v教材：教材：严煦世、刘遂庆主编。严煦世、刘遂庆主编。中国建筑工业中国建筑工业出版社，出版社，2002。v主要参考教材：主要参考教材：v1.许保玖著。给水处理理论。中国建筑工业许保玖著。给水处理理论。中国建筑工业出版社，出版社，2000。v2.周玉文、赵洪宾著。排水管网理论与计算。周玉文、赵洪宾著。排水管网理论与计算。中国建筑工业出版社，中国建筑工业出版社，2000。v3.唐受印、戴友芝等编唐受印、戴友芝等编。水处理工程师手册。水处理工程师手册。化工出版社，化工出版社，2000，629-663。9/26/202419/26/202429/26/202439/26/202449/26/202459/26/202469/26/202479/26/202489/26/202499/26/2024109/26/2024119/26/2024129/26/2024139/26/202414v给水排水工程分为给水工程和排水工程两大部份。v 给水工程的任务；v 排水工程的任务。v给水排水工程专业课内容主要包括水资源规划与保护、取水工程、水处理工程和管网系统工程。v本课程为给水排水专业的主干课，教材中主要讲述的内容为给水的输送和分配以及废水的收集和输送管道系统网络的理论、工程设计与管网的管理维护和运行调度的基础理论与工程技术。9/26/202415第一章 概述1.给水排水系统的主要功能：（1）水量保证水量保证（2）水质保证）水质保证（3）水压保证）水压保证2.给水排水系统的组成：（1）取水系统）取水系统（2）给水处理系统）给水处理系统（3）给水管网系统）给水管网系统（4）排水管网系统）排水管网系统（5）废水处理系统）废水处理系统（6）排放和复用系统）排放和复用系统9/26/202416第一章 概述3.给水排水系统工作原理（1）流量平衡流量平衡（2）水质关系）水质关系（3）水压关系）水压关系4.给水排水管网系统的功能与特点功能：水量输送、水量调节、水压调节功能：水量输送、水量调节、水压调节特点：分散性、连通性、传输性、扩展性特点：分散性、连通性、传输性、扩展性9/26/202417思考题思考题v（水源地）为何取水口一般布置在河流较窄（水源地）为何取水口一般布置在河流较窄的地方？的地方？v（水质）为何取水口位于城市河流的上游？（水质）为何取水口位于城市河流的上游？v（水压）为何给水处理厂一般建筑在城市地（水压）为何给水处理厂一般建筑在城市地势较高处而污水处理厂却建设在较低处？反势较高处而污水处理厂却建设在较低处？反之有何问题？之有何问题？9/26/202418第一章 概述5.给水管网系统的组成给水管（渠）、配水管网、水压调节设施、给水管（渠）、配水管网、水压调节设施、水量调节设施等。水量调节设施等。6.排水管网系统的组成废水收集设施、排水管网、水量调节池、废水收集设施、排水管网、水量调节池、提升泵站、废水输水管（渠）、排放口等提升泵站、废水输水管（渠）、排放口等。9/26/202419第一章 概述7.给水管网系统类型（1）按水源的数目分类）按水源的数目分类（2）按系统构成方式分类（分压、分质）按系统构成方式分类（分压、分质）（3）按输水方式分类）按输水方式分类8.排水管网系统的体制合流制排水系统（直排式、截流式）合流制排水系统（直排式、截流式）分流制排水系统分流制排水系统9/26/202420本章重点本章重点v给排水系统的流量关系。给排水系统的流量关系。v水质变化过程。水质变化过程。v为何对于某些管网要实行分区供水？为何对于某些管网要实行分区供水？v应该采用何方式来保证供水的安全性？应该采用何方式来保证供水的安全性？v应该采用何方式保证排水系统的运转安全性应该采用何方式保证排水系统的运转安全性？v如何进行排水体制的选择？如何进行排水体制的选择？9/26/202421第二章 管网工程规划1.工程规划的主要任务确定给排水系统的服务范围和建设规模确定给排水系统的服务范围和建设规模 确定系统的组成与体系结构确定系统的组成与体系结构 确定水处理工艺流程与水质保证措施确定水处理工艺流程与水质保证措施 管网规划与定线管网规划与定线2.给水排水工程规划原则贯彻执行国家和地方的相关政策与法规贯彻执行国家和地方的相关政策与法规 城镇及工矿企业规划时兼顾给水排水工程城镇及工矿企业规划时兼顾给水排水工程 给水排水工程规划与城镇和谐发展给水排水工程规划与城镇和谐发展 合理确定近远期规划与建设范围合理确定近远期规划与建设范围 合理利用水资源与保护环境合理利用水资源与保护环境 规划方案尽可能经济高效规划方案尽可能经济高效9/26/202422可研相关法规可研相关法规v中华人民共和国环境保护法中华人民共和国环境保护法（1989年年12月）月）v中华人民共和国水污染防治法中华人民共和国水污染防治法（1984年年5月）月）v中华人民共和国水污染防治法实施细则中华人民共和国水污染防治法实施细则（2002国务院第国务院第284号令）号令）v国务院关于环境保护若干问题的决定国务院关于环境保护若干问题的决定v建设项目环境保护管理办法建设项目环境保护管理办法（1986年年3月）月）v建设项目环境保护设计规定建设项目环境保护设计规定（1987年年3月）月）v污染排放许可证管理暂行办法污染排放许可证管理暂行办法（1986年年3月）月）v污水处理设施环境保护、监督管理办法污水处理设施环境保护、监督管理办法（1989年年5月）月）v饮用水源保护区污染防治管理规定饮用水源保护区污染防治管理规定（1989年年11月）月）v排污费征收标准及计算方法排污费征收标准及计算方法（2003年国家发展计划委员会、财政部、年国家发展计划委员会、财政部、国家环保总局、国家经济贸易委员会第国家环保总局、国家经济贸易委员会第31号令）号令）v排污费征收使用管理条例排污费征收使用管理条例（2003中华人民共和国国务院令第中华人民共和国国务院令第369号）号）9/26/202423v建筑结构设计统一标准：建筑结构设计统一标准：GBJ68-84v工业建筑防腐设计规范：工业建筑防腐设计规范：GBJ46-82v建筑结构荷载规范：建筑结构荷载规范：GBJ9-87v建筑防震设计规范：建筑防震设计规范：GB50011-2001v给排水工程结构设计规范：给排水工程结构设计规范：GB50069-2002v混凝土结构设计规范：混凝土结构设计规范：GB50010-2002v地下工程防水技术规范：地下工程防水技术规范：GB50108-2001v建筑地基基础设计规范：建筑地基基础设计规范：GB50007-2002v砌体结构设计规范：砌体结构设计规范：GB50003-2001v劳动部劳动部1998年颁发的年颁发的48号文号文关于生产性建设项目职业安全卫生检察的关于生产性建设项目职业安全卫生检察的暂行规定暂行规定v卫生部卫生部1994年发布的年发布的工业企业建设项目卫生预评价规范工业企业建设项目卫生预评价规范可研相关法规可研相关法规9/26/202424可研相关法规可研相关法规工业企业设计卫生标准TG36-79工业企业噪声控制设计规范GBJ87-85建筑设计防火规范GBJ16-87建筑灭火器配置设计规范GBJ140-90地表水环境质量标准GB3838-2002污水排入城市下水道水质标准CJ3080-1999污水综合排放标准GB8978-1996农田灌溉水质标准GB5084-92农用污泥中污染物控制标准GB4284-84污水再生利用设计规范GB/T50335-2002室外排水设计规范GBJ14-87室外给水设计规范GBJ13-86工业企业噪音控制设计规范GBJ87-85工业企业厂界噪声标准GB12348-90建筑电气设计技术规范JGJ16-83建筑给水排水设计规范GBJ15-889/26/202425可研一般包括内容可研一般包括内容1）项目建设的必要性。2）根据城市（企业）的实际情况确定项目建设内容。3）确定给（废）水处理规模及处理程度。4）对给（废）水处理工艺进行技术论证。5）确定给（废）水处理建设用地及地址。6）给（废）水处理工程方案。7）环境和社会影响分析、环境保护、劳动保护、安全运行和节能措施。8）项目运行管理。9）项目实施计划与进度预测。10）投资估算与融资方案。11）财务评价。12）社会效益评价。 9/26/202426第二章 管网工程规划3.给排水工程规划工作程序（自学）4.给水排水工程技术经济分析方法 数学分析法、方案比较法a.静态法静态法年计算费用年计算费用缺点：投资偿还期确定困难、不能反映资金的缺点：投资偿还期确定困难、不能反映资金的时间价值。9/26/202427第二章 管网工程规划资金的资金的时间价值时间价值指资金在生产和流通过程中随着时间推移而产生的价值。指资金在生产和流通过程中随着时间推移而产生的价值。参考书籍：给水排水工程技术经济实例分析与应用第二章参考书籍：给水排水工程技术经济实例分析与应用第二章引起资金引起资金时间价值的原因时间价值的原因1.社会再生产角度而言，货币转化为资产后，经历一定时社会再生产角度而言，货币转化为资产后，经历一定时间生产和流通中产生的利润。间生产和流通中产生的利润。2.从流通角度而言，消费者或出资者将资金用于投资致使从流通角度而言，消费者或出资者将资金用于投资致使消费推迟而应得到的必要补偿。消费推迟而应得到的必要补偿。资金资金时间价值的衡量尺度？时间价值的衡量尺度？利息和利润；通常采用利率表示。利息和利润；通常采用利率表示。利息的计算分为单利法和复利法。利息的计算分为单利法和复利法。9/26/202428第二章 管网工程规划资金的时间价值计算实例。资金的时间价值计算实例。有一笔有一笔5万元的借款，借期万元的借款，借期3年，年利率为年，年利率为8%，试分别，试分别按照单利法和复利法计算到期的本利和。按照单利法和复利法计算到期的本利和。单利法：单利法：F=P（1+ni）=5（1+38%）=6.2万万复利法：复利法：F=P（1+i）n=5（1+8%）n=6.2986万万9/26/202429第二章 管网工程规划现值（现值（P）：表示在建设初期即）：表示在建设初期即0点上的资金价值。点上的资金价值。终值（终值（F）：表示投资偿还期期末的资金价值。）：表示投资偿还期期末的资金价值。复利法计算公式复利法计算公式1）当资金现值为）当资金现值为P，年利率为，年利率为i%，则，则n年后的终值为年后的终值为F=P（1+i%）n2）当资金终值为）当资金终值为F，年利率为，年利率为i%，投资偿还期为，投资偿还期为n年；现值为年；现值为9/26/202430第二章 管网工程规划3 ）当资金现值为）当资金现值为P，年利率为，年利率为i%，投资偿还期为，投资偿还期为n年内各年年内各年分摊资金现金为分摊资金现金为A，则各年分摊资金现值为，则各年分摊资金现值为AA129/26/202431第二章 管网工程规划为保证资金现值为保证资金现值P得到回收，则有得到回收，则有即即9/26/202432第二章 管网工程规划b.动态法动态法年计算费用年计算费用9/26/202433第二章 管网工程规划计算实例计算实例v某给水项目建设投资5800万元，年运行费用为245万元/年，求1）投资偿还期为20年的静态年计算费用值；2）利率为5.5%，还款期为20年的动态年计算费用值。9/26/202434第二章 管网工程规划计算实例计算实例v某废水处理项目工程建设总投资800万元，年运行费用为-43.8万元/年，求1）投资偿还期为10年的静态年计算费用值；2）利率为5.5%，还款期为10年的动态年计算费用值。v1）静态年计算费用值v2）动态年计算费用值9/26/202435第二章 管网工程规划5.城市用水量预测（1）城市用水量包括项目）城市用水量包括项目（2）用水量变化的表示方法）用水量变化的表示方法平均日用水量平均日用水量最高日用水量最高日用水量最高日平均时用水量最高日平均时用水量最高时用水量最高时用水量9/26/202436v日变化系数日变化系数v时变化系数时变化系数v年变化系数？年变化系数？第二章 管网工程规划9/26/202437第二章 管网工程规划用水量变化曲线用水量变化曲线2.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.399/26/202438第二章 管网工程规划v时变化系数的计算时变化系数的计算Kh=5.83*24/100=1.409/26/202439第二章 管网工程规划6.用水量预测计算（城市）用水量预测计算（城市）（1）分类估算法）分类估算法（2）单位面积法）单位面积法（3）人均综合指标法）人均综合指标法9/26/202440第二章 管网工程规划（4）年递增率法）年递增率法Qa=Q0(1+)t9/26/202441第二章 管网工程规划（5）线性回归法）线性回归法Qa=Q0+Qt9/26/202442第二章 管网工程规划（6）生长曲线法）生长曲线法9/26/202443第二章 管网工程规划城市用水量日变化系数城市用水量日变化系数特大城市特大城市大城市大城市中等城市中等城市小城镇小城镇1.1-1.31.2-1.41.3-1.51.4-1.89/26/202444第二章 管网工程规划7.给水管网系统规划布置给水管网布置形式给水管网布置形式图图2.2树状网树状网图图2.3环状网环状网9/26/202445124图图2.4压力与重力相结合输水方式压力与重力相结合输水方式3第二章 管网工程规划输水管渠定线输水管渠定线9/26/2024468.排水管网系统规划布置排水管网系统规划布置污水管网布置基本形式污水管网布置基本形式第二章 管网工程规划9124678404142平行式布置平行式布置9/26/202447第二章 管网工程规划正交式正交式污水管网布置基本形式污水管网布置基本形式9/26/202448支管布置与定线支管布置与定线第二章 管网工程规划低边式布置低边式布置9/26/202449支管布置与定线支管布置与定线第二章 管网工程规划围坊式围坊式穿坊式穿坊式9/26/202450经济分析方法经济分析方法水量变化表示方法水量变化表示方法用水量预测计算方法用水量预测计算方法本章重点9/26/202451第三章 管网水力学1.管网水流特征 流态特征（层流、紊流、过渡流） 紊流流态分为阻力平方区、过渡区以及水力光滑区。 管径大小和管壁粗糙度。 水流基本处于紊流过渡区和阻力平方区，故取值在1.75-2之间。 9/26/202452恒定流与非恒定流 给排水管网中水的流态不可能为恒定流；但是设计中按照恒定流进行计算。 第三章 管网水力学9/26/202453均匀流与非均匀流 管网中水的流态也不可能为均匀流；但当管道截面在一定距离内不发生变化和转弯时可认为是均匀流；当管道局部出现三通、转弯或变径时则为非均匀流。 第三章 管网水力学9/26/202454压力流与重力流（断面形状）水头（位置水头、压力水头、流速水头组成势能和动能）水头损失（沿程阻力、沿程水头损失、局部阻力、局部水头损失）第三章 管网水力学9/26/202455第三章 管网水力学2.管渠水头损失计算 分为沿程水头损失和局部水头损失 计算沿程水头损失可采用谢才公式或采用达西公式。 局部水头损失计算采用公式9/26/202456第三章 管网水力学3.谢才公式与达西公式比较谢才公式谢才公式达西公式达西公式注意谢才公式与达西公式的应用范围。注意谢才公式与达西公式的应用范围。9/26/202457第三章 管网水力学4.谢才系数或沿程阻力系数的求解谢才系数或沿程阻力系数的求解可选择谢才系数或沿程阻力系数的求解可选择舍维列夫公式（原苏联）、海曾舍维列夫公式（原苏联）、海曾-威廉公式威廉公式（德国）、科尔波洛克（德国）、科尔波洛克-怀特公式（英国）、怀特公式（英国）、巴甫洛夫斯基公式（原苏联）或曼宁公式巴甫洛夫斯基公式（原苏联）或曼宁公式（英国）。（英国）。9/26/202458第三章 管网水力学5.局阻与沿程水头损失的指数形式 沿程水头损失的指数形式 局阻水头损失公式的指数形式 管道水头损失的指数形式9/26/202459第三章 管网水力学v6.局阻与沿程阻力的关系v局阻一般只占沿程阻力的5%以内，可以忽略不计。9/26/202460例题例题v某管道直径为700mm，长度为800m，海曾-威廉姆粗糙系数为105，管道上有90度弯头2个、直流三通6个、全开闸阀2个，输水流量为480L/s。计算沿程水头损失和局部水头损失并计算局阻与沿程阻力之比。9/26/202461分析分析v本题已知流量可以确定流速（？）。v已知粗糙系数可求沿程阻力系数（？）v已知上述两项可求沿程水头损失v局阻系数已知可求局阻水头损失9/26/202462计算过程计算过程v1.q=480L/s，D=700mm=0.7m，则，则v=1.248m/s。v2.v3.=0.9*2+0.1*6+0.19*2=2.78v4.v5.0.22/2.25=0.109/26/202463第三章 管网水力学7.非满管流管渠水力计算公式非满管流管渠水力计算公式7.1采用数学分析方法求解非满管流的过水断面采用数学分析方法求解非满管流的过水断面积积A；然后求解水力半径然后求解水力半径R。7.2谢才公式与曼宁公式的组合谢才公式与曼宁公式的组合流速公式流速公式流量公式流量公式9/26/202464第三章 管网水力学8.非满管流计算公式的简化与水力计算方法8.1计算公式的简化计算公式的简化水力计算图表水力计算图表等比例简化等比例简化8.2计算方法计算方法已知公式中的三项求解其余两项已知公式中的三项求解其余两项9/26/202465第三章 管网水力学v9.水力等效简化水力等效简化v原则：原则：等效后管网与原系统具有相同的水力等效后管网与原系统具有相同的水力特性。特性。v9.1串联管道的简化串联管道的简化Ll1d1l2d2lNdN串联管道串联管道9/26/202466第三章 管网水力学v9.1串联管道的简化串联管道的简化当串联管段管径相同时呢？当串联管段管径相同时呢？9/26/202467第三章 管网水力学v9.2并联管道的简化并联管道的简化d1q1d2q2dNqNdq并联管道并联管道9/26/202468第三章 管网水力学v9.2并联管道的简化并联管道的简化当并联管段管径相同时呢？当并联管段管径相同时呢？例题例题9/26/202469第三章 管网水力学v9.3沿线均匀出流的简化沿线均匀出流的简化ql+qtqtxlql9/26/202470第三章 管网水力学v简化思路简化思路v假定沿线出水均匀（假定沿线出水均匀（实际呢实际呢？）？）v把沿线流量折算为起端与末端流量（把沿线流量折算为起端与末端流量（与实际是否相与实际是否相符符？）？）v由两项假定推导出如下公式由两项假定推导出如下公式9/26/202471第三章 管网水力学v令令n=2，转输系数，转输系数=q=qt t/ /q ql l，则，则v对上式进行等价变换，即对上式进行等价变换，即v 0 0时，时，v 时，时， 0.59/26/202472第三章 管网水力学v9.4局部水头损失计算的简化局部水头损失计算的简化v说明：简化为需要的计算管径。说明：简化为需要的计算管径。例题例题9/26/202473第三章 管网水力学v10.水泵水泵9/26/202474第三章第三章 管网水力学管网水力学9/26/202475第三章 管网水力学9/26/202476第三章 管网水力学9/26/202477第三章第三章 管网水力学管网水力学v某某S型水泵性能曲线型水泵性能曲线HQP9/26/202478第三章第三章 管网水力学管网水力学v10.1工频泵水力特性公式工频泵水力特性公式v最小二乘法拟合分析最小二乘法拟合分析9/26/202479第三章第三章 管网水力学管网水力学v10.2调速泵水力特性公式调速泵水力特性公式v水泵静扬程与转速有关，而水泵内阻保持不水泵静扬程与转速有关，而水泵内阻保持不变。变。9/26/202480第三章 管网水力学v10.3考虑吸、压水管路的水泵水力特性公式考虑吸、压水管路的水泵水力特性公式Q9/26/202481第三章 管网水力学v10.4泵站水力特性公式泵站水力特性公式v同型号水泵并联水力特性公式v同型号水泵并联，每台泵流量相同；等效为一台泵同型号水泵并联，每台泵流量相同；等效为一台泵即为泵站水力特性曲线。即为泵站水力特性曲线。v假定泵站中有假定泵站中有n台同型号水泵并联，每台泵水力特台同型号水泵并联，每台泵水力特性曲线为性曲线为v当不计管路水头损失时，则有如下流量与扬程对应当不计管路水头损失时，则有如下流量与扬程对应关系，见下表关系，见下表9/26/202482第三章 管网水力学单台单台q单台单台he单台单台sp单台单台hpN台台qN台台heN台台spN台台hpqhesphpNqhe？hp？v得同型号水泵并联水力特性公式得同型号水泵并联水力特性公式9/26/202483第三章 管网水力学v不同型号水泵泵站水力特性曲线不同型号水泵泵站水力特性曲线v由于型号不同，故工作流量不等，采用最小由于型号不同，故工作流量不等，采用最小二乘法进行计算确定二乘法进行计算确定v方法：方法：1）从水泵样本中查出其水力特性曲线）从水泵样本中查出其水力特性曲线公式，确定每台泵高效扬程段进而确定共同公式，确定每台泵高效扬程段进而确定共同高效扬程段。高效扬程段。2）确定若干高效扬程段中的扬）确定若干高效扬程段中的扬程，根据特性曲线求出流量。程，根据特性曲线求出流量。3）根据扬程、）根据扬程、流量采用最小二乘法进行计算流量采用最小二乘法进行计算he、sp。v水泵串联特性曲线？水泵串联特性曲线？9/26/202484作业作业vP65，第，第2、5、6题。题。9/26/202485第三章 管网水力学v问题：问题：v进行管段均匀出流简化时，把管道划分为若进行管段均匀出流简化时，把管道划分为若干较短小管道时，能否减小计算误差？干较短小管道时，能否减小计算误差？v未确定管径时能否进行局阻等效简化？未确定管径时能否进行局阻等效简化？v多台水泵并联工作，泵站静扬程会否受到影多台水泵并联工作，泵站静扬程会否受到影响？响？v求泵站水力特性曲线时，若不按照高效段进求泵站水力特性曲线时，若不按照高效段进行计算将会出现何问题？行计算将会出现何问题？9/26/202486第三章 管网水力学v本节重点本节重点v1.水力等效简化原则、方法（并联、串联）。水力等效简化原则、方法（并联、串联）。v2.沿线均匀出流的简化计算（方法、系数）。沿线均匀出流的简化计算（方法、系数）。v3.计算泵站水力特性曲线（同型号、不同型号）计算泵站水力特性曲线（同型号、不同型号）。v注意：注意：v最小二乘法公式不一定背过，但等效简化公式最小二乘法公式不一定背过，但等效简化公式一定要记住！一定要记住！9/26/202487第四章 管网模型化v1模型化模型化v手段：简化与抽象。手段：简化与抽象。v简化：忽略比较次要给排水设施，分析与计简化：忽略比较次要给排水设施，分析与计算集中于主要对象；算集中于主要对象；v抽象：忽略分析处理对象的具体水力特性，抽象：忽略分析处理对象的具体水力特性，将其视为模型元素，只考虑拓扑关系与水力将其视为模型元素，只考虑拓扑关系与水力特性。特性。9/26/202488第四章 管网模型化v1.1简化简化v简化原则简化原则:宏观等效与小误差。宏观等效与小误差。v管线简化措施：删除次要管线，保留主要管路；管管线简化措施：删除次要管线，保留主要管路；管线交叉点较近，可合并；可将全开阀门删除，从全线交叉点较近，可合并；可将全开阀门删除，从全闭阀门处断开；管材不同或管线并联，可采用水力闭阀门处断开；管材不同或管线并联，可采用水力等效原则等效为同一管材或单管道；尽量将大系统等效原则等效为同一管材或单管道；尽量将大系统拆分为若干小系统。拆分为若干小系统。v附属设施简化措施：删除对全局水力特性影响小的附属设施简化措施：删除对全局水力特性影响小的设施；合并同一位置的多个相同设施。设施；合并同一位置的多个相同设施。9/26/202489第四章 管网模型化v1.2抽象抽象v抽象的结果：管段与节点。抽象的结果：管段与节点。v管段：只能输送流量而不允许改变流量，但管段：只能输送流量而不允许改变流量，但可改变水的能量。（可改变水的能量。（存在大流量处断开、管存在大流量处断开、管段较长应分成若干管段段较长应分成若干管段）v节点：（管线交叉处、端点或大流量进出点）节点：（管线交叉处、端点或大流量进出点）只能能量不能改变能量，但存在流量的变化。只能能量不能改变能量，但存在流量的变化。9/26/202490第四章 管网模型化v管段与节点属性：构造属性、拓扑属性（管段与节管段与节点属性：构造属性、拓扑属性（管段与节点关联关系）与水力属性（表征管段与节点的水力点关联关系）与水力属性（表征管段与节点的水力特征）。特征）。v管段构造属性（长度即管长、直径即管径、粗糙系管段构造属性（长度即管长、直径即管径、粗糙系数）；管段拓扑属性（管段方向、起端节点即起点、数）；管段拓扑属性（管段方向、起端节点即起点、终端节点即终点）；管段水力属性（管段流量为矢终端节点即终点）；管段水力属性（管段流量为矢量、管段流速为矢量、管段扬程为矢量、管段摩阻、量、管段流速为矢量、管段扬程为矢量、管段摩阻、管段压降）。管段压降）。v节点构造属性（节点高程、节点位置）；节点拓扑节点构造属性（节点高程、节点位置）；节点拓扑属性（与节点关联的管段及其方向、节点的度）；属性（与节点关联的管段及其方向、节点的度）；节点水力属性（节点流量、节点水头、自由水头节点水力属性（节点流量、节点水头、自由水头针针对有压流对有压流）。）。9/26/202491第四章 管网模型化v1.3模型标识模型标识v节点与管段编号：管段可节点与管段编号：管段可1、2等，节点等，节点可可(1)、(2)等。等。v设定管段方向：原因存在矢量。设定管段方向：原因存在矢量。v设定节点流量方向：流入为负、流出为正。设定节点流量方向：流入为负、流出为正。9/26/202492第四章 管网模型化v2管网模型的拓扑特性管网模型的拓扑特性v拓扑特性用于描述节点与管段的关联关系。拓扑特性用于描述节点与管段的关联关系。v2.1图图v管网模型略去构造与水力特性后，仅考虑节点与管管网模型略去构造与水力特性后，仅考虑节点与管段之间的关联关系时即为管网图。图即关系或联系。段之间的关联关系时即为管网图。图即关系或联系。v图的表示方法：几何表示法和集合表示法。图的表示方法：几何表示法和集合表示法。v集合表示时可采用管段集合、节点集合；节点集合集合表示时可采用管段集合、节点集合；节点集合与管段集合构成管网图与管段集合构成管网图G(V，E)；节点数；节点数N(G)，管，管段数段数M(G)。9/26/202493第四章 管网模型化v2.2有向图有向图v在管网图中，关联任意管段的两个节点是有在管网图中，关联任意管段的两个节点是有序的，为表明管段方向，表示管段时由起点序的，为表明管段方向，表示管段时由起点指向终点。指向终点。v也可采用各管段的起点集合和终点集合表示也可采用各管段的起点集合和终点集合表示管网图。管网图。9/26/202494第四章 管网模型化v2.3管网图的连通性管网图的连通性v连通图：从图的任意两个顶点均通过一系列连通图：从图的任意两个顶点均通过一系列边及顶点相连通，即从一个顶点出发，经过边及顶点相连通，即从一个顶点出发，经过相关联的边和顶点可到达其余任一顶点。相关联的边和顶点可到达其余任一顶点。v非连通图可分为若干相互连通部分。非连通图可分为若干相互连通部分。9/26/202495第四章 管网模型化v2.4管网图的可平面图性管网图的可平面图性v一图若可把其画在平面上同时任意两条边均一图若可把其画在平面上同时任意两条边均不相交，图为可平面图。不相交，图为可平面图。v管网图一般均为可平面图；一般在采用几何管网图一般均为可平面图；一般在采用几何表示时，均画成平面图。表示时，均画成平面图。v对于一连通且画在平面上的管网图，管段数、对于一连通且画在平面上的管网图，管段数、节点数、环数遵循下述关系：节点数、环数遵循下述关系：vM=N+L-19/26/202496第四章 管网模型化v2.5节点的度节点的度v关联数，对应管段。关联数，对应管段。v2.6关联集关联集v记为记为S(v)；括号中的数量对应此节点的度。；括号中的数量对应此节点的度。v2.7割集割集v分离管段或节点所需切断的管段的集合。分离管段或节点所需切断的管段的集合。9/26/202497第四章 管网模型化v2.8路径路径v从一节点到达另一节点时通过的不重复的管从一节点到达另一节点时通过的不重复的管段名称的集合。段名称的集合。v2.9回路回路v从一节点出发经过若干不重复的管段后又回从一节点出发经过若干不重复的管段后又回到此节点的管段名称集合。到此节点的管段名称集合。v回路即管网中的环。回路即管网中的环。9/26/202498第四章 管网模型化v2.10树树v定义：无回路且连通。定义：无回路且连通。v性质：唯一性，任意节点之间存在且存在唯性质：唯一性，任意节点之间存在且存在唯一的路径。删除任一管段造成管网图的非连一的路径。删除任一管段造成管网图的非连通性。扩充性，任两个不同节点加上一条管通性。扩充性，任两个不同节点加上一条管段均组成回路。段均组成回路。v树的节点数与树枝数（管段数）之间关系为：树的节点数与树枝数（管段数）之间关系为：N=M+19/26/202499第四章 管网模型化v2.11生成树生成树v对环而言，删除与其环数相对应的管段数量对环而言，删除与其环数相对应的管段数量后组成的图即生成树。后组成的图即生成树。v生成树和树具有相同的性质。生成树和树具有相同的性质。v这也表明树在适当部位添加一定的管段后组这也表明树在适当部位添加一定的管段后组成环，增加的管段数即环数。成环，增加的管段数即环数。9/26/2024100第四章 管网模型化v3管网模型的水力特性管网模型的水力特性v指管网模型中节点和管段传递、输送流量和指管网模型中节点和管段传递、输送流量和能量的特性。能量的特性。v理论依据为质量守恒和能量守恒。理论依据为质量守恒和能量守恒。9/26/2024101第四章 管网模型化v3.1节点流量方程节点流量方程v依据质量守恒得到流入节点流量之和与流出节点的依据质量守恒得到流入节点流量之和与流出节点的流量之和相等；即流量之和相等；即9/26/2024102第四章 管网模型化12345678(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)Q1Q2Q5Q6Q7Q4Q3q1q2q3q4q5q6q7q89/26/2024103第四章 管网模型化v3.2管段能量方程管段能量方程v管段两端节点水头之差应该等于该管段压降管段两端节点水头之差应该等于该管段压降（非水头损失）。（非水头损失）。vHFi-HTi=hii=1，2，3，M9/26/2024104第四章 管网模型化12345678(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)Q1Q2Q5Q6Q7Q4Q3q1q2q3q4q5q6q7q8h1h2h3h4h5h6h7h89/26/2024105第四章 管网模型化v3.3恒定流基本方程组恒定流基本方程组HFi-HTi=hi i=1，2，3，M9/26/2024106第四章 管网模型化v问题：问题：v管段流量与节点流量能否为负值？若为负值管段流量与节点流量能否为负值？若为负值代表什么意义？代表什么意义？v环的能量具有什么特点？流量具有什么特点环的能量具有什么特点？流量具有什么特点？9/26/2024107第四章 管网模型化v本章重点本章重点v管段、节点管段、节点v路径与回路路径与回路v树树v节点流量方程与管段能量方程节点流量方程与管段能量方程9/26/2024108第五章 给水管网水力分析v1.给水管网水力分析的参数给水管网水力分析的参数v流量与水头。流量与水头。v当管段特性已知且处于恒定流状态时，流量当管段特性已知且处于恒定流状态时，流量与水头关系可通过恒定流方程组解得。与水头关系可通过恒定流方程组解得。HFi-HTi=hi i=1，2，3，M9/26/2024109第五章 给水管网水力分析v2.水力分析的前提条件水力分析的前提条件v2.1已知各管段的水力特性已知各管段的水力特性v即确定管段流量与水头损失之间的关系。即确定管段流量与水头损失之间的关系。9/26/2024110第五章 给水管网水力分析12345678(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)Q1Q2Q5Q6Q7Q4Q3q1q2q3q4q5q6q7q89/26/2024111第五章 给水管网水力分析v2.2节点流量与节点水头必须一个已知一个未节点流量与节点水头必须一个已知一个未知知HFi-HTi=hi i=1，2，3，M9/26/2024112第五章 给水管网水力分析v2.3必须至少存在一个定压节点必须至少存在一个定压节点v方程数和未知量相等只是方程组可解的必要方程数和未知量相等只是方程组可解的必要条件而非充分条件。作为充分条件，要求管条件而非充分条件。作为充分条件，要求管网中必须至少有一个定压节点；若管网中无网中必须至少有一个定压节点；若管网中无定压节点，方程组无确定解。定压节点，方程组无确定解。9/26/2024113第五章 给水管网水力分析v3恒定流基本方程组的线性变换恒定流基本方程组的线性变换v3.1节点流量连续性方程组的变换节点流量连续性方程组的变换v大节点概念（关联）、割集的方式。大节点概念（关联）、割集的方式。v下面例题。下面例题。9/26/2024114第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H69/26/2024115第五章 给水管网水力分析v针对每个节点可写出节点流量连续性方程针对每个节点可写出节点流量连续性方程9/26/2024116第五章 给水管网水力分析v由大环以及割集概念写出流量连续性方程由大环以及割集概念写出流量连续性方程(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H69/26/2024117第五章 给水管网水力分析整个管网作为割集整个管网作为割集节点节点8的割集的割集节点节点6的割集的割集节点节点5的割集的割集节点节点4的割集的割集节点节点3，6，8的割集的割集节点节点2，3，5，6，8的割集的割集节点节点1，2，3，4，5，6，8的割集的割集9/26/2024118第五章 给水管网水力分析v写出割集的连续性方程的意义何在？写出割集的连续性方程的意义何在？v方程中只包含一个管段流量与若干个节点流方程中只包含一个管段流量与若干个节点流量；若节点流量已知，可直接求得管段流量。量；若节点流量已知，可直接求得管段流量。v大家分析一下，如下图所示的割集有何意义。大家分析一下，如下图所示的割集有何意义。9/26/2024119第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H69/26/2024120第五章 给水管网水力分析v问题问题v所举例子为单定压节点（树状网、一个水源供水），所举例子为单定压节点（树状网、一个水源供水），可直接通过流量连续性方程组求解。可直接通过流量连续性方程组求解。v针对多定压节点也能够列出流量连续性方程组，但针对多定压节点也能够列出流量连续性方程组，但很难直接求出定压节点流量（树状网）。很难直接求出定压节点流量（树状网）。v单定压节点环状网，能够得到定压节点流量，但无单定压节点环状网，能够得到定压节点流量，但无法列出直接求解管段流量的连续性方程组。法列出直接求解管段流量的连续性方程组。v多定压节点环状网，既不能直接求出定压节点流量，多定压节点环状网，既不能直接求出定压节点流量，也不能列出直接求解管段流量的连续性方程组。也不能列出直接求解管段流量的连续性方程组。9/26/2024121第五章 给水管网水力分析v3.2管段能量守恒方程组的变换管段能量守恒方程组的变换v将一些相关联的管段首尾相连，形成一条路将一些相关联的管段首尾相连，形成一条路径，把其能量方程相加减可导出路径能量方径，把其能量方程相加减可导出路径能量方程。程。v见下图。见下图。9/26/2024122第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H689q8,h8q9,h99/26/2024123第五章 给水管网水力分析计算定压节点计算定压节点7到定压节点到定压节点8的压降：的压降：这也说明压降方向由这也说明压降方向由7到到8，与此方向相同的流向或压降为正值，反之为负，与此方向相同的流向或压降为正值，反之为负值。得值。得当起点和终点重合时，路径能量方程的形式如何呢当起点和终点重合时，路径能量方程的形式如何呢?由上图，计算回路（由上图，计算回路（1）、（）、（2）、（）、（5）、（）、（4）的能量方程。）的能量方程。分析得到，假定起点为（分析得到，假定起点为（1），流过管段），流过管段2、6、8、5后回到（后回到（1），），则路径能量方程为则路径能量方程为我们定的水流方向为依次经过我们定的水流方向为依次经过22、66、88、55，若水流方向依次通过，若水流方向依次通过55、88、66、22呢，路径能量方程如何表示？呢，路径能量方程如何表示？9/26/2024124第五章 给水管网水力分析v上式也表明对于一个回路即管网系统中的环上式也表明对于一个回路即管网系统中的环而言，其能量方程恒为零。（环能量方程）而言，其能量方程恒为零。（环能量方程）v我们的上例只存在两个基本环，故能够写出我们的上例只存在两个基本环，故能够写出两个环能量方程。两个环能量方程。v若确定环中各节点或各管段流量依旧不能确若确定环中各节点或各管段流量依旧不能确定多定压节点流量（例子为两个定压节点），定多定压节点流量（例子为两个定压节点），如何进行处理呢？如何进行处理呢？v工程上提出了虚环的概念。工程上提出了虚环的概念。9/26/2024125第五章 给水管网水力分析v虚环存在如下假设：虚环存在如下假设：v在管网中增加一个虚节点编号为在管网中增加一个虚节点编号为0，叫做虚定压节点，叫做虚定压节点，其流量为整个管网系统用水量，压力即水头恒为其流量为整个管网系统用水量，压力即水头恒为0。v在虚节点与各定压节点之间连接叫做虚管段；虚管在虚节点与各定压节点之间连接叫做虚管段；虚管段提供各定压节点所需水头与水量，但其本身无压段提供各定压节点所需水头与水量，但其本身无压降。降。v各定压节点的节点流量定为各定压节点的节点流量定为0，但节点水头改为未知，但节点水头改为未知量，管网成为单定压节点管网。量，管网成为单定压节点管网。9/26/2024126第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)0Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h40q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H689q8,h8q9,h9Q0H0=0(0)1110q10=-Q7q11=-Q89/26/2024127第五章 给水管网水力分析管网简化为单定压节点管网，于是不需列出定压节点之间的能量方程，上述管网增管网简化为单定压节点管网，于是不需列出定压节点之间的能量方程，上述管网增加一个回路，需要多列一个环能量方程。如下：加一个回路，需要多列一个环能量方程。如下：其实，从本质上来讲，虚环能量方程表示的依旧为定压节点能量方程。其实，从本质上来讲，虚环能量方程表示的依旧为定压节点能量方程。9/26/2024128第五章 给水管网水力分析v将多定压节点管网采用虚节点统一为单定压将多定压节点管网采用虚节点统一为单定压节点管网后，管网的环数增加节点管网后，管网的环数增加R-1个（假定存个（假定存在在R个定压节点）。个定压节点）。v每一环对应一环方程，则环方程数量为每一环对应一环方程，则环方程数量为L+R-1个。个。v得出环方程，把管段方程表达式带入可进行得出环方程，把管段方程表达式带入可进行水力计算。水力计算。9/26/2024129第五章 给水管网水力分析v4恒定流方程组的求解方法恒定流方程组的求解方法v销元与迭代两种手段减少未知量数目和逼近销元与迭代两种手段减少未知量数目和逼近最终解。最终解。v求解恒定流方程组一般常用的为解环方程和求解恒定流方程组一般常用的为解环方程和解节点方程。解节点方程。9/26/2024130第五章 给水管网水力分析v4.1解环方程解环方程v解环方程一般针对单定压节点管网。（解环方程一般针对单定压节点管网。（多定压节点管网如何多定压节点管网如何求解？求解？）v解环方程的方法为首先使得管网满足流量连续性方程，然后解环方程的方法为首先使得管网满足流量连续性方程，然后通过计算满足能量方程。通过计算满足能量方程。v计算步骤：计算步骤：v先满足流量连续性方程，需要确定管段流量（先满足流量连续性方程，需要确定管段流量（依据为流量连依据为流量连续性方程续性方程）；即进行管段流量初分配。）；即进行管段流量初分配。v根据各管段流量，计算各管段水头损失，然后根据回路即环根据各管段流量，计算各管段水头损失，然后根据回路即环能量为零的原则判断其是否满足要求。能量为零的原则判断其是否满足要求。v第一次分配不能满足如何进行处理？第一次分配不能满足如何进行处理？9/26/2024131第五章 给水管网水力分析v环流量环流量v环流量即沿某一固定方向给管网中的某一环环流量即沿某一固定方向给管网中的某一环施加的相同流量；环流量在节点流入与流出施加的相同流量；环流量在节点流入与流出的量相等，未改变流量连续性，但由于环流的量相等，未改变流量连续性，但由于环流量的施加却改变了各管段的水头损失。量的施加却改变了各管段的水头损失。v环流量的施加原则是使得环能量满足为环流量的施加原则是使得环能量满足为0的条的条件。这也是管网平差的控制原则。件。这也是管网平差的控制原则。v一般规定环流量顺时针为正，逆时针为负。一般规定环流量顺时针为正，逆时针为负。9/26/2024132第五章 给水管网水力分析v4.2解节点方程解节点方程v工作顺序与解环方程相反；先使得各环满足工作顺序与解环方程相反；先使得各环满足能量方程，然后再设法满足流量连续性方程。能量方程，然后再设法满足流量连续性方程。v方法为先对于各节点的水头进行初拟，然后方法为先对于各节点的水头进行初拟，然后根据压降确定各管段流量，判断各节点是否根据压降确定各管段流量，判断各节点是否满足流量连续性方程。满足流量连续性方程。9/26/2024133第五章 给水管网水力分析v4.3对于上述两种方法的评价对于上述两种方法的评价v应用范围：环方程一般为单定压节点管网，应用范围：环方程一般为单定压节点管网，而节点方程不受限制。而节点方程不受限制。v复杂程度：一般而言，解环方程未知量较少，复杂程度：一般而言，解环方程未知量较少，而节点方程未知量较多。在手工计算时一般而节点方程未知量较多。在手工计算时一般采用解环方程，采用机算时两种方法均可采采用解环方程，采用机算时两种方法均可采用。用。9/26/2024134第五章 给水管网水力分析v5例题（树状网计算）例题（树状网计算）v管段流量的计算采用逆推法，节点水头的计管段流量的计算采用逆推法，节点水头的计算采用顺推法。算采用顺推法。v树状网为典型的单水源单定压节点管网系统。树状网为典型的单水源单定压节点管网系统。9/26/2024135第五章 给水管网水力分析v问题：问题：v为何回路即环的能量为为何回路即环的能量为0，节点流量也应该为，节点流量也应该为0？v多定压节点管网提出虚环或虚节点的概念有多定压节点管网提出虚环或虚节点的概念有何意义？何意义？v解环方程和解节点方程的不同在何处？解环方程和解节点方程的不同在何处？v你认为解节点方程或解环方程有没有简便方你认为解节点方程或解环方程有没有简便方法？法？9/26/2024136第五章 给水管网水力分析v本节重点本节重点v割集的概念在流量连续性方程简化时的应用割集的概念在流量连续性方程简化时的应用v环流量与环能量环流量与环能量v虚环虚环v解环方程与解节点方程的方法。解环方程与解节点方程的方法。9/26/2024137第五章 给水管网水力分析v6解环方程水力分析方法解环方程水力分析方法v6.1管段水力特性的线性化管段水力特性的线性化v管段水力特性公式表明管段流量与压降遵循下述关管段水力特性公式表明管段流量与压降遵循下述关系：系：v是线性关系吗？是线性关系吗？v因而管段水力特性线性化可使得恒定流方程组线性因而管段水力特性线性化可使得恒定流方程组线性化。化。9/26/2024138第五章 给水管网水力分析v在分析过程中，我们已经得出需要先初拟管段流量在分析过程中，我们已经得出需要先初拟管段流量的结论，即给定每个管段一个流量值；在给定的流的结论，即给定每个管段一个流量值；在给定的流量值上对式子进行微分可得下述关系：量值上对式子进行微分可得下述关系：由于函数为连续的（由于函数为连续的（原因？原因？），在管段给定工况点），在管段给定工况点（qi(0)，hi(0)）附近，管段水力特性采用该点切线表示。）附近，管段水力特性采用该点切线表示。9/26/2024139第五章 给水管网水力分析hq管段水力特性的线性化管段水力特性的线性化qi(0)qi(0)+dqihi(0)hi(0)+dhisiqin误差大小误差大小9/26/2024140第五章 给水管网水力分析v6.2环能量方程组的线性化环能量方程组的线性化v根据前面已经讲过的内容可知，初拟管段流量满足流量连续根据前面已经讲过的内容可知，初拟管段流量满足流量连续性方程，对于每一环的所有管段同时施加同一流量不会改变性方程，对于每一环的所有管段同时施加同一流量不会改变其连续性，但可改变环的能量。这也表明环流量为改变环能其连续性，但可改变环的能量。这也表明环流量为改变环能量的唯一变量。我们通过施加不同的环流量使环能量方程组量的唯一变量。我们通过施加不同的环流量使环能量方程组得以满足要求。因此环能量方程组在初拟管段流量的前提下得以满足要求。因此环能量方程组在初拟管段流量的前提下可采用下式表示：可采用下式表示：针对上式的理解采用以下所示管网来解释：针对上式的理解采用以下所示管网来解释：9/26/2024141第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H689q8,h8q9,h9q1q29/26/2024142第五章 给水管网水力分析v我们已经将环能量方程组线性化，下面要讨我们已经将环能量方程组线性化，下面要讨论的问题就是如何对其进行求解。论的问题就是如何对其进行求解。v解上述线性方程的基本思路为：解上述线性方程的基本思路为：在给定初分管段流量下，在环流量初值点在给定初分管段流量下，在环流量初值点处，采用线性切面函数替代环水头函数，采处，采用线性切面函数替代环水头函数，采用用Taylor公式在初值点处展开，忽略高次项，公式在初值点处展开，忽略高次项，只保留线性项，得线性方程组：只保留线性项，得线性方程组：9/26/2024143第五章 给水管网水力分析式式*9/26/2024144第五章 给水管网水力分析初拟管段流量处各环的闭合差如下所示，初拟管段流量处各环的闭合差如下所示，hk，将式将式*表示为矩阵形式为：表示为矩阵形式为：系数矩阵为：系数矩阵为：9/26/2024145第五章 给水管网水力分析而而9/26/2024146第五章 给水管网水力分析(7)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(8)Q7Q1Q2Q3Q4Q5Q61234567q1,h1q2,h2q3,h3q4,h4Q8q5,h5q6,h6q7,h7H7H1H2H3H8H4H5H689q8,h8q9,h9q1q2再写一组再写一组8个环的。个环的。9/26/2024147第五章 给水管网水力分析v本节重点本节重点v管段水力特性的线性化方法管段水力特性的线性化方法v环能量方程组的线性化方法环能量方程组的线性化方法v从方程组到矩阵方程组的转化从方程组到矩阵方程组的转化9/26/2024148第五章 给水管网水力分析v问题问题v在何条件下管段水力特性的线性化过程较符在何条件下管段水力特性的线性化过程较符合实际，引起的误差较小？合实际，引起的误差较小？v非线性方程组的解法对于方程组的解产生何非线性方程组的解法对于方程组的解产生何影响？影响？v你能否想出较佳的此非线性方程组的解法？你能否想出较佳的此非线性方程组的解法？能够较快得出实际结果。能够较快得出实际结果。9/26/2024149第五章 给水管网水力分析v6.36.3牛顿牛顿- -拉夫森法拉夫森法v直接求解线性方程组并通过迭代逐步逼近环能量满足为零的直接求解线性方程组并通过迭代逐步逼近环能量满足为零的条件。步骤为：条件。步骤为：v一初拟各管段流量并给定环水头的最大允许闭合差值。一初拟各管段流量并给定环水头的最大允许闭合差值。v二计算各环水头闭合差二计算各环水头闭合差v三判断各环水头闭合差是否满足小于最大允许闭合差条件，三判断各环水头闭合差是否满足小于最大允许闭合差条件，满足计算各管段水力参数；否则进行下面工作。满足计算各管段水力参数；否则进行下面工作。v四继续计算矩阵系数四继续计算矩阵系数v五根据公式计算各环环流量五根据公式计算各环环流量v六将环流量施加到环内所有管段，得到新的流量重新计算各六将环流量施加到环内所有管段，得到新的流量重新计算各环闭合差看其能否满足闭合差要求，否则继续计算。环闭合差看其能否满足闭合差要求，否则继续计算。v七计算管段压降、流速、节点水头，计算节点自由水头。七计算管段压降、流速、节点水头，计算节点自由水头。9/26/2024150第五章 给水管网水力分析12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65前面讲过，首先对各管段进行流量前面讲过，首先对各管段进行流量初分配，各节点应该满足质量守恒，初分配，各节点应该满足质量守恒，我们需要验证其能否满足，这也是我们需要验证其能否满足，这也是将来进行管网设计时的第一步将来进行管网设计时的第一步节点节点2： 89.90+89.90-179.8=03，4，6，7也均能满足也均能满足那么，节点那么，节点8呢？呢？这说明，我们用来计算的管网首先已经满足了流量连续性方程，在计算中需这说明，我们用来计算的管网首先已经满足了流量连续性方程，在计算中需要满足的第一个，下面要做的工作是使其满足环能量为零。要满足的第一个，下面要做的工作是使其满足环能量为零。9/26/202415112(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q8 82.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65第一步：根据数据计算管段参数，包括管段阻力系数第一步：根据数据计算管段参数，包括管段阻力系数s、管段压降、管段压降h、管段阻尼系数、管段阻尼系数z要求采用海曾要求采用海曾-威廉姆公式计算，则威廉姆公式计算，则水头损失：水头损失：阻尼系数：阻尼系数：9/26/202415212(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65计算管段水力参数如下表计算管段水力参数如下表管段编号管段编号2356789长度长度650550330350360590490直径直径0.30.20.30.20.20.30.1摩阻摩阻404.4252465.198205.32351568.7621613.584367.093564224.58初分流量初分流量0.08990.006270.08990.032460.022650.054870.005水头损失水头损失4.6687540.2053012.370292.7452041.4500331.6983413.517173阻尼系数阻尼系数96.1794460.6407748.82956156.6272118.563457.323281302.7619/26/202415312(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65上表已经计算出各管段水头损失，上表已经计算出各管段水头损失，则判断环闭合差，如下则判断环闭合差，如下管段编号管段编号2356789水头损失水头损失4.6687540.2053012.370292.7452041.4500331.6983413.517173环环1：5，2，6，8组成，闭合差为：组成，闭合差为：4.668754+2.745204-1.698341-2.37029=3.345327环环2：3，7，9，6组成，闭合差为：组成，闭合差为：0.205301+1.450033-3.517173-2.745204=-4.60704计算结果表明，环闭合差均不能满足要求，需要进行环流量修正。计算结果表明，环闭合差均不能满足要求，需要进行环流量修正。9/26/202415412(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65管段编号管段编号2356789阻尼系数阻尼系数96.1794460.6407748.82956156.6272118.563457.323281302.761环环1闭合差为闭合差为3.345327环环2闭合差为闭合差为-4.60704系数矩阵为：系数矩阵为：=358.95941638.592-156.6272-156.6272可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量358.95941638.592-156.6272-156.6272q1q2=3.345327-4.60704-9/26/2024155解此方程组可得解此方程组可得q1=-0.008445；q2=0.002004358.95941638.592-156.6272-156.6272q1q2=3.345327-4.60704-把环流量施加于各环，则可得各管段新流量。如下表把环流量施加于各环，则可得各管段新流量。如下表12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65管段编号管段编号2356789初分流量初分流量0.08990.006270.08990.032460.022650.054870.005新流量新流量0.0814550.0082740.0983450.0220110.0246540.0633150.0029969/26/2024156已经计算出各管段的新流量，根据新流量计算管段水力参数如下表已经计算出各管段的新流量，根据新流量计算管段水力参数如下表管段编号管段编号2356789长度长度650550330350360590490直径直径0.30.20.30.20.20.30.1摩阻摩阻404.4252465.197832205.32351568.7621613.584367.093564224.58新流量新流量0.0814550.0082740.0983450.0220110.0246540.0633150.002996水头损失水头损失3.8891770.3431317572.7990831.3369831.6965512.2139451.36225阻尼系数阻尼系数88.4261976.8044493152.7114112.4934127.444464.75917842.0848重新计算各环闭合差，则12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65环环1闭合差为闭合差为0.213131环环2闭合差为闭合差为-0.6595509/26/2024157闭合差仍不能满足要求，继续构建系数矩阵闭合差仍不能满足要求，继续构建系数矩阵管段编号管段编号2356789阻尼系数阻尼系数88.4261976.8044452.71140112.4934127.444464.75917842.0848系数矩阵为：系数矩阵为：=318.39021158.8571-112.4934-112.4934可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量318.39021158.8571-112.4934-12.4934q1q2=0.213131-0.659550-12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65解此方程组可得解此方程组可得q1=-0.0048495；q2=0.00052219/26/2024158根据第二次施加的环流量计算各环闭合差，如下表。根据第二次施加的环流量计算各环闭合差，如下表。管段编管段编号号2356789流量流量0.080970050.0087960630.098829950.021003990.0251760630.063799950.00247394水头损水头损失失3.846403550.3843030112.824699241.2259141761.7636850442.245452620.95555772重新计算各环闭合差，则环环1闭合差为闭合差为0.0022环环2闭合差为闭合差为-0.0334812(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q8 82.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65这说明，各环水头已经满足要求。这说明，各环水头已经满足要求。平差过程已经完成。平差过程已经完成。9/26/2024159已经得出各管段流量，则根据满管流、均匀流以及连续流的假定来计算各计算已经得出各管段流量，则根据满管流、均匀流以及连续流的假定来计算各计算管段流速，如下表所示。管段流速，如下表所示。管段编管段编号号2356789直径直径0.30.20.30.20.20.30.1摩阻摩阻404.4250172465.197832205.323471568.7622571613.584035367.09347764224.5761流量流量0.080970050.0087960630.098829950.021003990.0251760630.063799950.00247394水头损水头损失失3.846403550.3843030112.824699241.2259141761.7636850442.245452620.95555772流速流速1.150.281.400.670.800.900.319/26/2024160计算节点水头与自由水压，如下表计算节点水头与自由水压，如下表12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65节点编节点编号号234678地面标地面标高高18.8019.1022.0018.3017.3017.50节点水节点水头头47.494391643.6479880643.26368544.7010103442.4555577241.5自由水自由水压压28.694391624.5479880621.26368526.4010103425.15555772249/26/2024161第五章 给水管网水力分析v上述例题只求解两个环的情况，若环比较多的时候上述例题只求解两个环的情况，若环比较多的时候呢？比如四个环，如何列方程组？呢？比如四个环，如何列方程组？v上述解法为牛顿上述解法为牛顿-拉夫森法，下面看看哈代拉夫森法，下面看看哈代-克罗斯克罗斯法如何求解。法如何求解。9/26/2024162第五章 给水管网水力分析v6.46.4哈代哈代- -克罗斯法克罗斯法v采用牛顿采用牛顿-拉夫森法求解环流量，所需要求解的方程拉夫森法求解环流量，所需要求解的方程数量与环数量相等。当环的数量相当大尤其是共用数量与环数量相等。当环的数量相当大尤其是共用管段较多时，方程组的求解也相当困难。管段较多时，方程组的求解也相当困难。v为此，哈代为此，哈代-克罗斯提出了修正的水头平差法，它的克罗斯提出了修正的水头平差法，它的解法与牛顿解法与牛顿-拉夫森法相同，不同的是此解法忽略邻拉夫森法相同，不同的是此解法忽略邻环的影响，只考虑本环。环的影响，只考虑本环。v他认为邻环对于本环的流量影响相对较小，可在计他认为邻环对于本环的流量影响相对较小，可在计算过程中忽略不计。算过程中忽略不计。v这种方法导致的后果是收敛速度较慢，与牛顿这种方法导致的后果是收敛速度较慢，与牛顿-拉夫拉夫森法相比；但仍然是工程上的常用方法。森法相比；但仍然是工程上的常用方法。9/26/2024163第五章 给水管网水力分析牛顿拉夫森法在计算过程中，所采用的系数矩阵为牛顿拉夫森法在计算过程中，所采用的系数矩阵为由于哈代由于哈代-克罗斯法认为邻环影响极小，故公共管段的系数依旧为克罗斯法认为邻环影响极小，故公共管段的系数依旧为0，则，则9/26/2024164根据哈代根据哈代-克罗斯法的思路，我们可以把公式大幅度简化，如下图所示计算环流量克罗斯法的思路，我们可以把公式大幅度简化，如下图所示计算环流量可写成如下所示：可写成如下所示：12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65哈代哈代-克罗斯平差公式可以适应环数较多的情况，就算是存在不可想象的数量，依克罗斯平差公式可以适应环数较多的情况，就算是存在不可想象的数量，依旧计算十分简单。下面仍旧以上述例题为例来讲解。旧计算十分简单。下面仍旧以上述例题为例来讲解。平差公式为：平差公式为：9/26/202416512(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65第一步仍旧首先计算各管段水力参数，如同牛顿第一步仍旧首先计算各管段水力参数，如同牛顿-拉夫森法。拉夫森法。管段编号管段编号2356789长度长度650550330350360590490直径直径0.30.20.30.20.20.30.1摩阻摩阻404.4252465.198205.32351568.7621613.584367.093564224.58初分流量初分流量0.08990.006270.08990.032460.022650.054870.005水头损失水头损失4.6687540.2053012.370292.7452041.4500331.6983413.517173阻尼系数阻尼系数96.1794460.6407748.82956156.6272118.563457.323281302.7619/26/202416612(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65管段编号管段编号2356789阻尼系数阻尼系数96.1794460.6407748.82956156.6272118.563457.323281302.761环环1闭合差为闭合差为3.345327环环2闭合差为闭合差为-4.60704系数矩阵为：系数矩阵为：=358.95941638.59200可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量可得线性方程组，求解每一环应该施加的环流量358.95941638.59200q1q2=3.345327-4.60704-9/26/2024167358.95941638.59200q1q2=3.345327-4.60704-解此方程组得解此方程组得q1=-0.008445；q2=0.002004（牛顿（牛顿-拉夫森法）拉夫森法）q1=-0.0093195；q2=0.0028116（哈代（哈代-克罗斯法）克罗斯法）把修正流量带入各管段，如下表所示：把修正流量带入各管段，如下表所示：管段编号管段编号2356789初分流量初分流量0.08990.006270.08990.032460.022650.054870.005新流量新流量N0.0814550.0082740.0983450.0220110.0246540.0633150.002996新流量新流量H0.0805800.0090820.099220.020330.025460.064190.00218812(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.659/26/2024168已经计算出各管段的新流量，根据新流量计算管段水力参数如下表管段编号管段编号2356789摩阻摩阻404.4252465.197832205.32351568.7621613.584367.093564224.58新流量新流量N0.0814550.0082740.0983450.0220110.0246540.0633150.002996新流量新流量H0.0805800.0090820.099220.020330.025460.064190.002188水头损失水头损失N3.8891770.3431317572.7990831.3369831.6965512.2139451.36225水头损失水头损失H3.812160.407762.845381.154061.800702.270940.76115阻尼系数阻尼系数N88.4261976.8044493152.7114112.4934127.444464.75917842.0848阻尼系数阻尼系数H87.616283.150253.1107105.1311130.985765.5209644.2621重新计算各环闭合差，则12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.17-16.38Q882.3335.035550,2005330,30089.902650,30089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.65环环1闭合差为闭合差为-0.1501环环2闭合差为闭合差为0.29339/26/2024169闭合差仍不能满足要求，继续平差闭合差仍不能满足要求，继续平差管段编号管段编号2356789阻尼系数阻尼系数H87.616283.150253.1107105.1311130.985765.5209644.2621根据上述公式得到，q1=-h/z2、6、5、8之和之和=0.0004821；q2=-0.0003044（哈代（哈代-克罗斯法）克罗斯法）把流量进行校正，依旧计算闭合差，看其能否满足要求。把流量进行校正，依旧计算闭合差，看其能否满足要求。管段编号管段编号2356789摩阻摩阻404.4252465.197832205.32351568.7621613.584367.093564224.58流量流量N0.080970.0087960.098830.021000.025180.063800.002474流量流量H0.081060.0087780.098740.021120.025160.063710.002492水头损失水头损失H3.85450.38282.81981.23811.76102.23950.9688最终闭合差为环最终闭合差为环1=0.033；环；环2为为-0.063。而经过两次平差后，牛而经过两次平差后，牛-拉法的最终闭合差为环拉法的最终闭合差为环1=0.0022；环；环2为为-0.03348。9/26/2024170第五章 给水管网水力分析v两种方法的对比表明，在手工计算过程中哈两种方法的对比表明，在手工计算过程中哈代代-克罗斯法能够简化计算。克罗斯法能够简化计算。v从数据中也可看出，其逼近最佳结果的速度从数据中也可看出，其逼近最佳结果的速度要小于牛顿要小于牛顿-拉夫森法。拉夫森法。v两种方法不存在优劣之分，可根据自己的情两种方法不存在优劣之分，可根据自己的情况适当采用。况适当采用。9/26/2024171第五章 给水管网水力分析v要求要求v掌握牛顿掌握牛顿-拉夫森法的计算过程与方法。拉夫森法的计算过程与方法。v掌握哈代掌握哈代-克罗斯法的计算过程与思路。克罗斯法的计算过程与思路。v了解哈代了解哈代-克罗斯法与牛顿克罗斯法与牛顿-拉夫森法的不同。拉夫森法的不同。9/26/2024172第五章 给水管网水力分析v哈代哈代-克罗斯法的改进克罗斯法的改进1.整个管网闭合差总和恒为零。整个管网闭合差总和恒为零。2.平差过程是闭合差在管网中传递与相互抵消的过程。平差过程是闭合差在管网中传递与相互抵消的过程。3.改进平差算法的措施改进平差算法的措施（1）各环同时平差改为每次只平差一个环。）各环同时平差改为每次只平差一个环。（2）优先平差闭合差较大的一个或几个环。）优先平差闭合差较大的一个或几个环。（3）改环平差为若干小环组成的大环平差；环组合）改环平差为若干小环组成的大环平差；环组合的原则为各小环闭合差方向相同。的原则为各小环闭合差方向相同。9/26/2024173第五章 给水管网水力分析v7节点方程组解法v解节点方程是在假定水压的条件下，应用连续性方程以及流量和水头损失的关系，通过计算调整，求出每一节点的水压。节点的水压已知后，即可从任一管段两端节点的水压差得出该管段的水头损失，进一步从流量与水头损失之间的关系计算出管段流量。再使得管网满足流量连续性方程。v手工计算一般进行环方程平差，机算一般采用解节点方程组的方法；节点方程组一般平差速度较快，较精确。9/26/2024174第五章 给水管网水力分析v7.1解节点方程的步骤解节点方程的步骤v应用节点之间的压差关系即水头关系确定各节点的应用节点之间的压差关系即水头关系确定各节点的初分配节点压力；初分配节点压力；v根据各节点水头确定各管段所允许的水头损失；根据各节点水头确定各管段所允许的水头损失；v根据水头损失与流量关系确定各相应管段的管段流根据水头损失与流量关系确定各相应管段的管段流量；量；v计算各节点是否满足流量连续性方程；计算各节点是否满足流量连续性方程；v满足流量连续性方程，说明各节点水头初分配合理；满足流量连续性方程，说明各节点水头初分配合理；否则，改变节点水头，继续进行上述工作，直至各否则，改变节点水头，继续进行上述工作，直至各环满足流量连续性方程。环满足流量连续性方程。9/26/2024175第五章 给水管网水力分析v7.2水力特性的线性化水力特性的线性化hq管段水力特性的线性化（平差环方程）管段水力特性的线性化（平差环方程）qi (0)qi (0) +dqihi (0)hi (0) +dhisiqinhqhi(0)hi(0)+dHkqi (0)qi (0) +dqi误差误差管段水力特性的线性化（平差水头方程）管段水力特性的线性化（平差水头方程）9/26/2024176第五章 给水管网水力分析和阻尼系数相似，所采用的线性系数即在初分水头点的直线斜率。和阻尼系数相似，所采用的线性系数即在初分水头点的直线斜率。由于由于得得即即代入代入得得也可由也可由得得9/26/2024177第五章 给水管网水力分析如同解环方程，解节点方程组相似其方法，首先进行线性化。得到系数矩阵如下所如同解环方程，解节点方程组相似其方法，首先进行线性化。得到系数矩阵如下所示：示：9/26/2024178第五章 给水管网水力分析v上述解法依旧属于牛顿-拉夫森法。v若忽略邻节点的影响，平差公式如下所示。j=1，2，3，N9/26/2024179第五章 给水管网水力分析v平差步骤与平差环方程一致，只是流量与水平差步骤与平差环方程一致，只是流量与水头相互调换。头相互调换。9/26/2024180第五章 给水管网水力分析v7.3实例实例v以下图所示管网为例讲解。以下图所示管网为例讲解。123456Qq2q3q4q5q6列列节点的连续性方程节点的连续性方程-Q+q12+q14=0-q12+q23+q25+q2=0-q14+q45+q4=0-q45-q25+q56+q5=0-q56-q36+q6=0取取n=2，代入方程组；如下代入方程组；如下9/26/2024181第五章 给水管网水力分析123456Qq2q3q4q5q69/26/2024182解节点方程组与解环方程组的对比v步骤的一致性；步骤的一致性；v计算过程的繁琐性；计算过程的繁琐性；v节点方程组未忽略相邻节点的影响，而环节点方程组未忽略相邻节点的影响，而环方程忽略相邻环的影响故收敛速度节点方方程忽略相邻环的影响故收敛速度节点方程组快于环方程组（手算采用哈代程组快于环方程组（手算采用哈代-克罗克罗斯法时）；斯法时）；v节点方程组解法不能合并几个节点计算，节点方程组解法不能合并几个节点计算，但可优先平差闭合差较大的节点；但可优先平差闭合差较大的节点；v计算公式均可采用技巧记忆。计算公式均可采用技巧记忆。9/26/2024183第五章 给水管网水力分析vP101例题，哈代例题，哈代-克罗斯法环方程平差。克罗斯法环方程平差。v单定压节点。单定压节点。vP105例题，哈代例题，哈代-克罗斯法环方程平差。克罗斯法环方程平差。v多定压节点，首先设置虚节点，然后设置虚多定压节点，首先设置虚节点，然后设置虚管段。管段。9/26/2024184例题的算法（p115(3)）v节点水头为节点水头为20m时各水塔供水量与用户用水量。时各水塔供水量与用户用水量。CW已知，可得出已知，可得出s；k=10.67/CW1.852，m=4.87；s=kl/Dm。根据根据s可得出各管段水量即水塔供水量。可得出各管段水量即水塔供水量。v需要节点水头为需要节点水头为20m，若再小或直至为若再小或直至为23.7m呢？呢？v当用户用水量为多少时，一座水塔进水，一座水塔供当用户用水量为多少时，一座水塔进水，一座水塔供水，另外一座不供不进？水，另外一座不供不进？v解答此问题不需要平差概念！一座高度为解答此问题不需要平差概念！一座高度为25.5m即供即供水压力，一座为水压力，一座为23.7m，另外一座为另外一座为28.3m；用户用用户用水量是与用户需要水压相关联的（？），用户需要的水量是与用户需要水压相关联的（？），用户需要的水压直接决定各座水塔的供水量（？）。水压直接决定各座水塔的供水量（？）。9/26/2024185v当当用户用水水压为用户用水水压为0m时，各座水塔都供水，且都达到最大流时，各座水塔都供水，且都达到最大流量（？）；随着所需要的水头的增加，各水塔供水量都在减量（？）；随着所需要的水头的增加，各水塔供水量都在减少；当用水水头为其中最低供水压力的水塔压力时，此水塔少；当用水水头为其中最低供水压力的水塔压力时，此水塔就不会供水（比如达到就不会供水（比如达到23.70m时，水塔时，水塔2不会供水，但水量不会供水，但水量也不会由其它水塔进入水塔也不会由其它水塔进入水塔2，此时管段，此时管段2的流速为的流速为0，达到，达到平衡）；当需水压力接着提高，直至大于平衡）；当需水压力接着提高，直至大于23.70但小于但小于25.50m时，水塔时，水塔1和和3同时供水，但水塔同时供水，但水塔2成为用户，水流在成为用户，水流在管段管段2中反向流动（？）；再接着提高用户水压，直至为中反向流动（？）；再接着提高用户水压，直至为25.50m时，管段时，管段1又达到一平衡，只由水塔又达到一平衡，只由水塔3同时提供用户和同时提供用户和水塔水量；当需水压力接着提高，大于水塔水量；当需水压力接着提高，大于25.50m但小于但小于28.30m时，仍然只有水塔时，仍然只有水塔3供水，但管段供水，但管段1和和2都会存在转输都会存在转输流量；当需水压力为流量；当需水压力为28.30m或或以上时，用户就无水可用了。以上时，用户就无水可用了。v由以上分析可知，当用户用水水头为由以上分析可知，当用户用水水头为25.50m时，满足题设条时，满足题设条件，可计算相应流量。件，可计算相应流量。v问题一：当用户用水量为多少时，三座水塔同时供水？问题一：当用户用水量为多少时，三座水塔同时供水？v问题二：当用户用水量为多少时，两座水塔供水？问题二：当用户用水量为多少时，两座水塔供水？v问题三：当用户用水量为多少时，只有一座水塔供水？问题三：当用户用水量为多少时，只有一座水塔供水？9/26/2024186v用水量为用水量为50L/s时，求解节点（时，求解节点（4）的水头（进）的水头（进行节点流量平差）。行节点流量平差）。v请问不采用平差方法能否求解？请问不采用平差方法能否求解？v方法一（不平差）：可先赋予节点（方法一（不平差）：可先赋予节点（4）一水头）一水头H，则可确定管段流量；可解下述方程组则可确定管段流量；可解下述方程组上述方程组中有四个变量，四个方程，可通过数学方法求上述方程组中有四个变量，四个方程，可通过数学方法求解；由于此问题的特殊性，可不平差求解；若节点多时，解；由于此问题的特殊性，可不平差求解；若节点多时，肯定只能采用平差法简单许多。肯定只能采用平差法简单许多。9/26/2024187v方法二（哈代方法二（哈代-克罗斯法平差）：克罗斯法平差）：v由于水塔同为供水水源节点，故需要设置由于水塔同为供水水源节点，故需要设置一虚节点，由虚节点提供水量，水源节点一虚节点，由虚节点提供水量，水源节点提供水头；原管网如下所示：提供水头；原管网如下所示：12304Q4123456Q1Q2Q39/26/2024188v对对流量进行初分配，根据初分配流量列环方程；流量进行初分配，根据初分配流量列环方程；v解环方程，根据平差公式计算施加的环流量；解环方程，根据平差公式计算施加的环流量；v根据所施加的环流量再计算环能量，当环能量根据所施加的环流量再计算环能量，当环能量满足精度要求，即可停止计算。满足精度要求，即可停止计算。v上述平差方法为环方程组求解方法。上述平差方法为环方程组求解方法。v本题能否采用解节点方程组的方法进行求解呢本题能否采用解节点方程组的方法进行求解呢？v针对本题而言，采用节点方程组求解方法更简针对本题而言，采用节点方程组求解方法更简便（？）。便（？）。9/26/2024189v方法三（解节点方程组）：哈代方法三（解节点方程组）：哈代-克罗斯法克罗斯法v赋予节点（赋予节点（4）一初始水头值，赋值时有要）一初始水头值，赋值时有要求吗？求吗？v根据赋予的节点水头，求解每一管段的流根据赋予的节点水头，求解每一管段的流量，可计算得到量，可计算得到，再根据下述公式求，再根据下述公式求解所应施加的节点能量，接续上述平差方解所应施加的节点能量，接续上述平差方法，直至达到要求。法，直至达到要求。9/26/2024190第六章 给水管网工程设计v设计内容：设计内容：v设计用水量、水量调节以及设计流量计算；设计用水量、水量调节以及设计流量计算；v管段直径确定；管段直径确定；v设计工况水力分析；设计工况水力分析；v泵站扬程与水塔高度（可无）；泵站扬程与水塔高度（可无）；v水力校核（最大转输、消防、事故）；水力校核（最大转输、消防、事故）；v绘制管道施工图（管径、埋深）。绘制管道施工图（管径、埋深）。9/26/2024191v1最高日用水量计算最高日用水量计算v包括项目如下：包括项目如下：v1）居民生活用水量；）居民生活用水量；v2）工业企业生活用水及其生产用水；）工业企业生活用水及其生产用水；v3）消防用水；）消防用水；v4）其它用水包括绿化、浇洒道路、公共设施用水；）其它用水包括绿化、浇洒道路、公共设施用水；v5）未预见水量及管网漏损（）未预见水量及管网漏损（15-25%）。）。v水量单位转换为水量单位转换为L/s。v消防用水并非计算在最高日用水量中，而是转存在消防用水并非计算在最高日用水量中，而是转存在清水池中。清水池中。第六章 给水管网工程设计9/26/2024192第六章 给水管网工程设计v工业用水计算指标工业用水计算指标v万元产值用水量和单位产品用水量。万元产值用水量和单位产品用水量。9/26/2024193第六章 给水管网工程设计v2用水量变化及其调节用水量变化及其调节v根据所需指标计算出管网总设计供水量；由于用水变化的影响，二级提根据所需指标计算出管网总设计供水量；由于用水变化的影响，二级提升泵站不可能实时满足管网用户的需求，可看下图。升泵站不可能实时满足管网用户的需求，可看下图。2.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.399/26/2024194第六章 给水管网工程设计v由于供水泵站很难实时满足用户需求，所以在管网由于供水泵站很难实时满足用户需求，所以在管网系统中需要设置水量调节设施。系统中需要设置水量调节设施。v水量调节构筑物包括清水池、高位水池、水塔等。水量调节构筑物包括清水池、高位水池、水塔等。v供水流程为一级泵站均匀吸水通过供水管路送入给供水流程为一级泵站均匀吸水通过供水管路送入给水处理厂；给水处理完毕存入清水池；二级提升泵水处理厂；给水处理完毕存入清水池；二级提升泵站从清水池吸水进入供水管网；这又分为两种情况：站从清水池吸水进入供水管网；这又分为两种情况：v1)无水塔时无水塔时v2)有水塔时有水塔时9/26/2024195第六章 给水管网工程设计v但不管何种情况都应满足下述设计原则：但不管何种情况都应满足下述设计原则：v1）设计用水量与供水量相等；）设计用水量与供水量相等；v2）多水源供水可不设计水塔或高位水池；）多水源供水可不设计水塔或高位水池；v3）单水源供水管网考虑设置水塔与不设置水塔。不）单水源供水管网考虑设置水塔与不设置水塔。不设置为最高时流量；设置水塔具体应考虑如下问题：设置为最高时流量；设置水塔具体应考虑如下问题：v（1）泵站运行一般分为两级，不超过三级）泵站运行一般分为两级，不超过三级v（2）分级应尽量接近用水曲线；）分级应尽量接近用水曲线；v（3）水泵机组合理搭配；）水泵机组合理搭配；v（4）24小时供水量之和应为最大日用水量。小时供水量之和应为最大日用水量。9/26/2024196第六章 给水管网工程设计v由上述问题进行分析可知：由上述问题进行分析可知：v1）多水源管网系统可不设水塔。）多水源管网系统可不设水塔。v2）当管网中不设水塔时（一般为用水量较大的城市）当管网中不设水塔时（一般为用水量较大的城市），为保证供水安全性，泵站实时供水量应与管网用，为保证供水安全性，泵站实时供水量应与管网用水量相等。水量相等。v3）当管网中设置水塔时（一般为用水量变化系数较）当管网中设置水塔时（一般为用水量变化系数较大的城镇或城市），泵站供水量可与管网用水量不大的城镇或城市），泵站供水量可与管网用水量不必实时相等；多余或欠缺部分由水塔调节。必实时相等；多余或欠缺部分由水塔调节。v4）不设水塔时，虽然应该实时相等，但泵站设计应）不设水塔时，虽然应该实时相等，但泵站设计应该按照最高时计算。该按照最高时计算。v5）水塔或高位水池为调节构筑物，调节能力不因受）水塔或高位水池为调节构筑物，调节能力不因受到设置位置而受到影响。到设置位置而受到影响。9/26/2024197第六章 给水管网工程设计v调节构筑物容积的计算调节构筑物容积的计算v上面已经讲过，由于每天中用水量的不均衡性导致上面已经讲过，由于每天中用水量的不均衡性导致二级提升泵站不可能均匀供水，需要对泵站进行供二级提升泵站不可能均匀供水，需要对泵站进行供水分级，一般分为两级；当然，分级越多，供水越水分级，一般分为两级；当然，分级越多，供水越接近于用户实际用水量，但泵的种类或型号会偏多，接近于用户实际用水量，但泵的种类或型号会偏多，造成管理相当复杂。我们在设计时只要是需要分级造成管理相当复杂。我们在设计时只要是需要分级一般可直接分为两级。一般可直接分为两级。v下面以原图为例进行说明。下面以原图为例进行说明。9/26/20241982.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.39上图表明，用水量存在高峰和低谷。上图表明，用水量存在高峰和低谷。若实时满足用户用水量，需要设置很多种型号水泵；根据我们的设计原则，当不设水塔时，若实时满足用户用水量，需要设置很多种型号水泵；根据我们的设计原则，当不设水塔时，泵站供水能力应该和最高时用水量相等，即为泵站供水能力应该和最高时用水量相等，即为0.0583Q。9/26/20241992.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.39当设水塔时，需要对用水量进行分级，现在分为两级；见上图。当设水塔时，需要对用水量进行分级，现在分为两级；见上图。第一级：晚上第一级：晚上23点至凌晨点至凌晨6点共点共8小时，供水量取为小时，供水量取为2.5%；第二级：早上第二级：早上7点至晚上点至晚上22点共点共16小时，则供水量为小时，则供水量为(100-2.5*8)/(16*100)=5%。9/26/20242002.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.39第一级供水量为第一级供水量为2.5%，第二级供水量为，第二级供水量为5%；则供水泵站供水设计流量为；则供水泵站供水设计流量为0.05Q，由水塔或高位水池的供水设计流量为，由水塔或高位水池的供水设计流量为(0.0583-0.05)Q。在管网用水量较小时，。在管网用水量较小时，进入水塔或高位水池的最大转输流量为进入水塔或高位水池的最大转输流量为(0.05-0.0447)Q。9/26/2024201第六章 给水管网工程设计v清水池和水塔设计容积的确定清水池和水塔设计容积的确定v清水池贮存调节流量，还存放消防用水量、清水池贮存调节流量，还存放消防用水量、给水系统自用水量和安全储备水量。无资料给水系统自用水量和安全储备水量。无资料时，可按照最大日用水量的时，可按照最大日用水量的10-20%设计；清设计；清水池设计两个，若一个要考虑分格。水池设计两个，若一个要考虑分格。v水塔贮存调节水量以及室内消防水量。若无水塔贮存调节水量以及室内消防水量。若无资料时可按照最大日用水量的资料时可按照最大日用水量的2.5-3%5-6%设计。设计。9/26/2024202第六章 给水管网工程设计v3 3节点设计流量分配计算节点设计流量分配计算v我们能够计算出整个管网系统的用水量，但是还未我们能够计算出整个管网系统的用水量，但是还未把流量折算到具体的元素中去，所以仍无法进行管把流量折算到具体的元素中去，所以仍无法进行管网设计。网设计。v为了进行每一设计管段流量的计算，我们把管网系为了进行每一设计管段流量的计算，我们把管网系统中的用户定义为两类：一类为集中用户，比如工统中的用户定义为两类：一类为集中用户，比如工厂、企事业单位等，即集中流量；另一类为分散用厂、企事业单位等，即集中流量；另一类为分散用水户，即从管段沿线取水且用水量较小，即沿线流水户，即从管段沿线取水且用水量较小，即沿线流量。量。9/26/2024203第六章 给水管网工程设计v下面要做的工作就是如何把总用水量转变为节点或下面要做的工作就是如何把总用水量转变为节点或管段流量。管段流量。v上面已讲，集中流量所在地必须设置节点，则集中上面已讲，集中流量所在地必须设置节点，则集中流量很容易转变为节点用水量。流量很容易转变为节点用水量。v剩下要做的工作就是如何把沿线流量转变为节点用剩下要做的工作就是如何把沿线流量转变为节点用水量。水量。v沿线流量的计算一般存在两种方法：一为把沿线流沿线流量的计算一般存在两种方法：一为把沿线流量均匀的分配到管段配水长度上去；另一为把沿线量均匀的分配到管段配水长度上去；另一为把沿线流量均匀的分配到管段的供水面积上去。前者叫作流量均匀的分配到管段的供水面积上去。前者叫作以管段配水长度计算的比流量；后者叫作以管段供以管段配水长度计算的比流量；后者叫作以管段供水面积计算的比流量。水面积计算的比流量。9/26/2024204第六章 给水管网工程设计v需要说明的问题在于管段配水长度和管段的需要说明的问题在于管段配水长度和管段的实际长度并不一定完全相同；只有当管段两实际长度并不一定完全相同；只有当管段两侧均向用户供水时才相同。侧均向用户供水时才相同。v管段供水面积的确定也存在此问题；若某一管段供水面积的确定也存在此问题；若某一管段供水密度较大可相应的加大其计算面积管段供水密度较大可相应的加大其计算面积（可大于其实际面积），当供水密度较小时（可大于其实际面积），当供水密度较小时可适当减小。可适当减小。9/26/2024205第六章 给水管网工程设计v根据上面的论述，我们可以根据比流量确定沿线流根据上面的论述，我们可以根据比流量确定沿线流量，但沿线流量依旧无法进行求解管径。量，但沿线流量依旧无法进行求解管径。v在第在第3章中我们已经得知沿线流量可以平均分配到管章中我们已经得知沿线流量可以平均分配到管段两端的节点，作为节点用水量。段两端的节点，作为节点用水量。v把节点用水量完全相加看其是否与供水量相等。把节点用水量完全相加看其是否与供水量相等。v现在就完成了从管网设计流量到节点用水量的计算。现在就完成了从管网设计流量到节点用水量的计算。v教材教材P128例题例题9/26/2024206第六章 给水管网工程设计v4 4管段流量分配计算管段流量分配计算v解得管网中各节点流量依旧无法进行管段参解得管网中各节点流量依旧无法进行管段参数设计，需要转变为管段设计流量，这就涉数设计，需要转变为管段设计流量，这就涉及到了管网流量分配问题（或环状网的流量及到了管网流量分配问题（或环状网的流量初拟）。初拟）。v进行管段流量分配的理论依据是节点流量连进行管段流量分配的理论依据是节点流量连续性方程。续性方程。9/26/2024207第六章 给水管网工程设计v管段设计流量分配原则管段设计流量分配原则v从水源出发进行流量分配到每一个节点上；从水源出发进行流量分配到每一个节点上；v遇到向多个方向分配设计流量时，需要向主遇到向多个方向分配设计流量时，需要向主要供水方向分配较多流量，管段中不能出现要供水方向分配较多流量，管段中不能出现逆向流；逆向流；v确定两条或多条相互平行的主要供水方向，确定两条或多条相互平行的主要供水方向，向主要供水方向上分配较大流量，主要方向向主要供水方向上分配较大流量，主要方向的连通管也需要分配一定的流量。的连通管也需要分配一定的流量。9/26/2024208第六章 给水管网工程设计v通过上述讲解得知通过上述讲解得知v首先可以确定管网系统或城市管网系统涵盖用户的总用水量。首先可以确定管网系统或城市管网系统涵盖用户的总用水量。v对于除集中流量之外的流量分配到管段中，可以计算配水管对于除集中流量之外的流量分配到管段中，可以计算配水管段长度或面积，从而计算长度比流量或面积比流量。段长度或面积，从而计算长度比流量或面积比流量。v根据比流量以及各管段的配水长度或配水面积计算管段沿线根据比流量以及各管段的配水长度或配水面积计算管段沿线流量。流量。v把沿线流量均分到管段两端节点组成节点用水量。把沿线流量均分到管段两端节点组成节点用水量。v节点用水量与集中流量相加作为节点设计流量。节点用水量与集中流量相加作为节点设计流量。v由节点设计总流量根据质量守恒对于用水量进行管段流量分由节点设计总流量根据质量守恒对于用水量进行管段流量分配可得到各管段的设计流量。配可得到各管段的设计流量。9/26/2024209第六章 给水管网工程设计v5 5管径设计管径设计v在流量确定的条件下，管径依然无法计算；在流量确定的条件下，管径依然无法计算；需要首先确定管段中水的流速。需要首先确定管段中水的流速。v规范规定：最大设计流速不能超过规范规定：最大设计流速不能超过2.5-3m/s；最低流速不能小于；最低流速不能小于0.6m/s。9/26/2024210第六章 给水管网工程设计由上式可知，设计流量已定，当选取较小的流速时，会造成管径偏大，由上式可知，设计流量已定，当选取较小的流速时，会造成管径偏大，即使得管网造价增大，但水头损失减小，从而使得泵站运行电费下降；即使得管网造价增大，但水头损失减小，从而使得泵站运行电费下降；当选取较大流速时，管径偏小，管网造价降低但水头损失增加从而使得当选取较大流速时，管径偏小，管网造价降低但水头损失增加从而使得泵站运行电费加大。如何解决之一矛盾，在后面第七章中专门论述。现泵站运行电费加大。如何解决之一矛盾，在后面第七章中专门论述。现在提出一种定性分析。在提出一种定性分析。设管网总投资为设管网总投资为C，每年管理费用为，每年管理费用为Y，投资偿还期为，投资偿还期为T年；则管网每年；则管网每年的折算费用为年的折算费用为9/26/2024211第六章 给水管网工程设计管理费用由两部分组成，一为管网折旧和大修费，另一为管网年运行费管理费用由两部分组成，一为管网折旧和大修费，另一为管网年运行费用用Y2，主要考虑运行总电费。设管网年折旧和大修费率为，主要考虑运行总电费。设管网年折旧和大修费率为p，则，则由于由于C和和Y2均与管径、流速相关，并且均与管径、流速相关，并且C随着管径的增加或设计流速的减随着管径的增加或设计流速的减小而增加，但小而增加，但Y2随着管径的增加或设计流速的减小而减小；可绘制如下所随着管径的增加或设计流速的减小而减小；可绘制如下所示图例。示图例。9/26/2024212第六章 给水管网工程设计经济管径经济管径D费费用用WY2费费用用经济流速经济流速vWY2年折算费用与流速关系年折算费用与流速关系年折算费用与管径关系年折算费用与管径关系9/26/2024213第六章 给水管网工程设计v管径设计原则管径设计原则v大管径可取较大经济流速；小管径取小经济流速；大管径可取较大经济流速；小管径取小经济流速；v管段设计流量占整个管网用水量较小时可取较大经济流速，管段设计流量占整个管网用水量较小时可取较大经济流速，反之，取小值；反之，取小值；v从泵站到控制点的管段取较小流速；从泵站到控制点的管段取较小流速；v管网造价高电价低时取较大经济流速；管网造价高电价低时取较大经济流速；v重力输水或供水时，要充分利用地形；重力输水或供水时，要充分利用地形；v根据经济流速计算的管径不符合市售值时，取相邻管径；根据经济流速计算的管径不符合市售值时，取相邻管径；v多水源供水时，在分界线附近的经济流速适当放小；多水源供水时，在分界线附近的经济流速适当放小；v重要的输水管，向远距离大用户供水时，应考虑平行两根管重要的输水管，向远距离大用户供水时，应考虑平行两根管道供水。对于较长距离的输水管，需要在平行管之间设置至道供水。对于较长距离的输水管，需要在平行管之间设置至少两处连通管。少两处连通管。9/26/2024214第六章 给水管网工程设计平均经济流速平均经济流速管径管径mm平均经济流速平均经济流速m/s100-4000.6-0.94000.9-1.49/26/2024215本节重点本节重点v管网设计流量计算。v调节构筑物容积的确定。v比流量。v从管网设计供水量到管段流量的计算过程。9/26/2024216第六章 给水管网工程设计v6泵站扬程与水塔高度计算泵站扬程与水塔高度计算v设计工况水力分析设计工况水力分析v（1）删除泵站所在的管段）删除泵站所在的管段v原因？流量如何处理？原因？流量如何处理？v（2）控制点的假定）控制点的假定v原因？原因？v两个概念：控制点、节点服务水头两个概念：控制点、节点服务水头v以控制点作为整个管网的定压节点。以控制点作为整个管网的定压节点。9/26/2024217第六章 给水管网工程设计v例题12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.1720.7727.6582.3335.035550533089.90265089.906.27859054.8794905.00635032.46736022.63(1)(5)1320194.35427037.15已知地面标高，要求自由水压、服务水头；也得知管段流量、节点用水量和管段已知地面标高，要求自由水压、服务水头；也得知管段流量、节点用水量和管段长度。要求确定管径、对管网进行水力工况分析、确定控制点。长度。要求确定管径、对管网进行水力工况分析、确定控制点。9/26/2024218第六章 给水管网工程设计12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.1720.7727.6582.3335.035550533089.90265089.906.27859054.8794905.00635032.46736022.63(1)(5)1320194.35427037.15分析分析：首先已知了管段流量，可根据流量大小及实际情况计算管径。首先已知了管段流量，可根据流量大小及实际情况计算管径。由于管径的计算值与实际提供的管径有出入，使得设计流量并非真正的管段流量由于管径的计算值与实际提供的管径有出入，使得设计流量并非真正的管段流量根据原则对管网进行平差，确定实际管段流量，以及其他水力参数。根据原则对管网进行平差，确定实际管段流量，以及其他水力参数。根据计算结果可得出控制点。根据计算结果可得出控制点。9/26/2024219第六章 给水管网工程设计12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.1720.7727.6582.3335.035550533089.90265089.906.27859054.8794905.00635032.46736022.63(1)(5)1320194.35427037.15首先做第一步工作：选用流速，计算管径。首先做第一步工作：选用流速，计算管径。由于由于1，4为输水管段采用双管并联输水；为输水管段采用双管并联输水；1，2，5，8流量较大可采用较高流速；流量较大可采用较高流速；6管段为环联结管，采用较高流速；管段为环联结管，采用较高流速；3管段流量很小，但有可能转输水塔较大能量，管段流量很小，但有可能转输水塔较大能量，故可采用较小流速或直接选取管径为故可采用较小流速或直接选取管径为200mm。计算过程如下表：。计算过程如下表：9/26/2024220管段编号管段编号 1234设计流量设计流量 194.35/2 89.906.2737.15/2流速流速0.90.9/0.8计算管径计算管径 0.3710.357/0.172设计管径设计管径 400*2400200200*25678989.9032.4622.6354.875.000.90.80.70.80.60.3570.2270.2030.2960.1034002002003001009/26/2024221第六章 给水管网工程设计已经计算出管径并确定了实际管径，标于图上。已经计算出管径并确定了实际管径，标于图上。为进行水力分析，删除管段为进行水力分析，删除管段1，其流量加到节点，其流量加到节点2上；假定节点上；假定节点8为控制点。为控制点。为何要假定控制点？为何要假定控制点？对于设定管网进行平差，采用海曾对于设定管网进行平差，采用海曾-威廉姆公式进行计算。威廉姆公式进行计算。12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.1720.7727.6582.3335.033550,2005330,40089.902650,40089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.63(1)(5)1320194.35427037.154002009/26/2024222第六章 给水管网工程设计经过平差计算得出结果如下表所示：经过平差计算得出结果如下表所示：管段或节管段或节点编号点编号23456789管段流量管段流量84.739.2737.1595.0724.2925.6360.042.00流速流速0.670.300.590.760.770.820.850.26管段压降管段压降1.030.420.750.651.601.822.010.65节点水头节点水头44.7743.7443.3244.0744.1242.1541.50/地面标高地面标高18.8019.1022.0032.2018.3017.3017.50/自由水压自由水压25.9724.6421.32/25.8224.8524.00/上述数据为经过三次平差之后结果，环上述数据为经过三次平差之后结果，环1闭合差为闭合差为-0.019m，环，环2为为-0.003m。9/26/2024223第六章 给水管网工程设计节点编号节点编号12345678节点水头节点水头/44.7743.7443.3244.0744.1242.1541.50地面标高地面标高13.6018.8019.1022.0032.2018.3017.3017.50自由水压自由水压/25.9724.6421.32/25.8224.8524.00服务水头服务水头/42.8047.1046.00/46.3045.3041.50差额差额-1.973.362.682.183.150.00水头调整水头调整12.0048.1347.1046.6847.4347.4845.5144.86自由水压自由水压/29.3328.0024.68/29.1828.2127.36寻找控制点；在本例中为3节点。9/26/2024224第六章 给水管网工程设计12(2)(3)(4)(6)(7)(8)-179.851.1720.7727.6582.3335.033550,2005330,40089.902650,40089.906.278590,30054.879490,1005.006350,20032.467360,20022.63(1)(5)1320194.35427037.15400200泵站设置在泵站设置在1管段上，需要确定其扬程。管段上，需要确定其扬程。分析：分析：1管段两端的节点水压通过水力核算已经得到；则可根据压差以及管管段两端的节点水压通过水力核算已经得到；则可根据压差以及管段和水泵内阻确定泵站扬程。段和水泵内阻确定泵站扬程。管段管段1沿程阻力为：沿程阻力为：=0.65m水泵内阻计算：水泵内阻计算：水泵吸压水管流速为水泵吸压水管流速为1.2-2m/s，局阻系数可按，局阻系数可按5-8考考虑；可取上限；为虑；可取上限；为1.63m水泵扬程为：水泵扬程为：36.13+0.65+1.63=38.41m9/26/2024225第六章 给水管网工程设计水塔设置在水塔设置在(5)节点。节点。设置水塔主要作用在于最高用水时能向管网提供一定的水量；在系统水力分析设置水塔主要作用在于最高用水时能向管网提供一定的水量；在系统水力分析时已经得出节点时已经得出节点5的水头，则可采用水头与地面标高之差作为水塔高度。示意图的水头，则可采用水头与地面标高之差作为水塔高度。示意图如下图所示如下图所示H/如右图所示，水塔底端满足节点水头则可如右图所示，水塔底端满足节点水头则可说明满足管网平差条件，但当恰好满足时说明满足管网平差条件，但当恰好满足时能够提供的水量极少；则必须能够在水塔能够提供的水量极少；则必须能够在水塔中贮存一定的水量才能满足用水要求。贮中贮存一定的水量才能满足用水要求。贮存水塔，则水柜就必须有一定的高度，则存水塔，则水柜就必须有一定的高度，则实际供水的节点水头恰好是大于实际供水的节点水头恰好是大于47.43；当；当正好把水塔中的水消耗完时水头等于正好把水塔中的水消耗完时水头等于47.43。则水塔水柜底端高程为则水塔水柜底端高程为47.43-32.20=15.23m；水塔的高度还应该根据贮；水塔的高度还应该根据贮水量大小以及设计形式来确定。水量大小以及设计形式来确定。9/26/2024226第六章 给水管网工程设计v7管网设计校核管网设计校核v管网按照最高时秒流量设计；但能否满足消管网按照最高时秒流量设计；但能否满足消防、最大转输或事故时的水力要求呢？这需防、最大转输或事故时的水力要求呢？这需要对管网进行三方面的校核计算。要对管网进行三方面的校核计算。v消防工况校核消防工况校核v水塔转输工况校核水塔转输工况校核v事故工况校核事故工况校核9/26/2024227第六章 给水管网工程设计v7.1消防校核消防校核v当管网系统较小时采用消防流量加到控制点上。当当管网系统较小时采用消防流量加到控制点上。当较大城市一般设置几个点同时着火核算，另外的消较大城市一般设置几个点同时着火核算，另外的消防流量加到离泵站较远、大用户或居民密集之处。防流量加到离泵站较远、大用户或居民密集之处。v校核时一般采用水头校核，即解节点方程看各点是校核时一般采用水头校核，即解节点方程看各点是否满足消防时水头需要。若不能满足要放大个别管否满足消防时水头需要。若不能满足要放大个别管径以降低水头损失。径以降低水头损失。v若变化太大，考虑设置消防专用泵。若变化太大，考虑设置消防专用泵。9/26/2024228第六章 给水管网工程设计v7.2最大转输校核最大转输校核v本校核只针对设置水塔的管网系统而言。但本校核只针对设置水塔的管网系统而言。但设置网前水塔时，转输进水能够满足压力需设置网前水塔时，转输进水能够满足压力需要；只是当设置对置水塔或水塔设置在末端要；只是当设置对置水塔或水塔设置在末端时才考虑校核。时才考虑校核。v校核时流量变化，各节点或管段流量均乘以校核时流量变化，各节点或管段流量均乘以下述系数：（最大转输工况时管网总用水量下述系数：（最大转输工况时管网总用水量/最高时工况管网总用水量）。最高时工况管网总用水量）。9/26/2024229第六章 给水管网工程设计v7.3事故校核事故校核v事故时供水量缩减为原水量的事故时供水量缩减为原水量的70%，这里的，这里的事故情况不是针对管网系统而言，而是原水事故情况不是针对管网系统而言，而是原水输水管段。输水管段。v各节点或管段流量乘以各节点或管段流量乘以70%作为流量核算。作为流量核算。v教材中的讲法我认为存在问题？教材中的讲法我认为存在问题？9/26/2024230第六章 给水管网工程设计v70%的由来：下面只以重力输水为例来讲解。下面只以重力输水为例来讲解。设水源与水厂第一个构筑物之间的最高水位标高差值为设水源与水厂第一个构筑物之间的最高水位标高差值为H。设通过。设通过n条相同管径相条相同管径相同长度的管道平行向水厂供水，总供水量为同长度的管道平行向水厂供水，总供水量为Q；则每条管道输送水量为；则每条管道输送水量为Q/n。则系统的水头损失为则系统的水头损失为当一条管道损坏，其余管道允许输水量为当一条管道损坏，其余管道允许输水量为Qa，则系统水头损失为，则系统水头损失为两种情况允许的水头损失相同，则两种情况允许的水头损失相同，则h=ha，即，即9/26/2024231=则则上式说明平行管段越多越能够在一条管段损坏的情况下满足用水需要。上式说明平行管段越多越能够在一条管段损坏的情况下满足用水需要。但管道铺设越多，造价也越高，实际上采用什么方法既能满足供水可靠性又能但管道铺设越多，造价也越高，实际上采用什么方法既能满足供水可靠性又能降低造价呢？降低造价呢？于是，在工程上有如下很聪明、经济的方法。于是，在工程上有如下很聪明、经济的方法。9/26/2024232这种方法就是采用平行敷设两条平行管段，对其进行分段处理。如下图所示这种方法就是采用平行敷设两条平行管段，对其进行分段处理。如下图所示具体而言就是把两条平行的供水管段均分为具体而言就是把两条平行的供水管段均分为n小段，每分段点上均设置小段，每分段点上均设置连接管使其连通，当某一节损坏时可使得水通过连通管超越损坏段。连接管使其连通，当某一节损坏时可使得水通过连通管超越损坏段。9/26/2024233下面进行计算：假定两条管段均被平分为下面进行计算：假定两条管段均被平分为N小段，每小段，每小段摩阻为小段摩阻为s；输送的水量为；输送的水量为Q。则正常工作时系统。则正常工作时系统水头损失为水头损失为Q9/26/2024234假定其中一个管段损坏，则系统水头损失为假定其中一个管段损坏，则系统水头损失为两种情况允许的水头损失相同，则两种情况允许的水头损失相同，则h=ha，即，即Qa9/26/2024235本式表明分段数越多，用水量越能够保证实际需要。当本式表明分段数越多，用水量越能够保证实际需要。当N无穷大时，两者相等。无穷大时，两者相等。在工程实际中，不可能无限度的分段；这样会增加造价，维护管理也较复杂，施工在工程实际中，不可能无限度的分段；这样会增加造价，维护管理也较复杂，施工更不允许。一般采用分为更不允许。一般采用分为3段的方式。段的方式。当分为当分为3段，并且段，并且n为为2时，比值为时，比值为0.7。这就是规范中为何规定事故时水量为这就是规范中为何规定事故时水量为70%的原因。的原因。9/26/2024236第六章 给水管网工程设计v本节重点本节重点v控制点的寻找。控制点的寻找。v水泵扬程与水塔水柜底端高程的求解。水泵扬程与水塔水柜底端高程的求解。v事故校核事故校核70%的由来。的由来。9/26/2024237本章总结v目的：已知城市规划资料布置其给水管网系统；并对系统进目的：已知城市规划资料布置其给水管网系统；并对系统进行水力工况校核。行水力工况校核。v方法：由城市资料进行管网定线（确定节点与管段）、由城方法：由城市资料进行管网定线（确定节点与管段）、由城市人口及工业状况计算城市总用水量、根据用水曲线确定二市人口及工业状况计算城市总用水量、根据用水曲线确定二级提升泵站设计流量、（级提升泵站设计流量、（根据提升泵站流量与用水量曲线确根据提升泵站流量与用水量曲线确定调节构筑物容积定调节构筑物容积）、管网设计流量的确定、集中流量的计）、管网设计流量的确定、集中流量的计算、管网沿程总流量的计算、比流量的计算、管段沿程流量算、管网沿程总流量的计算、比流量的计算、管段沿程流量的计算、节点用水量的计算、管段流量的初分配、流速的选的计算、节点用水量的计算、管段流量的初分配、流速的选择（管径的计算）、水力工况计算（确定管段最终流量）、择（管径的计算）、水力工况计算（确定管段最终流量）、水力校核（最大转输、消防、事故）、确定泵站扬程（水塔水力校核（最大转输、消防、事故）、确定泵站扬程（水塔高度）。高度）。v最终的结果：最终的结果：调节构筑物容积、管径、泵站扬程（水塔高度）调节构筑物容积、管径、泵站扬程（水塔高度）。9/26/2024238下面采用一个题目进行讲解。下面采用一个题目进行讲解。P144的习题就是管网设计的总过程的习题就是管网设计的总过程9/26/20242392.021.952.092.092.643.15.365.515.214.544.74.775.194.794.474.484.925.135.835.475.414.633.32.39首先绘制用水量曲线，如上图所示。首先绘制用水量曲线，如上图所示。计算时变化系数可按照概念计算：计算时变化系数可按照概念计算：5.83/4.17=1.40（1.398）分级曲线下各级的设计泵站流量：分级曲线下各级的设计泵站流量：6-22点为一级；点为一级；23-6点为二级；则一级时间持点为二级；则一级时间持续续16h，二级持续时间为，二级持续时间为8h；各级均采用用水量平均数核算，如上图所示。；各级均采用用水量平均数核算，如上图所示。2.448+5.0316=1002.44%2.44%5.03%5.03%9/26/2024240v泵站设计供水流量为泵站设计供水流量为150005.02%1000/3600=209.17L/s；v水塔设计供水流量为水塔设计供水流量为15000*（5.83%-5.02%)*1000/3600=33.75L/s。v计算清水池与水塔容积计算清水池与水塔容积见下页见下页计算泵站和水塔设计供水流量：计算泵站和水塔设计供水流量：9/26/2024241v清水池调节容积为一级泵站供水量与二级泵清水池调节容积为一级泵站供水量与二级泵站供水流量之间的差额总和。站供水流量之间的差额总和。v一级供水平均为一级供水平均为4.17%，二级泵站分为两级供，二级泵站分为两级供水，一级为水，一级为2.44%，持续，持续8小时；一级为小时；一级为5.03%，持续，持续16小时。则调节容积为（小时。则调节容积为（4.17-2.44）*8或或（4.17-5.03）*16=13.84%；v水塔容积为二级泵站供水量和用水曲线之间水塔容积为二级泵站供水量和用水曲线之间的差额，计算每一小时差额。的差额，计算每一小时差额。v计算得总和为计算得总和为4.58%。v即清水池调节容积为即清水池调节容积为13.84*15000=2076m3；水塔调节容积为水塔调节容积为4.58*15000=687m3。9/26/2024242管网系统的设计流量为：管网系统的设计流量为：5.83%150001000/3600=242.92L/s要求确定节点设计流量，首先要确定沿程总流量；由表要求确定节点设计流量，首先要确定沿程总流量；由表6.16已知各节点最高已知各节点最高时集中用水流量之和为：时集中用水流量之和为：101.1L/s则沿程总流量为：则沿程总流量为：242.92-101.1=141.82L/s为计算沿程用水量需要计算比流量，沿线配水长度为：为计算沿程用水量需要计算比流量，沿线配水长度为：3615m由此计算比流量为由此计算比流量为根据此参数计算沿程流量，见下页根据此参数计算沿程流量，见下页(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)1412352678910119/26/2024243沿程配水流量的计算：沿程配水流量的计算：(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)141235267891011水流方向的确定，见图水流方向的确定，见图12345678910111200650385530500315215280220400120各管段配水长度各管段配水长度比流量为比流量为0.03923；则计算得；则计算得管段管段1管段管段2管段管段3管段管段4管段管段5管段管段6管段管段7管段管段8管段管段9管段管段10006500.03923=25.5015.1120.7919.6212.368.4310.988.63管段管段11管段管段1215.694.71核算总流量是否与设计流量核算总流量是否与设计流量相等，否则就计算有误。相等，否则就计算有误。9/26/2024244把沿程出流量均分到管段两端的节点上，与集中用水量一道组成节点总用水量。把沿程出流量均分到管段两端的节点上，与集中用水量一道组成节点总用水量。1234567891011120025.5015.1120.7919.6212.368.4310.988.6315.694.71012.60008.6032.6007.20017.6022.500020.3030.4120.3126.3910.4012.169.809.702.35012.6020.3030.4128.9158.9910.4019.369.8027.3024.85各管段沿程用水量如下表所示各管段沿程用水量如下表所示注：第一行为管段或节点编号；第二行为管段注：第一行为管段或节点编号；第二行为管段沿程用水量；第三行为节点集中用水量；第四沿程用水量；第三行为节点集中用水量；第四行为沿程流量折合节点用水量；第五行为节点行为沿程流量折合节点用水量；第五行为节点设计流量。设计流量。(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)1412352678910119/26/2024245(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)1412352678910111234567891011012.6020.3030.4128.9158.9910.4019.369.8027.3024.85各节点设计流量已知如下表各节点设计流量已知如下表管段管段1、2的设计流量已知，分别为的设计流量已知，分别为209.17、33.75-12.60=21.15；管段；管段12的流量也得知为的流量也得知为24.85。按照规定对管段进行流量初拟。按照规定对管段进行流量初拟。通过通过3节点转输的流量为节点转输的流量为209.17-20.30=188.87，进入管段，进入管段3，4；拟定进入；拟定进入4的的为为100，则进入，则进入3的为的为88.87。通过节点通过节点5转输到转输到5管段的流量为管段的流量为100-24.85-28.91=46.24通过通过4节点向管段节点向管段6、11转输流量为转输流量为88.87+21.15-30.41=79.61；拟定进入；拟定进入6的为的为39.61，则进入，则进入11的为的为40。10管段的为管段的为40-19.36=20.64；9管段的流量为管段的流量为20.64-9.80=10.84通过节点通过节点6转输到转输到7管段的流量为管段的流量为46.24+39.61-58.99=26.86；8管段流量为管段流量为26.86-10.40=16.469/26/2024246123456789101112209.1721.1588.8710046.2439.6126.8616.4610.8420.644024.850.90.60.90.90.80.80.60.60.60.60.70.6385212355376271251239187152209270230400*2200400400300300200200200200300200通过上述流量初拟得出各管段设计流量如下表所示，并根据管段流速计算管径通过上述流量初拟得出各管段设计流量如下表所示，并根据管段流速计算管径(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)141235267891011注：第一行为管段编号；第二行为管段设计注：第一行为管段编号；第二行为管段设计流量；第三行为流速；第四行为计算管径；流量；第三行为流速；第四行为计算管径；第五行为选取管径。第五行为选取管径。管径的选取改变了能量的守恒，所以需要进行管径的选取改变了能量的守恒，所以需要进行平差以使得各环能量为零。下面需要对管网进平差以使得各环能量为零。下面需要对管网进行处理。行处理。9/26/2024247(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)141235267891011首先删除泵站和水塔所在的管段，把流量合并到相连节点上；但在我们已经对于首先删除泵站和水塔所在的管段，把流量合并到相连节点上；但在我们已经对于管段流量进行初分配的基础上不必要进行此项工作，只是删除不在环上的管段就管段流量进行初分配的基础上不必要进行此项工作，只是删除不在环上的管段就可以了；可以了；其次假定控制点，我们根据管网的实际情况假定节点其次假定控制点，我们根据管网的实际情况假定节点(10)为控制点。为控制点。本题存在两个环，对其进行平差。本题存在两个环，对其进行平差。9/26/2024248(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)141235267891011原始数据为下表所示，采用海曾原始数据为下表所示，采用海曾-威廉姆公式计算水头损失威廉姆公式计算水头损失Cw=105管段编号管段编号34567891011管段流量88.8710046.2439.6126.8616.4610.8420.6440管径400400300300200200200200300l650770530500420430590520550S108.59128.64359.43339.092051.92100.72882.42540.4373.0问题：问题：管径长度到底应该采用实际长度还是管径长度到底应该采用实际长度还是配水长度进行平差呢？配水长度进行平差呢？9/26/2024249经过平差计算得出结果如下表所示：经过平差计算得出结果如下表所示：上述数据为经过两次平差之后结果，环上述数据为经过两次平差之后结果，环1闭合差为闭合差为0.017m，环，环2为为0.018m。管段或节管段或节点编号点编号34567891011管段流量管段流量95.693.339.544.625.114.812.622.441.7管径管径400400300300200200200200300流速流速0.760.740.560.630.800.470.400.710.59管段压降管段压降1.411.590.901.072.240.850.872.231.04节点水头节点水头75.4874.0673.8972.9970.7572.1370.7769.90地面标高地面标高41.5052.4042.2045.1044.8048.3046.6045.9043.30自由水压自由水压33.9821.6631.6927.8925.9523.8324.1724.00要求自由要求自由水压水压24.0024.0024.0028.0024.0024.0024.0024.0020.009/26/2024250节点编节点编号号1234567891011节点水节点水头头/74.6875.4874.0673.8972.9970.7572.1370.7769.9071.44地面标地面标高高40.7062.0041.5052.4042.2045.1044.8048.3046.6045.9043.30自由水自由水压压/33.9821.6631.6927.8925.9523.8324.1724.0028.14服务水服务水头头/24.0024.0024.0028.0024.0024.0024.0024.0020.00差额差额/-9.982.342.34-7.690.11-1.950.17-0.170.00-8.14水头调水头调整整38.3077.0277.8276.4076.4076.2375.3373.0974.4673.1172.2473.78自由水自由水压压/36.3224.0024.0034.0330.2328.2926.1626.5131.3430.48寻找控制点由计算结果可知，在本管径条件下节点由计算结果可知，在本管径条件下节点(4)为控制点。为控制点。9/26/2024251接着计算泵站扬程：接着计算泵站扬程：泵站设置在泵站设置在1管段上，需要确定其扬程。管段上，需要确定其扬程。分析：分析：1管段两端的节点水压通过水力核算已经得到；则可根据压差以及管管段两端的节点水压通过水力核算已经得到；则可根据压差以及管段和水泵内阻确定泵站扬程。段和水泵内阻确定泵站扬程。管段管段1沿程阻力为：沿程阻力为：=0.89m水泵内阻计算：水泵内阻计算：水泵吸压水管流速为水泵吸压水管流速为1.2-2m/s，局阻系数可按，局阻系数可按5-8考考虑；可取上限；为虑；可取上限；为1.63m水泵扬程为：水泵扬程为：77.82-38.30+0.89+1.63=42.04m(1)(3)(5)(11)(4)(2)(6)(7)(8)(9)(10)1412352678910119/26/2024252计算水塔水柜底端高度：计算水塔水柜底端高度：已知已知(2)节点所需水头值，也已知地面标高，两者之差即为高度。节点所需水头值，也已知地面标高，两者之差即为高度。H/地面标高地面标高节点水头节点水头在本题中，水塔水柜底端高度为在本题中，水塔水柜底端高度为77.02-62.00=15.02m9/26/2024253上题计算步骤为管网设计总过程；接下来的工作就是进行管网校核：（上题计算步骤为管网设计总过程；接下来的工作就是进行管网校核：（1）消防校）消防校核；（核；（2）最大转输校核；（）最大转输校核；（3）事故校核。）事故校核。（1）消防校核，把消防流量加在控制点上；管段流量改变，以此流量作为计算基）消防校核，把消防流量加在控制点上；管段流量改变，以此流量作为计算基础计算各管段水头损失，得出各节点水头值，看原有水头能否满足要求。础计算各管段水头损失，得出各节点水头值，看原有水头能否满足要求。（2）最大转输校核，把各节点或管段流量均成一个系数比例下降，校核每个管段）最大转输校核，把各节点或管段流量均成一个系数比例下降，校核每个管段的流速，若流速太小可适当增加部分管段流速，以减小管径；再判断水流是否能够的流速，若流速太小可适当增加部分管段流速，以减小管径；再判断水流是否能够进入水塔。进入水塔。（3）事故校核，与上述方法相同。）事故校核，与上述方法相同。9/26/2024254本章重点v设计全过程。设计全过程。v校核。校核。9/26/2024255第七章 给水管网优化设计v1 1优化设计数学模型优化设计数学模型v1.1目标函数目标函数v为何进行给水管网优化设计？为何进行给水管网优化设计？v给水管网投资主要包括的项目？给水管网投资主要包括的项目？v固定资产投资：管网（材料、开挖基坑、敷设人工固定资产投资：管网（材料、开挖基坑、敷设人工费）、泵站（房屋土建、基座、泵、安装、调试）费）、泵站（房屋土建、基座、泵、安装、调试）两大项。两大项。v日常运营：泵站电费日常运营：泵站电费v维护管理：管网维护（检测、更换）、泵站维护维护管理：管网维护（检测、更换）、泵站维护（水泵维修、更换、日常检修）（水泵维修、更换、日常检修）9/26/2024256第七章 给水管网优化设计v根据上述分析，则进行优化设计所采用的目根据上述分析，则进行优化设计所采用的目标函数组成如下：标函数组成如下：v1）管网建设费用投资）管网建设费用投资v2）泵站投资）泵站投资v3）管网折旧与维护费用）管网折旧与维护费用v4）泵站折旧与维护费用（忽略不计）泵站折旧与维护费用（忽略不计）v5）泵站运行电费）泵站运行电费9/26/2024257第七章 给水管网优化设计v为方便计算，我们采用管网年费用折算值进为方便计算，我们采用管网年费用折算值进行核算并作为目标函数。行核算并作为目标函数。v目标函数中主要包括三部分：目标函数中主要包括三部分：管网年费用、管网年费用、管网年折旧与维修费、泵站年运行电费管网年折旧与维修费、泵站年运行电费。vW=C/T+Y1+Y2。vY1表示年折旧与大修费用，表示年折旧与大修费用，Y1=pC/100。vY2表示管网年运行费用，主要为电费。表示管网年运行费用，主要为电费。9/26/2024258第七章 给水管网优化设计v1.2C（管网造价）的计算（管网造价）的计算v管网造价包括管道、泵站、水塔等造价；优化的对象管网造价包括管道、泵站、水塔等造价；优化的对象只有管只有管段造价。段造价。v管网造价主要考虑管道造价；管网造价主要考虑管道造价；v管道造价采用单位长度造价与长度乘积表示。管道造价采用单位长度造价与长度乘积表示。v单位管道长度造价包括单位管道长度造价包括管材、附件与配件材料费、施工费管材、附件与配件材料费、施工费。v把造价折算成为管径的函数。即：把造价折算成为管径的函数。即：9/26/2024259第七章 给水管网优化设计v函数根据函数根据给水排水设计手册给水排水设计手册第第10册中的册中的相关数据进行回归。相关数据进行回归。v关于回归公式中系数可根据数学方法求解。关于回归公式中系数可根据数学方法求解。v下面看一道例题。下面看一道例题。9/26/2024260管径管径0.200.300.400.500.600.700.800.901.001.20铸铁铸铁349.9558.4886.61217.51503.11867.12246.42707.03153.64166.6给水管道单位长度造价（元给水管道单位长度造价（元/m/m）首先根据数据绘图，横坐标为管径，纵坐标为造价。由公式可得出与纵坐标交点即首先根据数据绘图，横坐标为管径，纵坐标为造价。由公式可得出与纵坐标交点即为为a值。值。由图中可得知由图中可得知a=900/8=112.5。9/26/2024261由由得得则则管径管径0.200.300.400.500.600.700.800.901.001.20c349.9558.4886.61217.51503.11867.12246.42707.03153.64166.6c-a237.4445.9774.11105.01390.61754.62133.92594.53041.14054.1a=112.5。以管径为横坐标，以管径为横坐标，c-a为纵坐标利用为纵坐标利用EXCEL作图，得到下页所作图，得到下页所示图象。示图象。9/26/2024262然后以乘幂方式对图像进行回归，得到然后以乘幂方式对图像进行回归，得到b和和值值。9/26/20242639/26/20242649/26/2024265得到得到b和和值；即值；即c=112.5+3086.8D1.5742。9/26/2024266第七章 给水管网优化设计v我们可采用上述方法进行求解。我们可采用上述方法进行求解。v问题：问题：v由表中可看出，给定造价已经涵盖了所有管由表中可看出，给定造价已经涵盖了所有管径（市售），为何还要求解方程？径（市售），为何还要求解方程？9/26/2024267第七章 给水管网优化设计v1.3Y2的计算的计算v泵站年运行费用包括管网中各泵站年运行费用之和，泵站年运行费用包括管网中各泵站年运行费用之和，指的是全年各小时用电费用的叠加。指的是全年各小时用电费用的叠加。令令则则9/26/2024268P叫做泵站综合经济指标；叫做泵站综合经济指标；叫做泵站电费变化系数，平均时电费与最大时电叫做泵站电费变化系数，平均时电费与最大时电费的比值，显然费的比值，显然1。若全年电价不变，则若全年电价不变，则由由得得被叫做泵站能量系数被叫做泵站能量系数若再忽略泵站综合效率全年变化，则若再忽略泵站综合效率全年变化，则9/26/2024269v能量变化系数可根据能量变化系数可根据泵站扬水量和扬程的变化曲线泵站扬水量和扬程的变化曲线进行计进行计算。算。v假定：假定：泵站扬水量与管网用水量同比变化；管网用水量在泵站扬水量与管网用水量同比变化；管网用水量在一定范围内变化，且在一年中各种用水量出现几率相同。一定范围内变化，且在一年中各种用水量出现几率相同。则则v1）泵站扬水至近处水塔或高位水池，扬程保持不变，全部泵站扬水至近处水塔或高位水池，扬程保持不变，全部扬程为静扬程，则：扬程为静扬程，则：v2）若全部扬程用来克服水头损失，即全部为动扬程，则：）若全部扬程用来克服水头损失，即全部为动扬程，则：9/26/2024270v实际情况下，泵站提供动扬程与静扬程，采实际情况下，泵站提供动扬程与静扬程，采用加权平均计算能量系数，用加权平均计算能量系数，问题：问题：泵站能量变化系数和实际运行时的电耗有何联系？泵站能量变化系数和实际运行时的电耗有何联系？能量变化系数的大小能够说明何问题？能量变化系数的大小能够说明何问题？9/26/2024271第七章 给水管网优化设计v1.4给水管网设计优化数学模型给水管网设计优化数学模型9/26/2024272第七章 给水管网优化设计v1.5约束条件约束条件v水力约束水力约束：流量连续性以及恒定流方程。：流量连续性以及恒定流方程。v节点水头约束节点水头约束：最小允许水头与最大允许水：最小允许水头与最大允许水头之间。头之间。v供水可靠性以及设计流量供水可靠性以及设计流量非负非负约束。约束。v非负约束非负约束：管径与泵站扬程。：管径与泵站扬程。9/26/20242737.2 环状网管段设计流量分配的近似优化7.2.1管段设计流量分配优化数学模型管段设计流量分配优化数学模型模型求解一般分为两步近似计算：模型求解一般分为两步近似计算：一一设计流量优化设计流量优化二二完成管径、压力等的优化完成管径、压力等的优化流量优化只针对环状管网而言，对于树状网不存在优流量优化只针对环状管网而言，对于树状网不存在优化问题。化问题。环状网设计流量优化涉及到两方面的问题：环状网设计流量优化涉及到两方面的问题：一一多水源供水方案各水源设计流量分配的优化多水源供水方案各水源设计流量分配的优化二二管段设计流量分配的优化管段设计流量分配的优化9/26/2024274经济性模型v定性的认为输水费用随着管段流量和长度的增加而定性的认为输水费用随着管段流量和长度的增加而加大，为减少输水费用采用如下模型加大，为减少输水费用采用如下模型v该模型的控制条件为该模型的控制条件为流量连续性方程流量连续性方程。v采用数学方法求解，该模型的最优解为采用数学方法求解，该模型的最优解为树状网树状网；这；这说明采用该模型进行计算采用较少管段进行水量输说明采用该模型进行计算采用较少管段进行水量输送比分散开采用更多管段输送更经济。送比分散开采用更多管段输送更经济。9/26/2024275说明v树状网供水可靠性差，此解工程意义不大。树状网供水可靠性差，此解工程意义不大。v提高供水可靠性，必须采用提高供水可靠性，必须采用环状网环状网。v为减小流量的集中效应，必须增加经济性模为减小流量的集中效应，必须增加经济性模型中的指数型中的指数1 1的值；当的值；当1 1大于大于1 1时，模型解时，模型解为环状网。为环状网。v删除管长因素以提高供水安全性。删除管长因素以提高供水安全性。9/26/2024276安全性模型v为提高供水可靠性，采用下述目标函数为提高供水可靠性，采用下述目标函数v该模型的控制条件也为该模型的控制条件也为流量连续性方程流量连续性方程。v联立可求解，该模型的最优解为联立可求解，该模型的最优解为环状网环状网；2值越大，值越大，流量分配均匀性越高；但计算实践表明，其值大于流量分配均匀性越高；但计算实践表明，其值大于2以后，均匀性增加程度不大，一般取以后，均匀性增加程度不大，一般取2。9/26/2024277说明v为达到输水经济性和供水可靠性，分别求解为达到输水经济性和供水可靠性，分别求解两个模型，得出设计最优解。两个模型，得出设计最优解。v本方法存在缺点为本方法存在缺点为工作量相当大工作量相当大。v为提高工作效率，直接合并两个模型进行管为提高工作效率，直接合并两个模型进行管网管段设计流量的优化设计。网管段设计流量的优化设计。9/26/2024278经济安全性模型v合并经济性模型和安全性模型得到经济安全性模合并经济性模型和安全性模型得到经济安全性模型如下型如下9/26/2024279说明v本模型通过定性分析得到，目标函数本模型通过定性分析得到，目标函数Wq没有没有明确的物理意义。明确的物理意义。v本模型综合考虑经济性与安全性，可作为优本模型综合考虑经济性与安全性，可作为优化方案实施。化方案实施。v本模型大幅度降低工作量。本模型大幅度降低工作量。v根据模型求解具有工程实用性。根据模型求解具有工程实用性。9/26/2024280v定性的说明当流量指数定性的说明当流量指数大于大于1 1时，模型为凸规划问时，模型为凸规划问题，即目标函数的极值为最小值。题，即目标函数的极值为最小值。v模型的约束条件为节点流量连续性方程，单个管段模型的约束条件为节点流量连续性方程，单个管段流量不能作为模型自由变量；但流量不能作为模型自由变量；但环流量环流量可作为自由可作为自由变量。变量。v任意施加环流量不会改变节点流量连续性；但任意任意施加环流量不会改变节点流量连续性；但任意施加环流量可改变模型的函数值。施加环流量可改变模型的函数值。v需要找出一种方法通过施加环流量使得目标函数值需要找出一种方法通过施加环流量使得目标函数值减小的方法。减小的方法。7.2.1管段设计流量分配近似优化计算管段设计流量分配近似优化计算9/26/2024281平差方法v我们取出管网中一个已经平差结束满足流量我们取出管网中一个已经平差结束满足流量与能量连续性方程的环进行分析。与能量连续性方程的环进行分析。q1l1q2l2q4l4q3l3qk9/26/2024282由于管网中的每一个节点在进行优化之前已经满足质量守恒，所以可以认由于管网中的每一个节点在进行优化之前已经满足质量守恒，所以可以认为每一个环的形状是固定的。如下图所示为每一个环的形状是固定的。如下图所示q4q1q2q3llqq4q1q2q3llq当施加的微小环流量为正值时当施加的微小环流量为正值时当施加的微小环流量为负值时当施加的微小环流量为负值时这也说明施加环流量不会改变节点流量连续性，而只会改变目标函数值。这也说明施加环流量不会改变节点流量连续性，而只会改变目标函数值。9/26/2024283v由上述分析可知，当采用下式计算的环流量为目标函数极由上述分析可知，当采用下式计算的环流量为目标函数极小值所在点。小值所在点。v对于目标函数求偏导数得对于目标函数求偏导数得v在各管段初分流量在各管段初分流量qi(0)处采用泰勒公式展开并处采用泰勒公式展开并舍却舍却非线性项非线性项，经整理变换得到平差公式如下：，经整理变换得到平差公式如下：9/26/2024284v把此式推广到管网中任意环，得把此式推广到管网中任意环，得v上式即为管段设计流量的优化公式。上式即为管段设计流量的优化公式。9/26/2024285管段设计流量的优化公式评价v1推导依据为任意推导依据为任意施加环流量不会改变施加环流量不会改变管网系统中每一环的流量连续性。管网系统中每一环的流量连续性。v2推导过程采用泰勒公式展开并且在最终结果中推导过程采用泰勒公式展开并且在最终结果中舍却非线性项舍却非线性项而使得公而使得公式简化。式简化。v3因为非线性项的舍却，使得因为非线性项的舍却，使得不能通过一次计算得到极值点不能通过一次计算得到极值点；必须反复；必须反复迭代计算，迭代公式为迭代计算，迭代公式为v4经过反复计算，直到施加的环流量的绝对值小于允许误差为止。优化经过反复计算，直到施加的环流量的绝对值小于允许误差为止。优化误差手工计算时一般取为误差手工计算时一般取为0.1L/s；计算机计算时一般采用；计算机计算时一般采用0.01L/s。v5平差过程与管网设计时相同，但平差目的不同；其并非平衡水头闭合平差过程与管网设计时相同，但平差目的不同；其并非平衡水头闭合差，也非流量闭合差，而是平衡优化目标函数导数闭合差。差，也非流量闭合差，而是平衡优化目标函数导数闭合差。9/26/2024286本节重点v1管段设计流量优化经济性模型。管段设计流量优化经济性模型。v2管段设计流量优化安全性模型。管段设计流量优化安全性模型。v3管段设计流量优化经济安全性模型（目标管段设计流量优化经济安全性模型（目标函数）。函数）。v4目标函数平差公式的推导过程。目标函数平差公式的推导过程。v5目标函数平差公式的工程应用。目标函数平差公式的工程应用。9/26/2024287问题问题v1为何不考虑供水可靠性，任何管网优化的结果都为何不考虑供水可靠性，任何管网优化的结果都将是树状网？将是树状网？v2当只采用供水安全性优化模型进行分析时，管网当只采用供水安全性优化模型进行分析时，管网设计的结果将是什么？设计的结果将是什么？v3直接合并经济性模型和安全性模型作为目标函数直接合并经济性模型和安全性模型作为目标函数进行管网优化设计将会产生何影响？进行管网优化设计将会产生何影响？v4为何在目标函数求极值时只有环流量成为唯一自为何在目标函数求极值时只有环流量成为唯一自由变量？由变量？v5目标函数的优化过程（平差过程）与管网设计的目标函数的优化过程（平差过程）与管网设计的平差过程有何异同。平差过程有何异同。9/26/2024288例题（P156）v管网各管段初分流量已知，我们可以认为管管网各管段初分流量已知，我们可以认为管网管段流量已经满足流量与能量的连续性。网管段流量已经满足流量与能量的连续性。v可采取三个优化模型分别对管网进行优化，可采取三个优化模型分别对管网进行优化，对比结果。对比结果。v只是一种带入公式计算的过程。只是一种带入公式计算的过程。9/26/2024289教材例题直接根据初分配流量进行流量优化，优化的结果使得目标函数取值最小；教材例题直接根据初分配流量进行流量优化，优化的结果使得目标函数取值最小；但是此值没有直接的物理意义；只说明在保证供水可靠性和供水经济性的前提下但是此值没有直接的物理意义；只说明在保证供水可靠性和供水经济性的前提下的设计流量的优化结果。此值是否具有工程实用性？的设计流量的优化结果。此值是否具有工程实用性？在结果中可以看出，所得的数值只为流量的分配方案；那么，管径如何确定在结果中可以看出，所得的数值只为流量的分配方案；那么，管径如何确定呢？可根据流量、经济流速来选取管径，但每一个环是否又肯定满足环能呢？可根据流量、经济流速来选取管径，但每一个环是否又肯定满足环能量为零呢？量为零呢？若答案是未必保证的话，我们进行设计流量的近似分配优化又有何意义呢？若答案是未必保证的话，我们进行设计流量的近似分配优化又有何意义呢？前面已经讲到，从前几章所论述的管网平差的内容来看，主要在于管网需要满足前面已经讲到，从前几章所论述的管网平差的内容来看，主要在于管网需要满足节点流量连续性方程和环能量为零的条件。在这一节的讲述中可以得到，最优化节点流量连续性方程和环能量为零的条件。在这一节的讲述中可以得到，最优化的结果是满足节点流量连续性方程的，而未必满足环能量为零。原因在于管段管的结果是满足节点流量连续性方程的，而未必满足环能量为零。原因在于管段管径没有求解方法，我们不知道各环是否真正能够在此分配流量下满足能量为零。径没有求解方法，我们不知道各环是否真正能够在此分配流量下满足能量为零。从这个分析结果来看，进行管段设计流量的近似优化计算从这个分析结果来看，进行管段设计流量的近似优化计算有何实际意义呢有何实际意义呢？9/26/2024290现在对于本章可以如此理解，优化设计必须和前面的内容合二为一才能进行。现在对于本章可以如此理解，优化设计必须和前面的内容合二为一才能进行。在某城市管网已经根据城市规划和地形定线以后，再根据人在某城市管网已经根据城市规划和地形定线以后，再根据人口与工业等确定了口与工业等确定了总用水量总用水量；根据相应的处理得到了管网系统；根据相应的处理得到了管网系统中各个节点的用水量；在第六章的讲述中我们需要中各个节点的用水量；在第六章的讲述中我们需要通过若干原通过若干原则考虑对于各个管段的管段流量，有何依据呢？是否是最优化则考虑对于各个管段的管段流量，有何依据呢？是否是最优化配水方案，我们通过初分配不能够确定。配水方案，我们通过初分配不能够确定。那就需要做下面的工那就需要做下面的工作，进行作，进行流量优化流量优化；即采用现在所学的知识来对管段流量进行；即采用现在所学的知识来对管段流量进行优化配置。优化配置。通过模型的求解得出了管段流量通过模型的求解得出了管段流量，然后根据流速求，然后根据流速求解管径。管径确定后，解管径。管径确定后，然后进行管网平差然后进行管网平差，使各环满足环能量，使各环满足环能量为零。这样得出的流量肯定与优化流量有些出入，但此优化配为零。这样得出的流量肯定与优化流量有些出入，但此优化配置方案至少考虑了输水安全性与经济性，而非当初只考虑技术置方案至少考虑了输水安全性与经济性，而非当初只考虑技术性。性。下面通过一道题目来讲述最新的设计方法。下面通过一道题目来讲述最新的设计方法。9/26/2024291以教材以教材156页的例页的例7.3为例进行讲解为例进行讲解说明：本题要求进行管段设计流量近似优化计算，但此并非管网设计最终目标；最说明：本题要求进行管段设计流量近似优化计算，但此并非管网设计最终目标；最终的设计成果为确定管段流量、管径、管段水头损失、节点水头、泵站扬程、水塔终的设计成果为确定管段流量、管径、管段水头损失、节点水头、泵站扬程、水塔高度等等。本题目只是设计的很小的一个步骤。高度等等。本题目只是设计的很小的一个步骤。分析：本题目已经给定各节点用水量，并对各管段流量进行了初分配。按照当初分析：本题目已经给定各节点用水量，并对各管段流量进行了初分配。按照当初在第五章中所学的知识，我们可直接进行管网平差得出所需要的参数即可。但现在第五章中所学的知识，我们可直接进行管网平差得出所需要的参数即可。但现在要求在设计中考虑供水可靠性以及经济性，如何处理？在要求在设计中考虑供水可靠性以及经济性，如何处理？这就必须采用管段流量优化分配数学模型对初拟管段流量进行优化设计，这就必须采用管段流量优化分配数学模型对初拟管段流量进行优化设计，然后才能进行管网平差！然后才能进行管网平差！所以现在的工作是前续工作的组合，需要两种计算过程（平差过程）即所以现在的工作是前续工作的组合，需要两种计算过程（平差过程）即优化平差和管网环能量平差。优化平差和管网环能量平差。解题过程：首先根据质量守恒对于各管段流量进行初拟分配，把初分配流量代入优化解题过程：首先根据质量守恒对于各管段流量进行初拟分配，把初分配流量代入优化模型求解管段优化流量；然后以管段优化流量作为管网平差的初分配流量进行计算，模型求解管段优化流量；然后以管段优化流量作为管网平差的初分配流量进行计算，最终得到的流量才是管段设计流量。最终得到的流量才是管段设计流量。由本题所得的衍生题目如下一一讲解：由本题所得的衍生题目如下一一讲解：9/26/2024292题目一：根据初分流量对于管网进行平差（不考虑安全性、经济性）题目一：根据初分流量对于管网进行平差（不考虑安全性、经济性）本题目相当于第五章所计算过的题目。本题目相当于第五章所计算过的题目。1234567891011121203311242.88.624.7156015.36.421.711.21.00.71.00.70.60.70.70.90.70.60.70.7391245378279135212165291167117199143400250400300150200150300150100200150首先选取各管段经济流速，计算管径。见下表。首先选取各管段经济流速，计算管径。见下表。注：第一行为管段编号；第二行为管段设计流量；第三行为流速；第四行为计算注：第一行为管段编号；第二行为管段设计流量；第三行为流速；第四行为计算管径；第五行为选取管径。管径；第五行为选取管径。采用哈代采用哈代-克罗斯法进行管网平差，水头损失采用海曾克罗斯法进行管网平差，水头损失采用海曾-威廉姆公式进行计算。威廉姆公式进行计算。平差结果见下页。（平差结果见下页。（Cw=110，允许闭合差为，允许闭合差为0.1m）9/26/2024293管段或节点编号管段或节点编号管径管径管长管长s流量流量原流量原流量管段压管段压降降1400770118.02128.81202250500755.9734.933340048073.57103.21124300630391.9849.742.8515091016557.0210.58.662008203675.3921.724.7715075013645.8911.615.08300730454.2065.860.0915069012554.2211.015.31010056073399.524.96.4112005402420.3827.521.71215079014373.6812.711.2经过四次平差之后结果为环经过四次平差之后结果为环1=0.018；环；环2=0.014；环；环3=-0.050；环；环4=0.019。9/26/2024294题目二：只考虑安全性、经济性（教材）题目二：只考虑安全性、经济性（教材）管段或节点编号管段或节点编号管径管径管长管长s流量（管网平流量（管网平差）差）原流量原流量优化结果优化结果1/770/128.8120109.722/500/34.93336.743/480/103.2112122.284/630/49.742.828.785/910/10.58.612.346/820/21.724.740.787/750/11.615.015.328/730/65.860.054.209/690/11.015.317.0410/560/4.96.410.4611/540/27.521.715.9012/790/12.711.27.149/26/2024295题目三：考虑安全性、经济性与技术性指标题目三：考虑安全性、经济性与技术性指标第一步第一步求得优化流量，如教材所示结果，依此为依据计算管径。求得优化流量，如教材所示结果，依此为依据计算管径。123456789101112109.7236.74122.2828.7812.3440.7815.3254.2017.0410.4615.907.141.00.71.00.70.60.70.70.90.70.60.70.7374259395247162272167277176149170114400250400250150300150300150150200150首先选取各管段经济流速，计算管径。见下表。首先选取各管段经济流速，计算管径。见下表。注：第一行为管段编号；第二行为管段设计流量；第三行为流速；第四行为计算注：第一行为管段编号；第二行为管段设计流量；第三行为流速；第四行为计算管径；第五行为选取管径。管径；第五行为选取管径。采用哈代采用哈代-克罗斯法进行管网平差，水头损失采用海曾克罗斯法进行管网平差，水头损失采用海曾-威廉姆公式进行计算。威廉姆公式进行计算。平差结果见下页。（平差结果见下页。（Cw=110，允许闭合差为，允许闭合差为0.1m）9/26/2024296题目一与题目三所取管径和计算管径对比题目一与题目三所取管径和计算管径对比1234567891011121203311242.88.624.7156015.36.421.711.21.00.71.00.70.60.70.70.90.70.60.70.7391245378279135212165291167117199143400250400300150200150300150100200150109.7236.74122.2828.7812.3440.7815.3254.2017.0410.4615.907.141.00.71.00.70.60.70.70.90.70.60.70.7374259395247162272167277176149170114400250400250150300150300150150200150注：第一行为管段编号；第二、六行为管段设计流量；第三、七行为流速；第四、注：第一行为管段编号；第二、六行为管段设计流量；第三、七行为流速；第四、八行为计算管径；第五、九行为选取管径。八行为计算管径；第五、九行为选取管径。9/26/2024297第二步第二步管网平差管网平差管段或节管段或节点编号点编号管径管径管长管长s初分流量初分流量管段压降管段压降环闭合环闭合差差1400770118.02109.721.970.44062250500755.9736.741.66-0.7825340048073.57122.281.504.83884250630952.5328.781.33-0.0491515091016557.0212.344.836300820510.2040.781.36715075013645.8915.325.948300730454.2054.202.05915069012554.2217.046.661015056010188.9310.462.19112005402420.3816.901.131215079014373.687.141.529/26/2024298上述结果说明，满足了优化水量要求不一定满足环能量为零的条件；需要进行管网平上述结果说明，满足了优化水量要求不一定满足环能量为零的条件；需要进行管网平差。差。管段或节点编号管段或节点编号管径管径管长管长s流量流量原流量原流量单纯平差流量单纯平差流量1400770118.02109.94109.72128.82250500755.9736.1936.7434.9340048073.57122.06122.28103.24300630952.5329.5528.7849.7515091016557.0211.7912.3410.56200820510.2048.5840.7821.7715075013645.8913.3815.3211.68300730454.2062.2254.2065.8915069012554.2211.5017.0411.01010056010188.937.9810.464.9112005402420.3823.9216.9027.51215079014373.689.627.1412.7经过经过七七次平差之后结果为环次平差之后结果为环1=-0.002；环；环2=0.033；环；环3=0.042；环；环4=0.088。9/26/2024299导学基础v1明白我们进行优化的对象。明白我们进行优化的对象。v2明白我们进行优化的目的。明白我们进行优化的目的。v3充分理解优化手段。充分理解优化手段。v4判断进行管段设计流量优化的结果。判断进行管段设计流量优化的结果。9/26/2024300第七章 给水管网优化设计v如前所述，我们对于已经对管网系统的各管如前所述，我们对于已经对管网系统的各管段在段在流量未知流量未知的情况下进行了优化；在这种的情况下进行了优化；在这种情况下管段流量已经成为了已知量。情况下管段流量已经成为了已知量。v在在流量已知流量已知的情况下，管网要做的工作是需的情况下，管网要做的工作是需要计算要计算管径、各管段是否需要提升泵站、节管径、各管段是否需要提升泵站、节点水头点水头；这些工作就是我们本节应该学习的；这些工作就是我们本节应该学习的内容。内容。v下面要学习的内容与上节内容相衔接。下面要学习的内容与上节内容相衔接。9/26/2024301第七章 给水管网优化设计v3.流量已定时的管网优化数学模型流量已定时的管网优化数学模型v由于管段或各水源流量已经确定，故各管段由于管段或各水源流量已经确定，故各管段管径成为优化主要控制目标。管径是否优化管径成为优化主要控制目标。管径是否优化决定着管网中二级泵站的扬程，也即决定管决定着管网中二级泵站的扬程，也即决定管网运行时的供水成本。网运行时的供水成本。v考虑到这些因素，管径是主要的优化控制目考虑到这些因素，管径是主要的优化控制目标。标。9/26/2024302此时，可以采用下述的数学模型进行优化控制。此时，可以采用下述的数学模型进行优化控制。在目标函数中，存在管径、泵站扬程和节点水头三类未知参数。但管径可以参用泵在目标函数中，存在管径、泵站扬程和节点水头三类未知参数。但管径可以参用泵站扬程和节点水头来表示；故目标函数转化为泵站扬程和节点水头的函数。站扬程和节点水头来表示；故目标函数转化为泵站扬程和节点水头的函数。数学方法证明当以泵站扬程和节点水头作为未知参数时，目标函数存在极小值。数学方法证明当以泵站扬程和节点水头作为未知参数时，目标函数存在极小值。这也说明求解目标函数的极值可以得到管网系统的最优化组合。这也说明求解目标函数的极值可以得到管网系统的最优化组合。所以对于管网系统我们可以通过两种情况求其优化解：一为管网中不设置泵站所以对于管网系统我们可以通过两种情况求其优化解：一为管网中不设置泵站的情况；另一为管网中设置泵站的情况，求解泵站的优化扬程。的情况；另一为管网中设置泵站的情况，求解泵站的优化扬程。9/26/2024303第七章 给水管网优化设计v3.1不设泵站时管网节点水头优化不设泵站时管网节点水头优化v当管网中不设置泵站时，输水能量来源为管网起端当管网中不设置泵站时，输水能量来源为管网起端设置的二级提升泵站。节点的水头大小决定管径，设置的二级提升泵站。节点的水头大小决定管径，同时也决定二级泵站的扬程；即节点水头大小直接同时也决定二级泵站的扬程；即节点水头大小直接决定管网年费用折算值的大小。决定管网年费用折算值的大小。v取出管网中的任意节点取出管网中的任意节点j，假定其它节点水头暂时不，假定其它节点水头暂时不变；则管网年费用折算值只随此节点水头的变化而变；则管网年费用折算值只随此节点水头的变化而变化。我们利用管网年费用折算值对此节点的水头变化。我们利用管网年费用折算值对此节点的水头计算导数（即偏导概念）。计算导数（即偏导概念）。9/26/2024304得到得到又由于管段上不设置泵站，则又由于管段上不设置泵站，则即即把数值代入得到把数值代入得到定义定义又得到又得到或或即节点虚流量也满足质量守恒；还可以得到节点虚流量以流入为负，流出为正。即节点虚流量也满足质量守恒；还可以得到节点虚流量以流入为负，流出为正。9/26/2024305计算管段虚流量，如下式所示计算管段虚流量，如下式所示把把代入代入令令则则9/26/2024306对于节点虚流量进行分析对于节点虚流量进行分析对于管网起端节点，只有管段流量流出而无管段流量流入，节点虚流量只能流入节对于管网起端节点，只有管段流量流出而无管段流量流入，节点虚流量只能流入节点，恒为负值。这说明：该节点水头越高，管网年费用折算值越小，此节点应该取点，恒为负值。这说明：该节点水头越高，管网年费用折算值越小，此节点应该取最大允许水头。最大允许水头。对于管网末端节点，只有管段流量流入而无管段流量流出，节点虚流量只能流出节对于管网末端节点，只有管段流量流入而无管段流量流出，节点虚流量只能流出节点，恒为正值。这说明：该节点水头越低，管网年费用折算值越小，此节点应该取点，恒为正值。这说明：该节点水头越低，管网年费用折算值越小，此节点应该取最小允许水头。最小允许水头。对于管网中间节点，既有管段流量流入也有管段流量流出，节点虚流量可能为正值对于管网中间节点，既有管段流量流入也有管段流量流出，节点虚流量可能为正值也可能为负值；要分为三种情况进行分析。也可能为负值；要分为三种情况进行分析。一为节点水头在一为节点水头在Hminj,Hmaxj，节点虚流量为负值，节点水头应该取最大允许水头，节点虚流量为负值，节点水头应该取最大允许水头二为节点水头在二为节点水头在Hminj,Hmaxj，节点虚流量为正值，节点水头应该取最小允许水头，节点虚流量为正值，节点水头应该取最小允许水头一为节点水头在一为节点水头在Hminj,Hmaxj，节点虚流量既有正值，也有负值，节点水头应该取，节点虚流量既有正值，也有负值，节点水头应该取使得节点虚流量为零的对应水头。使得节点虚流量为零的对应水头。9/26/2024307上述分析表明，最优化节点水头位于上述分析表明，最优化节点水头位于Hminj,Hmaxj，并且能够使得节点虚流量绝对，并且能够使得节点虚流量绝对值取得最小值，可采用下式表示：值取得最小值，可采用下式表示：j=1，2，N若节点虚流量位于若节点虚流量位于Hminj,Hmaxj内，我们需要进行平差；平差方法同前，首先拟定内，我们需要进行平差；平差方法同前，首先拟定节点水头初值节点水头初值Hj(0)，在该点采用泰勒公式展开，只保留线性项。，在该点采用泰勒公式展开，只保留线性项。令上式为零，得到令上式为零，得到9/26/2024308综合考虑节点水头的约束条件，则节点水头施加增量应该为：综合考虑节点水头的约束条件，则节点水头施加增量应该为：j=1，2，N对于管网各节点反复进行平差计算水头增量，管网年折算费用不断减少；直到各节对于管网各节点反复进行平差计算水头增量，管网年折算费用不断减少；直到各节点基本满足下述优化条件：点基本满足下述优化条件：j=1，2，N考虑到收敛精度，最优化条件应写为：考虑到收敛精度，最优化条件应写为：j=1，2，N9/26/2024309第七章 给水管网优化设计v3.2设置泵站时管网节点水头优化设置泵站时管网节点水头优化v当管网中下游节点水头大于上游节点水头时管段中必须设置当管网中下游节点水头大于上游节点水头时管段中必须设置泵站。泵站。v当下游节点水头低于上游节点水头时存在两种情况：一为管当下游节点水头低于上游节点水头时存在两种情况：一为管段水头损失正好等于管段压降，不需设置泵站；二为管段压段水头损失正好等于管段压降，不需设置泵站；二为管段压降小于管段水头损失时也必须设置泵站。降小于管段水头损失时也必须设置泵站。v当已经确认管段需要设置泵站时，需要对泵站扬程以及管径当已经确认管段需要设置泵站时，需要对泵站扬程以及管径进行优化；当不能确认是否需要设置泵站时，需要根据数学进行优化；当不能确认是否需要设置泵站时，需要根据数学方法判断是否需要。方法判断是否需要。v上述两个问题可以合二为一的考虑：即假定每条可能设置泵上述两个问题可以合二为一的考虑：即假定每条可能设置泵站的管段上面均设置泵站，扬程为站的管段上面均设置泵站，扬程为hpi；优化结果当；优化结果当hpi0说说明应该设置，若明应该设置，若hpi=0，说明不需设置。，说明不需设置。v问题：若问题：若hpihi时，时，hpi0，则管段上必须设置泵站，且泵站的扬程为：，则管段上必须设置泵站，且泵站的扬程为：把把代入代入得得不设置泵站不设置泵站设置泵站设置泵站由于由于得得不设置泵站不设置泵站设置泵站设置泵站定义管段的临界虚流量定义管段的临界虚流量代入代入得临界管径得临界管径当选取的管径大于临界管径时应该设置泵站。当选取的管径大于临界管径时应该设置泵站。9/26/2024312不设置泵站不设置泵站设置泵站设置泵站上式表明当管段设置泵站时，管段虚流量为常数。上式表明当管段设置泵站时，管段虚流量为常数。根据上述分析得到下述节点优化算法：根据上述分析得到下述节点优化算法：9/26/2024313一一.计算各管段虚阻系数和临界压降。计算各管段虚阻系数和临界压降。二二.拟定各节点水头。起端为最大允许水头；终端为最小允许水头。拟定各节点水头。起端为最大允许水头；终端为最小允许水头。三三.采用下式判断各管段是否需要设置泵站。采用下式判断各管段是否需要设置泵站。不设置泵站不设置泵站设置泵站设置泵站四四.采用下式计算各管段虚流量。采用下式计算各管段虚流量。不设置泵站不设置泵站设置泵站设置泵站五根据质量守恒计算各节点虚流量。五根据质量守恒计算各节点虚流量。六六.根据下述式子判断是否满足优化条件；否则计算水头增量；调整后继续计算。根据下述式子判断是否满足优化条件；否则计算水头增量；调整后继续计算。j=1，2，N七七.满足后计算管段最优管径和泵站最优扬程。满足后计算管段最优管径和泵站最优扬程。9/26/2024314第七章 给水管网优化设计v几点讨论几点讨论v1）整个管网所有节点虚流量之和为）整个管网所有节点虚流量之和为0。v2）上控制点：节点虚流量小于）上控制点：节点虚流量小于0且节点水头取允许且节点水头取允许上限值时的点。由上述讨论可知，当上控制点节点上限值时的点。由上述讨论可知，当上控制点节点水头越高，则管网年费用折算值越低。但无限度的水头越高，则管网年费用折算值越低。但无限度的提高水头在经济上未必合理，一般取技术允许值。提高水头在经济上未必合理，一般取技术允许值。v3）下控制点：节点虚流量大于）下控制点：节点虚流量大于0且节点水头取允许且节点水头取允许下限值时的点。下控制点节点水头越低则管网年折下限值时的点。下控制点节点水头越低则管网年折算费用越小，但其存在下限约束不能再小了。算费用越小，但其存在下限约束不能再小了。9/26/2024315第七章 给水管网优化设计v4输水管线优化设计计算输水管线优化设计计算v4.1压力输水管压力输水管v输水管线由多条管段串联，中间无分支但允输水管线由多条管段串联，中间无分支但允许出流。许出流。v假定输水管线由假定输水管线由N个节点组成，故存在个节点组成，故存在N-1个个管段，泵站设置在第一个管段上。管段，泵站设置在第一个管段上。v具体如下图所示。具体如下图所示。9/26/2024316(1)(2)(3)(N-1)(N)12N-1q1q2qN-1QQ1Q2Q3QN-1QN上节已经证明，存在泵站的管段虚流量为上节已经证明，存在泵站的管段虚流量为PQ；由于中间节点的虚流量质量守恒，；由于中间节点的虚流量质量守恒，故各管段虚流量相等。故各管段虚流量相等。故各管段虚流量均为故各管段虚流量均为PQ。根据公式可得各管段管径为根据公式可得各管段管径为9/26/2024317第七章 给水管网优化设计v4.2重力输水管重力输水管v重力输水管线的输水动力来源为起点和终点重力输水管线的输水动力来源为起点和终点的水头差。的水头差。v重力输水管线的各管段虚流量也相等。重力输水管线的各管段虚流量也相等。v可根据水头损失来计算各管段虚流量可根据水头损失来计算各管段虚流量v具体分析方法如下。具体分析方法如下。9/26/2024318(1)(2)(3)(N-1)(N)12N-1q1q2qN-1QQ1Q2Q3QN-1QNH1H2根据上述分析，各管段水头损失之和应该与起点和终点的压差相等；则根据上述分析，各管段水头损失之和应该与起点和终点的压差相等；则根据公式可得各管段管径为根据公式可得各管段管径为9/26/2024319第七章 给水管网优化设计v5近似优化计算近似优化计算v5.1管段设计流量的近似优化分配管段设计流量的近似优化分配v1）多条平行主干管，设计流量相差不要太大，）多条平行主干管，设计流量相差不要太大，事故时互为备用；事故时互为备用；v2）保证与主干管垂直的连通管上存在一定流）保证与主干管垂直的连通管上存在一定流量，但也不能过大；量，但也不能过大；v3）避免不合理管段水流流向。）避免不合理管段水流流向。9/26/2024320第七章 给水管网优化设计v5.2管段虚流量的近似优化分配管段虚流量的近似优化分配v管段流量确定，管径依旧很难确定；但根据管段流量确定，管径依旧很难确定；但根据管段虚流量能够确定其管径。管段虚流量能够确定其管径。v1）确定需要设置泵站的管段，确定虚流量；）确定需要设置泵站的管段，确定虚流量；v2）与水塔相连的输水管，虚流量为）与水塔相连的输水管，虚流量为Piqi，去，去中中Pi取各泵站最大值；取各泵站最大值；v3）虚流量的分配比例可按照管段设计流量。）虚流量的分配比例可按照管段设计流量。9/26/2024321第七章 给水管网优化设计v5.3管径的标准化管径的标准化v通过上述计算得到的管径必须满足市售管径规格。通过上述计算得到的管径必须满足市售管径规格。选择时只能选择上一档或下一档，但应该选择哪个选择时只能选择上一档或下一档，但应该选择哪个数值，需要进行计算。数值，需要进行计算。v为确定模型进行下述两个假定：为确定模型进行下述两个假定：v1）假定各管段均设置泵站，管径变化引起的能量变）假定各管段均设置泵站，管径变化引起的能量变化由该泵站补偿；两端水头不变；化由该泵站补偿；两端水头不变；v2）假定管段泵站的设置引起的折算费用值的变化由）假定管段泵站的设置引起的折算费用值的变化由实际泵站来补偿。（实际泵站来补偿。（本句话的理解？本句话的理解？）9/26/2024322由上述假定可知：由上述假定可知：设最优管径设最优管径Di位于标准管径（位于标准管径（DI，D2）之间，若采用标准管径）之间，若采用标准管径DI， 管网年费用折管网年费用折算值改变量为算值改变量为若采用标准管径若采用标准管径D2， 管网年费用折算值改变量为管网年费用折算值改变量为若若可任选可任选D1或或D2 管，此时为分界线记为界线管径管，此时为分界线记为界线管径D*，可解得，可解得由此式可计算界限管径由此式可计算界限管径D*9/26/2024323给水管网系统工程设计步骤v1流量初分配；流量初分配；v2.流量未知时的流量优化；流量未知时的流量优化；v3.流量已定时确定需要设置泵站的管段；流量已定时确定需要设置泵站的管段；v4.初分虚流量；初分虚流量；v5.根据管段设计流量、虚流量计算管径；根据管段设计流量、虚流量计算管径；v6.管径标准化；管径标准化；v7.管网平差；管网平差；v8.计算各节点水头、泵站扬程、管段流速。计算各节点水头、泵站扬程、管段流速。9/26/2024324第八章 给水管网运行调度与水质控制v前几部分自学，本章只讲第五节和第六节前几部分自学，本章只讲第五节和第六节v5给水管网水质控制模型给水管网水质控制模型v在输水过程中氯的衰减满足一级反应模式；而在输水过程中氯的衰减满足一级反应模式；而THM的形成也可用一级反应形式表示。的形成也可用一级反应形式表示。v分别如下：分别如下：氯的衰减氯的衰减三氯甲烷的形成三氯甲烷的形成9/26/2024325第八章 给水管网运行调度与水质控制v6给水管网水质安全性评价给水管网水质安全性评价v在管网中，氯的衰减为一级反应；假定以管网起在管网中，氯的衰减为一级反应；假定以管网起端时间为起点端时间为起点0，水流从起端流到末端需要的时，水流从起端流到末端需要的时间为间为t；又令起端投加氯浓度为；又令起端投加氯浓度为C0，则末端氯浓度，则末端氯浓度C为为9/26/2024326第八章 给水管网运行调度与水质控制若在管网末端允许的余氯浓度为若在管网末端允许的余氯浓度为Ta，则水流在管道中的允许停留时间，则水流在管道中的允许停留时间Ta为为若水流在管网中的停留时间大于若水流在管网中的停留时间大于Ta，则认为水质安全性降低。，则认为水质安全性降低。在管网设计时，希望放大管径；以期获得较小的泵站扬程；但考虑水质安全性时，希在管网设计时，希望放大管径；以期获得较小的泵站扬程；但考虑水质安全性时，希望缩小管径，获得较小的水力停留时间。望缩小管径，获得较小的水力停留时间。节点水压增加不能改变停留时间；已敷设的管网应该加强消毒措施。节点水压增加不能改变停留时间；已敷设的管网应该加强消毒措施。9/26/2024327第九章 污水管网设计与计算v功能为收集与输送城市区域中的市政污水，功能为收集与输送城市区域中的市政污水，生活污水所占比例较大。生活污水所占比例较大。v污水管网设计的主要任务为：污水管网设计的主要任务为：v污水管网总设计流量与各管段设计流量计算污水管网总设计流量与各管段设计流量计算v污水管网管段管径、埋深、接口设计与水力污水管网管段管径、埋深、接口设计与水力计算计算v污水提升泵站的设置与提升污水提升泵站的设置与提升v污水管网施工图绘制等。污水管网施工图绘制等。9/26/2024328第九章 污水管网设计与计算v1.1设计污水量定额设计污水量定额v排放系数：城市用水量与排放量之间的关系；一般为排放系数：城市用水量与排放量之间的关系；一般为60-80%，在干旱季节低达，在干旱季节低达50%。v但雨水可进入，以及企业与用户自备水源未统计部分进入，但雨水可进入，以及企业与用户自备水源未统计部分进入，使得实际污水量增大。使得实际污水量增大。v根据相关设计规定，污水量可按照当地设计用水定额的根据相关设计规定，污水量可按照当地设计用水定额的80-90%计算；工业企业生活污水量与淋浴水量可参照有关设计计算；工业企业生活污水量与淋浴水量可参照有关设计规范规定。规范规定。v工业废水量定额一般以单位产值、单位数量产品或单位生产工业废水量定额一般以单位产值、单位数量产品或单位生产设备所排出的废水量表示。设备所排出的废水量表示。v污水管网按照最高日最高时污水排放流量进行设计。污水管网按照最高日最高时污水排放流量进行设计。v污水管网设计流量与供水管网设计流量的不同点在于供水管污水管网设计流量与供水管网设计流量的不同点在于供水管网设计流量采用最高日最高时用水量乘以总变化系数，而污网设计流量采用最高日最高时用水量乘以总变化系数，而污水管网设计流量采用平均日污水量定额乘以相应的总变化系水管网设计流量采用平均日污水量定额乘以相应的总变化系数。数。9/26/2024329第九章 污水管网设计与计算v1.2污水量的变化系数污水量的变化系数v污水量的变化可采用变化系数与变化曲线表示污水量的变化可采用变化系数与变化曲线表示v污水量日变化系数污水量日变化系数Kd：在设计年限内，最高日污水：在设计年限内，最高日污水量与平均日污水量的比值。量与平均日污水量的比值。v污水量时变化系数污水量时变化系数Kh：设计年限内，最高日最高时：设计年限内，最高日最高时污水量与该日平均时污水量的比值。污水量与该日平均时污水量的比值。v污水量总变化系数污水量总变化系数Kz：设计年限内，最高日最高时：设计年限内，最高日最高时污水量与平均日平均时污水量的比值。污水量与平均日平均时污水量的比值。vKz=KdKh9/26/2024330第九章 污水管网设计与计算v居民生活污水量变化系数居民生活污水量变化系数v工业废水量变化系数工业废水量变化系数变化较小，可近似取为变化较小，可近似取为1。v工业企业生活污水和淋浴污水量变化工业企业生活污水和淋浴污水量变化生活污水量一生活污水量一般按照每个工作班污水量定额计算，相应的变化系般按照每个工作班污水量定额计算，相应的变化系数班内给出，且与工业企业生活用水量变化系数相数班内给出，且与工业企业生活用水量变化系数相同，一般车间为同，一般车间为3，高温车间为，高温车间为2.5。v淋浴污水量计算方法同上，每班考虑在淋浴污水量计算方法同上，每班考虑在1h之内使用，之内使用，且不考虑且不考虑1h之内流量变化。之内流量变化。Kz=2.3QdQd51.3Qd10009/26/2024331第九章 污水管网设计与计算v1.3污水流量计算污水流量计算v1居民生活污水设计流量居民生活污水设计流量主要因素为生活设施条件、主要因素为生活设施条件、设计人口和污水流量变化。设计人口指设计年限终期设计人口和污水流量变化。设计人口指设计年限终期所服务的人口数量。同一城市也存在多个排水服务区所服务的人口数量。同一城市也存在多个排水服务区域，有时污水量标准不同，分别计算。域，有时污水量标准不同，分别计算。v2工业废水设计流量工业废水设计流量考虑水的重复利用率。考虑水的重复利用率。v3工业企业生活污水量和淋浴污水设计流量工业企业生活污水量和淋浴污水设计流量v4公共建筑污水设计流量公共建筑污水设计流量9/26/2024332v1.4例题例题v某大型企业年产值为某大型企业年产值为10亿元亿元，废水产生量定额为，废水产生量定额为100t/万元万元，总变化系数为，总变化系数为1.2；该厂；该厂三班制三班制生产，生产，每班工作每班工作8小时，最大班职工人数为小时，最大班职工人数为2000cap，其，其中在高温及重污染车间工作的职工占总人数的中在高温及重污染车间工作的职工占总人数的30%，使用淋浴人数按照，使用淋浴人数按照85%计算，其余计算，其余70%在一般车在一般车间工作，使用淋浴人数按照间工作，使用淋浴人数按照30%计算，工厂居住区计算，工厂居住区面积为面积为50104m2，人口密度为，人口密度为550cap/104m2，生，生活污水量标准为活污水量标准为150L/（capd）。该厂设置污水处。该厂设置污水处理站，所有污水由管道汇集进入污水处理站，请计理站，所有污水由管道汇集进入污水处理站，请计算该厂的最大时污水设计流量。算该厂的最大时污水设计流量。9/26/2024333分析：分析：本题主要针对某工厂的废水量进行计算。对于本题，用水主要集中在以本题主要针对某工厂的废水量进行计算。对于本题，用水主要集中在以下几方面：下几方面：1）工业生产排水；）工业生产排水；2）居住区居民生活污水；）居住区居民生活污水；3）工人上班生）工人上班生活污水；活污水；4）工人下班淋浴污水。）工人下班淋浴污水。工业污水量的计算方法为：工业污水量的计算方法为：1）单位产品排水量；）单位产品排水量；2）单位产值排水量；）单位产值排水量；3）单位生产设备排水量。本题给定了）单位生产设备排水量。本题给定了单位产值排水量单位产值排水量；在工业污水量的；在工业污水量的计算中还要注意是否存在计算中还要注意是否存在水的重复利用率水的重复利用率，本题不存在；也要注意，本题不存在；也要注意时变时变化系数与日变化系数化系数与日变化系数之关系和向公式中应该带入的值之关系和向公式中应该带入的值（？）（？）生活污水量的计算较简单，可根据定额与人口数量计算；唯一注意的是生活污水量的计算较简单，可根据定额与人口数量计算；唯一注意的是总变化系数的求解总变化系数的求解。工人上班时的生活污水量计算较简单，但要注意其工人上班时的生活污水量计算较简单，但要注意其班数及班时间班数及班时间；工人下班淋浴水量计算较简单，不管何种情况工人下班淋浴水量计算较简单，不管何种情况均按照淋浴持续一小时计均按照淋浴持续一小时计算算；但要注意一般车间和高温车间的用水量定额。；但要注意一般车间和高温车间的用水量定额。9/26/2024334计算工业废水设计流量：计算工业废水设计流量：日变化系数为近似为日变化系数为近似为1，由于总变化系数为，由于总变化系数为1.2，即时变化系数为，即时变化系数为1.2；则；则工业废水设计流量为工业废水设计流量为380.52L/s；居民区生活污水流量居民区生活污水流量总变化系数的计算总变化系数的计算380.52L/s=47.74L/s则则生活生活污污水水设计设计流量流量=84.25L/s；9/26/2024335高温与重度污染车间生活污水量与淋浴用水量计算高温与重度污染车间生活污水量与淋浴用水量计算+=10.32L/s；一般车间生活污水量与淋浴用水量计算一般车间生活污水量与淋浴用水量计算+=8.31L/s则则本厂本厂总设计总设计流量流量为为=380.52+84.25+10.32+8.31=483.4L/s。9/26/2024336几点讨论几点讨论1.由上述讲解可知，通过分析城市污水的组成可以计算总量；计算总量的目的在于由上述讲解可知，通过分析城市污水的组成可以计算总量；计算总量的目的在于确定城市污水处理厂的规模。确定城市污水处理厂的规模。在这一点上，与给水的设计是相似的。在这一点上，与给水的设计是相似的。2.所不同的在于居民生活污水量需要乘以总变化系数；而工业污水、工厂生活污水所不同的在于居民生活污水量需要乘以总变化系数；而工业污水、工厂生活污水以及公共建筑污水要分别乘以各自的时变化系数或班内变化系数。以及公共建筑污水要分别乘以各自的时变化系数或班内变化系数。而给水总用水量是加权所有的水量后，在平均时流量上乘以总变化系数。这一点而给水总用水量是加权所有的水量后，在平均时流量上乘以总变化系数。这一点是两者所不同的。是两者所不同的。3.当计算企业排水时，需要考虑水的复用系数。当计算企业排水时，需要考虑水的复用系数。下述两点教材中未考虑或讲述有些偏差，我提出来共同讨论：下述两点教材中未考虑或讲述有些偏差，我提出来共同讨论：1.关于企业自备水源的问题。在当今设计排水管网时已经对于水量要进行调查，并关于企业自备水源的问题。在当今设计排水管网时已经对于水量要进行调查，并非听之任之。非听之任之。2.污水管网的普及问题。在教材中未涉及到此问题；城市的排水管网一定是完善的污水管网的普及问题。在教材中未涉及到此问题；城市的排水管网一定是完善的吗？若不完善是否应该有一个吗？若不完善是否应该有一个普及率普及率？我认为在计算总量时，不管是城市居民生活污水抑或企业排水或公共建筑排水均我认为在计算总量时，不管是城市居民生活污水抑或企业排水或公共建筑排水均存在是否排入管网的问题，若不排入应该扣除。存在是否排入管网的问题，若不排入应该扣除。9/26/2024337第九章第九章 污水管网设计与计算污水管网设计与计算v2管段设计流量计算管段设计流量计算v2.1节点与管段节点与管段v将污水管网中流量与埋设坡度不变的一段管道叫做管段。将污水管网中流量与埋设坡度不变的一段管道叫做管段。v管道的两端点叫做节点。管道的两端点叫做节点。v一般在节点上肯定存在水的流态或流速的变化；比如跌水井、一般在节点上肯定存在水的流态或流速的变化；比如跌水井、提升泵站等。提升泵站等。v节点处肯定设置检查井。节点处肯定设置检查井。v污水管段很容易出现事故，为了检修方便每间隔一定距离在污水管段很容易出现事故，为了检修方便每间隔一定距离在管段上需要设置检查井；若管段长度过大可设置若干检查井，管段上需要设置检查井；若管段长度过大可设置若干检查井，这也说明检查井未必是节点。这也说明检查井未必是节点。9/26/2024338第九章 污水管网设计与计算v2.2节点设计流量计算节点设计流量计算v由于污水管网水的流态为重力流；故为降低水头损失，最好由于污水管网水的流态为重力流；故为降低水头损失，最好的办法就是的办法就是增大管径增大管径。如何增大管径呢？只有唯一的办法是。如何增大管径呢？只有唯一的办法是增大管段设计流量增大管段设计流量；于是这就决定了污水节点的设计流量与；于是这就决定了污水节点的设计流量与给水管网的不同。给水管网的不同。v在污水管网设计中，流量也分为两种沿线流量和集中流量；在污水管网设计中，流量也分为两种沿线流量和集中流量；但在污水管网中，沿线流量被叫做但在污水管网中，沿线流量被叫做本段流量本段流量。v在污水管网设计中，节点流量是该节点在污水管网设计中，节点流量是该节点下游一条管段下游一条管段所连接所连接的用户污水流量与该节点所接纳的的用户污水流量与该节点所接纳的集中污水流量集中污水流量之和。之和。v如下图所示意。如下图所示意。9/26/2024339集中流量集中流量本段流量本段流量节点流量的合并计算节点流量的合并计算9/26/2024340由上图也可看出；污水管网和给水管网节点设计流量方法是不由上图也可看出；污水管网和给水管网节点设计流量方法是不同的。同的。在污水管网设计中，管段起端节点流量为本节点收集的集中水在污水管网设计中，管段起端节点流量为本节点收集的集中水量和本段流量之和。量和本段流量之和。那么，本段流量如何计算呢？那么，本段流量如何计算呢？和给水管网相似，计算比流量，按照面积或管段长度分配本段和给水管网相似，计算比流量，按照面积或管段长度分配本段流量。流量。要牢记一点：要牢记一点：本段流量是完全加到管段起端节点，而非一分为本段流量是完全加到管段起端节点，而非一分为二。二。9/26/2024341第九章 污水管网设计与计算v2.3管段设计流量计算管段设计流量计算v前面讲到，污水管网的设计按照最高时设计；但最前面讲到，污水管网的设计按照最高时设计；但最高时高时未必未必同时出现。同时出现。v前面也得知，变化系数主要针对生活污水而言较复前面也得知，变化系数主要针对生活污水而言较复杂，每一管段流量不同，其变化系数也是不同的；杂，每一管段流量不同，其变化系数也是不同的；故对于管段设计流量而言，故对于管段设计流量而言，污水管网节点不会满足污水管网节点不会满足流量连续性条件；流量连续性条件；但分配的平均时流量满足质量守但分配的平均时流量满足质量守恒。这也是污水管网与给水管网相比的最大不同之恒。这也是污水管网与给水管网相比的最大不同之处。处。9/26/2024342v污水管网水力计算，从上游起端节点向下游节点进污水管网水力计算，从上游起端节点向下游节点进行。行。v污水管网进行计算时，节点与管段的流量也应满足污水管网进行计算时，节点与管段的流量也应满足流量连续性方程。但污水管网的设计流量却不满足流量连续性方程。但污水管网的设计流量却不满足流量连续性方程；原因在于设计流量为最高时流量，流量连续性方程；原因在于设计流量为最高时流量，它们一般不会同时出现，连续性条件只能对同一时它们一般不会同时出现，连续性条件只能对同一时段内的流量运用。在计算和分配居民生活污水量时，段内的流量运用。在计算和分配居民生活污水量时，对平均日流量满足流量连续性；每条管段又乘以各对平均日流量满足流量连续性；每条管段又乘以各自的总变化系数作为设计流量。自的总变化系数作为设计流量。v为降低计算复杂性，总是假定居民生活污水、工业为降低计算复杂性，总是假定居民生活污水、工业废水、工业企业生活污水和淋浴污水、公共建筑污废水、工业企业生活污水和淋浴污水、公共建筑污水等四大类污水的最高时流量同时出现，其设计流水等四大类污水的最高时流量同时出现，其设计流量可直接叠加。量可直接叠加。v管段设计流量计算式如下：管段设计流量计算式如下：i=1，2，3M9/26/2024343P210例例9.2v问题：问题：v比流量的计算：比流量的计算：分配的是什么？设计流量分配的是什么？设计流量还是平均时流量？还是平均时流量？v每一管段的居民生活污水乘以总变化系数；每一管段的居民生活污水乘以总变化系数；集中流量呢？如何处理？集中流量呢？如何处理？v从例题中看出的节点设计流量是否满足流量从例题中看出的节点设计流量是否满足流量连续性方程呢？连续性方程呢？v哪一种流量满足节点流量连续性方程？哪一种流量满足节点流量连续性方程？9/26/2024344污水管道设计参数v由水力学公式可知，设计流量与设计流速及过水断面由水力学公式可知，设计流量与设计流速及过水断面积有关；流速是管壁粗糙系数、水力半径以及水力坡积有关；流速是管壁粗糙系数、水力半径以及水力坡度的函数。度的函数。v1设计充满度设计充满度非满管流设计：污水流量随时变化，雨非满管流设计：污水流量随时变化，雨水或地下水可能随时渗入，有必要保留部分空间给未水或地下水可能随时渗入，有必要保留部分空间给未预见水量，防止污水溢出。管道内沉积的污泥可能分预见水量，防止污水溢出。管道内沉积的污泥可能分解出一些有害气体，要留出适当空间进行通风排气。解出一些有害气体，要留出适当空间进行通风排气。管道的疏通与管理。管道的疏通与管理。v最大设计充满度与管径大小相关联，可在规范中查出。最大设计充满度与管径大小相关联，可在规范中查出。v当管径小于等于当管径小于等于300mm时，应按段时间内的满管流核时，应按段时间内的满管流核算，保证污水不会溢流到地面。算，保证污水不会溢流到地面。v采用明渠流时，设计超高不小于采用明渠流时，设计超高不小于0.2m。9/26/2024345v2设计流速设计流速与设计流量、设计充满度相对应；为与设计流量、设计充满度相对应；为防止管道冲刷以及沉积，设计流速在最大与最小设防止管道冲刷以及沉积，设计流速在最大与最小设计流速范围内。计流速范围内。v最小设计流速为不产生沉积流速，与污水中含有物最小设计流速为不产生沉积流速，与污水中含有物质的颗粒以及成分和管道水力半径以及管道粗糙度质的颗粒以及成分和管道水力半径以及管道粗糙度有关。规范规定管道最小设计流速为有关。规范规定管道最小设计流速为0.6m/s，若，若含有重金属、矿物固体或重油则适当加大。明渠设含有重金属、矿物固体或重油则适当加大。明渠设计为计为0.4m/s。v地形平坦地区，若最小设计流速大，则会增加管道地形平坦地区，若最小设计流速大，则会增加管道敷设深度。敷设深度。v最大设计流速与管材相关。金属管道最大允许流速最大设计流速与管材相关。金属管道最大允许流速为为10m/s；非金属管道允许；非金属管道允许5m/s。9/26/2024346v3最小管径最小管径v在污水管网的上游部分，污水管段的设计流量较小，在污水管网的上游部分，污水管段的设计流量较小，根据设计流量计算管径极小，易于产生堵塞现象。根据设计流量计算管径极小，易于产生堵塞现象。对于对于200与与150管径，堵塞次数后者为前者的管径，堵塞次数后者为前者的2倍；倍；在同样埋深条件下，两者管道造价相差不多；采用在同样埋深条件下，两者管道造价相差不多；采用较大管径可选用较小管道坡度，使管道埋深减少。较大管径可选用较小管道坡度，使管道埋深减少。为维护管理方便，规范规定，街区与厂区内最小管为维护管理方便，规范规定，街区与厂区内最小管径为径为200mm，街道下的最小管径为，街道下的最小管径为300mm。v在进行水力计算时，由设计流量得出的管径小于最在进行水力计算时，由设计流量得出的管径小于最小管径时，应采用最小管径值。一般可根据最小管小管径时，应采用最小管径值。一般可根据最小管径的最小设计流速和最大充满度下能通过的最大流径的最小设计流速和最大充满度下能通过的最大流量值，确定设计管段的服务面积，若设计管段的服量值，确定设计管段的服务面积，若设计管段的服务面积小于此值，直接采用最小管径与最小坡度而务面积小于此值，直接采用最小管径与最小坡度而不进行设计计算。这种管段叫做不计算管段。在不不进行设计计算。这种管段叫做不计算管段。在不计算管段中可考虑设置冲洗井。计算管段中可考虑设置冲洗井。9/26/2024347v4最小设计坡度最小设计坡度管网敷设时，使得管道敷设坡度与管网敷设时，使得管道敷设坡度与地形坡度走向一致而获得较小的埋深。当地形平坦，地形坡度走向一致而获得较小的埋深。当地形平坦，或两值走向相反时，尽可能减少管道敷设坡度。但或两值走向相反时，尽可能减少管道敷设坡度。但由该管段敷设坡度形成的流速应等于或大于最小设由该管段敷设坡度形成的流速应等于或大于最小设计流速，防止管道内沉积。将对应于最小设计流速计流速，防止管道内沉积。将对应于最小设计流速的坡度称为最小设计坡度。的坡度称为最小设计坡度。v不同污水管道应有不同的最小设计坡度。管径相同不同污水管道应有不同的最小设计坡度。管径相同的管道，充满度不同，设计最小坡度也不同。当在的管道，充满度不同，设计最小坡度也不同。当在给定的设计充满度下，管径越大，相应的最小设计给定的设计充满度下，管径越大，相应的最小设计坡度值越小。坡度值越小。v规范中规定了最小管径对应的最小设计坡度；规范中规定了最小管径对应的最小设计坡度；200mm时最小设计坡度为时最小设计坡度为0.004；300时为时为0.003。较大管径的最小设计坡度由最小设计流速保证。较大管径的最小设计坡度由最小设计流速保证。9/26/2024348v5污水管道埋设深度污水管道埋设深度指管道的内壁底部离开地面的指管道的内壁底部离开地面的垂直距离。管道顶部离开地面的垂直距离叫做覆土垂直距离。管道顶部离开地面的垂直距离叫做覆土厚度。厚度。v在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、管径、施工现场地质条件与埋深等因素决定。管径、施工现场地质条件与埋深等因素决定。v管道埋设深度包括起点埋深、终点埋深与平均埋深。管道埋设深度包括起点埋深、终点埋深与平均埋深。v为保证污水管道不受外界压力和冰冻的影响，管道为保证污水管道不受外界压力和冰冻的影响，管道的覆土厚度的最小值叫做最小覆土厚度。的覆土厚度的最小值叫做最小覆土厚度。v最小覆土厚度满足下列要求：最小覆土厚度满足下列要求：v1）防止管道内污水冰冻以及土壤冰冻而破坏管道。）防止管道内污水冰冻以及土壤冰冻而破坏管道。规范规定：无保温措施，管低可埋设在冰冻线以上规范规定：无保温措施，管低可埋设在冰冻线以上0.15m。有保温措施可适当加大。有保温措施可适当加大。9/26/2024349v2）防止地面荷载的破坏）防止地面荷载的破坏动力车道下污水管道最小动力车道下污水管道最小覆土厚度不宜小于覆土厚度不宜小于0.7m。v3）满足街区污水连接管衔接的要求）满足街区污水连接管衔接的要求为使得污水顺为使得污水顺利进入污水管网，保证污水干管起点的埋深大于或利进入污水管网，保证污水干管起点的埋深大于或等于街区内污水支管终点的埋深，而污水支管起点等于街区内污水支管终点的埋深，而污水支管起点的埋深又必须大于或等于建筑物污水出户管的埋深。的埋深又必须大于或等于建筑物污水出户管的埋深。污水出户管的最小埋深一般采用污水出户管的最小埋深一般采用0.5-0.7m，所以污，所以污水支管起点最小埋深也有水支管起点最小埋深也有0.6-0.7m。v还应考虑最大埋深还应考虑最大埋深一般在干燥土壤中，最大埋深不一般在干燥土壤中，最大埋深不超过超过7-8m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过超过5m。9/26/2024350v6污水管道的衔接污水管道的衔接污水管道在检查井中衔接应该达污水管道在检查井中衔接应该达到如下要求：避免上游管道形成回水，造成淤积；到如下要求：避免上游管道形成回水，造成淤积；在平坦地区应尽可能提高下游管道的标高以减少埋在平坦地区应尽可能提高下游管道的标高以减少埋深。深。v常用的衔接方式为：水面平接和管顶平接。常用的衔接方式为：水面平接和管顶平接。v水面平接在设计管道的埋深时使得管道内上下游的水面平接在设计管道的埋深时使得管道内上下游的设计水面保持等高。上游设计流量小，具有较大流设计水面保持等高。上游设计流量小，具有较大流量变化，短期内上游管道内的实际水面低于下游管量变化，短期内上游管道内的实际水面低于下游管道形成回水。适用于上下游管径相同时和平坦地区，道形成回水。适用于上下游管径相同时和平坦地区，会适当降低埋深。会适当降低埋深。v管顶平接指上下游管道顶部保持等高。会使上下游管顶平接指上下游管道顶部保持等高。会使上下游管道水面有所下降不易产生回水，但下游管道埋深管道水面有所下降不易产生回水，但下游管道埋深增加。增加。v在特殊情况下，如下游管道地面坡度激增，下游管在特殊情况下，如下游管道地面坡度激增，下游管径可能小于上游管径，此时采用管底平接的方法，径可能小于上游管径，此时采用管底平接的方法，保持上下游管道底部等高。保持上下游管道底部等高。9/26/2024351衔接示意图（三种）1.水面平接水面平接理想状况理想状况回水的产生回水的产生2.管顶平接管顶平接9/26/20243523.管底平接管底平接9/26/2024353相关问题v1生活污水量计算方法与生活用水量计算方生活污水量计算方法与生活用水量计算方法有何不同？法有何不同？v2没有确定管径前，起点埋深能够确定吗？没有确定管径前，起点埋深能够确定吗？v3污水管网中的管段如何划分？污水管网中的管段如何划分？9/26/2024354污水管网水力计算v水力计算的主要目的在于确定管径与埋深；即考虑水力计算的主要目的在于确定管径与埋深；即考虑管网的造价与运行的经济性。管网的造价与运行的经济性。v通过水力分析表明，当设计污水流量小于一定值时，通过水力分析表明，当设计污水流量小于一定值时，已无管径选择的余地，可以不通过计算直接采用最已无管径选择的余地，可以不通过计算直接采用最小管径，在平坦地区还可以直接采用最小坡度进行小管径，在平坦地区还可以直接采用最小坡度进行设计，这类管段叫做设计，这类管段叫做不计算管段不计算管段。规范规定，街区。规范规定，街区和厂区内最小管径为和厂区内最小管径为200mm，最小设计坡度为，最小设计坡度为0.004；街道下最小管径为；街道下最小管径为300mm，最小设计坡度，最小设计坡度为为0.003。由公式进行计算，对应的流量分别为。由公式进行计算，对应的流量分别为9.19L/s和和14.63L/s。9/26/2024355v较大坡度地区管段设计较大坡度地区管段设计管段按照地面坡度进行敷管段按照地面坡度进行敷设，设计最小流速能够满足；在管径选择中主要考设，设计最小流速能够满足；在管径选择中主要考虑管段充满度问题，即选择最大充满度所对应的最虑管段充满度问题，即选择最大充满度所对应的最小管径，降低管段造价。计算步骤如下：小管径，降低管段造价。计算步骤如下：v首先计算期望管段坡降；首先计算期望管段坡降；v其次根据设计流量、期望坡度与最大充满度计算管其次根据设计流量、期望坡度与最大充满度计算管径；或根据水力计算中的管径选择表进行管径选择。径；或根据水力计算中的管径选择表进行管径选择。v根据设计流量、坡度与管径计算实际充满度与流速。根据设计流量、坡度与管径计算实际充满度与流速。9/26/2024356v反坡或平坦地区管段设计反坡或平坦地区管段设计实际工程实践中，考虑实际工程实践中，考虑最多的是平坦或反坡地区的管段设计；设计时，充最多的是平坦或反坡地区的管段设计；设计时，充分考虑经济性指标。分考虑经济性指标。v设计思路设计思路由技术条件确定一个最大可用管径；根由技术条件确定一个最大可用管径；根据水力分析可知，选择较大的管径可降低坡度；但据水力分析可知，选择较大的管径可降低坡度；但当管径达到一定程度时，设计流速无法满足最小流当管径达到一定程度时，设计流速无法满足最小流速要求，必然需要增加敷设坡度，使得造价提高。速要求，必然需要增加敷设坡度，使得造价提高。表表9.7列出不同设计流量范围内的最大管径设计，列出不同设计流量范围内的最大管径设计，可参考。另外，在这种情况下，管段埋深是主要控可参考。另外，在这种情况下，管段埋深是主要控制指标，对于这类管段一般采用最大设计管径。制指标，对于这类管段一般采用最大设计管径。v对于上述情况也可采用附录的管径选择表进行管径对于上述情况也可采用附录的管径选择表进行管径选定。根据一定的设计流量，可确定不同坡度下所选定。根据一定的设计流量，可确定不同坡度下所对应的一组管径，再根据经济性指标进行管段管径对应的一组管径，再根据经济性指标进行管段管径以及设计坡度的确定。然后再根据相应的计算公式以及设计坡度的确定。然后再根据相应的计算公式进行设计充满度以及设计流速的计算。进行设计充满度以及设计流速的计算。9/26/2024357v管段衔接设计管段衔接设计衔接设计是由上游管段向下游管段进衔接设计是由上游管段向下游管段进行的；首先确定起点埋深；对于非起点管段，首先行的；首先确定起点埋深；对于非起点管段，首先确定它与上游管段的衔接关系（管底平接、水面平确定它与上游管段的衔接关系（管底平接、水面平接和管顶平接），以确定本管段的起点埋深；然后接和管顶平接），以确定本管段的起点埋深；然后用本管段设计确定的管径、坡度、充满度等以及管用本管段设计确定的管径、坡度、充满度等以及管段长度，计算本管段终点埋深。段长度，计算本管段终点埋深。v水力计算时应注意的问题水力计算时应注意的问题确定控制点，位于本区的确定控制点，位于本区的最远或地形最低处。各管道起点、低洼地区的个别最远或地形最低处。各管道起点、低洼地区的个别街坊和污水出口较深的工矿企业或公共建筑均为研街坊和污水出口较深的工矿企业或公共建筑均为研究对象。究对象。v水力计算由上游向下游依次进行。一般情况下，随水力计算由上游向下游依次进行。一般情况下，随设计流量增加，流速逐段增加。只有当上游坡度大设计流量增加，流速逐段增加。只有当上游坡度大于下游坡度且下游管段设计流速大于于下游坡度且下游管段设计流速大于1或或1.2m/s的情的情况下，才允许减小。设计管径也逐段增加，但当坡况下，才允许减小。设计管径也逐段增加，但当坡度小的管段衔接到坡度大的管段时，管径可以减小，度小的管段衔接到坡度大的管段时，管径可以减小，但减小幅度不得超过但减小幅度不得超过50-100mm。9/26/2024358相关问题v1在平坦或反坡地区与较大坡度地区的污水管在平坦或反坡地区与较大坡度地区的污水管道设计中，哪种情况一般采用最大充满度设道设计中，哪种情况一般采用最大充满度设计？哪种情况一般采用最小流速设计？计？哪种情况一般采用最小流速设计？v2若在污水管道设计中要考虑经济性因素，则若在污水管道设计中要考虑经济性因素，则平坦地区或反坡地区和较大坡度地区哪一个平坦地区或反坡地区和较大坡度地区哪一个易于考虑？讲明原因。易于考虑？讲明原因。9/26/2024359管道平面图与纵剖面图的绘制v初设阶段的管道平面图就是管道总体布置图，初设阶段的管道平面图就是管道总体布置图，比例采用比例采用1：5000-1：10000，图上的内容包，图上的内容包括地形，地物，河流，风向图等。管线用粗括地形，地物，河流，风向图等。管线用粗线条表示，在管线上标出设计管段的检查井线条表示，在管线上标出设计管段的检查井以及编号，标出各管段服务面积，可能设置以及编号，标出各管段服务面积，可能设置的中途泵站，污水厂以及排水口等；水力设的中途泵站，污水厂以及排水口等；水力设计因素包括管径，坡度以及长度等。计因素包括管径，坡度以及长度等。v施工图设计要求更详细，比例施工图设计要求更详细，比例1：1000-1：5000.9/26/2024360知识结构与分析思路v1设计流量（设计总流量、管段设计流量）。设计流量（设计总流量、管段设计流量）。v2管径与坡度以及埋深（会采用管径选择表进管径与坡度以及埋深（会采用管径选择表进行管径选择）。行管径选择）。分析思路分析思路确定各管段设计流量确定各管段设计流量选择合适的管径与坡度选择合适的管径与坡度计算充满度与流速计算充满度与流速进行管段衔接设计进行管段衔接设计确定确定起点与终点管道埋深起点与终点管道埋深9/26/2024361例题p225。v计算步骤：计算步骤：v首先根据相关地形确定管线走向；根据地形再首先根据相关地形确定管线走向；根据地形再确定各管段汇水区域（管段服务面积）；确定各管段汇水区域（管段服务面积）；v计算各管段生活污水沿线流量并计算总变化系计算各管段生活污水沿线流量并计算总变化系数，确定设计流量；数，确定设计流量；v根据管径选择表进行管径选择，确定设计坡度；根据管径选择表进行管径选择，确定设计坡度；v计算管段设计充满度、设计流速；计算管段设计充满度、设计流速；v确定管段衔接设计；确定管段衔接设计；v确定埋深及各管段标高。确定埋深及各管段标高。9/26/2024362123456789101112139/26/2024363各街坊面积与人口计算街坊编号1234567街坊面积7.57.57.57.56.46.46.4人口3000300030003000256025602560水量L/s4.86 4.86 4.86 4.86 4.15 4.15 4.15街坊编号8910111213街坊面积6.46.46.46.46.46.4人口256025602560256025602560水量L/s4.15 4.15 4.15 4.15 4.15 4.159/26/2024364居民生活污水总流量计算？居民生活污水总流量计算？v街坊总面积为7.54+6.49=87.6公顷。v总人口为87.6400=35040capv平均日生活污水量35040140=4905600L/d=56.78L/s。v总变化系数：2.7/（56.78）0.11=1.73。v生活污水设计流量：56.781.73=98.31L/s。v问题：此设计流量在污水管网管段设计中有无作用？9/26/2024365管线布置12345678910111213地地势势走走向向9/26/2024366节点编号与沿线流量收集1234567891011121314151617181920123456789101112139/26/2024367各管段汇流流量计算编号生活污水日平均流量管段设计流量计算本段转输流量合计流量总变化系数沿线流量集中流量设计流量街坊编号流量本段转输2-314.864.862.311.1811.183-524.864.869.722.1020.4120.414-541.4841.185-851.251.21.7589.641.48131.087-834.864.862.311.1811.188-1244.8656.0660.921.72104.7841.48146.2610-1154.154.152.39.559.5511-1284.154.158.32.1417.7617.7614-1564.154.152.39.559.5515-1694.154.158.32.1417.7617.7612-16114.1569.2273.371.68123.2641.48164.7418-1974.154.152.39.559.5519-20104.154.158.32.1417.7617.7616-20124.1581.6785.821.65141.641.48183.089/26/2024368v通过上述计算已经确定各管段的设计流量，设计流量为管径、坡度的设计基础。v根据设计流量，查附图“管径选择图”，确定管径与对应的最小坡度。v在此处，只计算主干管的水力学参数。具体见下表。编号长度m流量管径mm 坡度6-7不计算管段16030037-8不计算管段32511.1830038-12345146.266000.8812-16340164.746001.0016-20345183.087000.589/26/2024369v已经确定了管径与水力坡度，通过水力学公式进行充满度与流速的计算根据管径与充满度计算上端水面标高，根据埋深确定根据管径与充满度计算上端水面标高，根据埋深确定上端管顶标高，再根据坡降确定下端管径水面与管顶、管上端管顶标高，再根据坡降确定下端管径水面与管顶、管底标高；作为下段管段的起始设计值。底标高；作为下段管段的起始设计值。下段管段设计时，需要先确定管道衔接方式，然后下段管段设计时，需要先确定管道衔接方式，然后据此进行本段埋深设计。据此进行本段埋深设计。排水方式设计：根据埋深已经确定了最终管段的埋深，排水方式设计：根据埋深已经确定了最终管段的埋深，对比城市污水厂所处位置的地面标高，确定污水从管道对比城市污水厂所处位置的地面标高，确定污水从管道进入污水处理厂是否需要进行提升。进入污水处理厂是否需要进行提升。9/26/2024370本章考点出题方式v1.已知设计人口及设计排水定额确定居民污水排放总设计流量；v2.城市（或某一居民区）污水总设计流量计算；v工业污水排放量可按照两种方法进行计算，还应该注意复用水系数。v3.进行管网布置以及水力计算。9/26/2024371污水管网与给水管网设计方式的不同v1.设计流量计算方法的不同；v2.供排水方式的不同；v3.最大水力工况的不同。9/26/2024372城市污水处理厂管段设计v管段、节点的概念。？v对于每一构筑物在规范中均存在流速设计要求。v根据流速要求和水量可计算各管段管径。v各构筑物之间连接管可通过经验确定。9/26/2024373城市污水处理厂管段设计v按照前面已经讲述的方法可计算输水管路的水头损失；但输泥管路如何设计呢？v输泥管路管径不小于200mm。v具体方法见下。9/26/2024374压力管道水力计算压力管道水力计算沿程水头损失沿程水头损失：在紊流条件下选用海曾：在紊流条件下选用海曾-威廉姆公式计算。威廉姆公式计算。海曾海曾-威廉姆系数威廉姆系数CH与污泥浓度有关，见下表。与污泥浓度有关，见下表。污泥浓度/%CH污泥浓度/%CH0.01006.0402.0818.5324.06110.1259/26/2024375流速的确定流速的确定：为保证紊流条件，选用较大流速；具体消化污泥不同管径极限流速的：为保证紊流条件，选用较大流速；具体消化污泥不同管径极限流速的试验值见下表；初沉污泥无机颗粒含量高，流动性差，极限流速略高。试验值见下表；初沉污泥无机颗粒含量高，流动性差，极限流速略高。管径管径/mm极限流速极限流速/m/s下限下限上限上限2001.091.382501.081.353501.051.315001.041.299/26/2024376为保证安全性，在根据公式计算的基础上乘以保证系数为保证安全性，在根据公式计算的基础上乘以保证系数K；K取值见下图。取值见下图。0246810108642水水头头损损失失系系数数K污泥浓度污泥浓度/%消化污泥消化污泥生污泥及其浓缩污泥生污泥及其浓缩污泥9/26/2024377局阻计算局阻计算：名称名称局阻系数局阻系数含水率含水率/%9896承插接头承插接头0.40.270.43三通三通0.80.60.7390度弯头度弯头1.46/（r/R=0.9）1.46/（r/R=0.9）1.46/（r/R=0.9）四通四通-2.5-阀门阀门h/d=0.90.030.04阀门阀门h/d=0.80.050.12阀门阀门h/d=0.70.20.32阀门阀门h/d=0.60.70.90阀门阀门h/d=0.52.032.57阀门阀门h/d=0.45.276.30阀门阀门h/d=0.311.4213.00阀门阀门h/d=0.228.7029.709/26/2024378构筑物名称构筑物名称水水头损头损失失/cm构筑物名称构筑物名称水水头损头损失失/cm格格栅栅1025生物生物滤滤池（工作高度池（工作高度为为2m时时）沉砂池沉砂池10251装有旋装有旋转转式布水器式布水器270-280沉淀池沉淀池平流式平流式20-402装有固定装有固定喷喷洒布水器洒布水器450-475竖竖流式流式40-50混合池或接触池混合池或接触池10-30辐辐流式流式50-60污污泥干化厂泥干化厂200-350双双层层沉淀池沉淀池10-20配水井配水井10-20曝气池曝气池污污水潜流入池水潜流入池25-50混合池（槽）混合池（槽）40-60污污水跌水入池水跌水入池50-150反反应应池池40-50各水处理构筑物本身的水头损失各水处理构筑物本身的水头损失9/26/2024379第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算v1雨量分析雨量分析v1.1降雨量降雨量v单位时间单位面积地面接受降雨的雨水体积；单位时间单位面积地面接受降雨的雨水体积；计量单位为体积计量单位为体积/(面积面积*时间时间)。v有三种不同的表达方式：年平均降雨量、月有三种不同的表达方式：年平均降雨量、月平均降雨量、平均降雨量、最大日降雨量最大日降雨量。9/26/2024380降雨资料的图示法降雨资料的图示法为了表示降雨在时间上的变化及空间上的分析，常用以下图示方法。为了表示降雨在时间上的变化及空间上的分析，常用以下图示方法。1降雨量过程线降雨量过程线降雨量过程线是以降雨量过程线是以时段平均雨强时段平均雨强i为纵坐标，以时间为横坐标为纵坐标，以时间为横坐标绘成绘成的直方图或曲线图，它表示降雨量在时间上的变化过程。的直方图或曲线图，它表示降雨量在时间上的变化过程。2降雨量累积曲线降雨量累积曲线降雨过程又可用降雨量累积曲线表示。此曲线的纵坐标表示降降雨过程又可用降雨量累积曲线表示。此曲线的纵坐标表示降雨自起始时刻至某时段末的累积降雨量，横坐标为时间雨自起始时刻至某时段末的累积降雨量，横坐标为时间t。3等雨量线图等雨量线图等雨量线图表示某次降雨或某一时段内降雨量在流域面上的分布情等雨量线图表示某次降雨或某一时段内降雨量在流域面上的分布情况。它的绘图方法与等高线相似，即先将流域所在地区各雨量站的同期观测雨量值况。它的绘图方法与等高线相似，即先将流域所在地区各雨量站的同期观测雨量值点注在图上，然后根据雨量沿地面的变化趋势，并参考地形变化，以一定雨量数的点注在图上，然后根据雨量沿地面的变化趋势，并参考地形变化，以一定雨量数的间隔，按直线内插法绘制出一系列的等雨量线。间隔，按直线内插法绘制出一系列的等雨量线。第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算9/26/2024381降雨量的观测方法降雨量的观测方法降水量的观测设备：降水量的观测设备：1雨量器；雨量器；2自记雨量计。自记雨量计。雨量器是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。外壳是金属圆筒分上下两雨量器是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。外壳是金属圆筒分上下两节，上节是一个口径为节，上节是一个口径为20厘米的盛水漏斗，下节筒内放一个储水瓶用来收集雨水。厘米的盛水漏斗，下节筒内放一个储水瓶用来收集雨水。测量时，将雨水倒入特制的雨量杯内读取降水量毫米数。降雨量的观测，通常采测量时，将雨水倒入特制的雨量杯内读取降水量毫米数。降雨量的观测，通常采用二段制，观测时间为用二段制，观测时间为8h和和20h。另外，则视雨情变化增加测次，如四段制、八段。另外，则视雨情变化增加测次，如四段制、八段制。以量雨杯计量储水瓶中的水量，即得降水量的多少。制。以量雨杯计量储水瓶中的水量，即得降水量的多少。虹吸雨量计是可连续记录降水量和降水时间的仪器。当降水落入承雨器后，虹吸雨量计是可连续记录降水量和降水时间的仪器。当降水落入承雨器后，先通过小漏斗进入浮子室，浮子即随水面升降而升降，并带动自记笔在自记钟外先通过小漏斗进入浮子室，浮子即随水面升降而升降，并带动自记笔在自记钟外围的记录纸上作上下移动，则描绘出降雨随时间变化的过程线。当浮子室内的水围的记录纸上作上下移动，则描绘出降雨随时间变化的过程线。当浮子室内的水面升到虹吸管的喉部时，浮子室内的雨水就通过虹吸管排出到储水瓶。同时，自面升到虹吸管的喉部时，浮子室内的雨水就通过虹吸管排出到储水瓶。同时，自记笔下降到起点，又随着雨水的增加而上升。记笔下降到起点，又随着雨水的增加而上升。自记雨量计能连续记录雨量随时间变化的累积过程，还可以从记录纸上摘录自记雨量计能连续记录雨量随时间变化的累积过程，还可以从记录纸上摘录不同时段的降雨强度。不同时段的降雨强度。9/26/2024382第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算累累计计降降雨雨量量mm降雨时间（降雨时间（min）降雨瞬间强度降雨瞬间强度降雨量累积曲线与瞬间降雨强度降雨量累积曲线与瞬间降雨强度9/26/2024383v1.2计算雨量的相关概念：降雨历时、暴雨强度（雨计算雨量的相关概念：降雨历时、暴雨强度（雨水管网设计基础）、暴雨强度重现期、汇水面积。水管网设计基础）、暴雨强度重现期、汇水面积。降雨强度习惯上采用符号降雨强度习惯上采用符号i表示，单位为表示，单位为mm/min或或mm/h。在。在工程上常采用单位时间单位面积上的降雨量工程上常采用单位时间单位面积上的降雨量q表示，它们之间表示，它们之间的换算关系如下所示：的换算关系如下所示：第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算9/26/202438440801203060900降雨强度mm/h降雨历时min2年3年5年10年30年50年降雨强度、降雨历时与降雨重现期之间关系降雨强度、降雨历时与降雨重现期之间关系9/26/2024385我国室外排水设计规范规定采用下式进行暴雨强度的计算。我国室外排水设计规范规定采用下式进行暴雨强度的计算。根据上图所描述的降雨强度、降雨历时与降雨重现期之间根据上图所描述的降雨强度、降雨历时与降雨重现期之间的关系可进行回归分析，得出公式中的相关参数。的关系可进行回归分析，得出公式中的相关参数。下表即为我国部分城市的相关参数值。下表即为我国部分城市的相关参数值。9/26/2024386序号城市暴雨强度公式参数资料年数A1Cbn1北京10.622 8.8427.8570.679402上海17.812 14.668 10.472 0.796413天津49.586 39.846 25.334 1.012154南京16.962 11.914 13.228 0.775405杭州10.600 7.7366.4030.686156广州11.163 6.6465.0330.625107成都20.154 13.371 18.768 0.784178昆明8.9186.13310.247 0.649169西安37.603 50.124 30.177 1.0771910哈尔滨 17.932 17.036 11.770 0.880349/26/2024387v1.3与雨水管网设计流量相关的概念：地面径与雨水管网设计流量相关的概念：地面径流与径流系数、断面集水时间与折减系数。流与径流系数、断面集水时间与折减系数。雨水径流量雨水径流量降雨强度降雨强度降雨强度与雨水径流量之关系降雨强度与雨水径流量之关系9/26/2024388v2雨水管网设计流量计算雨水管网设计流量计算径流量按照下式进行计算：径流量按照下式进行计算：相应于集水时间的暴雨强度公式如下：相应于集水时间的暴雨强度公式如下：则每一管段的设计流量计算公式如下：则每一管段的设计流量计算公式如下：9/26/2024389采用设计流量公式进行管段流量计算采用设计流量公式进行管段流量计算AB123451234569/26/2024390针对上述设计管段中所采用的集水时间计算（集水时间决定相针对上述设计管段中所采用的集水时间计算（集水时间决定相应的管段设计暴雨强度，也就决定了管段的设计流量）。计算应的管段设计暴雨强度，也就决定了管段的设计流量）。计算方法见下表。方法见下表。在上图中，管段在上图中，管段6集水时间的确定为最重要问题；其他管段不集水时间的确定为最重要问题；其他管段不存在时间选择问题。存在时间选择问题。编号12345集水时间t1t1+L1/v1t1+L1/v1+L2/v2t1t1+L4/v4那么，管段那么，管段6 6的集水时间如何计算呢？的集水时间如何计算呢？9/26/2024391v上例只为说明一个问题，上例只为说明一个问题，对于某一设计管段对于某一设计管段而言集水时间选择最大值。而言集水时间选择最大值。v有支路存在时，需要进行设计集水时间的比有支路存在时，需要进行设计集水时间的比较选择，确定最远支路雨水流动所需要的时较选择，确定最远支路雨水流动所需要的时间。间。9/26/2024392关于推理公式关于推理公式v1.原理：原理：v假定管渠中水流为假定管渠中水流为均匀流均匀流，求得水流在管道，求得水流在管道中的中的流动时间流动时间；再假定雨水在地面的水流流；再假定雨水在地面的水流流速等于管渠中的水流流速，降雨历时等于地速等于管渠中的水流流速，降雨历时等于地面集水时间，由暴雨公式求得下一管段的最面集水时间，由暴雨公式求得下一管段的最大设计流量。选择一可行管径作为设计管径，大设计流量。选择一可行管径作为设计管径，由水力公式求得所需的水力坡度由水力公式求得所需的水力坡度9/26/2024393关于推理公式关于推理公式v2.缺点缺点v没有考虑降雨的空间变化。没有考虑降雨的空间变化。v理论上作了过分简单的假设。理论上作了过分简单的假设。v只能计算洪峰流量，无法推求完整的径流过程。只能计算洪峰流量，无法推求完整的径流过程。v将直接来自设计暴雨的设计重现期，转化成排水管将直接来自设计暴雨的设计重现期，转化成排水管渠的设计重现期，这一假设并没有被充分证实。渠的设计重现期，这一假设并没有被充分证实。v不能满足对雨水径流水质方面的计算要求。不能满足对雨水径流水质方面的计算要求。李树平刘遂庆李树平刘遂庆中国环境工程技术中心中国环境工程技术中心2005.119/26/2024394管道中雨水的流态管道中雨水的流态v非恒定流非恒定流v突涨突落突涨突落v引起计算降雨历时的计算有较大偏差。引起计算降雨历时的计算有较大偏差。9/26/2024395雨水管网的设计雨水管网的设计v划分排水流域与管道定线；划分排水流域与管道定线；v划分设计管段与沿线汇水面积；划分设计管段与沿线汇水面积；v确定设计基本数据；确定设计基本数据；v确定管段最小埋深；确定管段最小埋深；v设计流量计算；设计流量计算；v水力计算（管径、坡度、流速与埋深）；水力计算（管径、坡度、流速与埋深）；v绘制管道平面布置图以及纵剖面图。绘制管道平面布置图以及纵剖面图。9/26/2024396设计参数设计参数v1.设计充满度设计充满度v2.设计流速设计流速v3.最小坡度最小坡度v4.最小管径最小管径9/26/2024397设计例题12345管网布置图（已知）管网布置图（已知）12349/26/2024398思路分析v本题已经给定设计暴雨强度公式；可直接本题已经给定设计暴雨强度公式；可直接根据各管段汇水面积与集水时间进行设计根据各管段汇水面积与集水时间进行设计流量计算。流量计算。v由于采用满管流进行设计，可如同给水管由于采用满管流进行设计，可如同给水管相同；在选定设计流速的情况下直接进行相同；在选定设计流速的情况下直接进行管径的计算；给定相应的水力坡度，根据管径的计算；给定相应的水力坡度，根据地面标高确定管道埋深。（此题无此内容；地面标高确定管道埋深。（此题无此内容；若给出地形图可进行计算）若给出地形图可进行计算）9/26/2024399暴雨强度公式所采用的单位进行统一计算：暴雨强度公式所采用的单位进行统一计算：各管段集水时间的计算：各管段集水时间的计算：管段管段1-2：t=t1=10min；管段管段2-3：t=t1+L1/v1=10+2=12min；管段管段4-3：t=t1=10min；管段管段3-5：由：由4节点到节点到3节点所需时间为节点所需时间为10+200/0.85*60=13.92min由由1节点流到节点流到3节点共需时间为节点共需时间为12+130/1.2*60=13.81min；比较上述集水时间，选择大者为比较上述集水时间，选择大者为13.92min。9/26/2024400v分别计算各管段汇水面积分别计算各管段汇水面积v管段管段1-2：1区为区为2.3；v管段管段2-3：1、2区为区为2.3+2.1=4.4；v管段管段4-3：3区为区为2.42；v管段管段3-5：1、2、3、4区为区为4.4+2.42+2.2=9.02v根据汇水面积、径流系数、集水时间计算根据汇水面积、径流系数、集水时间计算各管段设计流量。各管段设计流量。9/26/2024401相关问题v为什么雨水管道设计流量在无确定管径为什么雨水管道设计流量在无确定管径之前之前无法确定？无法确定？v你认为雨水管道推理公式你认为雨水管道推理公式有无有无设计缺陷？采设计缺陷？采用这种方式对管段设计流量大小有无影响？用这种方式对管段设计流量大小有无影响？v为什么雨水管网设计为什么雨水管网设计充满度可按照充满度可按照1进行设计进行设计而污水管网不能采用这种考虑方式？而污水管网不能采用这种考虑方式？9/26/2024402设计计算中应注意的问题设计计算中应注意的问题v1单位单位：暴雨强度公式单位、设计集水时间单位、：暴雨强度公式单位、设计集水时间单位、汇水面积单位、设计流量单位。汇水面积单位、设计流量单位。v2.排水方式排水方式：可就近根据地形排放水体，不一定都：可就近根据地形排放水体，不一定都要收集到一处进行排放。要收集到一处进行排放。v3.设计计算步骤设计计算步骤：首先确定排水区域的划分分别计：首先确定排水区域的划分分别计算每一管段的汇水面积、再确定每一设计管段的集算每一管段的汇水面积、再确定每一设计管段的集水时间、最后才能计算管段设计流量；根据设计流水时间、最后才能计算管段设计流量；根据设计流量和选定的流速确定管径（按照均匀流、充满度为量和选定的流速确定管径（按照均匀流、充满度为1计算），选定市售标准管径，核算最终实际流速，计算），选定市售标准管径，核算最终实际流速，计算实际集水时间，计算管段设计流量。计算实际集水时间，计算管段设计流量。v4.上述步骤针对管网设计而言，若计算题时，根据上述步骤针对管网设计而言，若计算题时，根据给定条件直接进行计算。给定条件直接进行计算。9/26/2024403设计实例v采用P225的地形图与街坊面积（即可认为汇水面积）。v已知本区位于上海市某郊区，地形图已知，各街坊道路长度已在图中标出。已知河流常水位为37m，洪水期水位为41m（50年一遇），地面综合径流系数为0.65；请设计雨水管网（要求采用分流制）和设计相应的排水方式。9/26/2024404123456789101112139/26/2024405设计思路分析v首先根据设计城市所处的位置确定设计暴雨首先根据设计城市所处的位置确定设计暴雨强度公式；确定设计重现期。强度公式；确定设计重现期。v需要根据地形情况进行管线布置；确定每一需要根据地形情况进行管线布置；确定每一管段的汇流面积（即进行排水区域的划分）；管段的汇流面积（即进行排水区域的划分）；确定管段水流流速，根据长度确定管段的集确定管段水流流速，根据长度确定管段的集水时间。水时间。v计算每一管段设计流量，确定埋深。计算每一管段设计流量，确定埋深。v绘制剖面图与平面布置图。绘制剖面图与平面布置图。9/26/20244061.设计暴雨强度公式的选择v由于设计区域位于上海市某郊区，可采用上由于设计区域位于上海市某郊区，可采用上海市的设计暴雨强度公式：海市的设计暴雨强度公式：9/26/20244072.设计重现期的选择v设计重现期可根据实际情况进行确定；而且设计重现期可根据实际情况进行确定；而且确定的时间不同对设计流量有很大的影响。确定的时间不同对设计流量有很大的影响。v比如设计重现期以比如设计重现期以0.5a，1a，1.5a，2a，甚，甚至至10a进行计算。进行计算。9/26/20244083.管网定线管网定线123456789101112139/26/202440912345678910111213管段的划分、编号管段的划分、编号1234567891011111213141516171819202122232425262728299/26/202441012345678910111213排水区域的划分排水区域的划分1234567891011111213141516171819202122232425262728299/26/2024411各管段汇水面积的计算各管段汇水面积的计算各汇水面积径流系数的选择各汇水面积径流系数的选择各管段流速的确定各管段流速的确定各管段设计流量的计算各管段设计流量的计算各管段管径与坡度的选取各管段管径与坡度的选取各管段起点与终点埋深的计算各管段起点与终点埋深的计算各管段断面图的绘制各管段断面图的绘制9/26/2024412第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算v合流制管网设计与计算合流制管网设计与计算v合流制可能出现的问题：晴天时水量较小使合流制可能出现的问题：晴天时水量较小使得流速小，会产生污物的得流速小，会产生污物的沉积沉积；雨天时流量；雨天时流量较大，污物被冲刷，引起污染物质含量较高，较大，污物被冲刷，引起污染物质含量较高，产生产生溢流溢流时对环境污染较大。时对环境污染较大。v合流制管网，设计生活污水量和设计工业废合流制管网，设计生活污水量和设计工业废水量叫做水量叫做旱流污水量旱流污水量。9/26/2024413第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算v截流倍数截流倍数n0：溢流井刚好达到溢流状态时，：溢流井刚好达到溢流状态时，管道中雨水量与污水量的比值。管道中雨水量与污水量的比值。vn0越大，越能保护环境；但管径明显增加，越大，越能保护环境；但管径明显增加，管道利用率降低。取值一般在管道利用率降低。取值一般在2.6-4.5之间。之间。vn0值是针对每一个管段而言。值是针对每一个管段而言。9/26/2024414第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算v某一溢流井下游管段设计流量某一溢流井下游管段设计流量9/26/2024415第十章第十章 雨水管网设计与计算雨水管网设计与计算v设计特点设计特点:v合流制管道设计一般按照合流制管道设计一般按照满管流满管流计算。计算。9/26/2024416问题问题v合流制雨水管网溢流井上、下游管道的设计合流制雨水管网溢流井上、下游管道的设计流量计算有何不同？流量计算有何不同？9/26/2024417城市排水设施改造工程的两个问题城市排水设施改造工程的两个问题v关于合流制：关于合流制：v很多城市污水厂设计中采用了不设初级处理很多城市污水厂设计中采用了不设初级处理装置的流程，如果污水厂出水的受纳水体与装置的流程，如果污水厂出水的受纳水体与城区的水体同属一个水体，而上下游的纳污城区的水体同属一个水体，而上下游的纳污容量差别不大时，那么何必要将水量经过长容量差别不大时，那么何必要将水量经过长距离管道输至下游才溢出呢距离管道输至下游才溢出呢?9/26/2024418城市排水设施改造工程的两个问题城市排水设施改造工程的两个问题v关于雨水管设计关于雨水管设计v以前以前按一年重现期按一年重现期标准埋设的雨水管似乎不够用了；标准埋设的雨水管似乎不够用了；主要原因是主要原因是由于城市化产生的水文影响由于城市化产生的水文影响。v发生溢流造成污染的原因之一是发生溢流造成污染的原因之一是入渗的减少和径流入渗的减少和径流的增加的增加。v同时城市的发展同时城市的发展也减少了径流的汇流时间，增大了也减少了径流的汇流时间，增大了高峰径流量。高峰径流量。v我们使用前几十年制定的降雨水量，并以此来敷设我们使用前几十年制定的降雨水量，并以此来敷设雨水管网，没有考虑到城市化进程加快引起的水文雨水管网，没有考虑到城市化进程加快引起的水文等变化，这样就达不到所需的排水标准。等变化，这样就达不到所需的排水标准。9/26/2024419管材管材v钢管钢管v铸铁管铸铁管（价格低（价格低）v预应力混凝土管预应力混凝土管（体积重量大、运输安装不（体积重量大、运输安装不方便）方便）v预应力钢筒混凝土管预应力钢筒混凝土管（应用前景广阔（应用前景广阔）v玻璃纤维增强热固树脂夹砂管玻璃纤维增强热固树脂夹砂管（壁薄，为柔（壁薄，为柔性管道，对基础与回填要求较高）。性管道，对基础与回填要求较高）。9/26/2024420球墨铸铁管球墨铸铁管 抗拉强度、耐压性能与钢管相当；抗拉强度、耐压性能与钢管相当；延伸率提高，具有良好的韧性。延伸率提高，具有良好的韧性。在抗震能力上效果显著，使用年在抗震能力上效果显著，使用年限也显著延长，长达限也显著延长，长达50-70年；年；重量轻。重量轻。9/26/2024421承口清理，特别是放橡胶圈的位承口清理，特别是放橡胶圈的位置要清理干净。置要清理干净。 插口清理并涂润滑剂插口清理并涂润滑剂 放橡胶圈入承口放橡胶圈入承口连接管子连接管子 9/26/2024422连接方式连接方式v钢管的连接方式都有钢管的连接方式都有螺纹螺纹,焊接焊接,法兰法兰,沟槽卡沟槽卡箍箍vPP-R管：管：PP-R管为管为聚丙烯聚丙烯（PP）管改性管改性后后的共聚聚丙烯给水管，其用于系统的工作压的共聚聚丙烯给水管，其用于系统的工作压力不大于力不大于0.6MPA，工作温度不大于摄氏，工作温度不大于摄氏70度度的场合。的场合。PP-R管的连接方式采用管的连接方式采用热熔连接或热熔连接或电熔连接电熔连接。9/26/20244239/26/20244249/26/20244259/26/2024426顺水三通顺水三通变径三通变径三通9/26/2024427管箍管箍变径管箍变径管箍9/26/2024428检查口检查口顺水四通顺水四通9/26/202442945度弯头度弯头P型存水弯型存水弯9/26/2024430S型存水弯型存水弯斜三通斜三通9/26/2024431地漏地漏90度弯头度弯头9/26/2024432多功能多功能水泵控制阀水泵控制阀是安装在高层建筑给水系统以及其他给水系统的水泵出口是安装在高层建筑给水系统以及其他给水系统的水泵出口处，处，防止介质倒流、水锤及水击防止介质倒流、水锤及水击现象的智能型阀门。该阀兼具电动阀、逆止闪现象的智能型阀门。该阀兼具电动阀、逆止闪和水锤消除器三种功能，可有效地提高供水系统的安全可靠性。并将缓开、速和水锤消除器三种功能，可有效地提高供水系统的安全可靠性。并将缓开、速闭、纤闭消除水锤的技术原理一体化，防止开泵水锤和停泵水锤的产生。只需闭、纤闭消除水锤的技术原理一体化，防止开泵水锤和停泵水锤的产生。只需操作水泵电机启闭按扭，阀门即可按照水泵操作规程自动实现启闭，流量大、操作水泵电机启闭按扭，阀门即可按照水泵操作规程自动实现启闭，流量大、压力损失小，隔膜式适用于压力损失小，隔膜式适用于600口径以下的阀门。口径以下的阀门。9/26/2024433LZB/LZJ系列玻璃转子流量计广泛应用于化工、石油、轻工、医药、化肥、食品及系列玻璃转子流量计广泛应用于化工、石油、轻工、医药、化肥、食品及计量测试、科学研究等部门，测量单相非脉动流体（气体或液体）的流量。计量测试、科学研究等部门，测量单相非脉动流体（气体或液体）的流量。9/26/2024434电磁流量计适用于测量电导率大于电磁流量计适用于测量电导率大于5s/cm导电液体的体积流量，可广泛应用于石油、导电液体的体积流量，可广泛应用于石油、化工、冶金、自来水等领域的源水、净水、污水及其它导电液体的流量计量。化工、冶金、自来水等领域的源水、净水、污水及其它导电液体的流量计量。9/26/20244359/26/2024436管网系统水的漏损管网系统水的漏损v供水管网普遍存在严重老化、严重漏水问题，很多供水管网普遍存在严重老化、严重漏水问题，很多管线使用超过管线使用超过50年。年。v由于自来水管网的年久老化，目前的输水损失率高由于自来水管网的年久老化，目前的输水损失率高达达15-20%。v建设部提供的资料表明，根据对全国建设部提供的资料表明，根据对全国408个城市的个城市的统计，统计，2002年全国城市公共供水系统（自来水）的年全国城市公共供水系统（自来水）的管网漏损率平均达管网漏损率平均达21.5%；按照这一漏损率推算，；按照这一漏损率推算，全国城市供水每年全国城市供水每年损失近损失近100亿立方米亿立方米，相当于，相当于北北京市京市2002年城市用水总量的年城市用水总量的13倍倍；而新加坡自来水；而新加坡自来水管网的输水损失率仅管网的输水损失率仅6%左右，日本大阪自来水管网左右，日本大阪自来水管网系统的输水损失率也只有系统的输水损失率也只有7%。v漏失水量堪比南水北调中线调水总量？！漏失水量堪比南水北调中线调水总量？！9/26/2024437管网系统水的漏损原因管网系统水的漏损原因v管理不力。管理不力。v管网陈旧。管网陈旧。v人为的浪费人为的浪费。v市政用水的浪费。市政用水的浪费。v资源费的廉价。资源费的廉价。9/26/2024438管网系统水质的问题管网系统水质的问题v合格甚至优质的出厂水输送到用户终端，水合格甚至优质的出厂水输送到用户终端，水质会发生怎样的变化呢？根据对国内质会发生怎样的变化呢？根据对国内45个城个城市（其中回函市（其中回函37个）调研函件结果（平均值）个）调研函件结果（平均值），管网水浊度，管网水浊度比出厂水增加比出厂水增加0.38NTU，色度色度增加增加0.45度度，铁增加铁增加0.04mg/L，锰增加锰增加0.02mg/L，细菌增加细菌增加18个个/mL，管网末端余，管网末端余氯下降到氯下降到0.015mg/L，大肠杆菌增加大肠杆菌增加0.4个个/L，水质总合格率平均，水质总合格率平均下降到下降到83.4%。v这样的水具有安全性吗？这样的水具有安全性吗？9/26/2024439管网系统水质降低的原因管网系统水质降低的原因v出厂水水质状况。出厂水水质状况。v输配水管网状况。禁止铸铁管作为给水管材输配水管网状况。禁止铸铁管作为给水管材使用。未作防腐处理的金属管道，当年限超使用。未作防腐处理的金属管道，当年限超过过5-10年时，污垢就已达到了恶化水质的程年时，污垢就已达到了恶化水质的程度；对于防腐处理较低差的金属管道，度；对于防腐处理较低差的金属管道，3-5年年就开始出现腐蚀现象。二次供水设施状况如就开始出现腐蚀现象。二次供水设施状况如蓄水池、高位水箱等卫生状况不甚理想。蓄水池、高位水箱等卫生状况不甚理想。v加氯消毒状况加氯消毒状况9/26/2024440应对管网系统水质降低的措施应对管网系统水质降低的措施v提高出厂水水质和稳定性，严格控制浊度超标。提高出厂水水质和稳定性，严格控制浊度超标。v更新或改造供水管道系统，深化管网管理。更新或改造供水管道系统，深化管网管理。v完善二次供水设施的设计与施工，加强管理。完善二次供水设施的设计与施工，加强管理。v合理加氯。使出厂水余氯呈氯胺状态，要考虑中合理加氯。使出厂水余氯呈氯胺状态，要考虑中途加氯；此外，当水中铁、锰含量高时，不宜用途加氯；此外，当水中铁、锰含量高时，不宜用氯消毒，氯消毒，以免其析出造成黑褐色水以免其析出造成黑褐色水，如北京市通，如北京市通州就出现过这种情况，因此也要逐步试验州就出现过这种情况，因此也要逐步试验推广新推广新型消毒剂型消毒剂。9/26/2024441讨论讨论v给水工艺中的絮凝剂的使用对水质有无影响呢？给水工艺中的絮凝剂的使用对水质有无影响呢？v研究表明研究表明铝离子铝离子在人体内的积累与老年人患呆滞在人体内的积累与老年人患呆滞症（阿尔查默氏症：症（阿尔查默氏症：AlzeheimersDisease）的）的病因有关。因此对铝盐型混凝剂是否可以继续再病因有关。因此对铝盐型混凝剂是否可以继续再使用提出疑问。由于在食品中，同样可以使人摄使用提出疑问。由于在食品中，同样可以使人摄入铝离子，而不单单是从饮水中获得。所以，目入铝离子，而不单单是从饮水中获得。所以，目前对这一问题没有定论。但有的水厂已在研究使前对这一问题没有定论。但有的水厂已在研究使用别的混凝剂代替。用别的混凝剂代替。9/26/2024442讨论讨论v给水工艺中的消毒剂的使用对水质有无影响呢？给水工艺中的消毒剂的使用对水质有无影响呢？v氯作为自来水传统工艺中的主要杀菌剂正成为水的新污染源。氯作为自来水传统工艺中的主要杀菌剂正成为水的新污染源。v其危害主要为：其危害主要为：氯的强氧化性破坏食物中的营养物质氯的强氧化性破坏食物中的营养物质，并阻碍人，并阻碍人体内平衡；体内平衡；氯与水中的酚类反应生氯酚氯与水中的酚类反应生氯酚，它有强烈的腥臭味；，它有强烈的腥臭味；氯氯与水中有机物反应生成三卤甲烷和三卤乙酸等致癌物与水中有机物反应生成三卤甲烷和三卤乙酸等致癌物，这些物质，这些物质属于属于“三致三致”性质。性质。v自来水经过管道送至用户，特别是屋顶水箱，存在着严重自来水经过管道送至用户，特别是屋顶水箱，存在着严重“二次二次污染污染”，这已为众所周知。我国科学家研究发现，高层住水箱中，这已为众所周知。我国科学家研究发现，高层住水箱中有有97种藻类生长繁殖，对居民饮水造成污染，有种藻类生长繁殖，对居民饮水造成污染，有15%的自来水超的自来水超过国家饮水标准；浙江省卫生防疫站对宁波市民用水的检测结果过国家饮水标准；浙江省卫生防疫站对宁波市民用水的检测结果表明，高层水箱二次供水水质色度合格率仅为表明，高层水箱二次供水水质色度合格率仅为8.3%，细菌总数合，细菌总数合格率仅为格率仅为58.3%。v自来水煮沸喝并不代表安全。煮沸自来水煮沸喝并不代表安全。煮沸无法去除重金属、砷化物、氰无法去除重金属、砷化物、氰化物、亚硝酸盐、有机污染物化物、亚硝酸盐、有机污染物（家药、杀虫剂、除虫剂、合洗涤（家药、杀虫剂、除虫剂、合洗涤剂）等有害物质；剂）等有害物质；9/26/2024443徐州市情况徐州市情况v2005年徐州市主城区人口将达到年徐州市主城区人口将达到135万人，万人，若人均综合用水量标准按江苏省指标下限若人均综合用水量标准按江苏省指标下限760L/人人.d测算，测算，2005年供水量将达到年供水量将达到102.6万万m3/d，而徐州市城区及附近地下水可采资，而徐州市城区及附近地下水可采资源量仅有约源量仅有约35万万m3/d，考虑动用一部分静贮，考虑动用一部分静贮量，一般也不宜超过量，一般也不宜超过40万万m3/d。v供水压力过大，而管网未扩建；部分管路超供水压力过大，而管网未扩建；部分管路超压供水。压供水。9/26/2024444刘湾地面水厂刘湾地面水厂v刘湾地面水厂设计能力刘湾地面水厂设计能力20万万m3/d。v受此影响，北取水口源水受此影响，北取水口源水CODMn在在7.0mg/L以上；以上；NH3-N最大值在最大值在3.51mg/L以上；色度最高达以上；色度最高达35度以上。南取水口度以上。南取水口受徐州北郊、贾汪区、铜山县等地工厂废水及生活污水影响，受徐州北郊、贾汪区、铜山县等地工厂废水及生活污水影响，CODMn最高达最高达20.9mg/L，NH3-N、色度含量均超过北取水、色度含量均超过北取水口。口。v该水厂源水主要来自微山湖的该水厂源水主要来自微山湖的湖西航道和江水北调时期的大湖西航道和江水北调时期的大运河运河。v地面水厂净水工艺需进行净水工艺技术改造。随着城市供水地面水厂净水工艺需进行净水工艺技术改造。随着城市供水量的增加，小口径管道需要调大口径，管网需要加密，实施量的增加，小口径管道需要调大口径，管网需要加密，实施分质供水的分区需要铺设相应的管道。分质供水的分区需要铺设相应的管道。9/26/2024445刘湾地面水厂刘湾地面水厂湖西航道取水口的水质检测统计见下表湖西航道取水口的水质检测统计见下表9/26/2024446项目 1998年 1999年 2000年 平均值 极大值 极小值 平均值 极大植 极小值 平均值 极大值 极小值 色度(度) 30.4601526.864513294715浊度(NTU) 29.7570.911.638.496.021.734.61607.71pH 8.078.2707.8358.068.3437.4368.088.4957.429铁(mg/L) 1.002.250.450.662.850.290.913.600.35氨氮(mg/L) 0.3132.40.120.392.80.020.6414.10.02亚硝酸盐 (mg/L) 0.160.270.0070.1070.340.0050.67.390.004耗氧量 (mg/L) 8.9317.064.785.5112.873.325.4913.662.259/26/2024447生物预处理粉末活性炭常规工艺生物活性炭滤池工艺生物预处理粉末活性炭常规工艺生物活性炭滤池工艺计划改造工艺如下：计划改造工艺如下：讨论其优缺点。讨论其优缺点。9/26/2024448我国供排水展望我国供排水展望v城市供水到城市供水到2002年底，全国城市供水综合生产能力：年底，全国城市供水综合生产能力：2.35亿亿立方米立方米/日，比日，比2001年增长了年增长了2.74，1996年至年至2002年平均年平均每年增加每年增加589.8万立方米，平均年增长率万立方米，平均年增长率2.75%。v供水管道总长度供水管道总长度31.26万公里，城市年供水总量万公里，城市年供水总量466.46亿立亿立方米，其中生产用水方米，其中生产用水208.56亿立方米，生活用水亿立方米，生活用水25790亿亿立方米，年售水总量立方米，年售水总量320.39亿立方米，城市用水普及率亿立方米，城市用水普及率77.85%，人均日生活用水量，人均日生活用水量213升。升。v城市供水投资情况城市供水投资情况1998年至年至2002年共完成固定资产投资年共完成固定资产投资790.5亿，相应增加日供水能力亿，相应增加日供水能力2654万立方米；增加供水管万立方米；增加供水管道道8.72万公里。万公里。9/26/2024449我国供排水展望我国供排水展望v城市排水到城市排水到2002年底，全国城市污水年排放量年底，全国城市污水年排放量337.59亿立方亿立方米米/年，排水管道总长度年，排水管道总长度17.30万公里，污水处理率万公里，污水处理率39.97，其中污水集中处理率其中污水集中处理率24.28，污水再生利用总量，污水再生利用总量21.22亿立亿立方米。全国有城市污水处理厂方米。全国有城市污水处理厂537座，处理能力座，处理能力357846万万立方米立方米/日（日（合合131亿立方米亿立方米/年年），其中二、三级处理厂），其中二、三级处理厂399座，处理能力座，处理能力2384.11万立方米万立方米/日，污水处理能力比日，污水处理能力比2001年增加了年增加了472万立方米万立方米/日。日。1996年至年至2002年污水处理年污水处理能力平均每年增加能力平均每年增加404万立方米日，平均年增长率为万立方米日，平均年增长率为20.77。v城市排水投资情况城市排水投资情况“九五九五”期间，是城市排水投资和设施能期间，是城市排水投资和设施能力增长最快的时期，排水包括污水处理累计投资达力增长最快的时期，排水包括污水处理累计投资达602.7亿亿元，新增城市污水集中处理厂元，新增城市污水集中处理厂286座，污水处理能力近座，污水处理能力近2000万立方米万立方米/日；处理率增长了日；处理率增长了146；新增排水管道；新增排水管道31万万公里。公里。20012002年固定资产投资年固定资产投资499亿元，与亿元，与2000年相年相比，污水处理率提高比，污水处理率提高5.72。9/26/2024450我国供排水展望我国供排水展望v到到2004年年底，全国共建成城市污水处理厂年年底，全国共建成城市污水处理厂708座，座，城市污水日处理能力达到城市污水日处理能力达到7387.24多万立方米，排多万立方米，排水管道长度水管道长度21.89万公里，污水处理率已达万公里，污水处理率已达46.67。v2004年全国污水排放总量大约为年全国污水排放总量大约为356亿立方米，但亿立方米，但一半以上的污水未经处理直接排放到水体中，造成一半以上的污水未经处理直接排放到水体中，造成城市水环境的严重恶化；二是城市污水处理设施总城市水环境的严重恶化；二是城市污水处理设施总量仍然不足。量仍然不足。661个城市中还有近一半的城市没有个城市中还有近一半的城市没有集中污水处理措施。集中污水处理措施。9/26/2024451管网系统总复习管网系统总复习v本复习过程由本教材的设置体系着手进行。本复习过程由本教材的设置体系着手进行。v本教材分为三大部分：给水管网，污水管网与本教材分为三大部分：给水管网，污水管网与雨水管网。在教材中利用绝大部分的篇幅进行雨水管网。在教材中利用绝大部分的篇幅进行给水管网设计的论述。污水与雨水管网相对给给水管网设计的论述。污水与雨水管网相对给水管网设计而言较简单。水管网设计而言较简单。v下面就给水管网的设计步骤进行总结。下面就给水管网的设计步骤进行总结。9/26/2024452给水管网给水管网v1.流量的计算流量的计算v此处涉及到此处涉及到变化系数变化系数的选择（计算城市总用水的选择（计算城市总用水量）；设计流量的分配（针对沿线流量不包括量）；设计流量的分配（针对沿线流量不包括集中流量）；从流量到管径的计算（确定设计集中流量）；从流量到管径的计算（确定设计流速）。（环流量为流速）。（环流量为0）v2.管段水头损失的计算管段水头损失的计算v采用的公式；以及等效管径的简化。（环能量采用的公式；以及等效管径的简化。（环能量为为0）v3.管网平差管网平差v对环方程进行平差和节点方程进行平差。对环方程进行平差和节点方程进行平差。9/26/2024453v4.管网校核管网校核v最大转输校核，消防校核，事故校核。最大转输校核，消防校核，事故校核。v5.泵站扬程以及调节容积计算泵站扬程以及调节容积计算v同型号以及不同型号水泵并联工况；泵站同型号以及不同型号水泵并联工况；泵站分级工作曲线。调节容积计算方法。分级工作曲线。调节容积计算方法。9/26/2024454给水管网设计优化给水管网设计优化v1.环状网管段设计流量的分配近似优化环状网管段设计流量的分配近似优化v所采用的模型。所采用的模型。v2.设计流量已知管网的优化设计流量已知管网的优化v分为两种情况：不设泵站（本部分重点在于虚流量的分为两种情况：不设泵站（本部分重点在于虚流量的概念，虚流量的作用），平差公式（水头增加值）；概念，虚流量的作用），平差公式（水头增加值）；设置泵站时，确定各管段是否需要设置及其扬程（本设置泵站时，确定各管段是否需要设置及其扬程（本部分涉及到设置泵站管段的虚流量计算）。部分涉及到设置泵站管段的虚流量计算）。v3.输水管线优化计算输水管线优化计算v压力输水管，重力输水管。压力输水管，重力输水管。v4.管径标准化管径标准化v界限管径的求解。界限管径的求解。9/26/2024455给水管网水质控制给水管网水质控制v主要为加氯消毒时，氯的衰减与水质的关系。主要为加氯消毒时，氯的衰减与水质的关系。9/26/2024456污水管网污水管网v1.设计流量计算设计流量计算v重点在于生活污水的设计流量的计算方法；管段设重点在于生活污水的设计流量的计算方法；管段设计流量对某一节点而言并不满足流量连续性方程。计流量对某一节点而言并不满足流量连续性方程。但平均时流量满足连续性方程。由沿线流量向节点但平均时流量满足连续性方程。由沿线流量向节点流量的转换；由节点流量到管段流量的转换。流量的转换；由节点流量到管段流量的转换。v2.管径的确定管径的确定v已知流量可直接采用管径选择图进行管径与最小坡已知流量可直接采用管径选择图进行管径与最小坡度的选择。度的选择。v3.管道衔接设计管道衔接设计v三种情况。三种情况。9/26/2024457v4.管段埋深的确定管段埋深的确定v已知管径，已确定衔接方式，已知坡度；已知管径，已确定衔接方式，已知坡度；可计算得管段充满度以及流速；在确定起可计算得管段充满度以及流速；在确定起点埋深的情况下可计算管段每一点的埋深。点埋深的情况下可计算管段每一点的埋深。9/26/2024458雨水管网雨水管网v1.排水区域的划分排水区域的划分v2.节点设置与管段节点设置与管段v3.管段设计流速的确定管段设计流速的确定v4.管段集水时间的计算管段集水时间的计算v5.水量的计算水量的计算v6.管径的确定管径的确定v7.设计坡度的选择设计坡度的选择v8.埋深的计算埋深的计算9/26/2024459给水、污水、雨水管网设计的异同给水、污水、雨水管网设计的异同v1.相同点相同点v布置位置与方式；水力工况工作点相同。三者在流布置位置与方式；水力工况工作点相同。三者在流态上均可采用重力流。考虑给水与雨水管网相同处态上均可采用重力流。考虑给水与雨水管网相同处在于充满度问题；考虑雨水与污水管网相同点在于在于充满度问题；考虑雨水与污水管网相同点在于流态上。流态上。v2.不同点不同点v节点划分方法不同。三者设计顺序不同；流量的计节点划分方法不同。三者设计顺序不同；流量的计算方法不同；沿线流量由节点流量转换成为管段流算方法不同；沿线流量由节点流量转换成为管段流量的方法不同。排水体制与方式不同。量的方法不同。排水体制与方式不同。9/26/2024460简述教材体系安排简述教材体系安排v分别讲述分别讲述v重点在于设计重点在于设计v突出了设计的不同点突出了设计的不同点9/26/2024461