城鄉(xiāng)供水一體化管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)流速的研究

劉淑麗，韓慶祥，張得同

（山東建筑大學(xué)，濟(jì)南250000）

1 城鄉(xiāng)供水一體化的特點

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。

1.1 城鄉(xiāng)供水一體化存在的問題

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。

1.2 現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)流速的取值范圍

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。

2 城鄉(xiāng)供水一體化數(shù)學(xué)模型建造

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。

2.1 管網(wǎng)的材料與安裝費用（E1）

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。

2.2 開挖與回填溝槽的土方費（E2）

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。

2.3 管網(wǎng)運行費用（E3）

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。

2.4 管網(wǎng)的折舊大修費（E5）

式中，P 為管網(wǎng)的折舊大修率，%。

2.5 供水管網(wǎng)的綜合費用（W）

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：

3 管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)管徑與經(jīng)濟(jì)流速的計算

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。

4 工程實例

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

5 結(jié)語

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。