城鄉供水一體化管網經濟流速的研究

劉淑麗，韓慶祥，張得同

（山東建筑大學，濟南250000）

1 城鄉供水一體化的特點

農村供水工程是以滿足村鎮居民和企事業單位日常用水需要為主的供水工程[1]，主要特點為：（1）規模?。唬?）對象是村民生活用水；（3）偏經濟型；（4）工業用水量不斷增大等特點。

1.1 城鄉供水一體化存在的問題

城鄉供水一體化關乎民生，合理的工程設計不僅可以提高農村供水安全性，還能降低工程投資費用。當前城鄉一體化工程存在供水用水保證率低、管網節點壓力大[2]、水齡長、供水水質不達標、爆管時有發生等問題，管徑選取不合理是主要原因，選取合適的經濟流速可降低管網投資，還可以提高管網供水可靠性和保障率。

1.2 現行經濟流速的取值范圍

經濟流速在數學上表現為求一定年限t 內管網造價和管網費用之和的最小流速。目前，不同管徑和其對應的經濟流速取值范圍較大，并沒有考慮管段在工程當地的實際影響因素。

2 城鄉供水一體化數學模型建造

村鎮供水系統的綜合費用主要包括管網的材料與安裝費用、開挖和回填溝槽的土方費、管網的折舊大修費和運行費用，運行費用主要包括泵站運行過程中所消耗的電費。通過建立年折算費用數學模型進行管網經濟流速計算。

2.1 管網的材料與安裝費用（E1）

管網的材料與安裝費用主要為管網材料費用，根據《給水排水設計手冊 第10 冊 技術經濟》有：

式中，a、b、α 為系數；Di為第i 段管道直徑，m；Li為第i 段管道長度，m。

2.2 開挖與回填溝槽的土方費（E2）

由于農村管網的特殊性，開挖出的土全部用于回填，則有：

式中，R1、R2分別為土方開挖和回填定額，元/m3；k1為溝底加寬系數；Y 為管頂埋深，m。

2.3 管網運行費用（E3）

管網運行費用主要是指水泵的運行電費，其中人工、搶修和維護費用一般根據當地實際價格進行計算，在此設為E4，則：

式中，Q 為最高日供水量，m3/d；η 為水泵和電機效率，%；e 為電價，元/（kW·h）；k2為日變化系數；H0為水的靜揚程，m；f 為粗糙度系數；m、n 為指數；qi為第i 段管道流量，m/s；T 為水泵的運行時間，h。

2.4 管網的折舊大修費（E5）

式中，P 為管網的折舊大修率，%。

2.5 供水管網的綜合費用（W）

由以上的在投資償還期t 年內的年折算費用為：

將上述式（1）～式（4）代入式（5）中得：

3 管網經濟管徑與經濟流速的計算

依照經濟流速的定義，在一定約束條件下，當年折算值最小時所對應地管徑和流速為經濟管徑和經濟流速，整理得出管網年折算值表達式［式（6）］，依照極值原理，可以得出經濟管徑和經濟流速。

由于此方程是管道直徑D 的高次方程，采用軟件matlab編程計算的方式來計算D 的值，在進一步得到經濟流速。

式（7）的編程為：

在計算時代入各個參數的值，則可直接得出相應的經濟管徑，從而得出經濟流速。

4 工程實例

以臨邑城鄉供水一體化工程為例。目前該管網已建成，供水規模為40 000m3/d，改擴建后供水規模為30 000m3/d，管網采用PE100 管材，工作壓力為0.8MPa，管徑在De63mm～De225mm，管網總長213.29km，管網南北跨度為60km，東西跨度為30km。解決了12 萬人的飲水安全問題。配水系統（至村頭）供水最小自由水頭為20.0m，管網采用1.0MPa 的PE100 級管材敷設，供水區按照每天工作24h、Kh=1.50（時變化系數）。供水流量為0.0057m3/s；泵和泵站的運行效率為80%，當地電費為0.78 元/（kW·h）；年折舊及大修率為7%（k=1.07），用水定額為70L/d。

利用線性回歸分析方法，得到當地PE 管長度造價公式為C=2.35+3579.2D2。水頭損失計算：f=0.948×105，n=1.77，m=5。P=7%,η=80%，e=0.78 元/（kw·h），Q=0.0057m3/s，k2=1.1，t=30 年（依據相關資料所?。琑1=22.54元/m3，R2=33.95 元/m3，k1=0.5，Y=1.1m。將以上所有數據進行相應計算后代入編程進行計算。得管徑與經濟流速的對應關系如圖1 所示。

圖1 不同管徑與經濟流速對應圖

5 結語

由于我國農村分布特點，其供水管線長，通常選取PE 管進行管網建設。在以臨邑城鄉供水一體化工程為基礎，在提高農村供水安全性的同時降低管網建設總投資為目標，得出了適應于城鄉供水一體化管網的設計管徑和相應經濟流速。通過比較可以發現，圖1 中的城鄉供水一體化經濟流速比城市給水管網設計中經濟流速小，究其原因有：（1）經濟流速是一個動態概念，在綜合費用相差不大時，選用較大管徑更為經濟；（2）農村用水變化系數大，若管徑過小，則不能保證供水安全；（3）若流速過大，則沿程水頭損失很大。

在實際設計中也可根據距離適當增設中間加壓泵站，以此來降低管材相應壓力等級，從而降低管網投資費用。值得一提的是，在設計中不能過分地追求經濟流速，以免造成浪費。