农村环形供水之初探讨

刘伟 柏大团 周路宝

【摘要】饮水安全工程中管网水压和水量对整个供水管网的运行影响很大。目前连云港市赣榆区绝大多数农村地区供水管网布设方式为树枝型管网，有些管网铺设年代较早，随着用水量不断增加，原管道供水能力已不能满足需水区的用水要求。本文主要对赣榆区青口镇南部18个农村供水主管网进行了升级改造设计，将现状树枝型供水管网升级为环形供水管网，并对改造后的管网进行了水力计算。计算结果表明，在各节点需水量不变的情况下，改造后的环形管网节点水压上升，达到最低服务水头要求，同时可提高供水保证率并节约管网投资。

【关键词】农村供水；树枝型供水管网；环形供水管网；管网水力计算

、供水工程供水管网一般分为树枝型和环形两种形式。农村供水管网以树枝型为主，相对于环形管网具有节约管材、造价低的优点，缺点为供水保证率不如环形管网。

连云港市赣榆区农村供水主管网现状主要以树枝型管网为主，随着管网供水范围的扩大，以及需水区用水量的上升，原管网普遍存在供水能力不足、水压不够和供水保证率低的情况，树枝型管网的缺点被不断放大，甚至影响到农村用水安全。本文着眼于对赣榆区青口镇南部农村树枝型供水管网进行改造，意在尽量利用现状供水管网的基础上，将树枝型管网改造为环形供水管网，以求提升管网供水能力和服务水头，并提高管网供水保证率。同时对改造前后的管网进行水力计算对比，凸显改造后的环形管网的优势，为后续的农村供水管网改造工程提供一个可参考的思路。

一、基本情况

青口镇南部农村饮水安全项目实施较早，当初所铺设管道管径较小，随着项目区内用水规模逐年增长，现状管道供水能力逐渐不能满足需水区用水要求。另外由于管网形式为树枝状，经常发生管道因过路段被压坏或者施工队挖断管道导致停水的事故，供水保证率大大降低，农民用水安全得不到保障。

二、工程布置

项目区本次铺设三条主管，分别为大庄村至新村DN160主管、朱南干渠南堤DN160主管、新村至二沟村DN160主管，通过铺设此3条主管，与域内现状主管形成环形管网，提高供水能力和保证率。

1大庄村至新村DN160主管：自大庄村南现状主管分流，往南铺设DN160主管至新村，与新村内主管闭合，全长4014m。

2朱南干渠南堤DN160主管：沿朱南干渠南堤往东铺设DN160主管至老204国道与现状主管闭合，该段主管全长1554m。

3自新村现状主管沿范河北堤往东铺设DN160主管至新204国道折向北至城新村，再往北至二沟村，与二沟村现状主管闭合，该段主管全长5165m。

三、改造后环形管网水力计算

计算原理基于质量守恒和能量守恒，环状网计算即为联立求解连续性方程、能量方程和压降方程。

1环形管网计算原理

（1）连续性方程

任一节点，流向该节点的流量等于从该节点流出的流量。假定从节点流出的流量为正，流向节点的流量为负，得：

式中：

qi——节点流量，（m3/s）；

qij——该节点上的各管段流量，（m3/s）。

（2）能量方程

管网每一环中各管段的水头损失之总和等于零。一般假定，水流顺时针的管段，水头损失为正，逆时针方向的为负，得：

式中：

hij——管段沿程水头损失，（m）。

（3）压降方程

表示管段流量和水头损失的关系，为：

式中：

Hi——节点i对某一基准点的水压，（m）；

Hj——节点j对某一基准点的水压，（m）；

Sij——管段摩阻。

2环形管网计算

环形网计算采用哈代-克罗斯法，即管网平差计算方法。主要计算步骤如下：

（1）根据管网供水情况，拟定环状网各管段水流方向，根据连续性方程，并考虑供水可靠性进行流量分配，得到初步分配的管段流量qij。

（2）根据管段流量qij，按经济流速确定管径。

（3）求各管段的摩阻系数Sij，然后求水头损失：

（4）假定各环内水流顺时针方向管段的水头损失为正，水流逆时针方向管段的水头损失为负。计算各环内管段水头损失代数和∑hij。∑hij不等于零时，以△hi表示，称为闭合差。△hi>0，说明顺时针方向各管段中初步分配的流量多了一些，逆时针方向管段中分配的流量少了些；△hi<0，说明顺时针方向各管段中初步分配的流量少了一些，逆时针方向管段中分配的流量多了些。

（5）按下式计算各环的校正流量△qi，若闭合差为正，校正流量为负；反之，校正流量为正。

式中， b=1.852。

（6）设校正流量△qi符號以顺时针方向为正，逆时针方向为负，凡是流向和校正流量△qi方向相同的管段，加上校正流量，否则减去校正流量，据此调整各管段流量，得到校正后的管段流量。

（7）按校正后的管段流量再进行计算，如果闭合差未能达到允许的精度，再从（3）进行反复计算，直到闭合差满足要求。

根据《村镇供水工程技术规范》要求，手工计算时，每环闭合差小于0.5m，大环闭合差小于1.0m。

3水力计算结果

根据管网布置，简化为四个内环，根据初步分配流量计算，环1闭合差为0.01，环2为0.16，环3为0.61，环4为0.14，其中环3闭合差不满足内环闭合差小于0.5m的规范要求。经一次校正，环1闭合差为0.03，环2为0.27，环3为0.16，环4为0.39，均满足《村镇供水工程技术规范》（SL687-2014）管网平差精度要求。

根据主管网平差计算满足精度要求的前提下进行水力计算，计算工况为最高日最高用水时，时变化系数为2.0。局部水头损失取沿程水头损失的8%。

经计算，项目区在改造后管网节点服务水头均满足规范要求的10～12m最低服务水头。

四、结语

1本文主要对青口镇南部农村供水管网进行改造设计，通过铺设管道，连接现状管网，最终形成环形管网。改造前的树枝型管网和改造后的环形管网水力计算结果表明，在项目区需水量不变的情况下，最高日最高时的管网节点服务水头发生了明显的变化，原来不满足最低服务水头的农村在改造后均达到规范要求。

2本次改造不仅提升项目区服务水头，同时实现区内供水管网环形封闭，在农村建设活动频繁的情况下，对保护农村供水管网，提升保证率，均可发挥重要作用。同时改造工程可最大程度利用现有管网，大大节约管材，降低造价。