给水排水管网系统：第六章 给水管网设计与计算2

1、第六章第六章 给水管网设计与计算给水管网设计与计算(2）6.2 管网计算步骤管网计算步骤1、求沿线流量和节点流量；、求沿线流量和节点流量；2、求管段计算流量；、求管段计算流量；3、确定各管段的管径和水头损失；、确定各管段的管径和水头损失；4、进行管网水力计算和技术经济计算；、进行管网水力计算和技术经济计算；5、确定水塔高度和水泵扬程。、确定水塔高度和水泵扬程。6.2.1 设计流量分配与管径设计设计流量分配与管径设计用水流量分配用水流量分配为进行给水管网的细部设计，必须将为进行给水管网的细部设计，必须将总流量分配到系统中去，也就是将最总流量分配到系统中去，也就是将最高日用水流量分配到每条管段和各

2、个高日用水流量分配到每条管段和各个节点上去。节点上去。集中流量集中流量：从一个点取得用水，用水量较大的用户。：从一个点取得用水，用水量较大的用户。分散流量分散流量：沿线众多小用户用水，情况复杂。：沿线众多小用户用水，情况复杂。6.2.1.1 节点设计流量分配计算节点设计流量分配计算集中流量：qni 各集中用水户的集中流量，各集中用水户的集中流量，L/s；Qdi各集中用水户最高日用水量，各集中用水户最高日用水量，m3/d；Khi时变化系数。时变化系数。)/(4 .86sLQKqdihini根据实际管网流量变化情况设计管网非常复杂，加以简化。提出比流量，沿线流量，节点流量的概念。比流量比流量：为简

3、化计算而将除去大用户集中流为简化计算而将除去大用户集中流量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管长度量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管长度上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。长度比流量：长度比流量：面积比流量：面积比流量： lqQqsAqQqs沿线流量：沿线流量：干管有效长度与比流量的乘积。干管有效长度与比流量的乘积。 lqqsll:l:管段配水长度，不一定等于实际管长。无配水管段配水长度，不一定等于实际管长。无配水的输水管，配水长度为零；单侧配水，为实际管的输水管，配水长度为零；单侧配水，为实际管长的一半。长的一半。公园公园街坊街坊街坊街坊街

4、坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊街坊节点流量：节点流量：从沿线流量计算得出的并且假设从沿线流量计算得出的并且假设是在节点集中流出的流量。是在节点集中流出的流量。按照水力等效的原则，按照水力等效的原则，将沿线流量一分为二，将沿线流量一分为二，分别加在管段两端的节点上分别加在管段两端的节点上；集中流量可以直接加在所处的节点上；集中流量可以直接加在所处的节点上；供水泵站或水塔的供水流量也应从节点处进入供水泵站或水塔的供水流量也应从节点处进入管网系统管网系统例例6-2 图图5-6所示管网，给水区的范围如虚线所示，所示管网，给水区的范围如虚线所示，比流量为比流量为qs，求各节点的流量。，求各节

5、点的流量。因管段8-9单侧供水，求节点流量时，将管段配水长度按一半计算。解解: 以节点以节点3、5、8、9为例，节点流量如下：为例，节点流量如下：例例： 某城镇给水环状网布置如图所示，全城最高日某城镇给水环状网布置如图所示，全城最高日最高时总用水量最高时总用水量315m3/h，其中包括工厂用水量，其中包括工厂用水量50m3/h，管段，管段68和和89均只在单侧有用户。计算均只在单侧有用户。计算最高日最高时单位管长比流量、沿线流量和节点流最高日最高时单位管长比流量、沿线流量和节点流量。量。14295水厂7863工厂880640710540520620520560580920890解：解： 工厂的

6、集中流量作为在其附近的节点工厂的集中流量作为在其附近的节点4配出。管配出。管段段68和和89均只在单侧有用户。各管段配水长度均只在单侧有用户。各管段配水长度如表所示。如表所示。 全部配水干管总计算长度为全部配水干管总计算长度为6690m，该管网最高日，该管网最高日最高时的总用水量为：最高时的总用水量为： Q-q=(315-50) 1000/3600=73.6(L/s) 管长比流量管长比流量qs为：为： Qs=73.6/6690=0.011(L/s.m)表5-1 某城镇管网各管段最高日最高时沿线流量管段编号管段长度(m)管段计算长度(m) 沿线流量(L/s)水厂36201-24904905.39

7、1-48808809.682-58908909.794-55205205.722-35305305.833-692092010.135-65405405.944-7640640753.197-87107107.818-95605600.53.08合计669073.60节点编号连接管段编号连接管段沿线流量之和(L/s)节点流量（L/s)11-2,1-45.39+9.68=15.077.5421-2,2-3,2-55.39+5.83+9.79=21.0110.5132-3,3-6,水厂-35.83+10.13+0=15.967.9841-4,4-5,4-79.68+5.

8、72+7.04=22.4411.2213.89表5-2 某城镇管网最高日最高时各节点流量1427.5495水厂7863工厂（13.89）10.7210.517.989.6311.227.421.548806407105405206205205605809208906.2.1.2 管段设计流量分配计算管段设计流量分配计算管段设计流量是确定管段直径的主要管段设计流量是确定管段直径的主要依据。依据。求得节点流量后，就可以进行管网的求得节点流量后，就可以进行管网的流量分配，分配到各管段的流量已经流量分配，分配到各管段的流量已经包括了沿线流量和转输流量。包括了沿线流量和转输流量。1 1、 单水源树状网单

9、水源树状网树状管网的管段流量具有唯一性，每一管段的计算树状管网的管段流量具有唯一性，每一管段的计算流量等于该管段后面各节点流量和大用户集中用水流量等于该管段后面各节点流量和大用户集中用水量之和。量之和。泵站泵站56385646273545286142733341217726234715 环状管网满足连续性条件的流量分配方环状管网满足连续性条件的流量分配方案可以有无数多种。案可以有无数多种。15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024982、环状网、环状网流量分配遵循原则：流量分配遵循原则：(1)(1)从水源或多个水源（指

10、供水泵站或水塔）出发进行从水源或多个水源（指供水泵站或水塔）出发进行管段设计流量计算，按水流管段设计流量计算，按水流沿最短线路流向节点沿最短线路流向节点的原则的原则拟定水流方向；拟定水流方向； (2)(2)当向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向当向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向主主要供水方向或大用户用水分配较大的流量要供水方向或大用户用水分配较大的流量，向次要用户，向次要用户分配较少的流量；分配较少的流量；(3)(3)顺主要供水方向延伸的几条顺主要供水方向延伸的几条平行干管所分配的计算平行干管所分配的计算流量应大致接近流量应大致接近；(4)(4)每一节点满足进、出流量平衡。每一节点

11、满足进、出流量平衡。管段直径设计管径和设计流量的关系：管径和设计流量的关系： D管段直径，管段直径，m； q 管段流量，管段流量，m3/s； v 流速，流速，m/s；A 水管断面积，水管断面积，m3。确定管径必须先选定设计流速。确定管径必须先选定设计流速。vqDvDAvq442设计流速的确定 技术上：技术上：为防止水锤现象，为防止水锤现象，Vmax0.6m/s。 经济上：经济上：设计流速小，管径大，管网造价增加；设计流速小，管径大，管网造价增加； 水头损失减小，水泵扬程降低，电费降低。水头损失减小，水泵扬程降低，电费降低。 一般设计流速采用优化方法求得。一般设计流速采用优化方法求得。 合理的流

12、速应该合理的流速应该使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。费用之和最小。1221100CCpWYYYCYTTT投资偿还期内的年度总费用为：投资偿还期内的年度总费用为： DeY2Cpt1001VeCpt1001WY2WVW0DW0管径管径 （mm）平均经济流速平均经济流速 （m/s）D=100400 D4000.60.9 0.91.4一定年限一定年限T年内管网造价和管理费用（主要是电费）年内管网造价和管理费用（主要是电费）之和为最小的流速，称为之和为最小的流速，称为经济流速经济流速。经济流速和经济管径和当地的管材价格、管线施工费经济

13、流速和经济管径和当地的管材价格、管线施工费用、电价等有关。用、电价等有关。条件不具备时，可参考：条件不具备时，可参考：选取经济流速时考虑的原则：选取经济流速时考虑的原则：P130P1306.3 泵站扬程与水塔高度设计设计流量设计流量经济流速经济流速管径确定管径确定压压降确定降确定控制点确定控制点确定泵站扬程和水泵站扬程和水塔高度确定塔高度确定树枝状管网设计流量不会因管径选择不同而改变；环状网中，管径根据初次流量分配确定环状网中，管径根据初次流量分配确定，管管网流量按管网水力特性进行分配网流量按管网水力特性进行分配。设计工况水力分析 设计工况即最高日最高时用水工况。管段流设计工况即最高日最高时用

14、水工况。管段流量和节点水头最大，用于确定泵站扬程和水量和节点水头最大，用于确定泵站扬程和水塔高度。塔高度。 水力分析：确定设计工况时管道流量、管内水力分析：确定设计工况时管道流量、管内流速、管道压降、节点水头和自由水压。流速、管道压降、节点水头和自由水压。 水力分析前需进行预处理水力分析前需进行预处理1）泵站所在的管段暂时删除）泵站所在的管段暂时删除 水力分析前提：水力特性必须已知。水力分析前提：水力特性必须已知。 泵站水力特性未知，泵站设计流量合并到与泵站水力特性未知，泵站设计流量合并到与之相关联的节点中。之相关联的节点中。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）198765432Q

15、7Q3Q2Q1Q4Q5Q6Q8q1,h1q6,h6q5,h5q2,h2q3,h3q7,h7q8,h8q9,h9q4,h4节点（7）为清水池，管段1上设有泵站，将管段1删除，其流量合并到节点（7）和（1）：（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）98765432Q7+q1Q3Q2Q1-q1Q4Q5Q6Q8q6,h6q5,h5q2,h2q3,h3q7,h7q8,h8q9,h9q4,h42）假设控制点 水力分析前提，管网中必须有一个定压节点。水力分析前提，管网中必须有一个定压节点。 节点服务水头节点服务水头：节点地面高程加上节点处用：节点地面高程加上节点处用户的最低供水压力。户的最低供水压力

16、。 规定规定(表表6.9)：一层楼：一层楼10m，二层楼，二层楼12m，以，以后每增一层，压力增加后每增一层，压力增加4m。 控制点控制点：给水管网中压力最难满足的节点，：给水管网中压力最难满足的节点，其节点水头可作为定压节点。其节点水头可作为定压节点。控制点的选择一般离泵站最远，地势最高的节点为一般离泵站最远，地势最高的节点为控制点。控制点。可先随意假定，水力分析完成后，通可先随意假定，水力分析完成后，通过节点自由水压比较，找到真正的控过节点自由水压比较，找到真正的控制点。制点。例6.5 某给水管网如图所示，水源、泵站和水塔位置标于图中，节点设计流量、管段长度、管段设计流量等数据也标注于图中

17、，节点地面标高及自由水压要求见表。（P134）1）设计管段直径；2）进行设计工况水力分析；3）确定控制点。（2）（3）（4）（6）（7）（8） H1=12.00（1）清水池）清水池水塔（水塔（5）132094908590736065427035502650-194.3520.7751.1714.5535.0382.3327.65-37.15-194.3532.4689.989.96.2722.6354.875.0037.15泵站泵站管网设计工况水力分析管网设计工况水力分析节点编号12345678地面标高(m)13.618.819.12232.218.317.317.5要求自由水压(m)/24.

18、02824/282824服务水头(m)/42.847.146/46.345.341.5给水管网设计节点数据解解 1）管段直径设计）管段直径设计（如下表）（如下表）经济流速选择考虑管段编号123456789设计流量(L/s)194.3589.96.2737.1589.932.4622.6354.875经济流速(m/s)110.20.8110.70.90.6计算管径(mm)352338计管径(mm)300*2300200200*2300200200300100给水管网设计数据2）设计工况水力分析将管段1暂时删除，管段流量并到节点（2）上的Q2=-194.35

19、+14.55=-179.8（L/s）假定节点（8）为控制点，采用哈代-克罗斯法平差；水头损失采用海曾-威廉公式CW=110管段或节点编号23456789管段流量(L/s)81.088.7737.1598.7221.1425.1363.692.5管内流速(m/s)1.150.280.591.40.670.80.90.32管段压降(m)3.860.380.752.821.241.762.240.97节点水头(m)47.5743.7143.2644.0444.7142.4741.5/地面标高（m）18.819.12232.218.317.317.5/自由水压（m）28.7724.6121.26/26

20、.4125.1724/要求自由水压242824282824设计工况水力分析计算结果3）确定控制点节点编号12345678节点水头(m)/47.5743.7143.2644.0144.7142.4741.5服务水头(m)/42.847.146/46.345.341.5供压差额（m）/-4.773.392.74/1.592.830节点水头调整(m)1250.9647.146.6547.4048.145.8644.89自由水压(m)/32.162824.65/29.828.5627.39节点（3）、（4）、（6）、（7）压力无法满足服务水头要求，节点（3）和要求自由水压差值最大，所以控制点为节点（3

21、），应根据节点（3）自由水压重新进行水力分析。控制点确定与节点水头调整泵站扬程设计 完成设计工况水力分析后，泵站扬程可以根据所在管段的水力特性确定。泵站扬程计算公式：)()(mifiFiTipihhHHhHfi泵站所在管段起端节点水头Hti终端节点水头hfi沿程水头损失hmi局部水头损失局部损失可忽略不计，上式也可写为：iminiFiTipilDkqHHh)(（2）（3）（4）（6）（7）（8） H1=12.00（1）清水池）清水池水塔（水塔（5）132094908590736065427035502650-194.3520.7751.1714.5535.0382.3327.65-37.15-

22、194.3532.4689.989.96.2722.6354.875.0037.15泵站泵站管网设计工况水力分析管网设计工况水力分析)()(mifiFiTipihhHHh泵站扬程计算例6.6 采用例6.5数据，节点（1）处为清水池，最低设计水位标高为12m，试根据设计工况水力分析的结果，借1上泵站的设计扬程并选泵。解水泵扬程为（忽略局部水头损失）：35.41320)219435. 0(3 . 011067.10)1269.50()(852. 187. 4852. 1iminiFiTipilDkqHHh考虑局部水头损失：水泵吸压水管道设计流速一般为1.22.0m/s，局部阻力系数可按5.08.0

23、考虑，沿程水头损失忽略不计，泵站内部水头损失为：则水泵扬程应为：Hp=41.35+1.63，取43m；按2台水泵并联工作，单台水泵流量为：Qp=194.35/2=97.2(L/s)=349.8（t/h)，取350t/h。查水泵样本，选型。63. 181. 922821mh水塔高度设计见P136页（1）管网定线（2）计算干管的总长度（3）计算干管的比流量（4）计算干管的沿线流量（5）计算干管的节点流量（6）定出各管段的计算流量 树状网：管段流量等于其后管段各节点流量和 环状网：根据一定原则先人为拟定lqQqslqqslltqq5 . 0总结：给水管网设计和计算的步骤（7）根据计算流量和经济流速，

24、选取各管段的管径（8）根据流量和管径计算各管段压降（9）确定控制点，根据管道压降求出各节点水头和自由水压。树状网：根据流量直径计算压降。环状网：若各环内水头损失代数和（闭合差）超过规定值，进行水力平差，对流量进行调整，使各个环的闭合差达到规定的允许范围内。（6）（9）列水力分析计算表（10）确定水泵扬程和水塔高度 某城市供水区用水人口某城市供水区用水人口5 5万人，最高日用万人，最高日用水量定水量定额为额为150150/(/(人人) )，要求最小服务水头为，要求最小服务水头为1616。节点接某工厂，工业用水量为节点接某工厂，工业用水量为4004003 3/ /，两班，两班制，均匀使用。城市地制

25、，均匀使用。城市地形平坦，地面标高为形平坦，地面标高为5.OO5.OO。水泵水泵水塔水塔012348567250450300600230190205650150练习1 树枝网水力计算1 1总用水量总用水量 设计最高日生活用水量：设计最高日生活用水量： 50000500000.150.157500m7500m3 3/d/d86.81L/s 86.81L/s 工业用水量：工业用水量： 400400161625m25m3 3/h/h6.94L/s 6.94L/s 总水量为：总水量为： QQ86.8186.816.946.9493.75L/s 93.75L/s 2 2管线总长度：管线总长度：LL242

26、5m2425m，其中水塔，其中水塔到节到节点点0 0的管段（的管段（输水管输水管）两侧无用户不计入。）两侧无用户不计入。 3 3比流量：比流量： (93.75(93.756.94)6.94)242524250.0358L/s0.0358L/s4沿线流量：沿线流量：管段管段管段长度（管段长度（m）沿线流量（沿线流量（L/s）01 12 23 14 48 45 56 67300 150 250 450 650 230 190 2053000.035810.74 1500.03585.37 2500.03588.95 4500.035816.11 6500.035823.27 2300.03588.

27、23 1900.03586.80 2050.03587.34合计合计242586.815节点流量：节点流量：节点节点节点流量（节点流量（L/s）0 1 2 3 4 5 6 7 80.510.745.37 0.5(10.74+5.37+16.11)16.11 0.5(5.37+8.95) 7.16 0.58.954.48 0.5(16.11+23.27+8.23)23.80 0.5(8.23+6.80)7.52 0.5(6.80+7.34)7.07 0.57.343.67 0.523.2711.63合计合计86.8193.7588.3860.6311.634.4811.643.6710.7418

28、.26水泵水泵水塔水塔0123485672504503006002301902056501503.6711.634.487.1623.80+6.947.077.5216.115.376干管水力计算：干管水力计算：管段管段流量流量（L/s）流速流速（m/s）管径管径（mm）水头损失（水头损失（m）水塔水塔0 01 14 4893.75 88.38 60.63 11.630.75 0.70 0.86 0.66400 400 300 1001.27 0.56 1.75 3.95 h7.53 选定节点选定节点8为控制点，按经济流速确定为控制点，按经济流速确定管径管径（也可以先确定管径，核算流速是否（也

29、可以先确定管径，核算流速是否在经济流速范围内）。在经济流速范围内）。7支管水力计算：支管水力计算：管段管段流量流量(L/s) 管径管径(mm) 水力坡度水力坡度水头损失水头损失(m)12 23 45 56 6711.64 4.48 18.26 10.74 3.67150(100) 100 200(150) 150 1000.00617 0.00829 0.00337 0.00631 0.005811.85(16.8) 2.07 0.64(3.46) 1.45 1.198确定水塔高度确定水塔高度)(53.23)00. 500. 5(53. 700.16)(mZZhHHotot水泵扬程：需要根据水

30、塔的水深、吸水井最低水位水泵扬程：需要根据水塔的水深、吸水井最低水位标高、水泵吸水管路和压水管水头损失计算确定。标高、水泵吸水管路和压水管水头损失计算确定。水泵水泵水塔水塔012348567250450300600230190205650150练习2 树枝网水力计算已知树状网各管段长度，各节点流量和高程，设水厂供水水压按满足3层楼用水考虑，应满足自由水头He16m。水厂二级泵站泵轴高程Zp为42.08m，水泵吸程（吸水高度Hs吸水管水头损失hs）为4.0m，求二级水泵扬程。17654325.66805.416.66.215.85.311.1600710620580640520水厂图5-13 某

31、树枝网节点流量、管段长度节点编号地面高程(m)节点编号地面高程(m)142.95543.24243.81643.94343.88744.17444.69表5-6 某树枝网各节点地表高程7解（1）管网定线（已知）（2）计算干管的总长度（略）（3）计算干管的比流量（略）（4）计算干管的沿线流量（略）（5）计算干管的节点流量（已知）（6）定出各管段的计算流量（7）根据计算流量和经济流速，选取各管段的管径（8）根据流量和管径计算各管段压降（9）确定4为控制点，根据管道压降求出各节点水头和自由水压。 （6）-（9）见水力计算表管段或节点编号1234567管段流量(L/s)6649.328.26.25.6

32、5.35.4管径管内流速(m/s)0.931.010.910.8-管段压降(m)3.164.263.8910.58-节点水头(m)79.4275.1671.2716+44.69-地面标高（m）42.9543.8143.8844.69-自由水压（m）36.4731.3527.3916-设计工况水力分析计算结果设计工况水力分析计算结果节点（4）水头=16+44.69节点（3）水头=16+44.69+10.58=71.27自由水压=71.27-43.88=27.39（10）二级泵站水泵扬程 79.42-42.08 3.16+4.0 44.5（m)()(mifiFiTipihhHHh已知某城镇给水管网

33、最高用水时流量Qh=200L/s。各节点流量、各管段长度见附图，单位分别为：米，升/秒。经济管径可参考表1选取。试列表计算各管段的管径和流量。（只要求算到第二次分配各管段的流量，即可结束计算）。1350l/s24表1 界限流量表200l/s60l/s30l/s60l/s管径（mm)100150200250300350计算流量（l/s)5.85.817.517.5313148.548.57171111练习3 环状管网水力计算答：因为分配初始流量有无数种方案，所以该题要求能正确分配初始流量，确定管径，计算各管段水头损失，环闭合差和环校正流量，能正确调整各管段的流量。以下为一个例子：1350l/s2

34、4200l/s60l/s30l/s60l/s7030803010环号管段管长(m)管径(mm)Q(L/s)h(m)h/Q（sq) Q(L/s)11-2800300704.1340.05970-6.09=63.911-4850350-80-2.5990.032-80-6.09=-86.092-4400150101.9590.19610-6.09-1=2.91 3.494 0.287 -6.0922-3700200305.8720.19630+1=313-4600200-30-5.0330.168-30+1=-292-4400150-10-1.9590.196-10+1+6.09=-2.91 -1.12 0.56 1.02hQhQ 6.4 管网设计校核 给水管网按最高日最高时设计，能满足一般给水管网按最高日最高时设计，能满足一般供水要求，但须对特殊工况进行水力校核供水要求，但须对特殊工况进行水力校核 两种校核方法：两种校核方法：水头校核法，流量校核法水头校核法，流量校核法。 P137 校核工况包括：校核工况包括： 1）消防工况校核）消防工况校核 2）水塔转输工况校核）水塔转输工况校核 3）事故工况校核）事故工况校核消防工况校核消防工况校核根据城