农村饮水安全管网工程计算及建模的简易方法

□焦振民（获嘉县水利局）

农村饮水安全管网工程计算及建模的简易方法

□焦振民（获嘉县水利局）

农村安全饮水工程投资中，管网部分费用比重很大，设计时的方案比选及工程运行时的管理均属不便。文章从管网建模开始，到干支管流量、管径计算，根据计算分区和实际供水分区直接建模，直至在工程建成后的运行管理中发现问题、改进管理方法等，进行了系统的建模和论述，以期在今后工程中加快设计、施工进度，并最大限度地减少管网运行的管理费用。

农村饮水安全工程；管网；计算；建模

农村饮水安全工程是党中央、国务院为解决全国近3亿农村人口饮水安全的一项造福当代、利在千秋的伟大工程，是一项惠民工程，也是一项德政工程。目前已在全国各地全面展开。农村饮水安全工程投资中，管网费用（包括管道、阀门、附属设施等）约占70%～80%。因此，必须进行多方案比选，才能达到其全寿命期间技术先进、管理方便、经济合理的目的。

1 问题的提出

给水管网水力计算的目的在于根据供水需求（计算流量）确定管网中各管段的直径和水头损失。由于经济条件限制，农村饮水安全工程管网布置很多采用树枝状管网，其计算方法是按照近似折算法：先定出各管段水流方向，计算干管总长度，按照最高日最高时供水量计算比流量；计算管段沿线流量和节点流量；根据节点流量进行管网流量分配，确定各管段计算流量；选定经济流速，确定管径，从而推求水头损失，计算各节点服务水头和水压。支管计算：利用已知干管节点水头和水力坡度、流量计算管径。但计算过程比较麻烦，尤其是管网设计中，管径确定需要采用优化方法求得最优解，才能使管网工程年总费用和总投资最少，以达到经济合理的目标。这些都需要通过大量的计算，并且采用上述方法计算结果不能直接用于管理和运行，也无法直接建模，以便科学管理。虽然目前给排水设计和建模已进入电算时代，但由于农村饮水工程普遍存在时间紧、任务重，准备时间仓促，县（市）基本上均不具备电算化条件，并且电算化边界条件、连续条件和能量守恒条件等均较复杂，基层技术人员难以正确使用。因此，如何简捷而有效地对农村饮水安全工程的管网进行建模及计算，从而快速进行树枝状管网的工程设计及建模，就显得十分必要而又迫切。

2 管网建模及计算步骤

2.1 管网设计总流量及控制点水压的确定

根据水利部颁发的《农村供水技术规范》确定近期和远期用水需求，确立人均需水量；根据实际调查确定大用户集中水量；适当选取日变化系数和时变化系数，计算出管网设计总流量，选定控制点水压。具体计算过程比较简单，不再赘述。

2.2 干管确定

根据居民实际分布按照管线布置的原则和管网“供水高速公路”理论，农村供水管网干网，一般应采取一字型、L型、十字型、外环型布置，以便为今后的管网扩建、改造留下余地，不至于改变供水重心。确定干管还要依据计算原则，即干管与支管的区别原则是：干管终点（控制点）水压已定，起点待求；支管是水力坡度已定（起点在干管上水压已知），只根据支管流量和水力坡度计算确定管径，以充分利用已有水压。

2.3 划分供水分区，并确定管段和节点

2.3.1 根据树枝状管网的布置和实际居民分布，划分供水分区

原则上干管下一级每一条支管所涉及的供水户划分为一个供水分区，并按照供水管网水流方向，图幅位置进行系统编号，标明分区供水人口、集中流量、户数和供水流量需求数，以大写英文字母Q开头，便于识别。

2.3.2 划分管段和节点

根据供水分区划分管段和节点。对于管段和节点，仍然要依据水流方向按顺序系统编号（需要注明的是支管以下可以按上述程序进一步划分，以便以后细化建模管理，文章不再涉及支管以下划分和计算。）分别以大写英文字母GD和JD开头，以便于识别。

2.4 节点流量计算

将管网总设计流量按分区供水人口均分至各供水分区，集中流量按实际所在分区和需水量分至各供水分区，并标注在各分区编号后，然后从终点（控制点）开始依次确定节点流量，按照“总流量等于分流量之和”的原理，节点流量等于节点控制点的各分区所需流量之和，计算各节点流量并标注在节点编号之后。

2.5 管段计算流量

按照连续性条件，管段计算流量应等于该管段末端节点计算流量，也即该管段所输送的总流量应等于该管段控制的供水流量。

2.6 节点服务水头和水压计算

式中：D—管道直径，m；q—管段的计算流量，m3/s；v—经济流速，m/s。

从控制点开始，依据不同管材选取沿程水头损失和局部水头损失（可忽略不计）公式，如适用钢管、铸铁管的舍维列夫公式（水温10℃），系数n=0.013时的巴甫洛夫斯基公式和塑料管普遍采用的勃拉修斯公式等，查摩阻系数表计算各管段的水头损失。求得管段水头损失后，各节点服务水头和水压即可算出。根据各节点水压值给出水压线，并将水压值标注在节点编号之后，起点水压即为管网所需提供的设计水压。最后，绘制供水建模图。

2.7 运行管理及建摸修正

建模完毕实际运行后，应选取某月的总用水量为基准，并测量节点实际水压及各分区实际用水量（各户水表用量之和）、水压（可用透明软胶管测试，也可用压力表测试），和建模各节点流量、水压进行比较，如两者流量、水压相差较大，应找出原因；应对建模进行修正。修正应首先考虑摩阻系数选取是否正确、实际管网与设计是否有较大变动，其次应考虑运行工况是否正常；如发现管网水头损失过大应取合理管径，进行更换，以减少运行成本，并据此对消防用水、转输、事故等工况进行核算，以满足用水量经常变化所选管径和水泵能否满足不同工况下的要求，以确保经济合理地用水。

3 结语

运用农村安全饮水工程建模同步对管网工程进行计算的方法，计算物理意义明确、简便，广大基层人员易于掌握（不必计算比流量、沿线流量），避免单双侧供水计算失误，且设计的同时已经初步建模，缩短了建模和设计时间。此外，及时建模也奠定了饮水工程科学管理的基础，对管网今后的改造也提供了科学依据，能够最大限度地节约成本、管理费用；也便于基层设计人员积累经验，减少摩阻系数等参数选取不当造成的计算错误，对多批次的当地农村饮水安全工程的设计、管理具有指导意义。

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2013-12-06

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