李海軍,李香凝
(1.遼寧省阜新蒙古族自治縣水利局,遼寧阜新123100;2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,遼寧 沈陽 110866)
農(nóng)村飲水安全工程供水管網(wǎng)水力計(jì)算比較繁瑣,工作量大,若計(jì)算方法不當(dāng),管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量與實(shí)際用水量出現(xiàn)較大偏差,會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)管徑過大浪費(fèi)資金或設(shè)計(jì)管徑偏小不能保證用戶正常用水兩種情況。
遼西丘陵區(qū)農(nóng)村缺水村屯多分布在偏遠(yuǎn)地區(qū),住戶零散,屯內(nèi)居民多在百戶左右。且自然屯之間距離較遠(yuǎn),地形復(fù)雜,房屋分散不均,適合單村屯供水,不適宜聯(lián)村供水,供水管網(wǎng)多采用枝狀管網(wǎng)布設(shè)。通過比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法的比較,得出用節(jié)點(diǎn)流量試算法計(jì)算出的管徑更符合實(shí)際,且計(jì)算過程簡(jiǎn)單,容易操作。
遼西地區(qū)現(xiàn)在多采用比流量法進(jìn)行枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算,該方法假設(shè)管路沿線用水戶均勻分布,將扣除了集中流量后的用水量均勻分布在干管上,計(jì)算出單位長(zhǎng)度上的流量,該流量就是長(zhǎng)度比流量。計(jì)算過程如下:
計(jì)算公式為:
式中:qs——比流量,m3/(s·m);Q ——管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量,按最高日最高時(shí)流量計(jì)算,m3/s;∑q——大用戶集中于節(jié)點(diǎn)的總流量,m3/s;∑L——干管總長(zhǎng)度m,不配水的管段不計(jì),只有一側(cè)配水的管段折半計(jì)。
計(jì)算公式為:
式中:qs——比流量,m3/(s·m);l——該管段管長(zhǎng),m。
計(jì)算公式為:
式中:qi——節(jié)點(diǎn)流量,m3/(s·m);∑ql——與計(jì)算節(jié)點(diǎn)相連的所有管段沿程流量總和,m3/(s·m)。
計(jì)算公式為:
式中:D——管道內(nèi)徑,m;Q——管道內(nèi)計(jì)算流量,m3/s(枝狀網(wǎng)的任一管段的計(jì)算流量等于該管段以后所有節(jié)點(diǎn)流量的總和);v——經(jīng)濟(jì)流速,m/s,取 0.8 m/s。
該計(jì)算方法,未考慮農(nóng)村住戶零散,分布不均勻,管段沿線用水量存在的差別,計(jì)算出的管段流量和管徑不太符合實(shí)際[1]。
節(jié)點(diǎn)流量試算法是將用水戶分布在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上,各管段只起到了輸水管道的作用,直接把各節(jié)點(diǎn)上的用戶用水量簡(jiǎn)化到各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)流量上,計(jì)算各管段管徑,并利用Excel表格插入公式進(jìn)行試算調(diào)整,使管徑、管道總水頭損失和自由水頭值趨于合理值。計(jì)算過程如下:
首先按照SL687-2014《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定,并結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況計(jì)算出供水工程的最大小時(shí)供水量W小時(shí)。
節(jié)點(diǎn)流量為節(jié)點(diǎn)后各用水戶用水量的和。計(jì)算方法:
式中:qi——節(jié)點(diǎn)流量,m3/h;W小時(shí)——最大小時(shí)供水量,m3/h;M總——總用水戶數(shù),戶;Mi——節(jié)點(diǎn)用水戶數(shù),戶。
管段上的流量為其后所有節(jié)點(diǎn)流量與集中流量的和。計(jì)算方法:
式中:QL——管段流量,m3/h;Qi——集中用水量,m3/h;∑qi——節(jié)點(diǎn)流量和,m3/h。
計(jì)算公式為:
式中:D——管道內(nèi)徑,m;Q——管道內(nèi)計(jì)算流量,m3/s(枝狀網(wǎng)的任一管段的計(jì)算流量等于該管段以后所有節(jié)點(diǎn)流量的總和);v——經(jīng)濟(jì)流速,m/s,取0.8 m/s。
1)沿程水頭損失
計(jì)算公式為:
式中:hl——沿程水頭損失,m;L——計(jì)算管段的長(zhǎng)度,m;i——單位管長(zhǎng)水頭損失,m/m;C——海曾威廉系數(shù),按塑料管取140;Q——管段流量,m3/s;d——管道內(nèi)徑,m。
2)局部水頭損失
式中:hj——局部水頭損失;hl——沿程水頭損失。
3)管道總水頭損失
4)節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失
根據(jù)計(jì)算已得的各管段水頭損失值,從井位節(jié)點(diǎn)開始,沿水流方向計(jì)算各節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失值,節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失值等于該節(jié)點(diǎn)與井位節(jié)點(diǎn)間各管段的水頭損失之和。
經(jīng)列表計(jì)算各節(jié)點(diǎn)與水源井處地面高差和該節(jié)點(diǎn)累計(jì)水頭損失之和,最大值節(jié)點(diǎn)為最不利點(diǎn),以最不利節(jié)點(diǎn)值加上自由水壓10 m作為控制值,計(jì)算各節(jié)點(diǎn)自由水頭。
為準(zhǔn)確快速地完成計(jì)算,在Excel表格中插入計(jì)算公式,分列進(jìn)行計(jì)算[2]。
1)調(diào)整不利管線的管徑,選取計(jì)算應(yīng)選取管徑的上一級(jí)管徑,以減小地面高差與累計(jì)水頭損失之和的數(shù)值。
2)通過試算調(diào)整選取常用規(guī)格管徑,通常選取直徑110,75,63,50,32,20 mm的PE管。
3)根據(jù)SL687-2014《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》一般管徑110 mm控制170~220戶;管徑75 mm控制80~110戶;管徑50 mm控制30~60戶;管徑32 mm控制5~15戶;管徑20 mm控制1~3戶。同時(shí)控制供水戶數(shù)還要根據(jù)住戶間距和管道總長(zhǎng)等因素確定,管徑20 mm的PE管管長(zhǎng)不宜超過100 m,管徑32 mm的PE管管長(zhǎng)不宜超過200 m。
4)對(duì)有可能增加供水用戶的區(qū)域根據(jù)發(fā)展需求適當(dāng)增大供水管徑。
工程為遼寧省阜新市某村屯飲水安全工程,項(xiàng)目區(qū)為1個(gè)自然屯,轄區(qū)面積0.22 km2,107戶,420口人,飼養(yǎng)馬驢等大牲畜300頭,管網(wǎng)布置和用戶分布情況,見圖1。通過分別采用比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法對(duì)該工程0-1,1-2和1-3管段進(jìn)行水力計(jì)算對(duì)比分析。
圖1 飲水安全工程管網(wǎng)布置圖
表1 計(jì)算節(jié)點(diǎn)地面工程
經(jīng)計(jì)算該工程最大小時(shí)供水量:
W小時(shí)=K小時(shí)Q/h=3×59.12/9=19.71 m3/h=5.475 L/s
式中:W小時(shí)——最大小時(shí)供水量,m3/h;K小時(shí)——小時(shí)變化系數(shù),取3;h——每天工作小時(shí)數(shù),取9 h。
比流量法和節(jié)點(diǎn)流量試算法計(jì)算成果對(duì)比,見表2。
從對(duì)比表中可以看出,采用比流量法管段1-2和管段1-3用水戶數(shù)僅差1戶,用水量相差0.35 l/s,明顯不符合實(shí)際。
1)比流量法管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果,見表3。
2)節(jié)點(diǎn)流量試算法管網(wǎng)水力計(jì)算結(jié)果,見表4。
3)計(jì)算結(jié)果對(duì)比。
通過以上2種方法進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算,可以發(fā)現(xiàn)采用節(jié)點(diǎn)流量試算法可以直觀發(fā)現(xiàn)最不利管段為1-2管段,采用外徑40 mm供水管明顯水頭損失偏大,不能保證正常供水;同時(shí)發(fā)現(xiàn)采用比流量法計(jì)算的0-1管段管徑過大,1-3管段管徑過小。該工程按照節(jié)點(diǎn)流量法計(jì)算成果進(jìn)行施工,現(xiàn)工程運(yùn)行良好,無不能供水用戶。
表2 兩種方法計(jì)算管段流量成果對(duì)比表
表3 比流量法管網(wǎng)水力計(jì)算成果表
表4 節(jié)點(diǎn)流量試算法管網(wǎng)水力計(jì)算成果表
1)對(duì)于住戶零散不均勻的村屯,采用節(jié)點(diǎn)流量法進(jìn)行飲水安全工程枝狀管網(wǎng)水力計(jì)算簡(jiǎn)單確切,能夠保證用水戶正常用水,同時(shí)避免因管網(wǎng)管徑過大,浪費(fèi)資金。
2)把管段的管徑計(jì)算和自由水頭計(jì)算合并為一個(gè)表格,并利用Excel表格插入公式進(jìn)行試算,可以對(duì)比分析不同管徑的管路水頭損失、地面高差與累計(jì)水頭損失之和、自由水頭數(shù)值,可以省時(shí)省力地選出最合理的管徑。