管网平差中局部水损对精度影响的研究

梁辰

（山西省工业设备安装集团设计院，山西太原 030000）

1 项目概况

大同某一片区进行三供一业改造，该片区由于历史原因，各小区内均有二次供水设备及水池，并有专人管理。经甲方沟通，通过改造配水厂提高出水管内水压，以减少二次加压泵站数量及专业管理人员人数，同时直供部分用户。

该片区西高东低，且地势陡峭，从图1管网自由水压线上也可看出该片区地形走势。西北面有众多老旧小区，小区内二次加压泵站占地面积小，水池无扩建条件。最不利点在西北面北山上，地面标高1102m。现有4个配水厂其地面标高均比较低，节点11、13、16、25分别为二站、时庄、恒安及泉新水厂，地势最低点配水厂标高1041m。

图1 不计水损管网自由水头水压线

城市供水量一般考虑工业生产用水、居民生活用水及漏损水量等。而居民生活用水多与个人生活习性，当地温度环境、卫生器具设备配置及当地经济条件等诸多因素相关。影响城市用水因素诸多，用水性质及用途各不相同，但用水量的变化是能够进行计算得出。

该地区用水主要是住宅区内常住居民的日常生活用水，通过现场调查统计出各小区居民户数，根据《室外给水设计规范》（GB 50013—2006）以及《城市居民生活用水量标准》（GB/T50331—2002）中用水定额以及小时变化系数Kh的相关论述进行用水量计算。

2 理论论述

2.1 管网平差定义及规范相关论述

管网平差是指在初分流量后，以此大体估算确定管径，管网的各个环状闭合差不能满足两方程：连续性方程组（即水量平衡）和能量方程组（水损平衡）。此时就需重新分配各管段的流量，重新对管径进行修正，直至在一定误差内能够满足连续性方程组和能量方程组。大多计算管网平差软件采用哈代·克罗斯迭代法。管网平差的结果可为供水管网的设计优化及运行管理提供更好的指导。

管网平差也可用于管网优化，管网平差设计优化的目的，主要是在满足用户所需水量、水压并兼顾其他设计目标的前提下，求出一定年限内管网建造费用和管理费用之和为最小时的管径（即年折算费用最低的管径），也就是经济管径或优化管径。管网建造费用中主要是管线的费用，它和管材、长度、直径等有关。管理费用主要是泵站将水提升所需的能量费用。能量费用随水泵的流量和扬程而定，扬程取决于管网控制点要求的自由水压、泵站和吸水井的水位差以及管网和输水管的水头损失等。其中水头损失又和管段长度、管径、流量等有关。因此，当管段长度已定时，建造费用和管理费用主要由流量或管径决定。管线造价可表示成管径的函数，进行定量分析。

《室外给水设计规范》（GB50013—2006）中7.2.3条文说明：配水管网水力平差计算，一般不考虑局部水头损失，而新版《室外给水设计规范》（GB50013—2018）条文表述里删除上述相关论述。本文通过两种方案，即考虑局损及不考虑局损分别进行平差，探讨其精度对于工程运用的影响。

2.2 局部水损取值

王晋枫[1]认为平差时对局部水头损失取值由于没有准确数据，根据以往设计经验，局部水损按沿程水头损失的25%计入。

武瑞颖[2]把阀门等效为当量长度并考虑阀门前后不同流态下的水力挠动长度时的水头损失，以此达到分析管网的可靠性。朱寅春[3]认为除了管道沿程摩阻系数的选择会影响平差计算结果外，阀门局部摩阻系数的设置也同样重要。在管网运行过程中，有时会通过调节管网中阀门的开启度来实现管网压力和流量的控制。因此，实际管网中的阀门往往不是处在全开或全闭的状态，对于开启度较小的阀门，即会造成较大的局部水头损失，在管网平差计算中不应忽略。为确保平差计算结果的精度，应在充分调研、掌握真实数据的基础上，在模型上增加阀门数据，并设置相应的局部摩阻系数。尤其是对开启度较小的阀门，其摩阻系数的设置应尽可能准确。

本文局部水头损失按20%进行考虑。若按照前文所述考虑阀门开启度及阀门前后水流状态在工程设计中就显得得不偿失。

3 方案论述

3.1 局部水损对其影响

鉴于以上各种表述，本文采用两种方案，各方案用户用水量、管网布置等均相同，平差时方案1不考虑局损，方案2考虑局损。

对该片区进行调研，确定该项目用水人数及用水量，采用沿线流量的方法确定集中流量。由于该片区部分小区枝状供水，且有些小区不属于供水移交范围内，情况较为复杂，统计出各小区用水量后算出比流量及沿线流量，汇总后计算出集中流量，其中α取0.5。

用管立得软件对该片区进行平差，不计局损及计局损的计算结果分别见表1、表2。

表1 方案1不计局部水损平差计算

以西南角节点25泉新配水厂为例，表1及表2可以看出两者的水压标高变化并不大，约0.7m，水压标高变化率在2%以内，这种变化对于工程设计的影响较小。可见《室外给水设计规范》（GB50013—2006）中7.2.3条文说明：配水管网水力平差计算一般不考虑局部水头损失这一论述是可行的。

表2 方案2计局部水损平差计算

为保险起见，工程设计中按20%沿程水头损失计入局部水损，而如果精确计算局部水损，需要考虑阀门开启度及阀门前后水流状态等诸多影响，增加了工作量，在设计工作中得不偿失。

3.2 地势对其影响

最不利节点24位于北山上，地面标高1102m，恒安、时庄水厂出水水压大致为0.65MPa，水压过大，可能造成漏损率增加。山区供水应优先考虑分区供水。

分区给水[4]是将该城市分割成几个区进行单独供水且每区有独立的泵站和管网。分区作用有以下3点好处：①使管网的水压不超过管材可以承受最大压力，起到保护管材及管件。②分区供水可减少管网漏损水量。③可降低供水设备供水能量，降低费用。分区供水有两种模式：并联分区和串联分区，其优缺点见表3。

表3 分区适用范围及特点

该工程北面属于老旧小区加之本工程属于三供一业项目，在北面新建泵房受到土地及政策限制，分区供水难度较大。而利用原有泵房进行改造不仅受制于原有水泵房水池容积小，调节进水流量与用户用水量差额不够，而且受制于原有水泵房柔性套管管径较小，在现有施工水平下更换柔性套管进行封堵可能会漏水。因此，进行分区供水就显得不现实。通过恒安水厂与泉新水厂供水规模互换，更改两水厂的供水范围以此希望减少管内水压，更换后的管网平差计算结果见表4。方案2的供水范围见图2，方案3的供水范围见图3。图2中最不利点24有泉新水厂供水，粗实线表示该水厂供水范围。图3中最不利点24由恒安水厂供水，粗实线表示该水厂供水范围。

表4 方案3更换水源后计局部水损平差计算

图2 方案2供水分界线

图3 方案3供水分界线

方案2节点16恒安配水厂自由水头为67.671，供水规模277.78L/s；节点25泉新配水厂500L/s，自由水头35.185，由供水分界线上可以看出泉新加压泵站供最不利点。

方案3节点16恒安配水厂自由水头为69.901，供水规模500L/s，由供水分界线上可以看出恒安加压泵站供最不利点。节点25泉新配水厂供水规模277.78L/s，自由水头为32.539。

在专业软件的计算下，每个闭合差接近于0，水源至最不利点各个路径的水损均等效。从计算表中任选一条路径（节点16恒安加压站—节点4最不利控制点），计算结果如表5、表6所示。

表5 方案2管道水损计算

表6 方案3管道水损计算

从以上数据可以看出，尽管更换两水源常供水规模后，其水损是有变化的，但相对于水厂供水水压来说，这种变化很小，变化率低于4%。也即在现有施工水平条件下，其总水损对水泵的选型影响小，水泵水压的选择主要还是取决于地形地势。

山地城市[4]地形起伏比较大，向地势较高地区用户供水和及管网末端供水不仅需要考虑技术方案的合理性还考考虑经济型，这使得山地城市供水管网的运行方式需要分区供水。

4 结语

结合该工程，《室外给水设计规范》（GB50013—2018）条文说明已删除配水管网水力平差计算一般不考虑局部水头损失的相关论述，且平差相关软件里有局部水头损失的相关参数设置。因此，管网平差中应考虑局部水头损失以确保水泵参数有一定的裕量。但如果考虑阀门前后不同流态下的水力挠动，设计工作就显得得不偿失。

通过调换两处水厂出水流量已到达供水服务范围的优化，但这种优化对于山地城市的水厂出水水压变化很小，这就使得工程应用中对于地势起伏较大的供水工程，应优先考虑分区供水，从而降低水量漏耗及降低电耗，以此达到提高供水企业经济效益。

在市政供水管网的输配水系统优化设计中，管网平差的参数设置直接影响工程的可靠性、经济性。设计人员应该对于参数的把控应该慎之又慎，在不同的参数下通过不同的方案进行对比比较也不失为一种好的方法。