管網平差中局部水損對精度影響的研究

梁辰

（山西省工業(yè)設備安裝集團設計院，山西太原 030000）

1 項目概況

大同某一片區(qū)進行三供一業(yè)改造，該片區(qū)由于歷史原因，各小區(qū)內均有二次供水設備及水池，并有專人管理。經甲方溝通，通過改造配水廠提高出水管內水壓，以減少二次加壓泵站數量及專業(yè)管理人員人數，同時直供部分用戶。

該片區(qū)西高東低，且地勢陡峭，從圖1管網自由水壓線上也可看出該片區(qū)地形走勢。西北面有眾多老舊小區(qū)，小區(qū)內二次加壓泵站占地面積小，水池無擴建條件。最不利點在西北面北山上，地面標高1102m?，F有4個配水廠其地面標高均比較低，節(jié)點11、13、16、25分別為二站、時莊、恒安及泉新水廠，地勢最低點配水廠標高1041m。

圖1 不計水損管網自由水頭水壓線

城市供水量一般考慮工業(yè)生產用水、居民生活用水及漏損水量等。而居民生活用水多與個人生活習性，當地溫度環(huán)境、衛(wèi)生器具設備配置及當地經濟條件等諸多因素相關。影響城市用水因素諸多，用水性質及用途各不相同，但用水量的變化是能夠進行計算得出。

該地區(qū)用水主要是住宅區(qū)內常住居民的日常生活用水，通過現場調查統(tǒng)計出各小區(qū)居民戶數，根據《室外給水設計規(guī)范》（GB 50013—2006）以及《城市居民生活用水量標準》（GB/T50331—2002）中用水定額以及小時變化系數Kh的相關論述進行用水量計算。

2 理論論述

2.1 管網平差定義及規(guī)范相關論述

管網平差是指在初分流量后，以此大體估算確定管徑，管網的各個環(huán)狀閉合差不能滿足兩方程：連續(xù)性方程組（即水量平衡）和能量方程組（水損平衡）。此時就需重新分配各管段的流量，重新對管徑進行修正，直至在一定誤差內能夠滿足連續(xù)性方程組和能量方程組。大多計算管網平差軟件采用哈代·克羅斯迭代法。管網平差的結果可為供水管網的設計優(yōu)化及運行管理提供更好的指導。

管網平差也可用于管網優(yōu)化，管網平差設計優(yōu)化的目的，主要是在滿足用戶所需水量、水壓并兼顧其他設計目標的前提下，求出一定年限內管網建造費用和管理費用之和為最小時的管徑（即年折算費用最低的管徑），也就是經濟管徑或優(yōu)化管徑。管網建造費用中主要是管線的費用，它和管材、長度、直徑等有關。管理費用主要是泵站將水提升所需的能量費用。能量費用隨水泵的流量和揚程而定，揚程取決于管網控制點要求的自由水壓、泵站和吸水井的水位差以及管網和輸水管的水頭損失等。其中水頭損失又和管段長度、管徑、流量等有關。因此，當管段長度已定時，建造費用和管理費用主要由流量或管徑決定。管線造價可表示成管徑的函數，進行定量分析。

《室外給水設計規(guī)范》（GB50013—2006）中7.2.3條文說明：配水管網水力平差計算，一般不考慮局部水頭損失，而新版《室外給水設計規(guī)范》（GB50013—2018）條文表述里刪除上述相關論述。本文通過兩種方案，即考慮局損及不考慮局損分別進行平差，探討其精度對于工程運用的影響。

2.2 局部水損取值

王晉楓[1]認為平差時對局部水頭損失取值由于沒有準確數據，根據以往設計經驗，局部水損按沿程水頭損失的25%計入。

武瑞穎[2]把閥門等效為當量長度并考慮閥門前后不同流態(tài)下的水力撓動長度時的水頭損失，以此達到分析管網的可靠性。朱寅春[3]認為除了管道沿程摩阻系數的選擇會影響平差計算結果外，閥門局部摩阻系數的設置也同樣重要。在管網運行過程中，有時會通過調節(jié)管網中閥門的開啟度來實現管網壓力和流量的控制。因此，實際管網中的閥門往往不是處在全開或全閉的狀態(tài)，對于開啟度較小的閥門，即會造成較大的局部水頭損失，在管網平差計算中不應忽略。為確保平差計算結果的精度，應在充分調研、掌握真實數據的基礎上，在模型上增加閥門數據，并設置相應的局部摩阻系數。尤其是對開啟度較小的閥門，其摩阻系數的設置應盡可能準確。

本文局部水頭損失按20%進行考慮。若按照前文所述考慮閥門開啟度及閥門前后水流狀態(tài)在工程設計中就顯得得不償失。

3 方案論述

3.1 局部水損對其影響

鑒于以上各種表述，本文采用兩種方案，各方案用戶用水量、管網布置等均相同，平差時方案1不考慮局損，方案2考慮局損。

對該片區(qū)進行調研，確定該項目用水人數及用水量，采用沿線流量的方法確定集中流量。由于該片區(qū)部分小區(qū)枝狀供水，且有些小區(qū)不屬于供水移交范圍內，情況較為復雜，統(tǒng)計出各小區(qū)用水量后算出比流量及沿線流量，匯總后計算出集中流量，其中α取0.5。

用管立得軟件對該片區(qū)進行平差，不計局損及計局損的計算結果分別見表1、表2。

表1 方案1不計局部水損平差計算

以西南角節(jié)點25泉新配水廠為例，表1及表2可以看出兩者的水壓標高變化并不大，約0.7m，水壓標高變化率在2%以內，這種變化對于工程設計的影響較小?？梢姟妒彝饨o水設計規(guī)范》（GB50013—2006）中7.2.3條文說明：配水管網水力平差計算一般不考慮局部水頭損失這一論述是可行的。

表2 方案2計局部水損平差計算

為保險起見，工程設計中按20%沿程水頭損失計入局部水損，而如果精確計算局部水損，需要考慮閥門開啟度及閥門前后水流狀態(tài)等諸多影響，增加了工作量，在設計工作中得不償失。

3.2 地勢對其影響

最不利節(jié)點24位于北山上，地面標高1102m，恒安、時莊水廠出水水壓大致為0.65MPa，水壓過大，可能造成漏損率增加。山區(qū)供水應優(yōu)先考慮分區(qū)供水。

分區(qū)給水[4]是將該城市分割成幾個區(qū)進行單獨供水且每區(qū)有獨立的泵站和管網。分區(qū)作用有以下3點好處：①使管網的水壓不超過管材可以承受最大壓力，起到保護管材及管件。②分區(qū)供水可減少管網漏損水量。③可降低供水設備供水能量，降低費用。分區(qū)供水有兩種模式：并聯分區(qū)和串聯分區(qū)，其優(yōu)缺點見表3。

表3 分區(qū)適用范圍及特點

該工程北面屬于老舊小區(qū)加之本工程屬于三供一業(yè)項目，在北面新建泵房受到土地及政策限制，分區(qū)供水難度較大。而利用原有泵房進行改造不僅受制于原有水泵房水池容積小，調節(jié)進水流量與用戶用水量差額不夠，而且受制于原有水泵房柔性套管管徑較小，在現有施工水平下更換柔性套管進行封堵可能會漏水。因此，進行分區(qū)供水就顯得不現實。通過恒安水廠與泉新水廠供水規(guī)?；Q，更改兩水廠的供水范圍以此希望減少管內水壓，更換后的管網平差計算結果見表4。方案2的供水范圍見圖2，方案3的供水范圍見圖3。圖2中最不利點24有泉新水廠供水，粗實線表示該水廠供水范圍。圖3中最不利點24由恒安水廠供水，粗實線表示該水廠供水范圍。

表4 方案3更換水源后計局部水損平差計算

圖2 方案2供水分界線

圖3 方案3供水分界線

方案2節(jié)點16恒安配水廠自由水頭為67.671，供水規(guī)模277.78L/s；節(jié)點25泉新配水廠500L/s，自由水頭35.185，由供水分界線上可以看出泉新加壓泵站供最不利點。

方案3節(jié)點16恒安配水廠自由水頭為69.901，供水規(guī)模500L/s，由供水分界線上可以看出恒安加壓泵站供最不利點。節(jié)點25泉新配水廠供水規(guī)模277.78L/s，自由水頭為32.539。

在專業(yè)軟件的計算下，每個閉合差接近于0，水源至最不利點各個路徑的水損均等效。從計算表中任選一條路徑（節(jié)點16恒安加壓站—節(jié)點4最不利控制點），計算結果如表5、表6所示。

表5 方案2管道水損計算

表6 方案3管道水損計算

從以上數據可以看出，盡管更換兩水源常供水規(guī)模后，其水損是有變化的，但相對于水廠供水水壓來說，這種變化很小，變化率低于4%。也即在現有施工水平條件下，其總水損對水泵的選型影響小，水泵水壓的選擇主要還是取決于地形地勢。

山地城市[4]地形起伏比較大，向地勢較高地區(qū)用戶供水和及管網末端供水不僅需要考慮技術方案的合理性還考考慮經濟型，這使得山地城市供水管網的運行方式需要分區(qū)供水。

4 結語

結合該工程，《室外給水設計規(guī)范》（GB50013—2018）條文說明已刪除配水管網水力平差計算一般不考慮局部水頭損失的相關論述，且平差相關軟件里有局部水頭損失的相關參數設置。因此，管網平差中應考慮局部水頭損失以確保水泵參數有一定的裕量。但如果考慮閥門前后不同流態(tài)下的水力撓動，設計工作就顯得得不償失。

通過調換兩處水廠出水流量已到達供水服務范圍的優(yōu)化，但這種優(yōu)化對于山地城市的水廠出水水壓變化很小，這就使得工程應用中對于地勢起伏較大的供水工程，應優(yōu)先考慮分區(qū)供水，從而降低水量漏耗及降低電耗，以此達到提高供水企業(yè)經濟效益。

在市政供水管網的輸配水系統(tǒng)優(yōu)化設計中，管網平差的參數設置直接影響工程的可靠性、經濟性。設計人員應該對于參數的把控應該慎之又慎，在不同的參數下通過不同的方案進行對比比較也不失為一種好的方法。