農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)設(shè)計探討

侯桂蘭

（新疆新和縣水利局，新疆 新和 842100）

0 前言

新和縣位于新疆天山南麓，塔里木盆地以北，東依庫車，南連沙雅，西接溫宿，北鄰拜城，為典型的溫帶大陸性氣候，新和縣下轄六鄉(xiāng)兩鎮(zhèn)一場，128 個行政村，農(nóng)村人口約14 萬人次。自1989 年以來，新和縣共實施農(nóng)村飲水工程41 項，通過管網(wǎng)聯(lián)并，擴建、改擴建工程，形成4 個水源水廠。目前，新和縣實施的農(nóng)村飲水安全工程已覆蓋全縣各行政村，自來水入戶率達(dá)90%以上。由于“九五”、“十五”期間實施的農(nóng)村飲水工程投資少，規(guī)模小，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高，工程使用年限長，供水設(shè)施不完善，管網(wǎng)老化，管徑小等因素，供水保證率不高。為了更快的解決農(nóng)村人口安全飲水問題，建議在新和縣擬建農(nóng)村安全飲水工程，工程主要通過在五一水庫水源地建集中水源，鋪設(shè)2～3 個主管網(wǎng)向各供水區(qū)域配水。

工程內(nèi)容主要包括取水建筑物、輸水管線、水處理構(gòu)件、調(diào)增壓建筑物、配水管網(wǎng)等，其中發(fā)揮關(guān)鍵性控制作用的建筑物主要是配水管網(wǎng)。采用環(huán)形管網(wǎng)布設(shè)方式，水源地與用水節(jié)點之間通過輸水管段連接，管網(wǎng)初設(shè)使用鍍鋅鋼管和聚乙烯管管材并由10 個供水節(jié)點和13 段管段組成整個供水管網(wǎng)。本文基于新和縣農(nóng)村飲水工程管網(wǎng)初設(shè)，進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計和管徑組合優(yōu)化設(shè)計探討。

1 計算條件和管網(wǎng)布置

配水管材的選擇必須考慮其衛(wèi)生指標(biāo)、物化穩(wěn)定性能、良好的水力性能、不易于污垢沉積、抗壓耐壓性能持久、運輸方便、經(jīng)濟合理、維護便利、環(huán)保易回收[1]等。工程規(guī)模不大，供水能力較小，所要求的管徑應(yīng)在DN100～DN400 范圍內(nèi)，所以選擇鍍鋅鋼管和聚乙烯管。其中鍍鋅鋼管主要用于埋鋪困難且機械要求較高的區(qū)域，聚乙烯管用于土質(zhì)易開挖區(qū)域。將3%的供水管道修筑及管溝開挖回填土方考慮在內(nèi)的工程預(yù)算定額所規(guī)定的配水管材單位造價具體見表1。

表1 農(nóng)村飲水工程配水管材的單位造價

2 配水管網(wǎng)水力計算

2.1 配水管網(wǎng)及配水管段設(shè)計流量

配水管網(wǎng)的設(shè)計流量首先必須滿足供水對象日最高和時最高用水量的需求，按下式計算：

式中：Q配為配水管網(wǎng)設(shè)計流量，m3/s；Q設(shè)為以日最高用水量所計算的管網(wǎng)設(shè)計供水能力，m3/s；Kh為時變化系數(shù)，其取值根據(jù)表2 確定。

表2 農(nóng)村供水工程全日供水的時變化系數(shù)

農(nóng)村供水工程日最高時最高用水量是配水管網(wǎng)中全部管段沿線出流量之和，可以按照以下方法進(jìn)行管段流量設(shè)計。如果實行樹枝狀配水管網(wǎng)，則管段沿線出流量的一半再加上下游配水管段沿線出流量之和即為管網(wǎng)設(shè)計流量；如果實行的是環(huán)狀配水管網(wǎng)，則應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)平差設(shè)計配水管段流量，并采用哈代- 克羅斯管網(wǎng)分析方法[2]，進(jìn)行各管段設(shè)計流量的修正，并將其結(jié)果標(biāo)注于管網(wǎng)水力計算圖內(nèi)。配水管段設(shè)計流量按下式計算：

式中：Q段為配水管段設(shè)計流量，m3/s；∑Q節(jié)為節(jié)點出流量之和，m3/s。

2.2 確定人均用水當(dāng)量

新和縣農(nóng)村安全飲水工程人均用水當(dāng)量q0按下式計算：

式中：∑Q焦為供水對象時最高用水量之和，m3/s；P 為設(shè)計供水人數(shù)。

2.3 沿線及節(jié)點出流量

在計算出供水管段沿線出流量和節(jié)點流量的基礎(chǔ)上才能進(jìn)一步計算管段設(shè)計流量。管段向外配水流量即為沿線出流量。新和縣農(nóng)村供水工程供水對象數(shù)量明確，供水規(guī)模不大，故采用人均用水當(dāng)量法進(jìn)行配水管段沿線出流量計算，具體如下：

式中：q1為配水管段沿線出流量m3/s；P1為配水管段供水人口設(shè)計數(shù)。

配水管網(wǎng)節(jié)點出流量之和為節(jié)點出流量。新和縣農(nóng)村供水工程管網(wǎng)各節(jié)點出流量是綜合用水沿線出流量q1，沿管段方向出流量逐漸遞減，最終減小為零，各節(jié)點出流量同時也是供水管路下游單位供水對象時最高用水量之和的集中出流量。配水管段各節(jié)點出流量按下式計算：

由此可知，各節(jié)點出流量僅為對應(yīng)節(jié)點連接管段沿線總流量的一半。

在飲水工程設(shè)計及管網(wǎng)水力計算圖的繪制過程中，用小圓圈表示配水管網(wǎng)折點、用水點、集中出流點等管段節(jié)點，見圖1。

圖1 新和縣農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)水力計算簡圖

2.4 配水管道內(nèi)徑計算

配水管道內(nèi)徑按下式計算：

式中：D 為配水管道內(nèi)徑，mm；Ve為經(jīng)濟流速，m/s，其取值須充分考慮工程所在地材料的單價、人工費等，管道經(jīng)濟流速與管道內(nèi)徑呈正比例關(guān)系，隨著管道內(nèi)徑的增大則經(jīng)濟流速逐漸變大。

經(jīng)分析經(jīng)濟流速為0.55 m/s～0.75 m/s，支線管道經(jīng)濟流速為0.75 m/s～1.05 m/s。對于必須配備消防栓設(shè)備的管道，其內(nèi)徑不小于100 mm。

2.5 管道水頭損失

配水管網(wǎng)水頭損失計算除考慮沿程水頭損失h1外，還必須考慮局部水頭損失h2，局部水頭損失以管道沿程水頭損失的10%計。

鍍鋅鋼管水力坡度計算：

式中：v 為管內(nèi)水流流速，m/s；dj為配水管道內(nèi)徑，m；i 為水力坡度，m/m。

聚乙烯管水力坡度的計算：

配水管道水頭損失h 計算如下：

式中：h1為沿程水頭損失，m；h2為局部水頭損失，m；L 為入戶進(jìn)水管管長，m。

3 配水管網(wǎng)設(shè)計結(jié)果及討論

充分考慮供水安全因素，配水管網(wǎng)通過連通設(shè)置形成環(huán)狀回路。分別計算管徑為100 mm、150 mm、200 mm、300 mm和400 mm情況下的節(jié)點壓力水頭，得到工程配水管網(wǎng)設(shè)計結(jié)果，見表3。

表3 新和縣農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)設(shè)計結(jié)果

工程所在地區(qū)為山區(qū)，住戶居住地不集中，進(jìn)戶水管過長，根據(jù)配水管網(wǎng)設(shè)計相關(guān)理論，單位管段水力損失主要受管徑和流速的影響[3]，在管徑和流量相同時，單位管段水力損失不變，隨著入戶進(jìn)水管管長的增長，沿程水頭損失和管道輸水損失都將增加，管道終節(jié)點自由水頭減小，在較高的地面高程和高差較大的村莊將出現(xiàn)高處無水、低處有水的情況。

根據(jù)比流量法理論，配水管網(wǎng)總設(shè)計流量既定，管長與比流量反向變化[4]，即管長增加，比流量減小，分配至各管段的沿線流量隨之減小。當(dāng)管道流量等于0.1 L/s 時，可滿足設(shè)計流速≥0.5 m/s 的要求，所以在管網(wǎng)施工時切忌隨意增加岔管降低比流量和用水量。

此外，還須根據(jù)建筑物高度合理確定最不利配水點的自由水頭，單層建筑標(biāo)高5 m～10 m，二層建筑標(biāo)高10 m～15 m，以上各層依次遞增3.5 m～4.0 m；根據(jù)最不利配水點水壓線標(biāo)高由下至上推算各節(jié)點的水壓線標(biāo)高，下游節(jié)點水壓線標(biāo)高累加上游管段水頭損失總量即為上游節(jié)點水壓線標(biāo)高，同時將管段最大靜水壓力控制在40 m 范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

農(nóng)村安全飲水工程配水管網(wǎng)的設(shè)計是工程實施的關(guān)鍵，直接關(guān)系到工程的供水效率。新和縣農(nóng)村安全飲水工程在配水管材的選擇方面主要采用鍍鋅鋼管和聚乙烯管兩種管材，并依據(jù)設(shè)計流量和流速確定管徑及各管段水頭損失。本文所進(jìn)行的管網(wǎng)布置和配水管網(wǎng)設(shè)計對新和縣農(nóng)村安全飲水工程的實施具有很大的實用價值，可為具體工程實施提供借鑒參考。