第6章给水管网设计及计算

第六章给水管网设计与计算第6章给水管网设计与计算§

6.1设计用水量计算§6.2设计流量分配与管径设计§

6.3泵站扬程与水塔高度设计§

6.4管网设计校核§

6.5给水管网分区设计6.1设计用水量计算生活用水生产用水市政消防用水居民生活用水公共设施用水工业企业生活用水城市用水的分类城市规模特大城市大城市中小城市分区最高日平均日最高日平均日最高日平均日一180～270140～210160～250120～190140～230100～170二140～200110～160120～18090～140100～16070～120三140～180110～150120～16090～130100～14070～110表2-1居民生活用水定额单位：L/人.d（室外给水设计规范GB50016--2006）注：一区包括：贵州、四川、湖北、湖南、江西、浙江、福建、广东、广西、海南、上海、云南、江苏、安徽、重庆；二区包括：黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津、河北、山西、河南、山东、宁夏、陕西、内蒙古河套以东和甘肃黄河以东的地区；三区包括：新疆、青海、西藏、内蒙古河套以西和甘肃黄河以西的地区。1）居民生活用水量标准表2－2《建筑给水排水设计规范》所制定的住宅生活用水定额。住宅类别卫生器具设置标准单位生活用水定额（最高日）（L）小时变化系数普通住宅有大便器、洗涤盆、无沐浴设备每人每日85～1503.0～2.5有大便器、洗涤盆和沐浴设备130～2202.8～2.3有大便器、洗涤器、沐浴设备和热水供应170～3002.5～2.0高级住宅和别墅有大便器、洗涤器、沐浴设备和热水供应300～4002.3～1.8表2-2住宅生活用水定额单位：L/人.d2）工业企业用水量标准用水种类车间性质用水量(L/人.d)时变化系数Kh生活用水一般车间热车间25353.02.5淋浴用水不太脏污身体的车间非常脏污身体的车间4060每班淋浴时间以45min计算，时变化系数为1生活用水量和淋浴用水量《建筑给水排水设计规范》《工业企业设计卫生标准规定》－管网消防栓设计：“室外消防给水管道的最小直径不应小于100mm”和“室外消火栓的间距不应超过120m”

；

－消防用水量计算：《建筑设计防火规范》(GB50016-2006)、《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)2005版。3）消防用水量4）其他用水量市政用水：街道洒水量1-2升/m2次，2-3次/天，绿化1.5-4升/m2.d未预见水量：按最高日用水量的15-25％计算最高日设计用水量计算1）城市最高日综合生活用水量q1i----城市各用水分区的最高日综合生活用水量定额，L/（cap.d)N1i----设计年限内城市各用水分区的计划用水人口数，cap。通过查《室外给水设计规范》2）工业企业生产用水量q2i——各工业企业最高日生产用水量定额，m3/万元、m3/产量单位或m3/（生产设备单位.d；N2i——各工业企业产值，万元/d，或产量，产品单位/d，或生产设备数量，生产设备单位；fi——各工业企业生产用水重复利用率。3）工业企业职工的生活用水和淋浴用水q3ai——职工生活用水量定额，L/(cap.班）；q3bi——职工淋浴用水量定额，L/(cap.班）；N3ai——职工生活用水总人数，cap；N3bi——职工淋浴用水总人数，cap。4）浇洒道路和大面积绿化用水量q4a——城市浇洒道路用水量定额，L/(m2/d);q4b——城市大面积绿化用水量定额，L/(m2.d)；N4a——城市最高日浇洒道路面积，m2；f4——城市最高日浇洒道路次数N4b——城市最高日大面积绿化用水面积，m2。5）未预见水量和管网漏失水量

Q5=（0.15~0.25）（Q1+Q2+Q3+Q4）（m3/d)6）消防用水量Q6=q6f6(L/s)q6——消防用水量定额，L/s；f6——同时火灾次数。7）最高日设计用水量

Qd=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6

（m3/d)书中例6.1p1166.1.2设计用水量变化及其调节计算一、设计用水量变化规律的确定1）《室外给水设计规范》规定，城市供水中，时变化系数、日变化系数应根据城市性质、城市规模、国民经济与社会发展和成熟供水系统并结合现状供水曲线和日用水变化分析确定；在缺乏实际用水资料的情况下，最高日城市综合用水的时变化系数宜采用1.3~1.6，日变化系数宜采用1.1~1.5，个别小城镇可适当加大2）工业企业内工作人员的生活用水时变化系数为2.5~3.0，淋浴用水量按每班延续用水1小时确定变化系数；3）工业生产用水量一般变化不大，可以在最高日的工作时段内均匀分配。一泵站供水曲线用水曲线024681012141618202224最大用水小时最大转输小时用水量变化曲线二泵站供水曲线日平均供水量二、泵站供水流量设计供水设计的原则1）供水管网设计流量等于最高日最高时设计用水量；2）多水源给水系统，一般不需要在管网中设置水塔或高位水池进行水量调节；3）单水源给水系统不设水塔（或高位水池）设置水塔（或高位水池）单水源给水系统不设水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量为最高时用水量；设置水塔或高位水池，应设计泵站供水曲线。具体要求：泵站供水量一般分两级或三级；泵站各级供水量尽量接近用水量；应注意每级能否选到合适水泵，以及水泵机组的合理搭配；使泵站24小时供水量之和与最高日用水量相等。例：二级供水第一级：从20点到5点，小时供水量2.78%；第二级：从5点到20点，小时供水量5%；总供水量：2.78%*9+5%*15=100%供水泵站、水塔或高位水池设计流量若最高日用水量为45000m3/d不设水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量为：45000×6%×1000/3600=750(L/s)设置水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量：45000×5%×1000/3600=625(L/s)水塔或高位水池的设计供水流量：45000×（6%-5%）×1000/3600=125(L/s)水塔或高位水池的最大进水流量（2-4点）45000×（2.78%-1.5%）×1000/3600=160(L/s)三、调节容积计算四、清水池和水塔容积设计W1——清水池调节容积，m3;W2

——消防储备水量，m3;W3

——给水处理系统自用水量，m3;W4

——安全储备水量，m3。Q1——泵站供水量，m3/h;Q2

——管网用水量，m3/h;清水池容积计算公式：水塔容积：W1——调节容积，可按最高日用水量的3～6%估算W2——消防贮水量，一般按十分钟消防用水量计算调节容积计算Q1——泵站供水量，m3/h;Q2

——管网用水量，m3/h;MAXMIN6.2设计流量分配与管径设计1）用户分类：集中用水户：大用户用水流量称为集中流量，如工业企业、事业单位、大型公共建筑，单独设置节点。分散用水户：管段沿线分散用水，称为沿线流量，如居民生活用水、浇路或绿化用水等，用水量折算到交叉节点。6.2.1节点设计流量分配计算2）集中流量计算方法：一般根据集中用水户在最高日的用水量及其时变化系数计算，应逐项计算3）沿线流量计算方法：按管段配水长度分配计算，或按供水面积分配计算集中用户流量注意：一侧供水为实际管长的一半比流量：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上，由此计算出的单位长度干管承担的供水量。长度比流量：面积比流量：3）节点设计流量节点设计流量＝沿线流量＋集中流量＋(泵站或水塔）供水设计流量注意：1、面积比流量考虑了沿线供水面积（人数）多少对管线配水的影响，计算结果更接近实际配水情况，但计算较麻烦。当供水区域的干管分布比较均匀时，二者相差很小。这时，用长度比流量较好。2、当供水区域内各区卫生设备或人口密度相差较大时，各区的比流量应分别计算。3、同一管网，比流量的大小随用水量变化而变化。各种工况下需分别计算6.2.2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依据。流量分配要保持水流的连续性，每一节点必须满足节点流量的平衡条件：流入任一节点的流量等于流离该节点的流量，若以流入为“-”，流离为“+”，则∑Q=0。求得节点流量后，就可以根据节点流量连续性方程，进行管网的流量分配，分配到各管段的流量已经包括了沿线流量和转输流量。1、树状网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之和。泵站56385646273545286142733341217726234775

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。15101312181617141976125271485819123359134602495111357301024982、环状网流量分配遵循原则：(1)从水源或多个水源出发进行管段设计流量计算，按水流沿最短线路流向节点的原则拟定水流方向；(2)当向两个或两个以上方向分配设计流量时，要向主要供水方向或大用户用水分配较大的流量，向次要用户分配较少的流量；(3)顺主要供水方向延伸的几条平行干管所分配的计算流量应大致接近；(4)每一节点满足进、出流量平衡。6.2.3管段直径设计管道直径、管段计算流量和水流速度之间满足以下关系：在确定的计算流量下，管道直径是流速的公式：技术上考虑最大速度：不超过2.5～3.0米/秒最小速度：不小于0.6米/秒经济上考虑较大的水流速度可减小管道直径，降低工程造价；但由于水流速度大而会导致水头损失增加，从而加大运行的动力费用合理的流速应该使得在一定年限（投资偿还期）内管网造价与运行费用之和最小。称为经济流速。防止水锤防止沉积例:设Wt为总费用，C为管网造价，M1为年度运行电费，M2为年折旧费用，t为投资偿还年限。则有：投资偿还期内的年度总费用为：管网年折旧和大修费率DeM1VeWM1WVW0DW0管径（mm）平均经济流速（m/s）D=100～400D≥4000.6～0.90.9～1.4年运行费用设计流量→经济流速→管径确定→压降确定→控制点确定→泵站扬程和水塔高度确定树状管网：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，管网流量按管网水力特性进行分配。6.3泵站扬程和水塔高度的设计6.3.1设计工况水力分析设计工况：即最高日最高时用水工况。管段流量和节点水头最大，用于确定泵站扬程和水塔高度。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。水力分析前需进行预处理:1）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。∴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。（1）（2）（3）（4）（5）（6）（7）（8）[1][9][8][7][6][5][4][3][2]Q7Q3Q2Q1Q4Q5Q6Q8q1,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）[9][8][7][6][5][4][3][2]Q7+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。节点服务水头：节点地面高程加上节点所连接用户的

最低供水压力。(P133)

【规定最低供水压力标准：一层楼10m，二层楼12m，以后每增一层，压力增加4m。H=120+40(n-2)kPa，其中n≥2】控制点：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。控制点的选择一般离泵站最远、地势最高的节点假定为控制点。假定控制点，其节点水头等于服务水头，则该节点成为定压节点。可先随意假定，水力分析完成后，通过节点水头与服务水头两者供压差额比较，找到真正的控制点。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，节点地面标高及自由水压要求见表。

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）清水池水塔（5）[1]320[9]490[8]590[7]360[6]350[5]330[4]270[3]550[2]650-194.3520.7751.1714.5535.0382.3327.65-37.15-194.3532.4689.989.96.2722.6354.875.0037.15泵站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)/24.02824/282824服务水头(m)/42.847.146/46.345.341.5给水管网设计节点数据[解]1）管段直径设计（如下表）经济流速选择考虑管段编号123456789设计流量(L/s)194.3589.96.2737.1589.932.4622.6354.875.00经济流速(m/s)1.001.000.200.801.001.000.700.900.60计算管径(mm)352338计管径(mm)300*2300200200*2300200200300100给水管网设计数据两根管并联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+14.55=-179.8（L/s）假定节点（8）为控制点水头损失采用海曾-威廉公式CW=110管段或节点编号23456789管段流量(L/s)81.088.7737.1598.7221.1425.1363.692.50管内流速(m/s)1.150.280.591.400.670.800.900.32管段压降(m)3.860.380.752.821.241.762.240.97节点水头(m)47.5743.7143.2644.0444.7142.4741.50/地面标高（m）18.8019.1022.0032.2018.3017.3017.50/自由水压（m）28.7724.6121.26/24.6125.1724/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)/47.5743.7143.2644.0444.7142.4741.50服务水头(m)/42.8047.1046.00/46.345.3041.50供压差额（m）/-4.773.392.74/1.592.830.00节点水头调整(m)1250.9647.1046.6547.448.1045.8644.89地面标高（m）18.8019.1022.0032.2018.3017.3017.50自由水压(m)/32.1628.0024.65/29.8028.5627.39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，所以真正控制点为节点（3），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6.3.2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：Hfi——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：（2）（3）（4）（6）（7）（8）H1=12.00（1）清水池水塔（5）[1]320[9]490[8]590[7]360[6][5][4]270[3]550[2]650-194.3520.7751.1714.5535.0382.3327.65-37.15-194.3532.4689.989.96.2722.6354.875.0037.15泵站管网设计工况水力分析泵站扬程计算[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）：考虑局部水头损失：水泵吸压水管道设计流速一般为1.2~2.0m/s，局部阻力系数可按5.0~8.0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=41.61+1.63，取44m；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。6.3.3水塔高度设计

完成设计工况水力分析后，

水塔高度=水塔节点水头-地面高程：（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，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5万人，最高日用水量定额为150Ｌ/(人·ｄ)，要求最小服务水头为16ｍ。节点４接某工厂，工业用水量为400ｍ3/ｄ，两班制，均匀使用。城市地形平坦，地面标高为5.OOｍ。水泵水塔012348567250450300600230190205650150[练习1]树枝网水力计算1．总用水量设计最高日生活用水量：

50000×0.15＝7500m3/d＝86.81L/s工业用水量：

400÷16＝25m3/h＝6.94L/s总水量为：

ΣQ＝86.81＋6.94＝93.75L/s2．管线总长度：ΣL＝2425m，其中水塔到节点0的管段两侧无用户不计入。3．比流量：

(93.75－6.94)÷2425＝0.0358L/s4．沿线流量：管段管段长度（m）沿线流量（L/s）0～11～22～31～44～84～55～66～7300150250450650230190205300×0.0358＝10.74150×0.0358＝5.37250×0.0358＝8.95450×0.0358＝16.11650×0.0358＝23.27230×0.0358＝8.23190×0.0358＝6.80205×0.0358＝7.34合计242586.815．节点流量：节点节点流量（L/s）0123456780.5×10.74＝5.370.5×(10.74+5.37+16.11)＝16.110.5×(5.37+8.95)＝7.160.5×8.95＝4.480.5×(16.11+23.27+8.23)＝23.800.5×(8.23+6.80)＝7.520.5×(6.80+7.34)＝7.070.5×7.34＝3.670.5×23.27＝11.63合计86.8193.7588.3860.6311.634.4811.643.6710.7418.26水泵水塔0123485672504503006002301902056501503.6711.634.487.1623.80+6.947.077.5216.115.376．干管水力计算：管段流量（L/s）流速（m/s）管径（mm）水头损失（m）水塔～00～11～44～893.7588.3860.6311.630.750.700.860.664004003001001.270.561.753.95Σh＝7.53

选定节点8为控制点，按经济流速确定管径（可以先确定管径，核算流速是否在经济流速范围内）。7．支管水力计算：管段起端水位（m）终端水位（m）允许水头损失（m）管长（m）平均水力坡度1～34～726.7024.9521.0021.005.703.954006250.014250.00632管段流量(L/s)管径(mm)水力坡度水头损失(m)1～22～34～55～66～711.644.4818.2610.743.67150(100)100200(150)1501000.006170.008290.003370.006310.005811.85(16.8)2.070.64(3.46)1.451.198．确定水塔高度水泵扬程：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。水泵水塔0123485672504503006002301902056501506.4管网设计校核

从前面的设计过程可知，管网的管径和水泵扬程，是按设计年限内最高日最高时的用水量和正常水压要求来设计的。这样的管径和水泵能否满足其他特殊情况(消防时、最大转输、事故时）下的要求，就需进行其它用水量条件下的核算。核算按最高日最高时流量设计的管径和水泵能否满足其他特殊情况下的要求的过程就叫作管网校核。两种校核方法：水头校核法，流量校核法。

校核工况包括：

1）消防工况校核

2）水塔转输工况校核

3）事故工况校核消防工况校核、事故工况校核水塔转输工况校核1消防校核1.1消防校核的实质管网是按最高日最高时流量来设计的，这个流量并没有包括消防流量。（原因：城市火灾不是经常发生的，且火灾持续时间不长，灭火期间短时间的断水或者流量减少居民能够接受）消防校核的实质是以最高日最高时流量另加消防流量作为设计流量，按10m的服务水头计算，校核按最高时流量确定的管径和水泵能否满足消防时候的要求。1.2消防校核的方法：

（1）首先根据城市规模和现行的《建筑设计防火规范》确定同时发生的火灾次数和消防用水量；（2）把消防流量作为集中流量加在相应节点的节点流量中；（如按消防要求同时一处失火，则放在控制点，有两处或两处以上失火，一处放在控制点，其他设定在离二级泵站较远或靠近大用户的节点处，其余节点仍按最高用水时的节点流量。）（3）以最高日最高时用水量确定的管径为基础，将最高时用水量与消防流量相加后进行流量分配；（4）进行管网平差，求出消防时的管段流量和水头损失；（5）计算消防时所需要的水泵扬程。（自由水压不低于10mH2O）1.3消防校核结果

虽然消防时比最高时所需的服务水头要小得多,但因消防时通过管网流量增大，各管段的水头损失相应增加，按最高时确定的水泵扬程有可能不满足消防时的需要。若：消防时需要的水泵扬程小于最高时确定的水泵扬程,则设计不需要调整；消防时需要的水泵扬程略大于最高时确定的水泵扬程，可放大管网末端个别管径；消防时需要的水泵扬程远大于最高时确定的水泵扬程，专设消防泵。2最大转输校核2.1最大转输校核的实质

设对置水塔的管网，在最高用水时由泵站和水塔同时向管网供水，但在一天内泵站送水量大于用水量的时段内，多余的水经过管网送入水塔贮存。

最大转输校核的实质是校核设对置水塔的管网在发生最大转输流量时水泵能否将水送到水塔水柜中最高水位。最高时转输时2.2最大转输校核的方法

1、校核时，水力计算过程跟最高时计算过程相同，只是管网各节点的流量需按最大转输时管网各节点的实际用水量求出。因节点流量随用水量的变化成比例地增减，所以最大转输时各节点流量可按下式计算：

2、最大转输时节点流量等于最大转输小时用水量与最大小时用水量之比乘以最大小时节点流量；水泵扬程满足水塔最高水位；

3、节点流量确定后，按最大转输时的流量进行分配和管网平差，求出各管段的流量、水头损失和所需要的水泵扬程。2.3最大转输校核的结果