长距离引水管线工程经济管径研究

杜晓云

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 概况

山西省东山供水工程是“山西大水网”骨干工程之一，为“两纵十横”中的第五横，是“十二五”期间为提高全省水资源配置能力而重点建设的互连互通工程。工程任务是从漳河流域水资源相对丰富的左权、榆社、武乡等县调水到汾河流域晋中南部的太谷县、祁县、平遥县、介休市、灵石县，补充工农业用水，年总供水量11219万m3。工程输水管（洞）线总长255km，其中压力管线长178km、隧洞长78km。主要建筑物有进水塔、泵站、调压井，隧洞、压力管线、流量调节阀室、检修阀室、排气阀井、泄水阀井等，约480座。

工程输水系统主要特点有：一是规模大、管（洞）线长、涉及面广。二是多水源。取水水源4座，分别为关河水库、云竹水库、石匣水库及二期水源工程，末端调蓄水库7座（已建），分别为子洪水库、咸阳河水库、南王水库、源神庙水库、尹回水库、下梁水库及大沟水库等。三是输水方式多，水流控制难。工程输水方式有无压隧洞明流输水、压力管道重力流、压力管道泵流，各输水方式间多处进行转换，工程安全条件下的水流平顺控制是技术方案的要点。四是调度管理复杂，取水水源间的调度及调出水与当地水之间的信息化调度是一项复杂的系统工程，也是工程运行管理亟需重点研究的课题。

2 经济管径影响因素

2.1 计算公式及适用范围

经济管径计算方法主要有经济流速法（静态）和动态法，其中年值法与净现值法最为常见。

2.1.1 经济流速法

经济流速法一般适用于井灌区和其他一些非重点的管道工程设计中，该方法是根据不同的管材确定适宜流速，然后由管道水力学公式计算出一组比较经济的管径，最后根据商品管径进行标准化修正，对于长距离输水工程仅可作为管径初选，计算公式如下：

式中：d——管道直径，mm；

v——管道内水的流速，m/s；

Q——计算管段设计流量，m3/h。

在长距离引水工程中较多采用的是PCCP、钢管、球墨铸铁管、玻璃钢管等，应用时首先要考虑输水段输水方式，重力流段应满足水压、流量等要求，管径尽可能取小些，管道流速不小于不淤流速（0.5m/s），不大于最大允许流速（2.5~3.0m/s）。而对需设置加压泵站的，一般可先用1.0m/s计算出一个管径，规格化后可作为初拟管径的中间值。

2.1.2 净现值法

总投资现值＝年经营成本换算为现值+投资现值，即：Pw＝A（P/A，i，n）+P。其中：Pw为总投资现值；P 为投资现值，即管道及附属设施总费用；A为年经营成本，以运行电费计，电费单价综合电价计算。收益率i取8%，计算年限n一般取20年。

2.2 水头损失计算

对于有压管道输水，水头损失直接影响泵站的扬程，关系到运行费。我国多采用曼宁公式，适用于紊流粗糙区，其简化公式为：

由上式可以看出，水头损失hf与管道的糙率n、流量Q的平方成正比，与管径的5.33次幂成反比。

2.3 其他因素

无论采用哪种方法确定管径，均应满足以下条件：一是管线任意处工作压力的最大值应不大于该处材料的公称压力；二是必须考虑输水的泥沙含量，流速应不小于不淤流速；三是需考虑选用管材的最大允许流速；四是选用的管径应是规格化的，避免生产模具的增加引起成本增加；五是整个输水系统不同的运行工况水泵工作点应尽可能在高效区内。

3 经济管径确定过程分析

根据东山供水工程系统方案，对于输水方式为明流和有压管道重力流输水的，管径根据各受水点的水压、设计流量等要求按过流能力及压坡线计算确定，其经济管径由系统总体经济性决定。二期支线和关河支线均需设置泵站，其管径直接影响输水系统泵站级数、扬程、装机容量，对工程投资、年运行费有较大影响。二期支线管径确定过程为：对于泵流的管径，先取经济流速，规格化后为1600mm，按PCCP管的规格前后外延几种规格进行水力学及扬程计算，各种管径的工程费用、泵站扬程、运行费用等技术经济比选结果见表1。采用最小费用法中的费用现值比较法（收益率按8%），成果见表2。

表1 不同管径水力学计算表

表2 经济管径比较表

从以上计算可以看出，用经济流速确定的经济管径为1600mm，而用净现值法确定的最小管径为1600mm，1800mm，且二者比较接近。但考虑工程运行及汛期可能加大供水量的要求，以1800mm的管径进行复核，二期泵站备用机组全部启动，系统最大过流能力达到2.6m3/s，超设计流量的20%。另考虑电价可能根据政策变化的上调因素，确定二期支线管道规格为1800mm。

4 结语

对于长距离输水管道工程，经济管径的确定可以根据经济流速来初选，再考虑资金的时间价值采用净现值法进行技术经济比选，确定时必须多方面综合考虑。一是研究输水系统总体方案及输水方式，做好水力计算，选好接近实际的糙率。二是需考虑政策及市场物价的动态因素，选取合适的折现率及电价。三是要掌握管材的生产工艺、性能指标，认真做好市场管道综合单价调研，并结合实际绘制管材价格曲线。四是年运行电量计算不仅要考虑设计流量和年调水总量，还须根据调度方案概括出全年供水量变化特征值。五是对于必须考虑工程的分期建设及运行情况，研究地形扬程与水头损失之间的比重关系，同时考虑管道系统的压力，确保运行安全性及经济性。