第六章 給水管網(wǎng)工程設(shè)計,6.1 設(shè)計用水量及其調(diào)節(jié)計算 6.2 設(shè)計流量分配與管徑設(shè)計 6.3 泵站揚程與水塔高度設(shè)計 6.4 管網(wǎng)設(shè)計校核,6.1 設(shè)計用水量及其調(diào)節(jié)計算,一、最高日設(shè)計用水量計算 1.最高日設(shè)計用水量定額 1）居民生活用水 城市居民生活用水量的主要影響因素： 城市人口； 每人每日平均生活用水量； 城市給水普及率等。 影響生活用水量的因素很多，設(shè)計時，如缺乏實際資料，則居民生活用水定額和綜合生活用水定額可參照室外給水設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。,一、最高日設(shè)計用水量計算 2）工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水和生活用水 工業(yè)生產(chǎn)用水 工業(yè)生產(chǎn)用水一般是指工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)工程中用于冷卻、空調(diào)、制造、加工、凈化和洗滌方面的用水。在城市給水中，工業(yè)用水占很大比例。 設(shè)計年限內(nèi)生產(chǎn)用水量的預(yù)測方法： 根據(jù)工業(yè)用水的以往資料，按歷年工業(yè)用水增長率以推算未來的水量；根據(jù)單位工業(yè)產(chǎn)值的用水量、工業(yè)用水量增長率與工業(yè)企業(yè)產(chǎn)值的關(guān)系來推算； 根據(jù)單位產(chǎn)值用水量與用水重復(fù)利用率的關(guān)系加以預(yù)測。 工業(yè)用水指標(biāo)一般是以萬元產(chǎn)值用水量表示。 影響因素：類別不同；同類別，管理水平、工藝條件和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變化；重復(fù)利用率。,一、最高日設(shè)計用水量計算 2）工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水和生活用水 工業(yè)企業(yè)內(nèi)工作人員生活用水 工業(yè)企業(yè)內(nèi)工作人員生活用水量和淋浴用水量可按工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GBI 1-2002)。工作人員生活用水量應(yīng)根據(jù)車間性質(zhì)確定，一般車間采用每人每班25L，高溫車間采用每人每班35L（附表2）。 生產(chǎn)用水量通常由企業(yè)的工藝部門提供。在資料缺乏時，可參考同類型企業(yè)用水指標(biāo)。在估計工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水量時，應(yīng)按當(dāng)?shù)厮礂l件、工業(yè)發(fā)展情況、工業(yè)生產(chǎn)水平，預(yù)估將來可能達到的重復(fù)利用率。,一、最高日設(shè)計用水量計算 3）消防用水量 消防用水量、水壓和火災(zāi)延續(xù)的時間等，應(yīng)按照現(xiàn)行的建筑設(shè)計防火規(guī)范(GB 50016-2006)和高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范(GB 50045-95)等執(zhí)行。 4）其它用水 道路和綠地用水量應(yīng)根據(jù)路面種類、綠化面積、氣候和土壤等條件確定。澆灑道路用水量一般為每平方米路面每次1-2L，每日2-3次；大面積綠化用水量可采用 。 城市未預(yù)見水量和管網(wǎng)漏失水量可按最高日用水量的合并計算(15%25%)，工業(yè)企業(yè)自備水廠的上述用水量可根據(jù)工藝和設(shè)備情況確定。,一、最高日設(shè)計用水量計算 2. 最高日設(shè)計用水量計算 城市最高日設(shè)計用水量計算時，應(yīng)包括設(shè)計年限內(nèi)該給水系統(tǒng)所供應(yīng)的全部用水：居民區(qū)綜合生活用水、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用水和職工生活用水、消防用水、澆灑道路和綠地用水、城市未預(yù)見水量和管網(wǎng)漏失水量，但是不包括工業(yè)自備用水量所供應(yīng)的水量。 設(shè)計用水量應(yīng)先分項計算，最后進行匯總。由于消防用水量是偶然發(fā)生的，不累計到設(shè)計用水量中，僅作為設(shè)計校核使用。,一、最高日設(shè)計用水量計算 4）澆灑道路和大面積綠化用水量 5） 未預(yù)見水量和管網(wǎng)漏失水量 6）消防用水量 7）最高日設(shè)計用水量,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,1. 設(shè)計用水量變化規(guī)律的確定 用水量變化規(guī)律可以用變化系數(shù)或變化曲線表示。為了計算給水管網(wǎng)各部分的設(shè)計流量，必須給出最高日用水量的變化規(guī)律。 粗略方法 只確定最高日總用水量的變化系數(shù)，或分大項用水量確定變化系數(shù)，用水量變化曲線則參考本市歷史實測資料或相近地區(qū)實測資料； 精確方法 逐項用水量計算它們在最高日各小時量，最后累計出最高日總用水量分配在各小時的量，從而繪制出最高日用水量變化曲線。,下面給出若干建議和資料，供設(shè)計人員在資料缺乏時參考： 1）室外給水設(shè)計規(guī)范規(guī)定，城市供水中，時變化系數(shù)、日變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)城市性質(zhì)、城市規(guī)模、國民經(jīng)濟與社會發(fā)展和城市供水系統(tǒng)并結(jié)合現(xiàn)狀供水曲線和日用水變化分析確定；在缺乏實際用水資料情況下，最高日城市綜合用水的時變化系數(shù)宜采用1.31.6，日變化系數(shù)宜采用1.11.5，個別小城鎮(zhèn)可適當(dāng)加大； 2）室外給水設(shè)計規(guī)范規(guī)定，工業(yè)企業(yè)內(nèi)工作人員的生活用水時變化系數(shù)為2.53，淋浴用水量按每班延續(xù)用水1小時確定變化系數(shù)； 3）工業(yè)生產(chǎn)用水量一般變化不大，可以在最高日內(nèi)各小時均勻分布。,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,2.供水泵站供水流量設(shè)計 供水設(shè)計的原則是： 1)設(shè)計供水總流量必須等于設(shè)計用水量，即： 2)對于多水源給水系統(tǒng)，由于有多個泵站，水泵工作組合方案多，供水調(diào)節(jié)能力比較強，所以一般不需要在管網(wǎng)中設(shè)置水塔或高位水池進行用水量調(diào)節(jié)，設(shè)計時直接使各水源供水泵站的設(shè)計流量之和等于最高時用水流量，但各水源供水量的比例應(yīng)通過水源能力、制水成本、輸水費用、水質(zhì)情況等技術(shù)經(jīng)濟比較確定。,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,3）對于單水源給水系統(tǒng)，可以考慮兩種方案： 管網(wǎng)中不設(shè)水塔（或高位水池），供水泵站設(shè)計供水流量為最高時用水量； 或設(shè)置水塔（或高位水池），應(yīng)先設(shè)計泵站供水曲線，具體要求： 泵站供水一般分二級，如高峰供水時段分一級，低峰供水時段分一級，最多可以分三級，即在高峰和低峰供水量之間加一級，分級太多不便于水泵機組的運轉(zhuǎn)管理； 泵站各級供水線盡量接近用水線，以減少水塔或高位水池的調(diào)節(jié)容積，一般各級供水量可以取相應(yīng)時段用水量的平均值； 分級供水時，應(yīng)注意每級能否選到合適的水泵，以及水泵機組的合理搭配，并盡可能滿足目前和今后一段時間日用水量增長的需要； 必須使泵站24小時供水量之和與最高日用水量相等，如果在用水量變化曲線上繪制泵站供水曲線，各小時供水量也要用其點最高日總水量（也就是總供水量）的百分?jǐn)?shù)表示，24小時供水量百分?jǐn)?shù)之和應(yīng)為100%。,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,3.調(diào)節(jié)容積計算 取水和給水處理系統(tǒng)按日平均流量設(shè)計，供水泵站按用水量工作（無水塔或高位水池時）或按接近用水量的2-3級供水（有水塔或高位水池時），這使給水處理系統(tǒng)與給水管網(wǎng)之間存在流量差。為了調(diào)節(jié)流量差，必須建造清水池。 無論是清水池或水塔，調(diào)節(jié)構(gòu)筑物的共同特點是調(diào)節(jié)流入和流出的兩個流量之差，其調(diào)節(jié)容積為：,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,4.清水池和水塔容積設(shè)計 清水池中除了貯存調(diào)節(jié)用水量以外，還存放消防用水量和給水處理系統(tǒng)生產(chǎn)自用水量，因此，清水池有效容積為： W1清水池調(diào)節(jié)容積，m3； W2消防貯備水量，m3，按2h室外消防用水量計算； W3 給水處理系統(tǒng)生產(chǎn)自用水量，m3，一般取最高日用水量的5%-10%； W4安全儲備水量，m3。 在缺乏資料，不能進行水量調(diào)節(jié)計算的情況下，一般清水池容積可按最高日用水量的10%-20%設(shè)計。工業(yè)用水可按生產(chǎn)上的要求確定清水池容積。,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,水塔除了貯存調(diào)節(jié)用水量外，還需要貯存室內(nèi)消防用水量，因此，水塔設(shè)計有效容積為： 式中 W1 水塔調(diào)節(jié)容積， W2 室內(nèi)消防貯備水量，按10min 室內(nèi)消防用水量。 在缺乏資料，不能進行水量調(diào)節(jié)計算的情況下，一般水塔容積可按最高日用水量的2.5%-3%至5%-6%計算，城市用水量大時取低值。工業(yè)用水可按生產(chǎn)上的要求（調(diào)節(jié)、事故和消防）確定水塔容積。,二、設(shè)計用水量變化及其調(diào)節(jié)計算,例題6.1 如圖按6.1所示用水量變化曲線及泵站供水曲線，分別計算管網(wǎng)中設(shè)水塔和不設(shè)水塔時的清水池調(diào)節(jié)容積，以及水塔調(diào)節(jié)容積。,清水池與水塔調(diào)節(jié)容積計算表,6.2 設(shè)計流量分配與管徑設(shè)計,一、節(jié)點設(shè)計流量分配計算 1.用水量的分配 1）用戶分類 集中用水戶 集中用水戶-集中流量 分散用水戶 分散用戶-沿線流量： 集中流量的取水點一般就是管網(wǎng)的節(jié)點，或反過來說，有集中流量的地方，必須作為節(jié)點；沿線流量則認(rèn)為是從管段的沿線供應(yīng)。,一、節(jié)點設(shè)計流量分配計算 2）集中流量的計算 集中流量一般根據(jù)集中用水戶在最高日的用水量及其時變化系數(shù)計算，應(yīng)逐項計算，即： 3）沿線流量的計算 沿線流量一般按管段配水長度分配計算，或按配水管段的供水面積分配計算，即： 或,各集中用水戶的集中流量,時變化系數(shù),各集中用水戶最高日用水量,各管段沿線流量,按管段配水長度分配沿線流量的比流量；,各管段沿線配水長度,按管段供水面積分配沿線流量的比流量,各管段供水面積,一、節(jié)點設(shè)計流量分配計算 注意： 配水長度不一定是實際管長 兩側(cè)無用水的輸水管，配水長度為零；單側(cè)用水管段的配水長度取其實際長度的；只有部分管長配水的管段按實際比例確定配水長度；只有當(dāng)管段兩側(cè)全部配水時管段的配水長度才等于其實際長度。 供水面積的計算 當(dāng)管段供水區(qū)域內(nèi)用水密度較大時，其供水面積值可以適當(dāng)調(diào)大；反之，當(dāng)管段供水區(qū)域內(nèi)用水密度較小時，其供水面積值可以適當(dāng)調(diào)小。 4）所有集中流量和沿線流量計算完后，應(yīng)核算流量平衡，即 如果有較大的誤差，則應(yīng)檢查計算過程中的錯誤；如誤差較小，可能是計算精確度誤差，可以直接調(diào)整某些項集中流量和沿線流量，使流量達到平衡。,一、節(jié)點設(shè)計流量分配計算 2.節(jié)點設(shè)計流量計算 為了便于分析計算，對抽象的給水管網(wǎng)管網(wǎng)圖有一個基本假設(shè)，即所有流量只允許從節(jié)點處流出或流入，管段沿線不允許有流量進出。 節(jié)點流量計算原則： 1）集中流量可以直接加到所處節(jié)點上； 2)沿線流量則可以按前面論述的水力等效的原則，將它們轉(zhuǎn)移到管段兩端的節(jié)點上。具體就是將沿線流量一分為二，分別加到兩端節(jié)點上。 3）供水泵站或水塔的供水流量也應(yīng)從節(jié)點處進入管網(wǎng)系統(tǒng)，其方向與用水流量方向不同，應(yīng)作為負(fù)流量。,一、節(jié)點設(shè)計流量分配計算 節(jié)點設(shè)計流量是最高時用水集中流量、沿線流量（轉(zhuǎn)移后）和供水設(shè)計流量之和，假定流出節(jié)點為正向，則用下式計算：,節(jié)點j的節(jié)點設(shè)計流量,最高時位于節(jié)點j的集中流量,位于節(jié)點j的（泵站或水塔）供水設(shè)計流量,最高時管段的沿線流量,節(jié)點j的關(guān)聯(lián)集,在計算完成節(jié)點設(shè)計流量后，應(yīng)驗證流量平衡，因為供水設(shè)計流量應(yīng)等于用水設(shè)計流量，而兩者只能從節(jié)點進出，顯然有：,二、管段設(shè)計流量分配計算,1. 樹狀管網(wǎng)管段流量分配計算 在樹狀管網(wǎng)中，從水源到各節(jié)點，只能循一個方向供水。因此各管段的流量等于該管段以后（順?biāo)鞣较颍┧泄?jié)點流量總和。 可以看出：樹狀網(wǎng)的流量分配很簡單，易于確定各管段的計算流量，并且只有唯一的一個數(shù)值。 2. 環(huán)狀管網(wǎng)管段流量分配計算 在環(huán)狀網(wǎng)中，流量分配比較復(fù)雜，因各管段的流量與以后各節(jié)點流量沒有直接聯(lián)系，并且在一個節(jié)點上連接幾條管段，因此任一節(jié)點的流量包括該節(jié)點流量和流向以及流離該節(jié)點的幾條管段流量。環(huán)狀網(wǎng)流量分配時，必需保持每一節(jié)點的水流連續(xù)性，即滿足。,環(huán)狀管網(wǎng)流量分配的步驟一般為： 1）按照管網(wǎng)的主要供水方向，初步擬定各管段的水流方向，并選定整個管網(wǎng)的控制點。 2）從管網(wǎng)起端的節(jié)點開始，順?biāo)鞣较虬凑彰恳还?jié)點符合水流的連續(xù)性，進行流量分配； 3）多水源管網(wǎng)，應(yīng)由每一水源的供水量定出大致的供水范圍，初步確定各水源的供水分界線，然后從各水源開始，循供水主要方向，按每一節(jié)點符合水流連續(xù)性條件，以及經(jīng)濟和安全供水考慮，進行流量分配。,三、管段直徑設(shè)計,確定管段的直徑是給水管網(wǎng)設(shè)計的主要課題之一，管徑與設(shè)計流量的關(guān)系為： 從上式可知，管徑不但和管段設(shè)計流量有關(guān)，而且和設(shè)計流速的大小有關(guān)，如管段的設(shè)計流量已知，但是設(shè)計流速未定，管徑還是無法確定。因此要確定管徑必須先選定設(shè)計流速。 因此，一般采用優(yōu)化設(shè)計方法求得設(shè)計流速或管徑的最優(yōu)解，在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為求一定年限年（稱為投資償還期）內(nèi)管網(wǎng)造價和管理費用（主要是電費）之和為最小流速，稱為經(jīng)濟流速，以此來確定的管徑稱為經(jīng)濟管徑。,三、管段直徑設(shè)計,設(shè)管網(wǎng)一次性投資的總造價為C，每年的管理費用為Y，則管網(wǎng)每年的折算費用為： 其中每年的管理費用一般分兩項計算：,Y1管網(wǎng)每年折舊和大修費用，該項費用約與管網(wǎng)建設(shè)投資費用成比例； Y2管網(wǎng)年運行費用，主要考慮泵站的年運行總費用，其它費用相對較少，可忽略不計； p管網(wǎng)年折舊和大修費率（%）。,由上兩式得：,式中C和Y2都與管徑和設(shè)計流速有關(guān)，前者隨著管徑的增加或設(shè)計流速的減小而增加，后者則隨著管徑的增加或設(shè)計流速的減少而減少。,三、管段直徑設(shè)計,選取經(jīng)濟流速和確定管徑時，可以考慮以下原則： 1)大管徑可取較大的經(jīng)濟流速，小管徑可取較小的經(jīng)濟流速； 2）管段設(shè)計流量占整個管網(wǎng)供水流量比例較小時取較大的經(jīng)濟流速，反之取較小的經(jīng)濟流速； 3）從供水泵站到控制點（即供水壓力要求較難滿足的節(jié)點，可能有多個）的管線上的管段可取較小的經(jīng)濟流速，其余管段可取較大的經(jīng)濟流速； 4）管線造價較高而電價相對較低時取較大的經(jīng)濟流速，反之取較小的經(jīng)濟流速；,三、管段直徑設(shè)計,5）重力給水時，各管段的經(jīng)濟管徑或經(jīng)濟流速按充分利用地形高差來確定，即應(yīng)使輸水管渠和管網(wǎng)通過設(shè)計流量時的水頭損失總和等于或略小于可以利用的水壓標(biāo)高差； 6）根據(jù)經(jīng)濟流速計算出的管徑如果不符合市售標(biāo)準(zhǔn)管徑時，可以選用相近的標(biāo)準(zhǔn)管徑； 7）當(dāng)管網(wǎng)有多個水源或設(shè)有對置水塔時，在各水源或水塔供水的分界區(qū)域，管段設(shè)計流量可能特別小，選擇管徑時要適當(dāng)放大，因為當(dāng)各水源供水流量比例變化或水塔傳輸（即進水）時，這些管段可能需要輸送較大的流量； 8）重要的輸水管，如從水廠到用水區(qū)域的輸水管，或向遠(yuǎn)離主管網(wǎng)大用戶供水的輸水管，在未連成環(huán)狀管網(wǎng)且輸水末端沒有保證供水可靠性的貯水設(shè)施時，應(yīng)采用平行雙條管道，每條管道直徑按設(shè)計流量的50%確定。另外，對于較長距離的輸水管，中間應(yīng)設(shè)置兩處以上的連通管（即將輸水管分未3段以上），并安裝切換閥門，以便事故時能夠局部隔離，保證到達規(guī)范要求的70%以上供水量要求。,三、管段直徑設(shè)計,6.3 泵站揚程與水塔高度設(shè)計,在根據(jù)管段設(shè)計流量和經(jīng)濟流速選定管徑后，接著應(yīng)確定泵站的設(shè)計揚程和水塔高度，以便進行泵站選泵。 一、設(shè)計工況水力分析 給水管網(wǎng)的設(shè)計工況即最高日最高時的用水工況，對此工況進行水力分析所得的管段流量和節(jié)點水頭等一般都是最大值，用它們確定泵站揚程和水塔高度通常是安全的。但是，在泵站揚程和水塔高度未確定之前，對設(shè)計工況的水力分析有兩個前提條件不滿足，需要進行預(yù)處理。 1. 泵站所在管段的暫時刪除,一、設(shè)計工況水力分析 2.假設(shè)控制點 按照管網(wǎng)水力分析的前提條件，管網(wǎng)中必須至少有一個定壓節(jié)點，才可以恒定流方程組可解。但是，對于設(shè)計工況水力分析而言，由于泵站所在管段的暫時刪除，則清水池所在的節(jié)點已經(jīng)與管網(wǎng)分離，加之水塔的高度還未確定，所以管網(wǎng)中沒有一個已知節(jié)點水頭的節(jié)點，即沒有一個定壓節(jié)點。 節(jié)點服務(wù)水頭: 即節(jié)點地面高程加上節(jié)點處用戶的最低供水壓力。 控制點:即給水管網(wǎng)用水壓力最難滿足的節(jié)點。 如果管網(wǎng)中不設(shè)水塔而由泵站直接供水時，應(yīng)使二級泵站的揚程滿足離泵站最遠(yuǎn)和地形高的地點，達到規(guī)定的最小服務(wù)水頭，這個地點即為控制點。,二、泵站揚程設(shè)計 管道沿程水頭損失可以根據(jù)管段設(shè)計流量（即泵站設(shè)計流量）和管徑等計算，局部水頭損失一般可以忽略不計，則上式可以寫成：,管道i的沿程水頭損失,終端節(jié)點水頭,管道i的沿程水頭損失,管段i起始端節(jié)點水頭,泵站揚程,三、水塔高度設(shè)計 為了安全起見，此式所確定的水塔高度應(yīng)作為水塔水柜的最低水位離地面的高度。在考慮水塔傳輸（進水）條件時，水塔高度還應(yīng)加上水柜設(shè)計有效水深。,水塔所在節(jié)點水頭,水塔高度,地面高程,6.4 管網(wǎng)設(shè)計校核,給水管網(wǎng)按最高日最高時用水流量進行設(shè)計，管段直徑、水泵揚程和水塔高度等都是按此時的工況設(shè)計的，雖說它們一般都能滿足供水要求，但有一些特殊情況，它們不一定能保證供水。 1）管網(wǎng)出現(xiàn)事故造成部分管段損壞； 2）管網(wǎng)提供消防滅火流量； 3）管網(wǎng)向水塔傳輸流量等。 因此對它們相應(yīng)的概況進行水力分析，校核管網(wǎng)在這些工況下能否滿足供水流量與水壓要求。通過校核，有時需要修改管網(wǎng)中個別管段直徑，也有可能需要另選合適的水泵或改變水塔的高度等。由于供水流量和壓力是緊密聯(lián)系的，所以，校核指標(biāo)同時包括供水流量和壓力兩個方面。,為了校核進行水力分析有兩種方法： 1）水頭校核法 即假定供水流量要求可以滿足供水，通過水力分析求出供水壓力，校核其是否可以滿足要求。 2） 流量校核法 即假定供水壓力要求可以滿足，通過水力分析求出供水流量，校核其是否可以滿足要求。 由于流量與壓力的關(guān)聯(lián)關(guān)系，只要一者不滿足要求，實際上兩者都不能滿足要求。,一、消防工況校核,為了安全起見，要按最不利的情況即最高時用水量加上消防流量的工況進行消防校核，但節(jié)點服務(wù)水頭只要求滿足火災(zāi)處節(jié)點的滅火服務(wù)水頭，而不必滿足正常用水的服務(wù)水頭。 在計算消防流量時： 1）如果只考慮一處火災(zāi)時，消防流量一般加在控制點上； 2）當(dāng)考慮兩處或兩處以上同時火災(zāi)時，另外幾處分別放在離供水泵站較遠(yuǎn)、靠近大用戶、居民密集區(qū)或重要的工業(yè)企業(yè)附近的節(jié)點上； 3）對于未發(fā)生火災(zāi)的節(jié)點，其節(jié)點流量與最高時相同。,一、消防工況校核,滅火處節(jié)點服務(wù)水頭按最低壓消防考慮，即10米的自由水壓。 消防工況校核一般采用水頭校核法，即先按上述方法確定各節(jié)點流量，通過水力分析，得到各節(jié)點水頭，判斷各滅火節(jié)點是否滿足消防服務(wù)水頭。 雖然消防時比最高時用水時所需服務(wù)水頭要小得多，但因消防時通過管網(wǎng)的流量增大，各管段的水頭損失相應(yīng)增加，按最高用水時確定