山区输配水管网沿线流量与节点流量的简化计算研究

(中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京 100022)

引 言

按照水质、水量、用水方便程度等指标衡量，目前全国尚有3亿多农村人口(中西部地区占80%)饮水未达到安全标准。2005年，国家启动了农村饮水安全应急工程，解决农村人口饮水安全问题。“十二五”期间，将把农村饮水安全工程作为社会主义新农村建设的重点内容之一，全面解决2.98亿农村人口和11.4万所农村学校师生的饮水安全问题。

在农村饮水安全应急工程设计中，管网与输水管管径的确定是输配水工程设计计算的两大课题之一。在管网与输水管的布置完成后，其管径确定的合理与否就成为影响输配水系统投资与运行费用的主要因素。管径确定时，首先要知道各管段计算流量，为此必须先确定沿线流量与节点流量。本文引入沿线流量和节点流量两个概念：沿线流量实质是对管网管段实际流量分配的一种近似，是为了方便计算而引入的一个计算参数； 节点流量表示一个节点上的总体流量，节点流量跟方向无关，只要通过节点的单位量的集合就是节点流量。基于上述两个概念，介绍沿线流量与节点流量计算方法，并结合典型山区农村供水工程输配水设计实例进行验证分析。

1 沿线流量

实际的配水情况很复杂，计算时往往加以简化，即假定q1、q2……这些小用户用水量的总和均匀分布在全部干管(包括连接管)上，由此可算出单位管长流出的流量，这个流量叫作比流量。比流量可按下式计算：

(1)

式中qs——比流量，L/(s·m);

Q——管网的计算流量，L/s；

∑Qi——各大用户集中用水量之和，L/s;

∑l——管网各管段计算长度之和，m。

具体见图1。

图1 比流量计算

可见，干管的总长度一定时，比流量随用水量增减而变化。根据比流量求出各管段沿线流量的公式如下：

ql=qsl

(2)

式中ql——沿线流量，L/s;

l——计算管段的长度，m。

整个管线的流量总和∑ql等于qs∑l，∑qsl等于管网供给总水量减去集中供水量，即：

∑qsl=Q-∑q

(3)

计算沿线比流量，简单方便，但存在一定的缺陷。因为它忽视了沿线供水人数和用水量的差别，所以可能与各管段的实际配水情况并不一致。为此，可计算面积比流量qA:

(4)

式中qA——面积比流量，L/(s·m2)；

A——管段供水面积，m2；

∑A——供水区总面积，m2；

2 节点流量

管网中任一管段的流量由两部分组成：一部分是通过该管段输水到以后管段的转输流量qt，另一部分是沿管线流出的沿线流量ql。由于对于流量变化的管段，管径和水头损失难以确定，因此有必要对管段流量的计算进一步加以处理、简化，简化计算见图2。

图2 沿线流量折算为节点流量

从图2可知，若假定从起端1流出的流量为(1-α)ql，从起端2流出的流量为αql，即将沿线流量ql折算成节点1、2流出的流量，则1-2管段沿管线不再有流量流出，流量将不再沿管线发生变化，其值为qt+αql，α为折算系数。α可根据沿线流量折算前后产生的水头损失不变这一条件求得。

折算前，通过管段1-2任一断面上的流量为：

(5)

管段dx中的水头损失为：

(6)

式中a——管段的比阻。

流量变化的管段1-2中的水头损失可表示为：

(7)

得：

(8)

折算后，1-2管段的流量为：

q1-2=qt+aql=ql(γ+α)

(9)

根据沿线流量折算前后产生的水头损失不变的条件，令式(7)等于式(9)，就可得出折算系数：

(10)

取水头损失公式的指数n=2，代入并简化，得：

(11)

从上式可见，折算系数只与值有关。由此可见，由于管段在管网中的位置不同，γ值不同，导致不同管段沿线流量的折算系数α值不同。一般来说，在靠近管网起端的管段，因转输流量比沿线流量大得多，α值接近于0.5； 而靠近管网末端的管段，α值大于0.5。为进一步简化管网计算，通常假定α=0.5。因此，管网任一节点的节点流量为：

(12)

即任一节点i的节点流量等于与该节点相连各管段的沿线流量ql总和的一半。这样，管网图上只有集中在节点的流量，包括由沿线流量折算的节点流量和大用户的集中流量。大用户的集中流量，可以在管网图上单独注明，也可和节点流量加起来，在相应节点上注出总流量。一般在管网计算图的节点旁引出箭头，注明该节点的流量，以便于进一步计算。

3 工程实例

福建省某山区农村供水工程位于北纬25°04′，东经118°13′，土地面积49.94km2。该农村饮水安全项目(变更)供水对象为一般村落，根据《防洪标准》(GB 50201—94)规定，工程等别为Ⅴ等，永久性水工建筑级别为5级，对5级供水工程水工建筑物不作防洪标准规定。本项目中小型拦河坝坝高仅1.5m，坝址上游集雨面积均不大，拦河坝下游没有重要的保护对象，本次设计不作防洪设计。根据上述介绍的方法进行计算，典型管段水力计算结果见表1、表2：

表1 输水管水力计算成果

表2 配水管水力计算成果

续表

计算结果合理，为输配水工程设计提供了科学依据。

4 结 语

输配水工程作为山区农村供水工程的常见结构，根据水力学要求，需要科学合理的流量计算。采用沿线流量与节点流量关系推演方法进行简化计算，能满足设计要求，比用其他方法所得到的流量计算数值要准确，而且方法简单，适合推广到由于设计经费限制而不能采用水力学实验验证的山区农村供水工程的设计，有较强的工程应用价值。

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