農村環形供水之初探討

劉偉 柏大團 周路寶

【摘要】飲水安全工程中管網水壓和水量對整個供水管網的運行影響很大。目前連云港市贛榆區絕大多數農村地區供水管網布設方式為樹枝型管網，有些管網鋪設年代較早，隨著用水量不斷增加，原管道供水能力已不能滿足需水區的用水要求。本文主要對贛榆區青口鎮南部18個農村供水主管網進行了升級改造設計，將現狀樹枝型供水管網升級為環形供水管網，并對改造后的管網進行了水力計算。計算結果表明，在各節點需水量不變的情況下，改造后的環形管網節點水壓上升，達到最低服務水頭要求，同時可提高供水保證率并節約管網投資。

【關鍵詞】農村供水；樹枝型供水管網；環形供水管網；管網水力計算

、供水工程供水管網一般分為樹枝型和環形兩種形式。農村供水管網以樹枝型為主，相對于環形管網具有節約管材、造價低的優點，缺點為供水保證率不如環形管網。

連云港市贛榆區農村供水主管網現狀主要以樹枝型管網為主，隨著管網供水范圍的擴大，以及需水區用水量的上升，原管網普遍存在供水能力不足、水壓不夠和供水保證率低的情況，樹枝型管網的缺點被不斷放大，甚至影響到農村用水安全。本文著眼于對贛榆區青口鎮南部農村樹枝型供水管網進行改造，意在盡量利用現狀供水管網的基礎上，將樹枝型管網改造為環形供水管網，以求提升管網供水能力和服務水頭，并提高管網供水保證率。同時對改造前后的管網進行水力計算對比，凸顯改造后的環形管網的優勢，為后續的農村供水管網改造工程提供一個可參考的思路。

一、基本情況

青口鎮南部農村飲水安全項目實施較早，當初所鋪設管道管徑較小，隨著項目區內用水規模逐年增長，現狀管道供水能力逐漸不能滿足需水區用水要求。另外由于管網形式為樹枝狀，經常發生管道因過路段被壓壞或者施工隊挖斷管道導致停水的事故，供水保證率大大降低，農民用水安全得不到保障。

二、工程布置

項目區本次鋪設三條主管，分別為大莊村至新村DN160主管、朱南干渠南堤DN160主管、新村至二溝村DN160主管，通過鋪設此3條主管，與域內現狀主管形成環形管網，提高供水能力和保證率。

1大莊村至新村DN160主管：自大莊村南現狀主管分流，往南鋪設DN160主管至新村，與新村內主管閉合，全長4014m。

2朱南干渠南堤DN160主管：沿朱南干渠南堤往東鋪設DN160主管至老204國道與現狀主管閉合，該段主管全長1554m。

3自新村現狀主管沿范河北堤往東鋪設DN160主管至新204國道折向北至城新村，再往北至二溝村，與二溝村現狀主管閉合，該段主管全長5165m。

三、改造后環形管網水力計算

計算原理基于質量守恒和能量守恒，環狀網計算即為聯立求解連續性方程、能量方程和壓降方程。

1環形管網計算原理

（1）連續性方程

任一節點，流向該節點的流量等于從該節點流出的流量。假定從節點流出的流量為正，流向節點的流量為負，得：

式中：

qi——節點流量，（m3/s）；

qij——該節點上的各管段流量，（m3/s）。

（2）能量方程

管網每一環中各管段的水頭損失之總和等于零。一般假定，水流順時針的管段，水頭損失為正，逆時針方向的為負，得：

式中：

hij——管段沿程水頭損失，（m）。

（3）壓降方程

表示管段流量和水頭損失的關系，為：

式中：

Hi——節點i對某一基準點的水壓，（m）；

Hj——節點j對某一基準點的水壓，（m）；

Sij——管段摩阻。

2環形管網計算

環形網計算采用哈代-克羅斯法，即管網平差計算方法。主要計算步驟如下：

（1）根據管網供水情況，擬定環狀網各管段水流方向，根據連續性方程，并考慮供水可靠性進行流量分配，得到初步分配的管段流量qij。

（2）根據管段流量qij，按經濟流速確定管徑。

（3）求各管段的摩阻系數Sij，然后求水頭損失：

（4）假定各環內水流順時針方向管段的水頭損失為正，水流逆時針方向管段的水頭損失為負。計算各環內管段水頭損失代數和∑hij。∑hij不等于零時，以△hi表示，稱為閉合差。△hi>0，說明順時針方向各管段中初步分配的流量多了一些，逆時針方向管段中分配的流量少了些；△hi<0，說明順時針方向各管段中初步分配的流量少了一些，逆時針方向管段中分配的流量多了些。

（5）按下式計算各環的校正流量△qi，若閉合差為正，校正流量為負；反之，校正流量為正。

式中， b=1.852。

（6）設校正流量△qi符號以順時針方向為正，逆時針方向為負，凡是流向和校正流量△qi方向相同的管段，加上校正流量，否則減去校正流量，據此調整各管段流量，得到校正后的管段流量。

（7）按校正后的管段流量再進行計算，如果閉合差未能達到允許的精度，再從（3）進行反復計算，直到閉合差滿足要求。

根據《村鎮供水工程技術規范》要求，手工計算時，每環閉合差小于0.5m，大環閉合差小于1.0m。

3水力計算結果

根據管網布置，簡化為四個內環，根據初步分配流量計算，環1閉合差為0.01，環2為0.16，環3為0.61，環4為0.14，其中環3閉合差不滿足內環閉合差小于0.5m的規范要求。經一次校正，環1閉合差為0.03，環2為0.27，環3為0.16，環4為0.39，均滿足《村鎮供水工程技術規范》（SL687-2014）管網平差精度要求。

根據主管網平差計算滿足精度要求的前提下進行水力計算，計算工況為最高日最高用水時，時變化系數為2.0。局部水頭損失取沿程水頭損失的8%。

經計算，項目區在改造后管網節點服務水頭均滿足規范要求的10～12m最低服務水頭。

四、結語

1本文主要對青口鎮南部農村供水管網進行改造設計，通過鋪設管道，連接現狀管網，最終形成環形管網。改造前的樹枝型管網和改造后的環形管網水力計算結果表明，在項目區需水量不變的情況下，最高日最高時的管網節點服務水頭發生了明顯的變化，原來不滿足最低服務水頭的農村在改造后均達到規范要求。

2本次改造不僅提升項目區服務水頭，同時實現區內供水管網環形封閉，在農村建設活動頻繁的情況下，對保護農村供水管網，提升保證率，均可發揮重要作用。同時改造工程可最大程度利用現有管網，大大節約管材，降低造價。