农村饮水安全集中式供水工程管网优化方法与应用研究

2015-04-07廖晓清

四川水泥 2015年10期

关键词：输水管管段供水管

廖晓清

（重庆市梁平县水务局礼让片水利水保站，402500）

农村饮水安全集中式供水工程管网优化方法与应用研究

廖晓清

（重庆市梁平县水务局礼让片水利水保站，402500）

在目前的农村饮水工程项目中，过半的投资都花费在了管网的修建中。由于农户房屋的分散性，致使农村饮水工程管网线路较长、辐射较广的特点，集中式供水工程难度大，因此，本文就农村中集中式供水工程管网的现状，探讨管网优化的方法，找出科学可行的措施。

农村饮水安全；供水工程；管网优化

农村的饮水安全工程是我国一项重大的民生项目，对于农村生活条件的改善，饮水的安全以及新农村建设都具有重大的意义。供水管网的建设是农村饮水安全工程项目重要的一环，它担负着把饮用水安全地送到每家每户的重要任务，但由于农村供水管网的从无到有、从少到多的发展，管网修建的比重在供水工程中越来越大，另外，由于农村居民的用水量小，供水工程规模较小等原因，导致水塔溢流、供水条件差等问题，因此，如何合理的优化农村集中式供水管网系统成为确保农村供水工程持续发展的一个重要难题。

一、农村供水管网供水特点

（一）供水工程规模小且分散

我国农村居民居住分散且居民点数量较多，此外，居民点的部分地形较为复杂，这就造成了农村供水工程规模较小且数量较多的特点。对于一些条件较好地乡镇可以采取集中式供水的形式；而对于一些地形较为复杂，且经济欠发达的地区，主要采取的是分散式供水模式。

（二）主要采用集中式供水模式

由于农村经济基础的薄弱，一般才用的是经济适用的集中式供水模式，在农村饮水安全集中式供水工程中，对于一些距离城镇较近的地区，采用的是城镇供水管网延伸的形式；对于一些人口比较密集但又距离城镇较远的农村地区，主要采用的是规模化的集中供水形式；此外，对于村与村之间距离较远，供水管网修建投资大的地区，主要采用的是村内单独供水的形式[1]。

（三）供水以生活用水为主，工业用水比重逐渐提升

在一些经济情况不是很发达的地区，农村的供水是以生活用水为主，但随着新农村的建设，一些乡镇工业也逐渐地在部分地区兴起、扩大，使得该地区的用水规模逐渐提升，甚至乡镇工业发达的地区，工业用水占到了供水总量的一半以上。农村饮水工程的建设为一些乡镇工业的发展提供了良好的条件，使得乡镇用水比例逐年增加，从而促进了农村供水工程的规模的扩大及经济效益的提升。

二、农村供水工程存在的问题

（一）供水管网的设计在实际供水中难以应用

在目前的农村饮水安全集中式供水工程的方案设计及决策过程中，最终的供水工程应用方案，多为一些专家及决策人员根据主观的经验及供水影响因素的技术分析所得到的。由于这一过程中难免有着主观性的见解，这就使得供水方案存在着局限性，与农村供水实际情况发生偏差，最终只是供水管网的设计在实际供水中难以应用。

（二）供水工程运行缺乏科学化管理及技术力量

农村供水工程的运行缺乏科学化的管理以及必要的技术力量，有可能导致供水设施不能正常的运行，这主要是由于农村供水工程建设项目过多，时间紧、任务重，对于工程管理及技术人员欠缺必要的培训工作，导致技术储备的不足；此外，农村供水工程的建设多数在偏远的乡村，生活条件及福利待遇与城市差异过大，缺乏对管理及技术人员的吸引力。因此，加强对农村供水工程运行的管理技术人员的培训是很有必要的，这有助于提高他们的技术水准，从而解决农村供水工程运行的难题。

三、农村供水工程输水管道系统优化

在农村的供水工程中，输水管道系统按照输水距离的长度可以分为长距离输水管道系统及短距离输水管道系统；根据水源地与用水地的高程差别，输水管道系统又分为重力式或泵站加压式输水管道系统。一般来说，输水管道方式的选择受当地的自然条件影响较大，因此要根据当地实际情况，因地制宜的选择输水系统。输水管道系统的优化问题一直是备受关注的领域。输水管道系统的优化主要分为输水管道系统线路的优化问题以及输水管道系统管径的优化问题，这两者既相互独立又相互关联。因此，只有解决好这两个问题，才能对输水管道系统更好的优化[2]。

（一）输水管道系统线路的优化

输水管道线路的布置是输水系统设计的前提条件。线路的优劣直接影响到供水工程整体的性能，因此，输水管道系统线路的优化问题，一直是输水管道铺设的难题。在输水管道的建设工程中，为保证农村住户的用水量，应满足首末水头的约束，为此，本文就输水管道总投资F为最小目标函数，输水管道各管段的线路方案iX为决策变量，建立管道线路优化模型。

1、数学模型

其中，ih是第i管段水头的损失iH是水源点与节点N的允许水头损失（m）。

2、算例分析

如图1所示，以某供水系统输水线路为例，应用上述管道线路优化，水源点设计的水位是133.06m，管道沿线出水口将输水的总体管道分为6个管段，各个管段水流量及其各个节点之间的高程、水流量见图1，管道末端最小服务的水头按照2m控制。

（1）管道线路方案定性

例中的输水管道系统中共有7个节点，6条管段，根据供水工程所在地区的地质环境条件、及分水口的分布、水源的位置等情况，每一条的管道线路可考虑4个设计方案，以管段1为例。管道1可选取的设计方案有：①管道铺设中经过一处软土地区，可采用玻璃钢夹砂管的方式穿过；在穿越公路的两处地方，可采用套管的方式；在两处穿越河道的地方，运用管桥的形式；②经过乡镇的过程中，直接铺设管道；采用套管的方式穿过公路；采用专用的混凝土套管施工穿过一处铁路；③管道沿线经过一处乡镇，直接穿乡镇铺设；穿过三处公路，采用套管的方式；穿过河道一处，采用管桥的铺设方式；④采用专用的混凝土套管，穿越铁路；穿过三处河道的时候，采用管桥的方式。

（2）管道的线路优化

运用数学模型进行解析，管道1的优化方案为：管道经过乡镇区域的时候，直接铺设管道线路穿过镇区；穿越一条公路的时候，采用套管的方式；穿过铁路沿线的时候，采用过铁路专用的混凝土套管进行施工。

（二）输水管道系统管径的优化

输水管道优化设计要解决的主要问题，就是在输水管道的材质，走向等因素确定的情况下，选择满足水压等约束性因素的最优管径，使得输水管道的投资降到最低。在各管段允许水头损失确定的条件下，建立以管段管径为决策变量、管道系统总投资最小的目标函数，来解析最优方案[3]。

按照分水口位置的不同，将图2输水管道划分为N个不同的管段；由于沿线地质情况的不同，各个管段由iM种不同的管道组成，再根据不同的管材把第i管段分为iM个分管段，在这样划分的基础上，把各个分管段管径jiD当成决策的变量，建立输水管道系统管径的优化函数模型。

式中，F为输水管道系统能投资；iF为第i段的投资；ifC为第i管段第j分管段的管造价；il为第i管段的长度；ijl为第i管段第j分管段的长度；ifD为第i管段第j分管段的管径；ija，ijb，ijx为第i管段第j分管段单位长度管道造价的系数，这些系数与管材以及当地的经济条件等因素有关。根据数学目标函数进行管道管径的优化设计。