给水管网设计解答.docx
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给水管网设计解答
给水管网设计
第1节管段设计流量计算
确定各管段的设计流量的目的，在于依此来选定管径，进行管网水力计算。
但要
确定各管段的计算流量，需首先确定各管段的沿线流量和节点流量。
一、管网图形的简化
（一）简化目的及原则
在管网计算中，城市管网的现状核算及旧管网的扩建计算最为常见。
由于给水管线遍布在街道下，不仅管线很多而且管径差别很大，若计算全部管线，实际上既无必要，也不大可能。
因此，除了新设计的管网，因定线和计算仅限于干管网的情况外，对城镇管网的现状核算以及管网的扩建或改建往往需要将实际的管网加以简化，保留主要的干管，略去一些次要的、水力条件影响较小的管线，使简化后的管网基本上能反映实际用水情况，大大减轻计算工作量。
通常管网越简化，
计算工作量越小。
但过分简化的管网，计算结果难免与实际用水情况的差别增大。
所以，管网图形简化是保证计算结果接近于实际情况的前提下，对管线进行的简化。
（二）简化方法
在进行管网简化时，应先对实际管网的管线情况进行充分了解和分析，然后采用分解、合并、
省略等方法进行简化。
1分解
只有一条管线连接的两个管网，可以把连接管线断开，分解成为两个独立的管网；有两条管线连接的分支管网，若其位于管网的末端且连接管线的流向和流量可以确定时，也可以进行分解；
管网分解后即可分别计算。
2.合并
管径较小、相互平行且靠近的管线可考虑合并。
如管线交叉点很近时，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数目，使系统简化。
在给水管网中，为了施工方便和减小水流阻力，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），不必将两个三同
认为是两个交叉点，仍应简化为四通交叉点。
3省略
管线省略时，首先略去水力条件影响较小的管线，即省略管网中管径相对较小的管线。
管线省略后的计算结果是偏于安全的，但是由于流量集中，管径增大，并不经济。
二、沿线流量
但用水量较小的居
而且用水量变化也很大。
城市给水管网的干管和分配管上，承接了许多用户，沿线配水情况比较复杂，既有工厂、机关、学校、医院、宾馆等大用户，其用水流量称为集中流量，又有数量很多、民用水、浇洒道路或绿化用水等沿线流量，以致不但沿线所接用户很多，
干管的配水情况如图6-3所示。
从图中可以看出，干管除供沿线两旁为数较多的居民生活用水5'、q2‘、qa'等外，还要
供给分配管流量qi、q2、qa等，还有可能给少数大用水户供应集中流量Qi、Q2、Q3等。
由于
用水点多，用水量经常变化，所以按实际情况进行管网计算是非常繁杂的，而且在实际工程中也无必要。
所以，为了计算方便，常采用简化法一一比流量法，即假定小用水户的流量均匀分布在全部干管上。
比流量法有长度比流量和面积比流量两种。
（一）长度比流量
所谓长度比流量法是假定沿线流量qi'、q2‘……均匀分布在全部配水干管上，则管线单位
长度上的配水流量称为长度比流量，记为qs[l/（s•m）]。
qs可按下式计算：
Q__EQi
qs-（6-2）
IL
式中Q——管网总用水量，L/s;
刀Qi——工业企业及其他大用户的集中流量之和，L/s。
刀L——管网配水干管总计算长度，m;单侧配水的管段（如沿河岸等地段敷设的只有一侧
配水的管线）按实际长度的一半计入；双侧配水的管段，计算长度等于实际长度；两侧不配水的管线长度不计（即不计穿越广场、公园等无建筑物地区的管线长度）。
比流量的大小随用水量的变化而变化。
因此，控制管网水力情况的不
同供水条件下的比流量（如在最高用水时、消防时、最大转输时的比流量）是不同的，须分别计算。
另外，若城市内各区人口密度相差较大时，也应根据各区的用水量和干管长度，分别计算其比流量。
长度比流量按用水量全部均匀分布在干管上的假定来求比流量，忽视了沿管线供水人数和用水量的差别，存在一定的缺陷。
因此计算出来的配水量可能和实际配水量有一定差异。
为接近实际配水情况，也可按面积比流量法计算。
（二）面积比流量
假定沿线流量qi'、q2‘……均匀分布在整个供水面积上，则单位面积上的配水流量称为面
积比流量，记作qA[L/（s•m2）]，按下式计算：
式中刀a一给水区域内沿线配水的供水面积总和，m；
其余符号意义同前。
干管每一管段所负担的供水面积可按分角线或对角线的方法进行划分，如图6-4所示。
在街
区长边上的管段，其单侧供水面积为梯形；在街区短边上的管段，其单侧供水面积为三角形。
（a）对角线法；（b）分角线法
用面积比流量法计算虽然比较准确，但计算过程较麻烦。
当供水区域的干管分布比较均匀、干管距离大致相同的管网，用长度比流量法计算较为简便。
由比流量qs、qA可计算出各管段的沿线配水流量即沿线流量，记作qy,则任一管段的沿线
流量qy（L/s）可按下式计算：
（6-4）
q^qsLi
或qy=qAAi（6-5）
式中L该管段的计算长度，m；
Ai——该管段所负担的供水面积，m2。
三、节点流量
管网中任一管段的流量，包括两部分：
一部分是沿本管段均匀泄出供给各用户的沿线流量qy，
流量大小沿程直线减小，到管段末端等于零；另一部分是通过本管段流到下游管段的流量，沿程不发生变化，称为转输流量qzs。
从管段起端A到末端B管段内流量由qzs+qy变为qzs，流量是变
化的。
对于流量变化的管段，难以确定管径和水头损失。
因此，需对其进一步简化。
简化的方法是化渐变流为均匀流，既以变化的沿线流量折算为管段两端节点流出的流量，即节点流量。
全管段引用一个不变的流量，称为折算流量，记为qif，使它产生的水头损失与实际上沿线变化的流
量产生的水头损失完全相同，从而得出管线折算流量的计算公式为：
qif二qzs：
qy（6-6）
式中a—_折减系数，通常统一采用0.5,即将管段沿线流量平分到管段两端的节点上。
图6-5管段输配水情况
因此管网任一节点的节点流量为：
（6-7）
qi=0.5Ay
即管网中任一节点的节点流量qi等于与该节点相连各管段的沿线流量总和的一半。
当整个给水区域内管网的比流量qcb或qmb相同时，由式（6-4）、（6-5）可得节点流量计算式
（6-7）的另一种表达形式：
q^0.5q^ZLi（6-8）
或qi=0皿6（6-9）
式中3_i――与该节点相连各管段的计算长度之和，m；
2Ai――与该节点相连各管段所负担的配水面积之和，m2。
城市管网中，工企业等大用户所需流量，可直接作为接入大用户节点的节点流量。
工业企业内的生产用水管网，水量大的车间用水量也可直接作为节点流量。
这样，管网图上各节点的流量包括由沿线流量折算的节点流量和大用户的集中流量。
大用户的集中流量可以在管网图上单独注明，也可与节点流量加在一起，在相应节点上注出总流量。
一般在管网计算图的各节点旁引出细实线箭头，并在箭头的前端注明该节点总流量的大小。
在计算完节点设计流量后，应验证流量平衡，即：
Q=刀Qi+刀qi（6-10）
式中Q――管网总用水量，L/s；
Qi――各节点的集中流量，L/s;
qi――各节点的节点流量，L/s。
如果有较大误差，则应检查计算过程中的错误，如误差较小，可能是计算精确度误差（小数
尾数四舍五入造成），可以直接调整某些项集中流量和节点流量，使流量达到平衡。
绿地
4756
居住区
5756
6
居住区00
居住区0
居住区
756
756
工厂
2绿地
3
图6-6节点流量计算（单位：
m）
因二泵站〜4为输水管，
不参与配水，其计算长度为零，
1500
居住区
1
4〜5、1
［例题6-1］某城镇最高时总用水量为284.7L/s,其中集中供应工业用水量为189.2L/s。
干管各管段编号及长度如图6-6所示，管段4-5、1-2及2-3为单侧配水，其余为两侧配水。
试求：
（1）干管的比流量；
（2）各管段的沿线流量；（3）各节点流量。
［解］按长度比流量法计算。
1.配水干管计算长度：
2、2〜3管段为单侧配水，其计算长度按实际长度的一半计入，其余均为双侧配水管段，均按实际长度计入，则：
-0.5756m3756m820m3=4350m
2•配水干管比流量：
3•沿线流量：
管段1-2的沿线流量为:
q1_2=qsL1j=0.02119/s.m0.575m=8.3L/s
各管段的沿线流量计算见表6-1。
各管段的沿线流量计算表6-1
管段编号
管段长度
/m
管段计算长度
/m
比流量
/l•s1•m1
沿线流量
/L•s「1
1-2
756
0.5X756=378
8.3
2-3
756
05X756=378
8.3
1-4
820
820
18.0
2-5
820
820
18.0
3-6
820
820
0.0219
18.0
4-5
756
0.5X756=378
8.3
5-6
756
756
16.6
合计
4350
95.5
4.节点流量计算：
如节点5的节点流量为：
q5=0.5、qi=0.5（4』命』q5/）
=0.5（8.3L/s16.6L/S18.0L/S）
=21.6L/s
各节点的节点流量计算见表6-2。
各管段节点流量计算表6-2
节点
连接管段
节点流量
/L•sT
集中流量
/L•sT
节点总流量
/L•sT
1
1-4、1-2
0.5（18.0+8.3）=13.1
189.2
202.3
2
1-2、2-5、2-3
0.5（8.3+18.0+8.3）
=17.3
17.3
3
2-3、3-6
0.5（8.3+18.0）=
13.1
13.1
4
1-4、4-5
0.5（18.0+8.3）=
13.1
13.1
5
4-5、2-5、5-6
0.5（8.3+18.0+16.6）
=21.6
21.6
6
3-6、5-6
0.5（18.0+16.6）=
17.3
17.3
合计
95.5
189.2
284.7
将节点流量和集中流量标注于相应节点上，如图6-7。
、189.2
图6-7节点流量图（单位：
L/S）
四、管段流量
管网各管段的沿线流量简化成各节点流量后，可求出各节点流量，并把大用水户的集中
流量也加于相应的节点上，则所有节点流量的总和，便是由二级泵站送来的总流量，（即总
供水量）。
按照质量守恒原理，每一节点必须满足节点流量平衡条件：
流入任一节点的流量必须等于流出该节点的流量，即流进等于流出。
若规定流入节点的流量为负，流出节点为正，则上述平衡条件可表示为：
（6-11）
式中qi——节点i的节点流量，L/S；
qj——连接在节点i上的各管段流量，L/s。
依据式（6-11），用二级泵站送来的总流量沿各节点进行流量分配，所得出的各管段所通过的流量，就是各管段的计算流量。
在单水源枝状管网中，各管段的计算流量容易确定。
从配水源（泵站或水塔等）供水到
各节点只能沿一条管路通道，即管网中每一管段的水流方向和计算流量都是确定的。
每一管
段的计算流量等于该管段后面（顺水流方向）所有节点流量和大用户集中用水量之和。
因此,
对于枝状管网，若任一管段发生事故，该管段以后地区就会断水。
如图6-8所示的一枝状管网，部分管段的计算流量为：
q4~5=q5；q8~10=q10；
q34~q4q5q8q9q10
图6-8枝状管网管段流量计算
对于环状管网，各管段的计算流量不是唯一确定的。
配水干管相互连接环通，环路中每一用户所需水量可以沿两条或两条以上的管路供给，各环内每条配水管段的水流方向和流量值都是不确定的。
如图6-9中的1节点，图中流入节点1的流量只有q0“=Q（泵站供水流量），流出节点1的流量有q1、q1〜2、q1~5和q1~7，由公式（6-11）得:
或Q—'qi=qi~2■qi~5■qi~7
图6-9环状管网流量分配
对于节点1来说，流入管网的总流量Q和节点流量qi是已知的，但各管段的流量qy、qi~5、qi~7可以有不同的分配方法，也就是有不同的管段流量。
为了确定各管段的计算流量，需人为地假定各管段的流量分配值称为流量预分配，以此确定经济管径。
在环状管网流量预
分配时，不仅要考虑经济性（即一定年限内管网的工程总造价和管理费用最小），而且还要
考虑可靠性问题（指能够不间断地向用户供水，并保证应有的水量、水压和水质），做到经
济性和可靠性并重。
但经济性和可靠性是一对矛盾，一般只能在满足可靠性的前提下，力争
得到最经济的管径。
在综合考虑经济性和可靠性后，可按如下步骤进行环状管网流量分配：
1•首先在管网平面布置图上，确定出控制点的位置，并根据配水源、控制点、大用户及调节构筑物的位置确定管网的主要流向。
2•参照管网主要流向拟定各管段的水流方向，使水流沿最近路线输水到大用户和边远地区，以节约输水电耗和管网基建投资。
3•根据管网中各管线的地位和功能来分配流量。
尽量使平行的主要干管分配相近的流量，以免个别主要干管损坏时，其余管线负荷过重，使管网流量减少过多；干管与干管之间
的连接管，主要是沟通平行干管之间的流量，有时起输水作用，有时只是就近供水到用户，平时流量一般不大，只有在干管损坏时，才转输较大流量。
因此，连接管中可分配较少的流量。
4•分配流量时应满足节点流量平衡条件，即在每个节点上满足qi•Vqjj=0。
对于多水源管网，会出现由两个或两个以上水源同时供水的节点，这样的节点叫供水分界点；各供水分界点的连线即为供水分界线；各水源供水流量应等于该水源供水范围内的全
部节点流量加上分界线上由该水源供给的那部分节点流量之和。
因此，流量分配时，应首先
按每一水源的供水量确定大致的供水范围，初步划定供水分界线，然后从各水源开始，向供
水分界方向逐节点进行流量分配。
环状管网流量分配后得出的是各管段的计算流量，由此流量即可确定管径，计算水头损失，但环状管网各管段计算流量的最后数值必须由平差计算结果来定出。
第二节管径计算
管段的直径应
确定管网中每一管段的直径是输水和配水系统设计计算的主要课题之一。
按分配后的流量确定。
在设计中，各管段的管径按下式计算:
（6-12）
式中q——管段流量，m3/s；
u管内流速，m/s。
由上式可知，管径不但和管段流量有关，而且还与流速有关。
因此，确定管径时必须先
选定流速。
为了防止管网因水锤现象而损坏，在技术上最大设计流速限定在2.5〜3.0m/s范围内；
在输送浑浊的原水时，为了避免水中悬浮物质在水管内沉积，最低流速通常应大于0.60m/s,
由此可见，在技术上允许的流速范围是较大的。
因此，还需在上述流速范围内，根据当地的经济条件，考虑管网的造价和经营管理费用，来选定合适的流速。
从公式可以看出，流量一定时，管径与流速的平方根成反比。
如果流速选用的大一些，管径就会减小，相应的管网造价便可降低，但水头损失明显增加，所需的水泵扬程将增大，从而使经营管理费（主要指电费）增大，同时流速过大，管内压力高，因水锤现象引起的破坏作用也随之增大。
相反，若流速选用小一些，因管径增大，管网造价会增加。
但因水头损失减小，可节约电费，使经营管理费降低。
因此，管网造价和经营管理费（主要指电费）这两项经济因素是决定流速的关键。
求一定年限t（称为投资偿还期）内，管网造价和经营管
理费用之和为最小的流速，称为经济流速），以此来确定的管径，称为经济管径。
若管网造价为C,每年的经营管理费用为M，包括电费M!
和折旧、大修费M2,因M2和管网造价有关，故可按管网造价的百分数计，表示为p%C，那么在投资偿还期t年内，，
总费用为：
P
W；=CtM=C（M!
C）t（6-13）
100
式中p――管网的折旧和大修率，以管网造价的百分比计。
式（6-13）除以投资偿还期t，则得年折算费用W:
;
WM=（】卫）CM1（6-14）
tt100
总费用W曲线的最低点表示管网造价和经营管理费用之和为最小时的流速称为经济流速ue。
各城市的经济流速值应按当地条件，如水管材料和价格、施工条件、电费等来确定，不
能直接套用其他城市的数据。
另外，管网中各管段的经济流速也不一样，须随管网图形、该
管段在管网中的位置、该管段流量和管网总流量的比例等决定。
因为计算复杂，有时简便地
应用“界限流量表”确定经济管径。
界限流量表表6-3
管径
界限流量
管径
界限流量
/mm
/L•sT
/mm
/L•s「1
100
V9
450
130~168
150
9~15
500
168~237
200
15〜28.5
600
237~355
250
28.5〜45
700
355~490
300
45~68
800
490~685
350
68~96
900
685~822
400
96~130
1000
822~1120
由于实际管网的复杂性，加上情况在不断的变化，例如流量在不断增加，管网逐步扩展,诸多经济指标如水管价格、电费等也随时变化，要从理论上计算管网造价和年管理费用相当复杂且有一定难度。
在条件不具备时，设计中也可采用由各地统计资料计算出的平均经济流速来确定管径，得出的是近似经济管径，见表6-4。
平均经济流速
表6-4
管径/mm
平均经济流速ue/L•sT
D=100〜400
0.6〜0.9
D>400
0.9〜1.4
在使用各地区提供的经济流速或按平均经济流速确定管网管径时，需考虑以下原则：
1）一般大管径可取较大的经济流速，小管径可取较小的经济流速；
2）首先定出管网所采用的最小管径（由消防流量确定），按ue确定的管径小于最小管径时，一律采用最小管径；
3）连接管属于管网的构造管，应注重安全可靠性，其管径应由管网构造来确定，即按与它连接的次要干管管径相当或小一号确定；
4）由管径和管道比阻a之间的关系可知，当管径较小时，管径缩小或放大一号，水头
损失会大幅度增减，而所需管材变化不多；相反，当管径较大时，管径缩小或放大一号，水头损失增减不很明显，而所需管材变化较大。
因此，在确定管网管径时，一般对于管网起端
的大口径管道可按略高于平均经济流速来确定管径，对于管网末端较小口径的管道，可按略
低于平均经济流速确定管径，特别是对确定水泵扬程影响较大的管段，适当降低流速，使管
径放大一号，比较经济；
5）管线造价（含管材价格、施工费用等）较高而电价相对较低时，取较大的经济流速，反之取较小的经济流速。
以上是指水泵供水时的经济管径确定方法，在求经济管径时，考虑了抽水所需的电费。
重力供水时，由于水源水位高于给水区所需水压，两者的标高差H可使水在管内重力流动。
此时，各管段的经济管径应按输水管和管网通过设计流量时，供水起点至控制点的水头损失
总和等于或略小于可利用的水头来确定。
第三节环状管网计算的理论
1•环状管网计算时，必须满足下列基本水力条件
（1）连续性方程（又称节点流量平衡条件）即对任一节点来说，流入该节点的流量必须等于流出该节点的流量。
若规定流出节点的流量为正，流入节点的流量为负，则任一节点的流量代数和等于零。
即：
qigj=0
（2）能量方程（又称闭合环路内水头损失平衡条件）即环状管网任一闭合环路内，水流为顺时针方向的各管段水头损失之和应等于水流为逆时针方向的各管段水头损失之和。
若规定顺时针方向的各管段水头损失为正，逆时针方向为负，则在任一闭合环路内各管段水
头损失的代数和等于零，即：
Zhij=0（6-17）
如图6-13，由并联管路的基本公式可知，节点1至节点4之间均有下列关系成立：
h]~2~4=h）1~3~4=H1-H4
式中h1~2~4一管线1〜2〜4的水头损失；
h1~3~4管线1〜3〜4的水头损失；
H4别为节点1和节点4的水压标高值或测压管水头值（每一节点只有
一个数值）。
图6-13单环管网
另由串联管路的基本公式，得：
h|~2~4_h|~2h?
~40~3~4—0~3人3~4
2•环状管网计算的基本方法和原理
环状管网计算时，节点流量、管段长度、管径和阻力系数等均已知，需要求解的是管网各管段的流量和水头损失（或节点水压）。
求解时可采用解环方程组、解节点方程组和解管段方程组等3种方法。
（1）解环方程组法
（2）解节点方程组法
（3）解管段方程组法
三、环状管网平差方法
1•哈代-克罗斯法
最早和应用广泛的管网分析方法有哈代-克罗斯法和洛巴切夫，即每环中各管段的流量用g修正的方法。
现以图6-14为例加以说明，各参数的符号仍规定：
顺时针方向为正，逆
时针方向为负。
不满足水头损失平衡条件，须引入校正流量：
q以减小闭合差。
校正流量可按下式估算确定:
式中qk——环路k的校正流量，L/s；
m；
•）hk——环路k的闭合差，等于该环内各管段水头损失的代数和,
-Sijqij
环路k内各管段的摩阻s=、jlj与相应管段流量qj的绝对值乘积之总
和。
1.丄环路k的各管段的水头损失耐与相应管段流量qjj之比的绝对值乘积之总
qj
和。
应该注意，上式中cqk和二hk符号相反，即闭合差chk为正，校正流量cqk就为负,
反之则为正；闭合差,；hk的大小及符号，反映了与"h=0时的管段流量和水头损失的偏离程度和偏离方向。
显然，闭合差.汕k的绝对值越大，为使闭合差•汕k=0所需的校正流量.：
qk
的绝对值也越大。
各环校正流量,：
qk用弧形箭头标注在相应的环内，如图6-14所示，然后
在相应环路的各管段中引入校正流量.■:
qk，即可得到各管段第一次修正后的流量q
（1），即:
小⑴J0）..（0）..（0）
（6-22）
qijqjqq
由于初步分配流量时，已经符合节点流量平衡条件，即满足了连续性方程，所以每次调整流量时能自动满足此条件。
采用哈代-克罗斯法进行管网平差的步骤：
（1）根据城镇的供水情况，拟定环状网各管段的水流方向，按每一节点满足连续性方
程的条件，并考虑供水可靠性要求分配流量，得初步分配的管段流量q；1〉。
（2）由qj计算各管段的水头损失h（0）。
（3）假定各环内水流顺时针方向管段中的水头损失为正，逆时针方向管段中的水头损
失为负，计算该环内各管段的水头损失代数和比（0），如比（0）=0,其差值即为第一次闭合
如■■=hk0）>0,说明顺时针方向各管段中初步分
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