第3.章给水管网水力计算基础

第3章给水管网水力计算基础给水管网水力计算是城市给水工程设计的核心环节，其准确性直接关系到整个供水系统的运行效率、经济性和可靠性。本章系统阐述给水管网水力计算的基本理论、计算方法和工程应用，为后续管网优化设计和运行管理奠定理论基础。3.1水力计算的基本概念给水管网水力计算是指根据管网拓扑结构、管段参数、节点流量等已知条件，通过水力学原理确定管网中各管段的流量分配、水头损失以及节点压力等水力要素的过程。计算结果为管网设计、泵站选型、水塔高度确定等提供重要依据。水力计算的基本任务包括：确定各管段的流量分配计算管段的水头损失求解各节点的压力水头验证管网的水力平衡条件3.2水力计算的基本原理给水管网水力计算基于质量守恒定律和能量守恒定律。质量守恒表现为节点流量平衡，即流入节点的流量等于流出节点的流量；能量守恒表现为环路水头损失平衡，即任一闭合环路中，沿环路方向的水头损失代数和为零。1.管网中的水流为稳定流，即流量不随时间变化2.水流为均匀流，各断面的流速分布保持不变3.管道材料均匀，糙率系数沿管长不变4.不考虑水的压缩性，即水的密度为常数3.3水力计算的基本参数3.3.1管道参数管道直径：根据设计流量和经济流速确定管道长度：根据管网布置确定管道糙率：反映管道内壁粗糙程度，与管道材料和使用年限有关3.3.2流量参数节点流量：根据用水量标准和供水区域确定管段流量：通过水力计算求解得到管道流速：根据流量和管道断面面积计算3.3.3压力参数节点水头：包括位置水头和压力水头管段水头损失：包括沿程损失和局部损失供水压力：满足用户用水要求的最小压力3.4水力计算的意义和作用给水管网水力计算在工程设计中具有重要作用：1.设计依据：为管网布置、管径选择、泵站设计等提供理论依据2.经济性分析：通过不同方案的水力计算比较，选择经济合理的管网方案3.运行指导：为管网运行调度、压力管理提供技术支持4.安全评估：评估管网在事故工况下的供水能力，确保供水安全准确的水力计算能够有效降低工程投资，提高供水系统的可靠性和经济性，是给水工程设计中不可或缺的重要环节。3.5水力计算的基本方程给水管网水力计算的数学基础是由连续性方程和能量方程组成的方程组。这些方程描述了管网中水流的运动规律，是进行水力计算的理论基础。3.5.1连续性方程连续性方程基于质量守恒原理，对于管网中的任一节点，流入节点的流量总和等于流出节点的流量总和。数学表达式为：$$\sum_{i=1}^{m}Q_{in,i}\sum_{j=1}^{n}Q_{out,j}=0$$式中：$Q_{in,i}$为流入节点i的流量，$Q_{out,j}$为流出节点j的流量，m和n分别为流入和流出管段的数量。对于有水源的节点，连续性方程还应包括水源的供水量；对于有用水需求的节点，则应减去节点的用水量。3.5.2能量方程能量方程基于能量守恒原理，对于管网中的任一闭合环路，沿环路方向各管段水头损失的代数和为零。数学表达式为：$$\sum_{k=1}^{p}h_{f,k}=0$$式中：$h_{f,k}$为环路中第k个管段的水头损失，p为环路中的管段数量。水头损失的正负号取决于水流方向与环路绕行方向的关系，同向为正，反向为负。3.5.3水头损失计算方程管段水头损失的计算是水力计算的核心内容。常用的水头损失计算公式包括达西威斯巴赫公式和哈赞威廉姆斯公式。达西威斯巴赫公式：$$h_f=\lambda\frac{L}{D}\frac{v^2}{2g}$$式中：$h_f$为沿程水头损失(m)，$\lambda$为沿程阻力系数，L为管道长度(m)，D为管道直径(m)，v为管道断面平均流速(m/s)，g为重力加速度(m/s²)。沿程阻力系数$\lambda$与雷诺数Re和管道相对粗糙度有关，可通过柯尔布鲁克公式计算：$$\frac{1}{\sqrt{\lambda}}=2\lg\left(\frac{2.51}{Re\sqrt{\lambda}}+\frac{\Delta}{3.7D}\right)$$式中：$\Delta$为管道的绝对粗糙度(mm)。哈赞威廉姆斯公式：$$h_f=10.67\frac{L}{C^{1.852}D^{4.871}}Q^{1.852}$$式中：C为哈赞威廉姆斯系数，与管道材料有关；Q为管道流量(m³/s)。不同管道材料的C值见表31。表31不同管道材料的哈赞威廉姆斯系数C值|管道材料|C值范围|推荐值||||||铸铁管|100140|120||钢管|110150|130||混凝土管|110140|120||PVC管|140160|150||球墨铸铁管|130160|140|3.6管网水力计算的分类3.6.1设计计算设计计算是在管网规划阶段进行的水力计算，目的是确定合理的管径和泵站参数。设计计算的特点是：已知条件：管网拓扑结构、节点流量、管道长度、管道材料求解目标：管段流量、管段直径、节点压力计算方法：通常采用经济流速法或优化设计法3.6.2校核计算校核计算是在管网设计完成后进行的水力计算，目的是验证管网在各种工况下的运行性能。校核计算包括：最高日最高时工况校核：验证管网在最大用水量时的供水能力消防工况校核：验证管网在消防用水时的供水可靠性事故工况校核：验证管网在部分管段失效时的供水安全性3.6.3运行计算运行计算是在管网运行管理阶段进行的水力计算，目的是优化管网运行调度。运行计算的特点是：已知条件：管网实际参数、实时监测数据、用水量预测求解目标：泵站运行参数、阀门开度、水塔水位计算方法：通常采用实时模拟或优化调度算法3.7水力计算的边界条件水力计算需要明确的边界条件，包括：3.7.1水源条件水源条件包括水源的位置、供水能力和供水压力。对于多水源管网，需要明确各水源的供水范围和协调运行方式。3.7.2节点流量条件节点流量是水力计算的重要输入参数，需要根据用水量标准、供水人口、用水性质等因素确定。节点流量通常包括：居民生活用水量工业企业用水量公共设施用水量管网漏损水量3.7.3压力要求条件压力要求条件是指各节点需要满足的最小服务水头。不同类型的用户对供水压力有不同的要求：居民生活用水：一般要求最小服务水头为2028m工业企业用水：根据生产工艺要求确定消防用水：消防栓处最小服务水头不低于10m边界条件的合理确定是保证水力计算结果准确性的前提，需要结合工程实际情况和设计规范要求综合考虑。3.8水力计算的工程应用3.8.1管网优化设计基于水力计算结果，可以进行管网优化设计，在满足供水要求的前提下，实现经济性和可靠性的最佳平衡。优化设计的主要内容包括：管径优化：通过水力计算确定各管段的经济管径，避免管径过大造成浪费或管径过小导致水头损失过大泵站优化：根据水力计算结果确定泵站的扬程和流量，选择合适的泵型组合水塔优化：通过水力计算确定水塔的高度和容积，保证系统的稳定运行3.8.2运行调度优化利用水力计算模型，可以对管网运行进行实时模拟和优化调度，提高运行效率，降低能耗。主要应用包括：泵站调度：根据用水量变化规律，优化泵站启停时间和运行台数压力管理：通过水力计算确定合理的压力分区，优化减压阀设置应急调度：在事故情况下，通过水力计算制定应急供水方案3.8.3改造扩建评估当现有管网需要改造或扩建时，水力计算可以提供科学的技术评估依据：改造方案评估：对不同改造方案进行水力计算比较，选择最优方案扩建规模确定：根据水力计算结果确定合理的扩建规模和时序投资效益分析：通过水力计算分析改造扩建的投资效益3.9水力计算的发展趋势3.9.1计算方法的智能化传统的水力计算方法主要依靠人工计算和简单的计算机程序，现代水力计算正向智能化方向发展：自适应计算：根据管网特点自动选择合适的计算方法和参数并行计算：利用并行计算技术提高大规模管网水力计算的效率3.9.2计算模型的精细化水力计算模型正在从宏观向微观、从静态向动态、从确定性向随机性方向发展：动态水力模型：考虑用水量的时变特性，进行动态水力模拟水质水力耦合模型：将水力计算与水质模拟相结合，实现水力水质的联合计算不确定性分析：考虑参数的不确定性，进行概率水力计算3.9.3应用领域的拓展水力计算的应用领域正在不断拓展，与其他学科的交叉融合日益深入：与GIS技术结合：实现管网水力计算与地理信息系统的集成与SCADA系统结合：实现实时水力计算与监控系统的联动与智慧水务结合：支持智慧水务系统的决策支持和管理优化3.10给水管网水力计算是给水工程设计的理论基础和技术核心，其准确性和可靠性直接关系到供水系统的安全、经济和高效运行。本章系统阐述了给水管网水力计算的基本理论、计算方法和工程应用，为后续的管网设计和运行管理提供了坚实的理论基础。随着城市化进程的加快和供水需求的增长