多水源樹枝狀供水管網的局部缺水分析與思考

鄭玲　楊軍　王立平　伍紅澤

【摘 要】針對多水源樹枝狀供水管網的局部缺水問題，本文通過水力計算和現場測試分析驗證缺水原因，探討了多水源樹枝狀供水管網的水量分配與管網布置的關系，管網改進后保障了用戶用水。

【關鍵詞】多水源樹枝狀供水管網；局部缺水；分析；思考

1.管網概況

管網是在原管井管線的基礎上陸續建設形成，目前以大口徑井水源為主水源，和4口管井地下水源互補聯合供水，呈樹枝狀，地形落差最高達20多米（管網圖如下圖，括號內數據為用戶日平均需水量）；已運行近二十年，大口徑井過濾能力下降，水質變差，設備設施老化，管道耐壓能力下降，穿孔頻繁，經技術核定，大口井泵站采用變頻恒壓供水方式，運行壓力控制在0.5MPa左右。

2.局部缺水現象

2003年，隨著原油開采任務的增長，用戶需水量上升。2004年3月，一區出現用水緊張現象。為保證原油生產，2004年5月，改造一區供水管線，將DN150管線更換為DN200管線；改造后，一區供水正常，再沒有出現過缺水情況。2005年10月進入用水高峰期，零區開始用水緊張。

3. 水力計算分析

以泵站出水壓力0.55MPa為例。應用水力學中的長距離輸水管計算公式：總水頭差△H=沿程水頭損失hf 進行逐級核算。因管網水質條件惡劣，采用海根——威廉姆公式進行水力計算。過程如下：

3.1計算分枝點3的總水頭

對在惡劣條件下工作的舊管道，取C=60，由海根——威廉姆公式得出hf4-3=0.21m

故，H3=H4-hf4-3=（101.5+55）-0.21=156.29m

3.2計算分枝點2的總水頭，求出零區和一區的流量分配值

為簡化計算，不考慮二區用水。按以下兩種情況進行計算。

3.2.1最有利情況一：假定在分枝點3按對零區和一區最有利的理想狀況分配流量，即按零區和一區的最大需水量分配流量，則Q3-2=80+60=140 m3/h =0.039m3/s

同理，求得，hf3-2=10.18m

故，H2=H3-hf3-2=146.11m

由管網圖，可以看出，泵站到零區的管線轉角很多，局部損失大。因此，不能忽略它的影響，取經驗估算法的最大值百分數15%。再由海根——威廉姆公式得，

……….①

一區管線改造前，為DN150的舊管線，取C1= C0=C=60；一區管線改造后，為DN200的新管線，取C1= 80；

由算式①，得出一區管線改造前，一區管線改造后

據此，按照求得的流量分配比值，由流體運動連續性原理，得零區和一區的流量分配值。圖示如下。

3.2.2最不利情況二：假定DN400管線按二區和五區的最大需水量分配流量，則Q*3-2=280 -（80+60+20）=120 m3/h =0.033m3/s （出水壓力保持在0.55Mpa，泵站出水量280 m3/h。）

同理，由海根——威廉姆公式得，h*f3-2=7.47m

故，H*2=H3-h*f3-2=148.82m

同理，由公式①得出在此種總供水量分配前提下的流量分配比值：

一區管線改造前為，一區管線改造后為，

據此，按照求得的流量分配比值，由流體運動連續性原理，得零區和一區的流量分配值。圖示如下。

3.3水力計算結果：

一區更換管線前，只有達到情況一的條件，零區和一區的流量分配才能恰好滿足二者使用需要；若二區用水，勢必造成一區用水緊張。一區更換管線后，對一區和零區水量影響明顯，一區增加了39%，零區下降了51%；在總來水量最多140 m3/h的前提下，只能滿足一區用水需要，無法滿足零區需要。

4.零區和一區缺水原因

根據水力分析結果，綜合水網現狀，得出以下結論：

4.1系統本身調節能力差。水網是多水源的樹枝狀管網，管路布置不均衡，而且泵站與管井地形落差達20米，并聯運行時，泵站出水阻力必然增加，主要水源---泵站的產水量就會下降，致使系統總水量增長受限。

4.2總用水量增加，系統富余水量減少，造成系統整體調節能力下降。

4.3管網局部改造缺乏系統的考慮，造成改造不合理。一區管線改造后，在不利情況下供水量仍然略微大于用水量，加劇了零區的缺水。

4.4運行壓力偏低，主干線流量小，流速低（最高在0.57～0.81 m/s之間），接近正常水質時要求的最低流速0.6m/s），雜物容易沉積在管中，加速管道於塞，增大水頭損失。

5. 現場測試驗證

5.1測試情況

2005年12月，測試人員對零區進行了實地的流量測試。使用儀器：便攜式超聲波流量計；測試條件：一區停止用水，其他用戶極少量用水。現場測試數據見下表：

5.2測試分析

5.2.1由方案一、方案二和方案三可以看出，采用泵站水泵單機供水方式，在變頻器作用下，提高泵站出水壓力，泵站排量和零區流量同步增長，增長幅度基本一致。

5.2.2對比方案三與方案四和方案五，發現：在泵站出水壓力相同的條件下，開啟古城管井后，雖然總供水量增加，但是泵站2#泵排量與單機供水時相比下降明顯，下降28.57%，并且零區流量的增長十分微弱，僅僅增加了4.2%。

5.3測試結論

對于多水源樹枝狀管網，并聯運行時，水源間的相互干擾較大。

6.實施對策及效果

主要對策是局部改造管網，從主管線（點0附近）上單獨連接一條供應零區的供水管線。根據用戶用水量的變換，適時切換水源，同時調節分段閥門（2井附近）的開啟度。新建一口管井（產水量15m3/h）。對策實施后，系統能保證用戶正常用水。

7.多水源樹枝狀供水管網的思考

7.1多水源枝狀供水管網的布置應盡可能的使產、用水量分布比例相匹配，增強系統本身的調節能力。

7.2多水源管網水泵機組的選型應綜合整個管網的布局、各水源水位、地形高差等因素，整體匹配，盡可能的消減各水源間的相互干擾，使并聯運行效果最優。

7.3地形高差大的管網，運行中應合理切換水源，充分利用地形高差，減少其負面影響。

7.4管網局部改造時考慮要系統、全面，以減少對其他分支的不利影響。

參考文獻：

[1]楊欽 嚴煦世：給水排水工程 中國建筑工業出版社.

作者簡介：

鄭玲（1969.3- ）女 畢業于揚州工學院給水排水專業 現任河南石油勘探局水電廠給排水副主任師 給排水工程師。