辽西农村饮水安全工程枝状管网水力计算方法

李海军，李香凝

（1.辽宁省阜新蒙古族自治县水利局，辽宁阜新123100；2.沈阳农业大学水利学院，辽宁 沈阳 110866）

农村饮水安全工程供水管网水力计算比较繁琐，工作量大，若计算方法不当，管网设计流量与实际用水量出现较大偏差，会出现设计管径过大浪费资金或设计管径偏小不能保证用户正常用水两种情况。

辽西丘陵区农村缺水村屯多分布在偏远地区，住户零散，屯内居民多在百户左右。且自然屯之间距离较远，地形复杂，房屋分散不均，适合单村屯供水,不适宜联村供水，供水管网多采用枝状管网布设。通过比流量法和节点流量试算法的比较，得出用节点流量试算法计算出的管径更符合实际，且计算过程简单，容易操作。

1 比流量法

辽西地区现在多采用比流量法进行枝状管网水力计算，该方法假设管路沿线用水户均匀分布，将扣除了集中流量后的用水量均匀分布在干管上，计算出单位长度上的流量，该流量就是长度比流量。计算过程如下：

1.1 计算比流量

计算公式为：

式中：qs——比流量，m3/（s·m）；Q ——管网设计流量，按最高日最高时流量计算，m3/s；∑q——大用户集中于节点的总流量，m3/s；∑L——干管总长度m，不配水的管段不计，只有一侧配水的管段折半计。

1.2 计算沿程流量

计算公式为：

式中：qs——比流量，m3/（s·m）；l——该管段管长，m。

1.3 计算节点流量

计算公式为：

式中：qi——节点流量，m3/（s·m）；∑ql——与计算节点相连的所有管段沿程流量总和，m3/（s·m）。

1.4 管径计算

计算公式为：

式中：D——管道内径，m；Q——管道内计算流量，m3/s(枝状网的任一管段的计算流量等于该管段以后所有节点流量的总和)；v——经济流速，m/s，取 0.8 m/s。

该计算方法，未考虑农村住户零散，分布不均匀，管段沿线用水量存在的差别，计算出的管段流量和管径不太符合实际[1]。

2 节点流量试算法

节点流量试算法是将用水户分布在各个节点上，各管段只起到了输水管道的作用，直接把各节点上的用户用水量简化到各节点的节点流量上，计算各管段管径，并利用Excel表格插入公式进行试算调整，使管径、管道总水头损失和自由水头值趋于合理值。计算过程如下：

2.1 用水量计算

首先按照SL687-2014《村镇供水工程设计规范》有关规定，并结合项目区实际情况计算出供水工程的最大小时供水量W小时。

2.2 节点流量

节点流量为节点后各用水户用水量的和。计算方法：

式中：qi——节点流量，m3/h；W小时——最大小时供水量，m3/h；M总——总用水户数，户；Mi——节点用水户数，户。

2.3 管段流量

管段上的流量为其后所有节点流量与集中流量的和。计算方法：

式中：QL——管段流量，m3/h；Qi——集中用水量，m3/h；∑qi——节点流量和，m3/h。

2.4 管径计算

计算公式为：

式中：D——管道内径，m；Q——管道内计算流量，m3/s(枝状网的任一管段的计算流量等于该管段以后所有节点流量的总和)；v——经济流速，m/s，取0.8 m/s。

2.5 管道水头损失估算

1）沿程水头损失

计算公式为：

式中：hl——沿程水头损失，m；L——计算管段的长度，m；i——单位管长水头损失，m/m；C——海曾威廉系数，按塑料管取140；Q——管段流量，m3/s；d——管道内径，m。

2）局部水头损失

式中：hj——局部水头损失；hl——沿程水头损失。

3）管道总水头损失

4）节点累计水头损失

根据计算已得的各管段水头损失值，从井位节点开始，沿水流方向计算各节点累计水头损失值，节点累计水头损失值等于该节点与井位节点间各管段的水头损失之和。

2.6 节点水头计算

经列表计算各节点与水源井处地面高差和该节点累计水头损失之和，最大值节点为最不利点,以最不利节点值加上自由水压10 m作为控制值，计算各节点自由水头。

2.7 利用Excel表格插入公式进行计算

为准确快速地完成计算，在Excel表格中插入计算公式,分列进行计算[2]。

2.8 验算调整

1）调整不利管线的管径，选取计算应选取管径的上一级管径，以减小地面高差与累计水头损失之和的数值。

2）通过试算调整选取常用规格管径，通常选取直径110，75，63，50，32，20 mm的PE管。

3）根据SL687-2014《村镇供水工程设计规范》一般管径110 mm控制170～220户；管径75 mm控制80～110户；管径50 mm控制30～60户；管径32 mm控制5～15户；管径20 mm控制1～3户。同时控制供水户数还要根据住户间距和管道总长等因素确定,管径20 mm的PE管管长不宜超过100 m，管径32 mm的PE管管长不宜超过200 m。

4）对有可能增加供水用户的区域根据发展需求适当增大供水管径。

3 比流量法和节点流量试算法工程实例对比

工程为辽宁省阜新市某村屯饮水安全工程，项目区为1个自然屯，辖区面积0.22 km2，107户，420口人，饲养马驴等大牲畜300头，管网布置和用户分布情况，见图1。通过分别采用比流量法和节点流量试算法对该工程0-1，1-2和1-3管段进行水力计算对比分析。

图1 饮水安全工程管网布置图

表1 计算节点地面工程

3.1 用水量计算

经计算该工程最大小时供水量：

W小时=K小时Q/h=3×59.12/9=19.71 m3/h=5.475 L/s

式中：W小时——最大小时供水量，m3/h；K小时——小时变化系数，取3；h——每天工作小时数，取9 h。

3.2 管段流量计算

比流量法和节点流量试算法计算成果对比，见表2。

从对比表中可以看出，采用比流量法管段1-2和管段1-3用水户数仅差1户，用水量相差0.35 l/s，明显不符合实际。

3.3 管网水力计算

1）比流量法管网水力计算结果，见表3。

2）节点流量试算法管网水力计算结果，见表4。

3）计算结果对比。

通过以上2种方法进行管网水力计算，可以发现采用节点流量试算法可以直观发现最不利管段为1-2管段，采用外径40 mm供水管明显水头损失偏大，不能保证正常供水；同时发现采用比流量法计算的0-1管段管径过大，1-3管段管径过小。该工程按照节点流量法计算成果进行施工，现工程运行良好，无不能供水用户。

表2 两种方法计算管段流量成果对比表

表3 比流量法管网水力计算成果表

表4 节点流量试算法管网水力计算成果表

4 结语

1）对于住户零散不均匀的村屯，采用节点流量法进行饮水安全工程枝状管网水力计算简单确切，能够保证用水户正常用水，同时避免因管网管径过大，浪费资金。

2）把管段的管径计算和自由水头计算合并为一个表格，并利用Excel表格插入公式进行试算，可以对比分析不同管径的管路水头损失、地面高差与累计水头损失之和、自由水头数值，可以省时省力地选出最合理的管径。