城乡供水一体化管网经济流速的研究

刘淑丽，韩庆祥，张得同

（山东建筑大学，济南250000）

1 城乡供水一体化的特点

农村供水工程是以满足村镇居民和企事业单位日常用水需要为主的供水工程[1]，主要特点为：（1）规模小；（2）对象是村民生活用水；（3）偏经济型；（4）工业用水量不断增大等特点。

1.1 城乡供水一体化存在的问题

城乡供水一体化关乎民生，合理的工程设计不仅可以提高农村供水安全性，还能降低工程投资费用。当前城乡一体化工程存在供水用水保证率低、管网节点压力大[2]、水龄长、供水水质不达标、爆管时有发生等问题，管径选取不合理是主要原因，选取合适的经济流速可降低管网投资，还可以提高管网供水可靠性和保障率。

1.2 现行经济流速的取值范围

经济流速在数学上表现为求一定年限t 内管网造价和管网费用之和的最小流速。目前，不同管径和其对应的经济流速取值范围较大，并没有考虑管段在工程当地的实际影响因素。

2 城乡供水一体化数学模型建造

村镇供水系统的综合费用主要包括管网的材料与安装费用、开挖和回填沟槽的土方费、管网的折旧大修费和运行费用，运行费用主要包括泵站运行过程中所消耗的电费。通过建立年折算费用数学模型进行管网经济流速计算。

2.1 管网的材料与安装费用（E1）

管网的材料与安装费用主要为管网材料费用，根据《给水排水设计手册 第10 册 技术经济》有：

式中，a、b、α 为系数；Di为第i 段管道直径，m；Li为第i 段管道长度，m。

2.2 开挖与回填沟槽的土方费（E2）

由于农村管网的特殊性，开挖出的土全部用于回填，则有：

式中，R1、R2分别为土方开挖和回填定额，元/m3；k1为沟底加宽系数；Y 为管顶埋深，m。

2.3 管网运行费用（E3）

管网运行费用主要是指水泵的运行电费，其中人工、抢修和维护费用一般根据当地实际价格进行计算，在此设为E4，则：

式中，Q 为最高日供水量，m3/d；η 为水泵和电机效率，%；e 为电价，元/（kW·h）；k2为日变化系数；H0为水的静扬程，m；f 为粗糙度系数；m、n 为指数；qi为第i 段管道流量，m/s；T 为水泵的运行时间，h。

2.4 管网的折旧大修费（E5）

式中，P 为管网的折旧大修率，%。

2.5 供水管网的综合费用（W）

由以上的在投资偿还期t 年内的年折算费用为：

将上述式（1）～式（4）代入式（5）中得：

3 管网经济管径与经济流速的计算

依照经济流速的定义，在一定约束条件下，当年折算值最小时所对应地管径和流速为经济管径和经济流速，整理得出管网年折算值表达式［式（6）］，依照极值原理，可以得出经济管径和经济流速。

由于此方程是管道直径D 的高次方程，采用软件matlab编程计算的方式来计算D 的值，在进一步得到经济流速。

式（7）的编程为：

在计算时代入各个参数的值，则可直接得出相应的经济管径，从而得出经济流速。

4 工程实例

以临邑城乡供水一体化工程为例。目前该管网已建成，供水规模为40 000m3/d，改扩建后供水规模为30 000m3/d，管网采用PE100 管材，工作压力为0.8MPa，管径在De63mm～De225mm，管网总长213.29km，管网南北跨度为60km，东西跨度为30km。解决了12 万人的饮水安全问题。配水系统（至村头）供水最小自由水头为20.0m，管网采用1.0MPa 的PE100 级管材敷设，供水区按照每天工作24h、Kh=1.50（时变化系数）。供水流量为0.0057m3/s；泵和泵站的运行效率为80%，当地电费为0.78 元/（kW·h）；年折旧及大修率为7%（k=1.07），用水定额为70L/d。

利用线性回归分析方法，得到当地PE 管长度造价公式为C=2.35+3579.2D2。水头损失计算：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（依据相关资料所取），R1=22.54元/m3，R2=33.95 元/m3，k1=0.5，Y=1.1m。将以上所有数据进行相应计算后代入编程进行计算。得管径与经济流速的对应关系如图1 所示。

图1 不同管径与经济流速对应图

5 结语

由于我国农村分布特点，其供水管线长，通常选取PE 管进行管网建设。在以临邑城乡供水一体化工程为基础，在提高农村供水安全性的同时降低管网建设总投资为目标，得出了适应于城乡供水一体化管网的设计管径和相应经济流速。通过比较可以发现，图1 中的城乡供水一体化经济流速比城市给水管网设计中经济流速小，究其原因有：（1）经济流速是一个动态概念，在综合费用相差不大时，选用较大管径更为经济；（2）农村用水变化系数大，若管径过小，则不能保证供水安全；（3）若流速过大，则沿程水头损失很大。

在实际设计中也可根据距离适当增设中间加压泵站，以此来降低管材相应压力等级，从而降低管网投资费用。值得一提的是，在设计中不能过分地追求经济流速，以免造成浪费。