给水排水管网Word格式文档下载.docx

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另一类工业废水在生产过程中受到严重污染，例如许多化工生产废水，含有很高浓度的污染物质，甚至含有大量有毒有害物质，必须给予严格的处理。

降水指雨水和冰雪融化水，雨水排水系统的主要目标是排除降水，防止地面积水和洪涝灾害。

在水资源缺乏的地区，降水应尽可能被收集和利用。

只有建立合理、经济和可靠的排水系统，才能达到保护环境、保护水资源、促进生产和保障人们生活和生产活动安全的目的。

给水排水系统的功能和组成如图1．1所示。

　　给水排水系统应具有以下三项主要功能：

　　1）水量保障。

向人们指定的用水地点及时可靠地提供满足用户需求的用水量，将用户排出的废水（包括生活污水和生产废水）和雨水及时可靠地收集并输送到指定地点。

　　2）水质保障。

向指定用水地点和用户供给符合质量要求的水及按有关水质标准将废水排入受体。

包括三个方面：

采用合适的给水处理措施使供水（包括水的循环利用）水质达到或超过人们用水所要求的质量，通过设计和运行管理中的物理和化学等手段控制贮水和输配水过程中的水质变化；

采用合适的排水处理措施使废水水质达到排放要求，保护环境不受污染。

　　3）水压保障。

为用户的用水提供符合标准的用水压力，使用户在任何时间都

第2章给水排水管网工程规划

　　2．1给水排水工程规划原则和工作程序

　　给水排水系统规划是城市总体规划工作的重要组成部分，是对水源、供水系统、排水系统的综合优化功能和工程布局进行的专项规划，是城市专业功能规划的重要内容。

在城市规划工作中，称为给水排水工程规划。

给水排水工程规划必须与城市总体规划相协调，规划内容和深度应与城市规划的步骤相一致，充分体现城市规划和建设的合理性、科学性和可实施性。

在给水排水工程规划中，又被划分为给水工程专项规划和排水工程专项规划。

　　给水排水工程规划包括给水水源规划、给水处理厂规划、给水管网规划、排水管网规划、排水处理厂规划和废水排放与利用规划等内容，规划工作的任务是：

　　1）确定给水排水系统的服务范围与建设规模；

　　2）确定水资源综合利用与保护措施；

　　3）确定系统的组成与体系结构；

　　4）确定给水排水主要构筑物的位置；

　　5）确定给水排水处理的工艺流程与水质保证措施；

　　6）给水排水管网规划和干管布置与定线；

　　7）确定废水的处置方案及其环境影响评价；

　　8）给水排水工程规划的技术经济比较，包括经济、环境和社会效益分析。

　　给水排水工程规划应以规划文本和说明书的形式进行表达。

规划文本应阐述规划编制的依据和原则，确定近远期的用水与排水量计算依据和方法，以及对规划内容的分项说明。

规划文本应有必要的附图，使规划的内容和方案更加直观、易读。

　　与城市规划步骤一样，给水排水工程规划应从城市总体规划到详细实施方案进行综合考虑，分区、分级进行规划，规划内容应逐级展开和细化，而且应该按近期和远期分别进行。

一般近期按5—10年进行规划，远期按10～20年进行规划。

　　2．1．1给水排水工程规划原则

（1）贯彻执行国家和地方的相关政策和法规

　　国家及地方政府颁布的《城市规划法》、《环境保护法》、《水污染防治法》、

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《海洋环境保护法》、《水法》、《城市供水条例》、《城市排水条例》等法律和法规以及《城市给水工程规划规范》、《饮用水水源保护区污染防治管理规定》、《城市地下水开发利用保护管理规定》、《生活饮用水水源水质标准》、《生活饮用水卫生标准》、《防洪标准》等国家标准与设计规范，是城市规划和建设的指导方针，在进行给水排水工程规划时，必须认真贯彻执行。

（2）城镇及工业企业规划时应兼顾给水排水工程

　　在进行城镇及工业企业规划时应考虑水源条件，在水源缺乏的地区，不宜盲目扩大城市规模，也不应设置用水量大的工厂。

用水量大的工业企业一般应设在水源较为充沛的地方。

　　对于采用统一给水系统的城镇，一般在给水厂站附近或地形较低处的建筑层次可以规划得较高些，在远离水厂或地形高处的建筑层次则宜低些。

对于工业企业生产用水量占供水量比例较大的城镇应把同一性质的工业企业适当集中，或者把能复用水的工业企业规划在一起，以便就近统一供应同一水质的水和近距离输送复用，或便于将相近性质的废水集中处理。

　　（3）给水排水工程规划要服从城镇发展规划

　　城镇及工业区总体规划中的设计规模、设计年限、功能分区布局、城镇人口的发展、居住区的建筑层数和标准以及相应的水量、水质、水压资料等，是给水排水系统规划的主要依据。

　　当地农业灌溉、航运、水利和防洪等设施和规划等是水源和排水出路选择的重要影响因素；

城市和工业企业的道路规划、地下设施规划、竖向规划、人防工程规划、防洪工程规划等单项工程规划对给水排水工程的规划设计都有影响，要从全局出发，合理安排，构成城市建设的有机整体。

　　（4）合理确定远近期规划与建设范围

　　给水排水工程一般可按远期规划，而按近期进行设计和分期建设。

例如，近期给水先建一个水源、一条输水管以及树枝状配水管网，远期再逐步发展成多水源、多输水管和环状配水管网；

地表水取水构筑物及取水泵房等土建工程如采用分期施工并不经济，故土建工程可按远期规模一次建成，但其内部设备则应按近期所需进行安装，投入使用后再分期安装或扩大，在环境容量许可的前提下，排水管网近期可以就近排入水体，远期可采用截流式合流排水体制并输送到排水处理厂处理，或近期先建污水与雨水合流排水管网，远期另建污水管网和污水处理厂，实现分流排水体制，排水主干管（渠）一般应按远期设计和建设更经济；

给水和排水的调节水池并不会随远期供水或排水量同步增大，因为远期水量变化往往较小，如经计算远期水池调节容积增加不多，则可按远期设计和建设。

　　（5）要合理利用水资源和保护环境

　　给水水源有地表水源和地下水源，在选择前必须对所在地区水资源状况进行

第3章给水排水管网水力学基础

　　3．1给水排水管网水流特征

　　3．1．1流态特征

　　水的流动有层流、紊流及介于两者之间的过渡流三种流态，不同流态下的水流阻力特性不同，在水力计算前要先进行流态判别。

流态采用雷诺数Re表示，当Re小于2000时，一般为层流，当Re大于4000时，一般为紊流，当Re介于2000到4000之间时，水流状态不稳定，属于过渡流态。

　　但是，在对给水排水管网进行水力计算时均按紊流考虑，因为绝大多数情况下管渠里水流确实处于紊流流态。

以圆管满流为例，给水排水管网中管道流速一般在0．5—2．5m／s之间，管径一般在0．1—1．0m之间，水温一般在5～25℃之间，水的动力粘度系数在1．52—0．89X10^-6m^2/s之间。

经计算得水流雷诺数一般约在33000～2800000之间，显然处于紊流状态。

对于排水管网中常用的非满管流和非圆管流，情况也大致如此。

　　紊流流态又分为三个阻力特征区：

阻力平方区（又称粗糙管区）、过渡区及水力光滑管区。

在阻力平方区，管渠水头损失与流速平方成正比，在水力光滑管区，管渠水头损失约与流速的1．75次方成正比，而在过渡区，管渠水头损失与流速的1．75—2．0次方成正比。

紊流三个阻力区的划分，需要使用水力学的层流底层理论进行判别，主要与管径（或水力半径）及管壁粗糙度有关。

在给水排水管网中，常用管道材料的直径与粗糙度范围内，经计算，阻力平方区与过渡区的流速界限在0．6～1．5m／s之间，过渡区与光滑区的流速界限则在0．1m／s以下。

由于给水排水管网中的管渠流速一般在0．5—2．5m／s之间，水流均处于紊流过渡区和阻力平方区，不会到达紊流光滑管区。

当管壁较粗糙或管径较大时，水流多处于阻力平方区。

当管壁较光滑或管径较小时，水流多处于紊流过渡区。

　　3．1．2恒定流与非恒定流

　　由于用水量和排水量的经常性变化，给水排水管网中的水流均处于非恒定流状态，特别是雨水排水及合流制排水管网中，流量骤涨骤落，水力因素随时间快速变化，属于显著的非恒定流。

但是，非恒定流的水力计算特别复杂，在设计时，

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一般也只能按恒定流（又称稳定流）计算。

　　近年来，由于计算机技术的发展与普及，国内外已经有人开始研究和采用非恒定流计算给水排水管网，而且得到厂更接近实际的结果。

　　3．1．3均匀流与非均匀流

　　从总体上看，给水排水管网中的水流不但多为非恒定流，且常为非均匀流，即水流参数往往随时间和空间变化。

特别是排水管网的明渠流或非满管流，通常都是非均匀流。

　　对于满管流动，如果管道截面在一段距离内不变且不发生转弯，则管内流动为均匀流；

而当管道在局部分叉、转弯与变截面时，管内流动为非均匀流。

均匀流的管道对水流阻力沿程不变，水流的水头损失可以采用沿程水头损失公式计算；

满管流的非均匀流动距离一般较短，采用局部水头损失公式计算。

　　对于非满管流或渠流，只要长距离截面不变，也可以近似为均匀流，按沿程水头损失公式进行水力计算，对于短距离或特殊情况下的非均匀流动则运用水力学理论按缓流或急流计算，或者用计算机模拟。

　　3．1．4压力流与重力流

　　压力流输水通过封闭的管道进行，水流阻力主要依靠水的压能克服，阻力大小只与管道内壁粗糙程度、管道长度和流速有关，与管道埋设深度和坡度等无关。

重力流输水通过管道或渠道进行，管渠中水面与大气相通，且水流常常不充满管渠，水流的阻力主要依靠水的位能克服，形成水面沿水流方向降低，称为水力坡降。

重力流输水时，要求管渠的埋设高程随着水流水力坡度下降。

　　给水排水管网根据需要和条件，可以采取压力流输水或重力流输水两种方式。

给水管网基本上采用压力流输水方式，而排水管网多采用重力流输水方式。

但是，在给水长距离输水时，当地形条件允许时也可以采用重力流输水以降低输水成本。

对于排水管网，泵站出水管和过河倒虹管均为压力流，排水管道的实际过流超过设计能力时也会形成压力流。

　　从水流断面形式看，由于圆管的水力条件和结构性能好，在给水排水管网中采用最多，特别是压力流输水基本上采用圆管。

圆管也用于重力流输水，在埋于地下时，圆管能很好地承受土壤的压力。

除圆管外，明渠或暗渠一般只能用于重力流输水，其断面形状有多种，以梯形和矩形居多。

　　3．1．5水流的水头与水头损失

　　水头是指单位重量的流体所具有的机械能，一般用符号h或H表示，常用单位为米水柱（mH2O），简写为米（m）。

水头分为位置水头、压力水头和流速水头

　第4章给水排水管网模型

　　4．1给水排水管网的模型化

　　给水排水管网是一类大规模且复杂多变的网络系统，为便于规划、设计和运行管理，应将其简化和抽象为便于用图形和数据表达和分析的系统，称为给水排水管网模型。

给水排水管网模型主要表达系统中各组成部分的拓扑关系和水力特性，将管网简化和抽象为管段和节点两类元素，并赋予工程属性，以便用水力学、图论和数学分析理论等进行表达和分析计算。

　　所谓简化，就是从实际系统中去掉一些比较次要的给水排水设施，使分析和计算集中于主要对象；

所谓抽象，就是忽略所分析和处理对象的一些具体特征，而将它们视为模型中的元素，只考虑它们的拓扑关系和水力特性。

　　给水排水管网的简化包括管线的简化和附属设施的简化，根据简化的目的不同，简化的步骤、内容和结果也不完全相同。

本节介绍简化的一般原则与方法。

　　4．1．1给水排水管网的简化

（1）简化原则

　　将给水排水管网简化为管网模型，把工程实际转化为数学问题，最终结果还要应用到实际的系统中去。

要保证最终应用具有科学性和准确性，简化必须满足下列原则：

　　1）宏观等效原则。

即对给水排水管网某些局部简化以后，要保持其功能，各元素之间的关系不变。

　　宏观等效的原则也是相对的，要根据应用的要求与目的不同来灵活掌握。

例如，当你的目标是确定水塔高度或泵站扬程时，两条并联的输水管可以简化为一条管道，但当你的目标是设计出输水管的直径时，就不能将其简化为一条管道了。

　　2）小误差原则。

简化必然带来模型与实际系统的误差，但只要将误差控制在一定范围，就是允许的。

简化的允许误差也应灵活具体地掌握，一般要满足工程上的要求。

（2）管线简化的一般方法

　　管线的简化主要有以下措施：

　　1）删除次要管线（如管径较小的支管、配水管、出户管等），保留主干管线

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和干管线。

次要管线、干管线和主干管线的确定也是相对的，当系统规模小或计算精度要求高时，可以将较小管径的管线定为干管线，当系统规模大或计算精度要求低时，可以将较大管径的管线定为次要管线。

另外，当计算工具先进，如采用计算机进行计算时，可以将更多的管线定为干管线。

干管线定得越多，则计算工作量越大，但计算结果越精确，反之，干管越少，计算越简单，计算误差也越大。

　　2）当管线交叉点很近时，可以将其合并为同一交叉点。

相近交叉点合并后可以减少管线的数目，使系统简化。

特别对于给水管网，为了施工便利和减小水流阻力，管线交叉处往往用两个三通代替四通（实际工程中很少使用四通），不必将两个三通认为是两个交叉点，仍应简化为四通交叉点。

　　3）将全开的阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断。

所以，全开和全闭的阀门都不必在简化的系统中出现。

只有调节阀、减压阀等需要给予保留。

　　4）如管线包含不同的管材和规格，应采用水力等效原则将其等效为单一管材和规格，见第3章。

　　5）并联的管线可以简化为单管线，其直径采用水力等效原则计算，见第3章。

　　6）在可能的情况下，将大系统拆分为多个小系统，分别进行分析计算。

　　如图4．1（d）所示给水管网，简化后如图4．1（A）所示。

　　（3）附属设施简化的一般方法

　　给水排水管网的附属设施包括泵站、调节构筑物（水池、水塔等）、消火栓、减压阀、跌水井、雨水口、检查井等，均可进行简化。

具体措施包括：

　　1）删除不影响全局水力特性的设施，如全开的闸阀、排气阀、泄水阀、消火栓、检查井等。

　　2）将同一处的多个相同设施合并，如同一处的多个水量调节设施（清水池、水塔、均和调节池等）合并，并联或串联工作的水泵或泵站合并等。

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　第5章给水管网水力分析

　　5．1给水管网水力分析基础

　　给水管网中有两类基本水力要素：

流量与水头，包括管段流量、管段压降、节点流量、节点水头等。

它们之间的关系反映了给水管网的水力特性。

当给水管网各管段特性已知且处于恒定流状态时，流量与水头两类要素的关系由恒定流方程组确定。

在这种情况下，只要适当地给山部分流量和水头值，其他流量与水头值可以由恒定流方程组解出。

　　在恒定流状态下，水力分析的数学含义就是解恒定流方程组，水力分析的工程意义就是已知给水管网部分水力参数，求其余水力参数。

给水管网水力分析是解决给水管网设计、调度和管理等各种应用问题的理论基础。

本节分析恒定流基本方程组的求解特点，为简化求解，对恒定流基本方程组进行线性变换和代入变换，得出新的形式。

　　5．1．1给水管网水力分析的前提

　　给水管网水力分析的前提就是要使恒定流基本方程组可解，具体分析如下。

（1）必须已知各管段的水力特性

　　给水管网水力分析的首要前提就是必须已知各管段的水力特性，否则，流量与水头之间的关系不确定，无法进行水力分析。

所谓管段的水力特性，即管段流量与水头之间的关系，可以表示为：

　　hi＝siqi|qi|^n-1－hei　　i＝1，2，3，…，M　　（5．1）

式中hi——管段压降，即水流通过该管段产生的能量损失，或认为是测压管水头

　　降低量，m；

　　qi——管段流量，m^3／s；

　　si——管段阻力系数，反映管段对水流的阻力大小，应为该管段上的管道、

　　管件、阀门、泵站等所有设施阻力系数之和；

　　hei——管段扬程，反映管段上泵站提供给水流的总能量，即泵站静扬程，m，

　　如果管段上未设泵站，则hei＝0。

　　n——管段阻力指数，应与水头损失计算公式一致。

　　式中考虑到了管段流量可能为负值（当管段流向与管段设定方向不一致时）的

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情况，管段水头损失的方向应与流量方向一致。

当管段流量为正时，siqi|qi|^n-1即siqi^n。

　　此式能够表达管段上各种具有固定阻力的设施表现出来的宏观水力特性，其缺点是不能表达减压阀的水力特性，因为减压阀的阻力随着压力而变化。

然而，减压阀在环状管网中很少采用，而多数用在支线管道，这些管线因流量较小，对管网宏观水力特性影响较小，往往在简化时已被删除。

所以，在给水管网水力分析时，几乎遇不到有减压阀的情形。

　　管段阻力系数可以用下列公式计算：

　　si=sfi+smi+spi　　i＝1，2，3，…，M　　（5．2）

式中sti——管段i之管道摩阻系数；

　　smi——管段i主管道局部阻力系数；

　　spi——管段i上泵站内部阻力系数。

　　将式5．1代入管段能量方程组（式4．15）得：

　　HFi－HTi＝siqi|qi|^n-1－hei　　i＝1，2，3，…，M　　（5．3）

其中si、hci、n必须为已知量，对于不设泵站且忽略局部阻力的管段，管段能量方程可以简化为：

　　HFi－HTi=sfiqi|qi|^n-1　　i＝l，2，3，…，M　　（5．4）

（2）节点流量与节点水头必须一个已知一个未知

　　根据数学理论，方程组可解的基本条件就是方程数与未知量数相等，即每个方程只能对应求解一个未知量。

在管网水力分析中，管段流量均为未知量，它们正好对应地用管段能量方程求解，因此，每个节点方程只能对应求解一个未知量，即节点流量和节点水头必须只有一个未知，另一个必须已知。

因此，若节点水头已知，则节点流量可作为未知量求解，反之，若节点流量已知，则节点水头可作为未知量求解。

若两者均已知，将导致矛盾方程组；

若两者均未知，将导致方程组不可解。

　　已知节点水头而未知节点流量的节点称为定压节点，管网中定压节点的总数为尺；

已知节点流量而未知节点水头的节点称为定流节点，管网中定流节点总数为N—R。

　　以管网中水塔所在节点为例，当水塔高度未确定时，应给定水塔供水流量，即已知节点流量，该节点为定流节点，通过水力分析可以求解出节点水头，从而确定水塔高度；

当水塔高度已经确定时，即已知该节点水头，该节点为定压节点，通过水力分析可以求解出节点流量，从而可以确定水塔的供水流量。

　　在给水管网水力分析时，若定压节点数R>

1，称为多定压节点管网水力分析问题，若定压节点数R＝1，称单定压节点管网水力分析问题，定压节点数R＝0是不允许的，见下述。

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第6章给水管网工程设计

　　给水管网工程设计的内容包括：

　　1）设计用水量、水量调节与设计流量计算；

　　2）管段设计，即确定管段直径；

　　3）设计工况水力分析；

　　4）泵站扬程与水塔高度计算；

　　5）非设计工况水力校核；

　　6）绘制施工图。

　　6．1设计用水量及其调节计算

　　为了规划的目的，第2章介绍了给水管网最高日、最高时用水量及其变化的概念，本节将力求对它们进行更精确，详细的计算，以作为给水管网设计的依据。

　　6．1．1最高日设计用水量计算

（1）最高日设计用水量定额

　　设计用水量定额是确定设计用水量的主要依据，它可影响给水系统相应设施的规模、工程投资、工程扩建的期限、今后水量的保证等方面，所以必须慎重考虑，应结合现状和规划资料并参照类似地区或企业的用水情况，确定用水量定额。

　　城市生活用水和工业用水的增长速度，在一定程度上是有规律的，但如对生活用水采取节约用水措施，对上业用水采取计划用水、提高工业用水重复利用率等措施，可以影响用水量的增长速度，在确定没计用水量定额时应考虑这种变化。

　　居民生活用水定额和综合用水定额，应根据当地国民经济和社会发展规划和水资源充沛程度，在现有用水定额基础上，结合给水专业规划和给水工程发展条件综合分析确定。

　　1）居民生活用水

　　城市居民生活用水量由城市人口、每人每日平均生活用水量和城市给水普及率等因素确定。

这些因素随城市规模的大小而变化。

通常，住房条件较好、给水排水设备较完善、居民生活水平相对较高的大城市，生活用水量定额也较高。

　　我国幅员辽阔，各城市的水资源和气候条件不同，生活习惯各异，所以人均用水量有较大的差别。

即使用水人口相同的城市，因城市地理位置和水源等条件

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不同，用水量也可以相差很多。

一般说来，我国东南地区、沿海经济开发特区和旅游城市，因水源丰富，气候较好，经济比较发达，用水量普遍高于水源缺乏及气候寒冷的地区。

　　影响生活用水量的因素很多，设计时，如缺乏实际用水量资料，则居民生活用水定额和综合生活用水定额可参照《室外给水设计规范》的规定，见附表1。

　　2）工业企业生产用水和生活用水

　　工业