山區(qū)輸配水管網(wǎng)沿線流量與節(jié)點流量的簡化計算研究

(中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京 100022)

引 言

按照水質(zhì)、水量、用水方便程度等指標(biāo)衡量，目前全國尚有3億多農(nóng)村人口(中西部地區(qū)占80%)飲水未達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。2005年，國家啟動了農(nóng)村飲水安全應(yīng)急工程，解決農(nóng)村人口飲水安全問題。“十二五”期間，將把農(nóng)村飲水安全工程作為社會主義新農(nóng)村建設(shè)的重點內(nèi)容之一，全面解決2.98億農(nóng)村人口和11.4萬所農(nóng)村學(xué)校師生的飲水安全問題。

在農(nóng)村飲水安全應(yīng)急工程設(shè)計中，管網(wǎng)與輸水管管徑的確定是輸配水工程設(shè)計計算的兩大課題之一。在管網(wǎng)與輸水管的布置完成后，其管徑確定的合理與否就成為影響輸配水系統(tǒng)投資與運行費用的主要因素。管徑確定時，首先要知道各管段計算流量，為此必須先確定沿線流量與節(jié)點流量。本文引入沿線流量和節(jié)點流量兩個概念：沿線流量實質(zhì)是對管網(wǎng)管段實際流量分配的一種近似，是為了方便計算而引入的一個計算參數(shù)； 節(jié)點流量表示一個節(jié)點上的總體流量，節(jié)點流量跟方向無關(guān)，只要通過節(jié)點的單位量的集合就是節(jié)點流量。基于上述兩個概念，介紹沿線流量與節(jié)點流量計算方法，并結(jié)合典型山區(qū)農(nóng)村供水工程輸配水設(shè)計實例進(jìn)行驗證分析。

1 沿線流量

實際的配水情況很復(fù)雜，計算時往往加以簡化，即假定q1、q2……這些小用戶用水量的總和均勻分布在全部干管(包括連接管)上，由此可算出單位管長流出的流量，這個流量叫作比流量。比流量可按下式計算：

(1)

式中qs——比流量，L/(s·m);

Q——管網(wǎng)的計算流量，L/s；

∑Qi——各大用戶集中用水量之和，L/s;

∑l——管網(wǎng)各管段計算長度之和，m。

具體見圖1。

圖1 比流量計算

可見，干管的總長度一定時，比流量隨用水量增減而變化。根據(jù)比流量求出各管段沿線流量的公式如下：

ql=qsl

(2)

式中ql——沿線流量，L/s;

l——計算管段的長度，m。

整個管線的流量總和∑ql等于qs∑l，∑qsl等于管網(wǎng)供給總水量減去集中供水量，即：

∑qsl=Q-∑q

(3)

計算沿線比流量，簡單方便，但存在一定的缺陷。因為它忽視了沿線供水人數(shù)和用水量的差別，所以可能與各管段的實際配水情況并不一致。為此，可計算面積比流量qA:

(4)

式中qA——面積比流量，L/(s·m2)；

A——管段供水面積，m2；

∑A——供水區(qū)總面積，m2；

2 節(jié)點流量

管網(wǎng)中任一管段的流量由兩部分組成：一部分是通過該管段輸水到以后管段的轉(zhuǎn)輸流量qt，另一部分是沿管線流出的沿線流量ql。由于對于流量變化的管段，管徑和水頭損失難以確定，因此有必要對管段流量的計算進(jìn)一步加以處理、簡化，簡化計算見圖2。

圖2 沿線流量折算為節(jié)點流量

從圖2可知，若假定從起端1流出的流量為(1-α)ql，從起端2流出的流量為αql，即將沿線流量ql折算成節(jié)點1、2流出的流量，則1-2管段沿管線不再有流量流出，流量將不再沿管線發(fā)生變化，其值為qt+αql，α為折算系數(shù)。α可根據(jù)沿線流量折算前后產(chǎn)生的水頭損失不變這一條件求得。

折算前，通過管段1-2任一斷面上的流量為：

(5)

管段dx中的水頭損失為：

(6)

式中a——管段的比阻。

流量變化的管段1-2中的水頭損失可表示為：

(7)

得：

(8)

折算后，1-2管段的流量為：

q1-2=qt+aql=ql(γ+α)

(9)

根據(jù)沿線流量折算前后產(chǎn)生的水頭損失不變的條件，令式(7)等于式(9)，就可得出折算系數(shù)：

(10)

取水頭損失公式的指數(shù)n=2，代入并簡化，得：

(11)

從上式可見，折算系數(shù)只與值有關(guān)。由此可見，由于管段在管網(wǎng)中的位置不同，γ值不同，導(dǎo)致不同管段沿線流量的折算系數(shù)α值不同。一般來說，在靠近管網(wǎng)起端的管段，因轉(zhuǎn)輸流量比沿線流量大得多，α值接近于0.5； 而靠近管網(wǎng)末端的管段，α值大于0.5。為進(jìn)一步簡化管網(wǎng)計算，通常假定α=0.5。因此，管網(wǎng)任一節(jié)點的節(jié)點流量為：

(12)

即任一節(jié)點i的節(jié)點流量等于與該節(jié)點相連各管段的沿線流量ql總和的一半。這樣，管網(wǎng)圖上只有集中在節(jié)點的流量，包括由沿線流量折算的節(jié)點流量和大用戶的集中流量。大用戶的集中流量，可以在管網(wǎng)圖上單獨注明，也可和節(jié)點流量加起來，在相應(yīng)節(jié)點上注出總流量。一般在管網(wǎng)計算圖的節(jié)點旁引出箭頭，注明該節(jié)點的流量，以便于進(jìn)一步計算。

3 工程實例

福建省某山區(qū)農(nóng)村供水工程位于北緯25°04′，東經(jīng)118°13′，土地面積49.94km2。該農(nóng)村飲水安全項目(變更)供水對象為一般村落，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—94)規(guī)定，工程等別為Ⅴ等，永久性水工建筑級別為5級，對5級供水工程水工建筑物不作防洪標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。本項目中小型攔河壩壩高僅1.5m，壩址上游集雨面積均不大，攔河壩下游沒有重要的保護(hù)對象，本次設(shè)計不作防洪設(shè)計。根據(jù)上述介紹的方法進(jìn)行計算，典型管段水力計算結(jié)果見表1、表2：

表1 輸水管水力計算成果

表2 配水管水力計算成果

續(xù)表

計算結(jié)果合理，為輸配水工程設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié) 語

輸配水工程作為山區(qū)農(nóng)村供水工程的常見結(jié)構(gòu)，根據(jù)水力學(xué)要求，需要科學(xué)合理的流量計算。采用沿線流量與節(jié)點流量關(guān)系推演方法進(jìn)行簡化計算，能滿足設(shè)計要求，比用其他方法所得到的流量計算數(shù)值要準(zhǔn)確，而且方法簡單，適合推廣到由于設(shè)計經(jīng)費限制而不能采用水力學(xué)實驗驗證的山區(qū)農(nóng)村供水工程的設(shè)計，有較強的工程應(yīng)用價值。

1 陳森發(fā).一種復(fù)雜城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的簡化方法[J].中國給水排水,1994,10(6):5-8.

2 劉家春，等.城鎮(zhèn)管網(wǎng)外延供水管網(wǎng)的設(shè)計[J].陜西水利,2011(01)：67-68.

3 石繼，等.圖論法用于供水管網(wǎng)水力計算的研究[J].水利學(xué)報,1999,(2):49-56.

4 劉敏南.供水管網(wǎng)水力計算與優(yōu)化調(diào)度[J].水力學(xué)報,1995,(9):32-39.

5 肖璐,趙廷紅，等.用年費用最小法計算管路經(jīng)濟管徑[J].水電能源科學(xué)，2011，29(8)：118-120.