第3章給水管網(wǎng)水力計算基礎(chǔ)給水管網(wǎng)水力計算是城市給水工程設(shè)計的核心環(huán)節(jié)，其準確性直接關(guān)系到整個供水系統(tǒng)的運行效率、經(jīng)濟性和可靠性。本章系統(tǒng)闡述給水管網(wǎng)水力計算的基本理論、計算方法和工程應(yīng)用，為后續(xù)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計和運行管理奠定理論基礎(chǔ)。3.1水力計算的基本概念給水管網(wǎng)水力計算是指根據(jù)管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、管段參數(shù)、節(jié)點流量等已知條件，通過水力學(xué)原理確定管網(wǎng)中各管段的流量分配、水頭損失以及節(jié)點壓力等水力要素的過程。計算結(jié)果為管網(wǎng)設(shè)計、泵站選型、水塔高度確定等提供重要依據(jù)。水力計算的基本任務(wù)包括：確定各管段的流量分配計算管段的水頭損失求解各節(jié)點的壓力水頭驗證管網(wǎng)的水力平衡條件3.2水力計算的基本原理給水管網(wǎng)水力計算基于質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律。質(zhì)量守恒表現(xiàn)為節(jié)點流量平衡，即流入節(jié)點的流量等于流出節(jié)點的流量；能量守恒表現(xiàn)為環(huán)路水頭損失平衡，即任一閉合環(huán)路中，沿環(huán)路方向的水頭損失代數(shù)和為零。1.管網(wǎng)中的水流為穩(wěn)定流，即流量不隨時間變化2.水流為均勻流，各斷面的流速分布保持不變3.管道材料均勻，糙率系數(shù)沿管長不變4.不考慮水的壓縮性，即水的密度為常數(shù)3.3水力計算的基本參數(shù)3.3.1管道參數(shù)管道直徑：根據(jù)設(shè)計流量和經(jīng)濟流速確定管道長度：根據(jù)管網(wǎng)布置確定管道糙率：反映管道內(nèi)壁粗糙程度，與管道材料和使用年限有關(guān)3.3.2流量參數(shù)節(jié)點流量：根據(jù)用水量標準和供水區(qū)域確定管段流量：通過水力計算求解得到管道流速：根據(jù)流量和管道斷面面積計算3.3.3壓力參數(shù)節(jié)點水頭：包括位置水頭和壓力水頭管段水頭損失：包括沿程損失和局部損失供水壓力：滿足用戶用水要求的最小壓力3.4水力計算的意義和作用給水管網(wǎng)水力計算在工程設(shè)計中具有重要作用：1.設(shè)計依據(jù)：為管網(wǎng)布置、管徑選擇、泵站設(shè)計等提供理論依據(jù)2.經(jīng)濟性分析：通過不同方案的水力計算比較，選擇經(jīng)濟合理的管網(wǎng)方案3.運行指導(dǎo)：為管網(wǎng)運行調(diào)度、壓力管理提供技術(shù)支持4.安全評估：評估管網(wǎng)在事故工況下的供水能力，確保供水安全準確的水力計算能夠有效降低工程投資，提高供水系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性，是給水工程設(shè)計中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。3.5水力計算的基本方程給水管網(wǎng)水力計算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是由連續(xù)性方程和能量方程組成的方程組。這些方程描述了管網(wǎng)中水流的運動規(guī)律，是進行水力計算的理論基礎(chǔ)。3.5.1連續(xù)性方程連續(xù)性方程基于質(zhì)量守恒原理，對于管網(wǎng)中的任一節(jié)點，流入節(jié)點的流量總和等于流出節(jié)點的流量總和。數(shù)學(xué)表達式為：$$\sum_{i=1}^{m}Q_{in,i}\sum_{j=1}^{n}Q_{out,j}=0$$式中：$Q_{in,i}$為流入節(jié)點i的流量，$Q_{out,j}$為流出節(jié)點j的流量，m和n分別為流入和流出管段的數(shù)量。對于有水源的節(jié)點，連續(xù)性方程還應(yīng)包括水源的供水量；對于有用水需求的節(jié)點，則應(yīng)減去節(jié)點的用水量。3.5.2能量方程能量方程基于能量守恒原理，對于管網(wǎng)中的任一閉合環(huán)路，沿環(huán)路方向各管段水頭損失的代數(shù)和為零。數(shù)學(xué)表達式為：$$\sum_{k=1}^{p}h_{f,k}=0$$式中：$h_{f,k}$為環(huán)路中第k個管段的水頭損失，p為環(huán)路中的管段數(shù)量。水頭損失的正負號取決于水流方向與環(huán)路繞行方向的關(guān)系，同向為正，反向為負。3.5.3水頭損失計算方程管段水頭損失的計算是水力計算的核心內(nèi)容。常用的水頭損失計算公式包括達西威斯巴赫公式和哈贊威廉姆斯公式。達西威斯巴赫公式：$$h_f=\lambda\frac{L}{D}\frac{v^2}{2g}$$式中：$h_f$為沿程水頭損失(m)，$\lambda$為沿程阻力系數(shù)，L為管道長度(m)，D為管道直徑(m)，v為管道斷面平均流速(m/s)，g為重力加速度(m/s2)。沿程阻力系數(shù)$\lambda$與雷諾數(shù)Re和管道相對粗糙度有關(guān)，可通過柯爾布魯克公式計算：$$\frac{1}{\sqrt{\lambda}}=2\lg\left(\frac{2.51}{Re\sqrt{\lambda}}+\frac{\Delta}{3.7D}\right)$$式中：$\Delta$為管道的絕對粗糙度(mm)。哈贊威廉姆斯公式：$$h_f=10.67\frac{L}{C^{1.852}D^{4.871}}Q^{1.852}$$式中：C為哈贊威廉姆斯系數(shù)，與管道材料有關(guān)；Q為管道流量(m3/s)。不同管道材料的C值見表31。表31不同管道材料的哈贊威廉姆斯系數(shù)C值|管道材料|C值范圍|推薦值||||||鑄鐵管|100140|120||鋼管|110150|130||混凝土管|110140|120||PVC管|140160|150||球墨鑄鐵管|130160|140|3.6管網(wǎng)水力計算的分類3.6.1設(shè)計計算設(shè)計計算是在管網(wǎng)規(guī)劃階段進行的水力計算，目的是確定合理的管徑和泵站參數(shù)。設(shè)計計算的特點是：已知條件：管網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點流量、管道長度、管道材料求解目標：管段流量、管段直徑、節(jié)點壓力計算方法：通常采用經(jīng)濟流速法或優(yōu)化設(shè)計法3.6.2校核計算校核計算是在管網(wǎng)設(shè)計完成后進行的水力計算，目的是驗證管網(wǎng)在各種工況下的運行性能。校核計算包括：最高日最高時工況校核：驗證管網(wǎng)在最大用水量時的供水能力消防工況校核：驗證管網(wǎng)在消防用水時的供水可靠性事故工況校核：驗證管網(wǎng)在部分管段失效時的供水安全性3.6.3運行計算運行計算是在管網(wǎng)運行管理階段進行的水力計算，目的是優(yōu)化管網(wǎng)運行調(diào)度。運行計算的特點是：已知條件：管網(wǎng)實際參數(shù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、用水量預(yù)測求解目標：泵站運行參數(shù)、閥門開度、水塔水位計算方法：通常采用實時模擬或優(yōu)化調(diào)度算法3.7水力計算的邊界條件水力計算需要明確的邊界條件，包括：3.7.1水源條件水源條件包括水源的位置、供水能力和供水壓力。對于多水源管網(wǎng)，需要明確各水源的供水范圍和協(xié)調(diào)運行方式。3.7.2節(jié)點流量條件節(jié)點流量是水力計算的重要輸入?yún)?shù)，需要根據(jù)用水量標準、供水人口、用水性質(zhì)等因素確定。節(jié)點流量通常包括：居民生活用水量工業(yè)企業(yè)用水量公共設(shè)施用水量管網(wǎng)漏損水量3.7.3壓力要求條件壓力要求條件是指各節(jié)點需要滿足的最小服務(wù)水頭。不同類型的用戶對供水壓力有不同的要求：居民生活用水：一般要求最小服務(wù)水頭為2028m工業(yè)企業(yè)用水：根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定消防用水：消防栓處最小服務(wù)水頭不低于10m邊界條件的合理確定是保證水力計算結(jié)果準確性的前提，需要結(jié)合工程實際情況和設(shè)計規(guī)范要求綜合考慮。3.8水力計算的工程應(yīng)用3.8.1管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計基于水力計算結(jié)果，可以進行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計，在滿足供水要求的前提下，實現(xiàn)經(jīng)濟性和可靠性的最佳平衡。優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容包括：管徑優(yōu)化：通過水力計算確定各管段的經(jīng)濟管徑，避免管徑過大造成浪費或管徑過小導(dǎo)致水頭損失過大泵站優(yōu)化：根據(jù)水力計算結(jié)果確定泵站的揚程和流量，選擇合適的泵型組合水塔優(yōu)化：通過水力計算確定水塔的高度和容積，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行3.8.2運行調(diào)度優(yōu)化利用水力計算模型，可以對管網(wǎng)運行進行實時模擬和優(yōu)化調(diào)度，提高運行效率，降低能耗。主要應(yīng)用包括：泵站調(diào)度：根據(jù)用水量變化規(guī)律，優(yōu)化泵站啟停時間和運行臺數(shù)壓力管理：通過水力計算確定合理的壓力分區(qū)，優(yōu)化減壓閥設(shè)置應(yīng)急調(diào)度：在事故情況下，通過水力計算制定應(yīng)急供水方案3.8.3改造擴建評估當(dāng)現(xiàn)有管網(wǎng)需要改造或擴建時，水力計算可以提供科學(xué)的技術(shù)評估依據(jù)：改造方案評估：對不同改造方案進行水力計算比較，選擇最優(yōu)方案擴建規(guī)模確定：根據(jù)水力計算結(jié)果確定合理的擴建規(guī)模和時序投資效益分析：通過水力計算分析改造擴建的投資效益3.9水力計算的發(fā)展趨勢3.9.1計算方法的智能化傳統(tǒng)的水力計算方法主要依靠人工計算和簡單的計算機程序，現(xiàn)代水力計算正向智能化方向發(fā)展：自適應(yīng)計算：根據(jù)管網(wǎng)特點自動選擇合適的計算方法和參數(shù)并行計算：利用并行計算技術(shù)提高大規(guī)模管網(wǎng)水力計算的效率3.9.2計算模型的精細化水力計算模型正在從宏觀向微觀、從靜態(tài)向動態(tài)、從確定性向隨機性方向發(fā)展：動態(tài)水力模型：考慮用水量的時變特性，進行動態(tài)水力模擬水質(zhì)水力耦合模型：將水力計算與水質(zhì)模擬相結(jié)合，實現(xiàn)水力水質(zhì)的聯(lián)合計算不確定性分析：考慮參數(shù)的不確定性，進行概率水力計算3.9.3應(yīng)用領(lǐng)域的拓展水力計算的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷拓展，與其他學(xué)科的交叉融合日益深入：與GIS技術(shù)結(jié)合：實現(xiàn)管網(wǎng)水力計算與地理信息系統(tǒng)的集成與SCADA系統(tǒng)結(jié)合：實現(xiàn)實時水力計算與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動與智慧水務(wù)結(jié)合：支持智慧水務(wù)系統(tǒng)的決策支持和管理優(yōu)化3.10給水管網(wǎng)水力計算是給水工程設(shè)計的理論基礎(chǔ)和技術(shù)核心，其準確性和可靠性直接關(guān)系到供水系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟和高效運行。本章系統(tǒng)闡述了給水管網(wǎng)水力計算的基本理論、計算方法和工程應(yīng)用，為后續(xù)的管網(wǎng)設(shè)計和運行管理提供了堅實的理論基礎(chǔ)。隨著城市化進程的加快和供水需求的增長