劉淑麗,韓慶祥,張得同
(山東建筑大學(xué),濟(jì)南250000)
農(nóng)村供水工程是以滿足村鎮(zhèn)居民和企事業(yè)單位日常用水需要為主的供水工程[1],主要特點為:(1)規(guī)模小;(2)對象是村民生活用水;(3)偏經(jīng)濟(jì)型;(4)工業(yè)用水量不斷增大等特點。
城鄉(xiāng)供水一體化關(guān)乎民生,合理的工程設(shè)計不僅可以提高農(nóng)村供水安全性,還能降低工程投資費用。當(dāng)前城鄉(xiāng)一體化工程存在供水用水保證率低、管網(wǎng)節(jié)點壓力大[2]、水齡長、供水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)、爆管時有發(fā)生等問題,管徑選取不合理是主要原因,選取合適的經(jīng)濟(jì)流速可降低管網(wǎng)投資,還可以提高管網(wǎng)供水可靠性和保障率。
經(jīng)濟(jì)流速在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為求一定年限t 內(nèi)管網(wǎng)造價和管網(wǎng)費用之和的最小流速。目前,不同管徑和其對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)流速取值范圍較大,并沒有考慮管段在工程當(dāng)?shù)氐膶嶋H影響因素。
村鎮(zhèn)供水系統(tǒng)的綜合費用主要包括管網(wǎng)的材料與安裝費用、開挖和回填溝槽的土方費、管網(wǎng)的折舊大修費和運行費用,運行費用主要包括泵站運行過程中所消耗的電費。通過建立年折算費用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)流速計算。
管網(wǎng)的材料與安裝費用主要為管網(wǎng)材料費用,根據(jù)《給水排水設(shè)計手冊 第10 冊 技術(shù)經(jīng)濟(jì)》有:
式中,a、b、α 為系數(shù);Di為第i 段管道直徑,m;Li為第i 段管道長度,m。
由于農(nóng)村管網(wǎng)的特殊性,開挖出的土全部用于回填,則有:
式中,R1、R2分別為土方開挖和回填定額,元/m3;k1為溝底加寬系數(shù);Y 為管頂埋深,m。
管網(wǎng)運行費用主要是指水泵的運行電費,其中人工、搶修和維護(hù)費用一般根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H價格進(jìn)行計算,在此設(shè)為E4,則:
式中,Q 為最高日供水量,m3/d;η 為水泵和電機效率,%;e 為電價,元/(kW·h);k2為日變化系數(shù);H0為水的靜揚程,m;f 為粗糙度系數(shù);m、n 為指數(shù);qi為第i 段管道流量,m/s;T 為水泵的運行時間,h。
式中,P 為管網(wǎng)的折舊大修率,%。
由以上的在投資償還期t 年內(nèi)的年折算費用為:
將上述式(1)~式(4)代入式(5)中得:
依照經(jīng)濟(jì)流速的定義,在一定約束條件下,當(dāng)年折算值最小時所對應(yīng)地管徑和流速為經(jīng)濟(jì)管徑和經(jīng)濟(jì)流速,整理得出管網(wǎng)年折算值表達(dá)式[式(6)],依照極值原理,可以得出經(jīng)濟(jì)管徑和經(jīng)濟(jì)流速。
由于此方程是管道直徑D 的高次方程,采用軟件matlab編程計算的方式來計算D 的值,在進(jìn)一步得到經(jīng)濟(jì)流速。
式(7)的編程為:
在計算時代入各個參數(shù)的值,則可直接得出相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)管徑,從而得出經(jīng)濟(jì)流速。
以臨邑城鄉(xiāng)供水一體化工程為例。目前該管網(wǎng)已建成,供水規(guī)模為40 000m3/d,改擴建后供水規(guī)模為30 000m3/d,管網(wǎng)采用PE100 管材,工作壓力為0.8MPa,管徑在De63mm~De225mm,管網(wǎng)總長213.29km,管網(wǎng)南北跨度為60km,東西跨度為30km。解決了12 萬人的飲水安全問題。配水系統(tǒng)(至村頭)供水最小自由水頭為20.0m,管網(wǎng)采用1.0MPa 的PE100 級管材敷設(shè),供水區(qū)按照每天工作24h、Kh=1.50(時變化系數(shù))。供水流量為0.0057m3/s;泵和泵站的運行效率為80%,當(dāng)?shù)仉娰M為0.78 元/(kW·h);年折舊及大修率為7%(k=1.07),用水定額為70L/d。
利用線性回歸分析方法,得到當(dāng)?shù)豍E 管長度造價公式為C=2.35+3579.2D2。水頭損失計算:f=0.948×105,n=1.77,m=5。P=7%,η=80%,e=0.78 元/(kw·h),Q=0.0057m3/s,k2=1.1,t=30 年(依據(jù)相關(guān)資料所?。?,R1=22.54元/m3,R2=33.95 元/m3,k1=0.5,Y=1.1m。將以上所有數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)計算后代入編程進(jìn)行計算。得管徑與經(jīng)濟(jì)流速的對應(yīng)關(guān)系如圖1 所示。
圖1 不同管徑與經(jīng)濟(jì)流速對應(yīng)圖
由于我國農(nóng)村分布特點,其供水管線長,通常選取PE 管進(jìn)行管網(wǎng)建設(shè)。在以臨邑城鄉(xiāng)供水一體化工程為基礎(chǔ),在提高農(nóng)村供水安全性的同時降低管網(wǎng)建設(shè)總投資為目標(biāo),得出了適應(yīng)于城鄉(xiāng)供水一體化管網(wǎng)的設(shè)計管徑和相應(yīng)經(jīng)濟(jì)流速。通過比較可以發(fā)現(xiàn),圖1 中的城鄉(xiāng)供水一體化經(jīng)濟(jì)流速比城市給水管網(wǎng)設(shè)計中經(jīng)濟(jì)流速小,究其原因有:(1)經(jīng)濟(jì)流速是一個動態(tài)概念,在綜合費用相差不大時,選用較大管徑更為經(jīng)濟(jì);(2)農(nóng)村用水變化系數(shù)大,若管徑過小,則不能保證供水安全;(3)若流速過大,則沿程水頭損失很大。
在實際設(shè)計中也可根據(jù)距離適當(dāng)增設(shè)中間加壓泵站,以此來降低管材相應(yīng)壓力等級,從而降低管網(wǎng)投資費用。值得一提的是,在設(shè)計中不能過分地追求經(jīng)濟(jì)流速,以免造成浪費。