)流量，m3/（s·m）；∑ql——與計(jì)算節(jié)點(diǎn)相連的所有管段沿程流量總和，m3/（s·m）。

1.4 管徑計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中：D——管道內(nèi)徑，m；Q——管道內(nèi)計(jì)算流量，m3/s(枝狀網(wǎng)的任一管段的計(jì)算流量等于該管段以后所有節(jié)點(diǎn)流量的總和)；v——經(jīng)濟(jì)流速，m/s，取 0.8 m/s。

該計(jì)算方法，未考慮農(nóng)村住戶零散，分布不均勻，管段沿線用水量存在的差別，計(jì)算出的管段流量和管徑不太符合實(shí)際[1]。

2 節(jié)點(diǎn)流量試算法

節(jié)點(diǎn)流量試算法是將用水戶分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，各管段只起到了輸水管道的作用，直接把各節(jié)點(diǎn)上的用戶用水量簡(jiǎn)化到各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量上，計(jì)算各管段管徑，并利用Excel表格插入公式進(jìn)行試算調(diào)整，使管徑、管道總水頭損失和自由水頭值趨于合理值。計(jì)算過程如下：

2.1 用水量計(jì)算

首先按照SL687-2014《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況計(jì)算出供水工程的最大小時(shí)供水量W小時(shí)。

2.2 節(jié)點(diǎn)流量

節(jié)點(diǎn)流量為節(jié)點(diǎn)后各用水戶用水量的和。計(jì)算方法：

式中：qi——節(jié)點(diǎn)流量，m3/h；W小時(shí)——最大小時(shí)供水量，m3/h；M總——總用水戶數(shù)，戶；Mi——節(jié)點(diǎn)用水戶數(shù)，戶。

2.3 管段流量

管段上的流量為其后所有節(jié)點(diǎn)流量與集中流量的和。計(jì)算方法：

式中：QL——管段流量，m3/h；Qi——集中用水量，m3/h；∑qi——節(jié)點(diǎn)流量和，m3/h。

2.4 管徑計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中：D——管道內(nèi)徑，m；Q——管道內(nèi)計(jì)算流量，m3/s(枝狀網(wǎng)的任一管段的計(jì)算流量等于該管段以后所有節(jié)點(diǎn)流量的總和)；v——經(jīng)濟(jì)流速，m/s，取0.8 m/s。

2.5 管道水頭損失估算

1）沿程水頭損失

計(jì)算公式為：

式中：hl——沿程水頭損失，m；L——計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m；i——單位管長(zhǎng)水頭損失，m/m；C——海曾威廉系數(shù)，按塑料管取140；Q——管段流量，m3/s；d——管道內(nèi)徑，m。

2）局部水頭損失

式中：hj——局部水頭損失；hl——沿程水頭損失。

3）管道總水頭損失

4）節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失

根據(jù)計(jì)算已得的各管段水頭損失值，從井位節(jié)點(diǎn)開始，沿水流方向計(jì)算各節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失值，節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失值等于該節(jié)點(diǎn)與井位節(jié)點(diǎn)間各管段的水頭損失之和。

2.6 節(jié)點(diǎn)水頭計(jì)算

經(jīng)列表計(jì)算各節(jié)點(diǎn)與水源井處地面高差和該節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失之和，最大值節(jié)點(diǎn)為最不利點(diǎn),以最不利節(jié)點(diǎn)值加上自由水壓10 m作為控制值，計(jì)算各節(jié)點(diǎn)自由水頭。

2.7 利用Excel表格插入公式進(jìn)行計(jì)算

為準(zhǔn)確快速地完成計(jì)算，在Excel表格中插入計(jì)算公式,分列進(jìn)行計(jì)算[2]。

2.8 驗(yàn)算調(diào)整

1）調(diào)整不利管線的管徑，選取計(jì)算應(yīng)選取管徑的上一級(jí)管徑，以減小地面高差與累計(jì)水頭損失之和的數(shù)值。

2）通過試算調(diào)整選取常用規(guī)格管徑，通常選取直徑110，75，63，50，32，20 mm的PE管。

3）根據(jù)SL687-2014《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》一般管徑110 mm控制170～220戶；管徑75 mm控制80～110戶；管徑50 mm控制30～60戶；管徑32 mm控制5～15戶；管徑20 mm控制1～3戶。同時(shí)控制供水戶數(shù)還要根據(jù)住戶間距和管道總長(zhǎng)等因素確定,管徑20 mm的PE管管長(zhǎng)不宜超過100 m，管徑32 mm的PE管管長(zhǎng)不宜超過200 m。

4）對(duì)有可能增加供水用戶的區(qū)域根據(jù)發(fā)展需求適當(dāng)增大供水管徑。

3 比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法工程實(shí)例對(duì)比

工程為遼寧省阜新市某村屯飲水安全工程，項(xiàng)目區(qū)為1個(gè)自然屯，轄區(qū)面積0.22 km2，107戶，420口人，飼養(yǎng)馬驢等大牲畜300頭，管網(wǎng)布置和用戶分布情況，見圖1。通過分別采用比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法對(duì)該工程0-1，1-2和1-3管段進(jìn)行水力計(jì)算對(duì)比分析。

圖1 飲水安全工程管網(wǎng)布置圖

表1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)地面工程

3.1 用水量計(jì)算

經(jīng)計(jì)算該工程最大小時(shí)供水量：

W小時(shí)=K小時(shí)Q/h=3×59.12/9=19.71 m3/h=5.475 L/s

式中：W小時(shí)——最大小時(shí)供水量，m3/h；K小時(shí)——小時(shí)變化系數(shù)，取3；h——每天工作小時(shí)數(shù)，取9 h。

3.2 管段流量計(jì)算

比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法計(jì)算成果對(duì)比，見表2。

從對(duì)比表中可以看出，采用比流量法管段1-2和管段1-3用水戶數(shù)僅差1戶，用水量相差0.35 l/s，明顯不符合實(shí)際。

3.3 管網(wǎng)水力計(jì)算

1）比流量法管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果，見表3。

2）節(jié)點(diǎn)流量試算法管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果，見表4。

3）計(jì)算結(jié)果對(duì)比。

通過以上2種方法進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)采用節(jié)點(diǎn)流量試算法可以直觀發(fā)現(xiàn)最不利管段為1-2管段，采用外徑40 mm供水管明顯水頭損失偏大，不能保證正常供水；同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用比流量法計(jì)算的0-1管段管徑過大，1-3管段管徑過小。該工程按照節(jié)點(diǎn)流量法計(jì)算成果進(jìn)行施工，現(xiàn)工程運(yùn)行良好，無不能供水用戶。

表2 兩種方法計(jì)算管段流量成果對(duì)比表

表3 比流量法管網(wǎng)水力計(jì)算成果表

表4 節(jié)點(diǎn)流量試算法管網(wǎng)水力計(jì)算成果表

4 結(jié)語

1）對(duì)于住戶零散不均勻的村屯，采用節(jié)點(diǎn)流量法進(jìn)行飲水安全工程枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算簡(jiǎn)單確切，能夠保證用水戶正常用水，同時(shí)避免因管網(wǎng)管徑過大，浪費(fèi)資金。

2）把管段的管徑計(jì)算和自由水頭計(jì)算合并為一個(gè)表格，并利用Excel表格插入公式進(jìn)行試算，可以對(duì)比分析不同管徑的管路水頭損失、地面高差與累計(jì)水頭損失之和、自由水頭數(shù)值，可以省時(shí)省力地選出最合理的管徑。