计算机在给排水工程中的应用.ppt

计算机在给水工程中的应用 第4节 给排水管网计算,一、给水管网计算 给水管网计算的目的,给水系统优化调度和给水管网改扩建。 对于新建的管网（如已经做过的课程设计和毕业设计）：即在选定的管径条件下，确定管网中各管段的流量及水头损失，进而求出供水泵站水泵扬程及水塔高度；作为建设的依据。 对于已有的管网系统： l 通过计算分析，发现管网的低压区及薄弱环节，确定最优的改建、扩建的管道的走向及管径，和水泵站的水泵调整，使改造的费用最省。优化改扩建。 根据城市用水的实时变化情况（最大日最大时、最大日平均时）对现有的管网进行计算，结果作为运行调度的依据，使管网的运行管理最优化，以最低的能耗满足用户对水压、水量的要求。优化调度。,管网平差回顾,管网平差定义：对于环状管网而言，没有直接求解的方法（原因：求解大型非线性方程组），只能通过迭代计算求解。在一个管网中，水力状况必然同时满足以下两个条件，即节点流量平衡条件和环水头损失平衡条件。通过迭代求解，才能找出同时满足上述两个条件的管段流量，这就是所谓的管网平差。,l 管网平差采用计算机：是一项复杂而繁琐的工作，人工手算平差费时费力，容易出错；应用计算机进行管网平差计算，代替了繁杂的手工劳动，提高了计算的精度和速度，已成为管网的规划、设计、改造、调度管理的有力工具。 l 管网平差主要计算方法：（李明锐老师已讲过） 环方程法：以每环的校正流量作为未知变量。适合手算。 管段方程法：以管段流量作为未知变量。 节点方程法：以节点水压作为未知变量。（因方程阶数低，收敛性好）。适合编程计算。,环方程法原理及算法,管网的环方程,管网是由L个环组成，各环应满足能量方程，即每环内各管段水头损失闭合差应为零： （1.1） 式中Sij，qij为计算环中以i、j为节点的管段的摩阻系数和管段流量；1、2、L为环号。,式（1.1）无直接解。 一般先按经验初分流量qij（1），但显然难以满足能量方程，存在闭合差ei0。需以初分流量加以校正流量方能使方程成立。即 （1.2） 第i环的校正流量近似值为（令n=2）： （1.3）,按此校正流量修正管段流量，推算水头损失。如此反复进行，当闭合差小于某给定值后，即认为满足能量方程，计算结束。这就是解环方程法管网平差过程. 在计算中，管段摩阻系数S可由巴甫洛夫斯基公式计算： （1.4） 式中 L管长（m）； D管径（mm）。,计算程序框图,EP环内水头损失闭合差允许值（m）,环方程法的优缺点：,优点：不用输入节点信息；与水源节点无关，不用特殊标记。 缺点：需要重复输入管段信息；节点压力（自由水压、绝对水压）都要自己手算；需要手工分配初分流量。,平差程序的深入思考,迭代计算的初始值 节点流量法的闭合差是什么？ 干管界限流量判断 自动寻找最不利点？ 局部损失考虑？ 带水泵特性曲线（方程不同很难）？ 如何自动初分流量？ 公称管径 ？ 节点地面标高 ？,平差程序的使用,平差基本过程 编辑原始数据-运行平差程序-得出平差结果 如: DOS下,或命令提示符状态下,GSPC 回车。输入原始数据文件名（如Lrh.txt），回车。输入结果数据文件名（如Lrh1.txt）。程序自动计算显示平差的迭代次数。,平差注意几点,原始数据文件和结果数据文件都是文本文件，可用任何的文本文件编辑器进行编辑。具体可见附程序中的例子。（给水和排水程序都是如此）。 这个程序（包括排水）都是dos时代编写的，很陈旧。 用别的程序可不可以？不同程序间：输入、输出格式不同、公式不同（但影响对毕业设计微乎其微）、单位不同。,给水管网平差计算使用方法,1、初分流量、选管径，形成数据文件 （1）数据单位：长度米；管径毫米； 水量升/秒；流速米/秒。 （2）流量的正负号：顺时针为正，逆时针为负。 （3）编号：进行环的编号，外环（无邻环）编 号为21。,2、编辑录入数据 （1）进入DOS状态下在sj/gssj文件夹内敲QE执行文件，进入编辑器，然后输入文件名（不带后缀）进入输入数据状态。 （2）输入、修改数据。 数据输入顺序： 最小闭合差 环数 管段数 管长 管径 流量 邻环数 逐环写下去 （3）输入结束后按存盘，按退出,3、数据运行 在DOS状态下，在sj/gssj/文件夹内敲入c 空格 文件名运行平差。若不运行或出现死循环，则录入数据出现错误。 常见错误: （1）忘记输入文件名或带后缀； （2）环数或管段数与实际不符； （3）编号错误； （4）少空格（数据不足）。,4、查看运行结果 在DOS状态下在sj/gssj文件夹内敲QE执行文件进入编辑器，敲入文件名*察看结果。,迭代次数= 5 = 环号= 1 闭合差= -.005 - 管段号 管长 管径 流速 流量 1000I 水头损失 sq (米) (毫米) (米/秒) (升/秒) (米) - 1 760 150 .55 -9.80 4.38 -3.33 .3395 2 400 150 .12 -2.11 .29 -.12 .0547 3 700 250 .74 36.29 3.81 2.67 .0735 4 400 150 .35 6.20 1.92 .77 .1239 sqtotal= .119 dq= -.02 =,= 环号= 2 闭合差= .000 - 管段号 管长 管径 流速 流量 1000I 水头损失 sq (米) (毫米) (米/秒) (升/秒) (米) - 1 850 250 .80 -39.29 4.41 -3.75 .0955 2 400 300 .84 -59.29 3.80 -1.52 .0256 3 850 300 1.08 76.30 6.06 5.15 .0675 4 400 150 .12 2.11 .29 .12 .0547 sqtotal= .119 dq= .00 =,= 环号= 3 闭合差= .000 - 管段号 管长 管径 流速 流量 1000I 水头损失 sq (米) (毫米) (米/秒) (升/秒) (米) - 1 700 250 .74 -36.29 3.81 -2.67 .0735 2 350 150 .06 1.10 .09 .03 .0297 3 700 150 .58 10.31 4.81 3.36 .3262 4 350 150 .37 -6.49 2.08 -.73 .1123 sqtotal= .119 dq= .00 =,= 环号= 4 闭合差= -.005 - 管段号 管长 管径 流速 流量 1000I 水头损失 sq (米) (毫米) (米/秒) (升/秒) (米) - 1 850 300 1.08 -76.30 6.06 -5.15 .0675 2 350 300 .83 58.62 3.72 1.30 .0222 3 850 250 .82 40.02 4.56 3.88 .0969 4 350 150 .06 -1.10 .09 -.03 .0297 sqtotal= .119 dq= -.02 =,平差设计的成绩评价,不是一个简单的自动执行的过程。环多少、管段多少不代表工作量大和设计的方案的水平高 。 评价指标：迭代过程、水流方向（与初定的关系）、干管和连接管的流量是否与原定的相同、负荷、能量消耗情况（涉及经济分析）/单位管长的服务面积等。 程序计算完成不代表平差工作完成，平差过程正确 。 定线不是简单的画方块：尽可能用最短的路线、最省的能量、把最多的水量输送到最远的地方去。,不同方案间比较（统一、分质、分区、分压） 不同工况间比较（最大时，消防、事故、转输时校核） 结果是否符合界限流量，如不符合即需要管径调整，重新平差,一、排水管网计算 排水管网计算的目的,目的：在满足规范中规定的约束条件下，如何选择设计参数（管径、坡度等），使管网工程造价最低。 污水在非满流的管道中靠重力流动（与给水管网压力流不同，但这也不是绝对的，甚至还有虹吸流动），即使按均匀流公式进行任一个管段计算，都必需对设计流速、管径、设计充满度和管道坡度等进行多次选择与计算。人工反复查大量计算图表（课程设计中的过程）。 每一个管段的设计计算都采用同一公式和基本相同的计算方法。 全局优化观点：排水管网是一个相对对立又比较完整的工程系统，管网中的各条管道是相互联系、相互影响和相互制约的。以减少总造价为全局目标。可进行方案比选。,排水管网设计计算的约束条件 在管网设计计算中计算有关的规定主要有： （1）充满度（H/D）不大于相应管径的最大设计充满度（H/Dmax），即管径为200300mm、350450mm，500900mm、1000mm及1000mm以上时，其最大充满度分别为0.55、0.65、0.70和0.75。 （2）在街道下应采用的最小管径为300mm，其最小设计坡度为0.003；在街坊和厂区内的最小管径为200mm，相应的最小设计坡度为0.004。 （3）非金属管道的最大设计流速（Vmax）为5m/s，金属管道的最大设计流速（Vmax）为10m/s。,（4）在设计充满度下最小设计流速（Vmin）为0.6m/s，当起点污水管道中的流速不能满足以上规定时，应当满足第二条关于最小设计坡度的要求。 （5）随着设计流量的逐段增加，其流速也应相应增加；如果设计流量不变，流速也不应减小。只有当坡度大的管段接到坡度小的管段并且下游管段的流速已大于或等于1.2m/s（混凝土或钢筋混凝土管道）的情况下，流速才允许减小至1.2m/s。 （6）不同管径在设计充满度下的最小设计流速应满足：管径为500mm、6001000mm、11001400mm和大于或等于1500mm的污水管道的设计最小流速分别为0.7m/s、 0.8m/s、 0.9m/s和1.0m/s。 （7）无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。 （8）在车行街道下管顶最小覆土厚度一般不宜小于0.7m。,（9）管道在坡度变陡处，其管径可根据水力计算确定由大改小，但不得超过2级，并不得小于最小管径。 （10）各种不同管径的管道在检查井内的衔接，宜采用水面或管顶平接，下游管段起端的水面和管底高程标高部分都不得高于上游管段终端的水面和管底标高。,排水管网计算原理及算法,程序在管网定线的基础上，适合于各种地形条件的分流制污水排水管网系统的设计计算；并能在计算过程中，满足设计规范等约束条件的同时对所采用的设计参数，如(设计流速以下简称流速）、管径、(设计充满度以下简称充满度）等进行优化选择，以便尽可能降低其工程造价。其基本算法与人工计算基本相同，即按污水流动方向，先计算支管后计算干管和主干管，通过从上游至下游依次对设计管段进行计算，继而完成一条管道以及整个管网的计算。, 选择尽可能小的设计流速 选择尽可能大的设计充满度 检查井内管段衔接时尽可能减小下游管段埋深（来决定水面平接、管顶平接、管底平接）。 全局最优化思想 人机对话的方式实现。如：跌水的情况。,排水管网计算程序的使用,排水管网计算基本过程 编辑原始数据-运行计算程序-得出计算结果 sj.ps3(文本文件)-psg29.exe-jg.p29（文本文件） 文本文件可用任何文本编辑器编辑，不一定用PE2，但要注意格式（空7列）。 源数据文件和结果数据文件可改名，以适应不同方案的比较。,计算程序总体设计与算法框图,程序框图和源程序中的主要变量和符号说明： VN用户确定的起始管段设计流速（m/s）； ZN管道粗糙系数，取0.014； HBD、VMAX分别为冰冻线深度（m）和 最大设计流速，取VMAX=5.0m/s; N设计管段与检查井的编号，数组的下标； K、M被计算的某一条管道起点和终点检查井编号，数组的下标；,L（N）、D（N）、DD（N）、F（N）、MM（N）、WB（N）、H（N）分别表示第N号设计管段（以下称第N管段）的管长（m）、管径（mm）、管径（m）、街坊面积（104m2）、人口密度（人/ 104m2）、污水量标准（L/人d）和第N号检查井的地面标高（m），其中N为数组的下标（以下同）； Q0（N）、QB（N）、QW（N）、Q（N）、KZ（N）、QK（N）分别表示第N号设计管段生活污水的比流量（ L/S 104m2）、本段流量（L/S）、转输流量（L/S）、合计平均流量（L/S）、总变化系数与设计流量（L/S）；,ID（N）、I（N）、V（N）、HD（N）分别为第N号管段的地面坡度、管底坡度、管道内污水设计流速（m/s）与充满度； HH（N）、HIL（N）、HDS（N）分别为第N号管道内污水设计水深流速（m）、管段降落高度（m）与管段始端的跌水高度（m）； HG（N，2）、HS（N，2）、HM（N，2）分别为第N号检查井下游管段始端（即第N号管段始端，见图2.2）的管底标高（m）、水面标高（m）与管底埋深（m）；,HG（N+1，1）、HS（N+1，1）、HM（N+1，1）分别为第N+1号检查井上游管段末端（即第N号管段末端，见图2.2）的管底标高（m）、水面标高（m）与管底埋深（m）； H/Dmin和HMmin表示最大设计充满度和最小允许埋深（m）； ZQS最后（最下游）一个管段的设计流量（L/S）； ZJ（N）、ZJN（或ZJ）、ZZJ分别为第N号管段的工程造价（元）、所计算的某一条管道上各管段的工程造价之和（元）、整个排水管网的总工程造价（元）；,图2-2污水管道断面示意图,以下变量同ZZJ一样，也表示整个排水管网的有关总量和平均量： ZMJ、ZGC、ZRK分别表示总服务面积 （104m2）、总管长（m）与总设计人口（人）； GWMD管网密度（m/ 104m2），它表示单位服务面积上所具有的管道长度，是不同管网定线方案比较的重要依据； DWZJ单位管长工程造价（元/m），也是管网定线方案比较的重要依据； PJGJ、PJPD分别表示平均管径（m）、和平均管道坡度（）。,算法框图,二、排水管网平差计算使用方法,1、数据文件 （1）划分管段进行编号（同一端点可有不同的编号）， 计算汇流面积，形成数据文件。 （2）数据单位：长度米，管径毫米，水量升/秒， 流速米/秒，面积平方公顷。,2、编辑录入数据 （1）进入WINDOWS状态下在sj/pssj文件夹内运行peii执行文件，进入编辑器，然后敲入空格3进入输入数据状态。 （2）输入、修改数据。 输入数据顺序： 管段编号 管长 人口密度 污水量标准 汇流面积 转输流量 集中流量 地面标高 终点地面标高 起始点埋深 冰冻线深度 最小流速 700 800,敲入数据要求: 必须在第七列之后敲入数据,按F10换行 在最小流速之后敲入数据:700 800 （3）输入结束后按存盘，按两次退出,再按Ctrl+C退回到WINDOWS状态下。,3、数据运行 WINDOWS状态下在sj/pssj文件夹内运行.exe文件，进行数据计算。 若不运行或出现死循环，则录入数据出现错误。 常见错误： 1）数据文件名不是sj.ps3； 2）管段数与实际不符； 3）编号错误； 4）少空格（数据不足）,4、查看运行结果 在WINDOWS状态下在sj/pssj文件夹内运行peii执行文件，敲入空格jg.p29。,附：计算结果格式 NO.N F(N) QB(N) QW(N) Q(N) KZ(N) QK(N) QJB(N) QJ(N) 编号汇流面积本段流量转输流量合计平均流量总变化系数设计流量本段集中流量本段转输流量 N (HA) (L/S) (L/S) (L/S) (L/S) (L/S) (L/S) = NO.N L(N) QS(N) D(N) I(N) V(N) H/D(N) HDS(N) 编号 管长 设计流量 管径 管底坡度 设计流速 充满度 始端跌水高度 N (M) (L/S) (MM) (0/00) (M/S) (M/M) (M) = NO.N HIL(N) H(N) H(N+1) HG(N,2) HG(N+1,1) HMN2 HMN11 编号 管段降落高度 地面标高（上、下） 管底标高（上、下） 管底埋深（上、下） N (M) SHANG XIA SHANG XIA SHANG XIA = NO.N MM(N) WB(N) QO(N) HS(N,2) HS(N+1,1) HH(N) ZJ(N) 编号 人口密度 污水量标准 比流量 水面标高（上、下） 设计水深 造价 N (M/HA) (L/MD) (L/SHA) SHANG XIA (M) (YUAN) =,排水管网计算程序的注意事项,水量计算要准确。不同方案的总流量、总人口应该是一致的。 建议二套方案造价应差10万元以上，以指导教师为准。 逐条干管上计算水量。管段交汇处重复编号。 提升泵站、跌水、倒虹管处人为断开，作为起点重新计算。 每段只输入旁侧管的生活平均水量，其他上游转输流量已由计算机自动相加。,三、雨水管网计算,雨水管道计算特点, 雨水排水系统的水力与高程设计计算与排水管网计算相比有许多相同之处。如：水在管道中都是重力流动，设计管段从上游至下游逐段计算；每一个管段的设计计算都采用同一公式和基本相同的计算方法。 雨水管道计算按满管流计算，管道在检查井内管顶平接就是水面平接。 一般无太长的管道，充分利用地形，就近排水水体。,雨水管道设计计算的约束条件,雨水管道设计计算的约束条件大部分和排水管网相同。如：在最大设计流速、最小管径与最小设计坡度、管底埋深与管顶最小覆土厚度等方面一致。它们之间的差别在于：雨水管道按满管流计算，最小设计流速一般控制在0.75m/s。,雨水设计流量的计算,雨水设计流量公式：Qs=Fq 式中QS雨水设计流量（L/s）； 径流系数； F汇水面积（104m2） q设计暴雨强度（L/s 104m2） 设计暴雨强度公式为： 式中P设计重现期（a）； t1地面集水时间（min）； m折减系数； t2管道内雨水总流行时间（min）； A1、c、n、b地方参数。,雨水计算程序的使用,编辑原始数据-运行计算程序-得出计算结果 sj.u29(文本文件)-usg29.exe-jg.u29（文本文件）,程序框图和符号说明 N设计管段和检查井的编号，数组的下标； F（N）表示第N管段的汇水面积，其中N为数组的下标（104m2）； T2（N）至第N管段雨水在管道内的总流行时间（min）； QO（N）单位面积径流量（L/s 104m2）； Q（N）输水能力（L/s）； P（N）设计重现期（a）； PSI（N）径流系数； T1地面集水时间（min）； LV（N）雨水在第N管段内的流行时间（min）；,VJ计算流速（m/s）； ZLN某一条管道总长度（m）； ZL雨水排水系统的总管长或所计算的各条管道长度之和（m）； ZM折减系数； A1、C、BN、B分别表示暴雨强度公式中的地方参数A1、c、n、b。 其它变量如：K、M、VN、HBD、ZN、V（N）、L（N）、H（N）、QS（N）、ID（N）、I（N）、Hmmin、D（N）、DD（N）、Vmax、HIL（N）、HDS（N）、HG（N，2）、HM（N，2）、HG（N+1，1）、ZJ（N）、ZJN、ZZJ、DWZJ等与排水管网计算程序中的变量相同。,雨水排水系统计算使用方法,1、数据文件 （1）选定暴雨