在輸水管道工程尤其是長距離輸水管道工程建設中，管材投資占工程總投資的比重較大，輸水管材選定后，管徑大小的選擇直接影響工程投資和年運行費用，確定經(jīng)濟合理的管徑方案，對節(jié)省工程投資、方便運行管理意義重大。

1.管徑與工程費用的關(guān)系

當輸水管道工程設計流量確定后，管徑大小的選擇主要與流速有關(guān)，管徑大小與流速的平方根成反比。設計流速越小，所需管徑越大，管道工程投資相應增加，但由于流速減小，輸水過程中的水頭損失減少，泵站揚程可以降低，輸水電費降低，減少了運行管理費用。反之，設計流速增加，所需管徑越小，管道工程投資減少，但流速增加，輸水過程中的水頭損失增加，泵站揚程增加，輸水電費增加，運行管理費用亦隨之增加。管道工程投資隨著管徑增加而增加，運行費用隨著管徑減小而增加，工程設計中，一般通過對一系列管徑進行分析，將滿足管材規(guī)格要求、工程投資年折算費用與年運行費用 （年費用）之和最小的一組管徑作為經(jīng)濟管徑。管徑與工程費用的關(guān)系見圖1。

圖1 管徑與工程費用關(guān)系示意圖

2.經(jīng)濟管徑的確定方法

2.1 靜態(tài)法

輸水工程管徑大小的確定主要與流速有關(guān)，若根據(jù)工程經(jīng)驗首先確定經(jīng)濟流速，即可求出經(jīng)濟管徑，公式為：

式中：D—經(jīng)濟管徑（m）；

q—設計流量(m3/s)；

v—流速(m/s)。

該方法一般在項目初期初擬管道管徑時采用，由于經(jīng)濟流速選擇帶有一定的主觀性，設計人員往往考慮采用流速范圍偏小值，并選用計算管徑向上側(cè)規(guī)格管徑，便于初期控制工程投資，同時從公式參數(shù)可以看出，靜態(tài)法用單一流速進行控制，不能綜合考慮具體工程項目在管材價格、施工條件、征地拆遷、水頭損失、電費單價等方面因素對管徑確定的影響。

2.2 動態(tài)法

動態(tài)法通過考慮工程投資和年運行費用的時間價值，折算后采用統(tǒng)一時間尺度，對不同管徑對應的工程投資或運行費用進行比較分析。根據(jù)對工程投資和年運行費用的不同處理方式，可分為年值法和凈現(xiàn)值法兩種計算方法。

年值法：年值法是考慮工程投資的時間價值，將工程投資等值折算到工程運行年值后，再與工程年運行費相加進行比較的方法。

A=1.4QHS+[(1+i)Ni/((1+i)N-1)]C

式中：

A—單位長度管道年成本（元/m·a）；

Q—管線設計流量（m3/s）；

H—單位長度管線水頭損失（m/m）；

S—電費單價（元/kW·h）；

I—投資收益率（一般取6%～8%）；

N—計算年限（可取30a或50a）；

C—單位長度綜合投資（元/m）。

凈現(xiàn)值法：凈現(xiàn)值法是考慮年運行費的時間價值，將工程年運行費用換算為現(xiàn)值，再與工程投資現(xiàn)值相加進行比較的方法。

W=C+[((1+i)N-1)/(1+i)Ni]A

式中：

W—費用總值（元）；

C—管道工程建設總投資（元）；

A—年運行費（元）；

其余指標同前。

目前，工程設計中采用年值法較多，該方法能較好地反映電費變動。

3.工程實例

某長距離輸水管道工程全長43km，由3段輸水線路組成，其中輸水干線16.1km，工程設計輸水流量1.15 m3/s，經(jīng)綜合比較分析，確定選用球墨鑄鐵管作為輸水管材、單管輸水方案。根據(jù)工程總體布置方案，工程輸水須采用泵站加壓方式，在干線首端設加壓泵站1座。

3.1 靜態(tài)法初選管徑

在可研階段，采用靜態(tài)法初步確定經(jīng)濟管徑，考慮到管道流速須滿足不沖不淤要求，取經(jīng)濟流速為0.8～1.2m/s，經(jīng)計算分析，當取管徑為1.2m時，管道流速1.02m/s，處于經(jīng)濟流速范圍，初選管徑為1.2m。靜態(tài)法管徑計算過程見表1。

3.2 動態(tài)法管徑確定

在初設階段，采用動態(tài)法對輸水干線管徑方案進行深入比選分析，無論是采用年值法還是凈現(xiàn)值法，均需要對不同管徑的管道工程投資進行計算，工程投資考慮管材造價、土方開挖、土方回填、征遷投資、管線附屬建筑物建設及泵站工程投資等，工程運行費主要考慮電費、管理費、大修費等，投資計算單價指標應結(jié)合工程區(qū)的特點合理確定，這一實例工程分別采用凈現(xiàn)值法和年值法進行比較分析。詳見表2、表3。

表1 靜態(tài)法初選管道直徑計算表

由表2、表3可見，管徑為DN1200時，無論是凈現(xiàn)值法還是年值法，年值及凈現(xiàn)值均為最低，該管徑具有投資優(yōu)勢，且由兩種方法確定的經(jīng)濟管徑具有一致性，其費用趨勢與圖1所示基本一致，確定輸水干線采用管徑為DN1200。

表2 凈現(xiàn)值法管道直徑計算表

表3 年值法管道直徑計算表

4.結(jié)語

一是在輸水管道工程設計流量及管材已經(jīng)確定的條件下，管徑選擇對管道工程投資同樣影響較大，管道工程投資隨管徑增加而增加，運行費用隨管徑減小而增加。二是經(jīng)濟管徑的確定對應相應經(jīng)濟流速，管道流速除考慮滿足管道不沖不淤要求外，還應注意采用標準規(guī)格管徑，避免采用異形管徑影響工程招標及施工。三是在項目設計初期可采用靜態(tài)法初擬管徑，后期則應根據(jù)年費用值或年凈現(xiàn)值最小原則合理確定經(jīng)濟管徑，從這一工程實例可以看出，采用年現(xiàn)值法和凈現(xiàn)值法確定的經(jīng)濟管徑具有一致性，但從設計經(jīng)驗方面考慮，年現(xiàn)值法較為常用。