水力学设计计划

水力学设计计划一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

(2)高程控制：设置4个测压点

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

(3)运行手册：正常工况操作指南

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

(3)投资回收期：预计3.5年

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

计算公式：Re=(ρvD)/μ

其中：Re为雷诺数，ρ为流体密度，v为流速，D为特征长度，μ为动力粘度

判定标准：Re<2000为层流，2000<Re<4000为过渡流，Re>4000为湍流

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

Colebrook方程：1/√f=-2.0log10((ε/3.7D)+(2.51/(Re√f)))

其中：f为摩擦系数，ε为管道相对粗糙度，D为管道直径

实际应用：通常采用试算法或图解法求解

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

常见构件损失系数表：

管道入口：0.5-0.8

逐渐扩大管：0.1-0.3

逐渐缩小管：0.05-0.2

突然扩大管：0.5

突然缩小管：0.5

90°弯头：0.3-0.6（小半径）至0.2-0.4（大半径）

三通（直通）：0.2-0.3

三通（侧出）：0.4-0.6

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

网格划分原则：

a.在流态变化区域（如阀门附近）加密网格

b.管道弯曲处网格过渡平滑

c.单元类型优先选用四面体或六面体混合网格

d.网格质量检查：雅可比值>0.7，扭曲度<0.8

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

进口条件设置：

a.总流量控制：设定设计流量及变化范围（如±15%）

b.质量流量边界：适用于恒定流量系统

c.压力入口：需注明大气压或设定压力值

出口条件设置：

a.压力出口：标注目标压力值（如0.1MPa）

b.出口流量：用于验证系统流量平衡

c.节流边界：模拟管道出口阻力

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

求解策略：

a.初始场设定：采用均匀分布或实测数据初始化

b.求解器选择：隐式求解器适用于瞬态分析，显式求解器适用于稳态

c.收敛标准：连续求解2000步，残差下降至1e-6

d.后处理参数：设置等值面显示阈值（如0.05MPa）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

测量方法：

a.全站仪测量管道转折点坐标

b.测深杆测量管顶埋深

c.GPSRTK测量高程控制点

d.管道清淤后直接测量管底高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

资料清单：

a.管道竣工图（包含管径、材质、长度）

b.水力测试报告（包含流量、压力数据）

c.地质柱状图（包含土层分布、地下水位）

d.历史事故记录（如管道破裂、堵塞事件）

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

需求调研：

a.调研居民用水量（人均日用水量120L）

b.工业用水量（最大时300m³/h）

c.公共设施用水（学校、医院用水量）

d.消防用水量（按规范计算，如2L/s·人）

e.绘制时程曲线：日变化系数、周变化系数、年变化系数

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

识别方法：

a.理论计算：根据管道摩阻计算压力损失

b.模拟分析：通过压力等值面识别高压区（>0.3MPa）和低压区（<0.1MPa）

c.实测对比：将模拟值与实测值偏差>15%的节点标记为冲突点

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

分析步骤：

a.划分计算单元：将管网划分为5-10个计算段

b.计算各段水头损失：Σ(沿程损失+局部损失)

c.绘制水头线：标注各节点水头值及高程

d.能耗优化：通过增加管径或优化布局降低能耗

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

风险点检查：

a.检查最低点管道高程是否低于吸水井

b.计算真空度：真空度>70%的管段需加强防护

c.提出防范措施：设置真空破坏器或提高吸水井水位

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

布局原则：

a.树状管网：适用于新建区域，主干管呈放射状

b.环状管网：适用于建成区改造，形成闭合环路

c.混合式管网：主干管环状、支管树状

d.绘制管网拓扑图：标注节点编号、管段编号

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

计算方法：

a.需求流量计算：Q=q₁+q₂+...+qₙ

b.管径计算：D=√(4Q/πv)

c.标准管径选择：采用国标管径系列（DN100-DN1200）

d.多方案比选：计算不同管径下的投资与运行费用

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

选型步骤：

a.求解扬程曲线：H=H₁+H₂+H₃（吸水高度+水头损失+压力要求）

b.确定流量范围：设计流量至最大时流量

c.水泵选型：选择3台HL系列水泵（150kW/台）

d.配置变频器：根据流量变化自动调节转速

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

分配方法：

a.确定最不利路径：从水源到最远最高的用户

b.按比例分配：主干管流量分配系数为0.6-0.7

c.次干管分配：根据服务区域大小调整流量

d.绘制流量分配图：标注各管段设计流量

(2)高程控制：设置4个测压点

高程确定：

a.管道埋深计算：考虑覆土厚度（0.7-1.0m）和地面荷载

b.最低点高程：保证管内最低点高于吸水井水位

c.测压点布置：设置在管道转折处、阀门前后

d.高程控制表：列出各节点设计高程和埋深

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

系统组成：

a.数据采集层：流量计、压力传感器、液位计

b.传输层：光纤环网或无线公网传输

c.控制层：PLC控制器、变频器

d.监控层：触摸屏+上位机监控软件

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

验算方法：

a.查阅规范：不同管径的最小流速要求

b.计算校核：Q=va，若v<最小值则需增大管径

c.悬浮颗粒计算：根据颗粒粒径和密度校核

d.绘制流速分布图：标注各管段流速值

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

计算方法：

a.Darcy定律：Q=(kAΔH)/L

b.年失水量计算：Q×365×24

c.失水率控制：要求失水率<1%/年

d.渗漏点定位：采用声纳探测法或压力衰减法

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

分析方法：

a.应力计算：σ=(P×D)/(2×(D-ε))

b.材料强度校核：HDPE管道允许应力0.3MPa

c.热应力分析：考虑温度变化（±20℃）的影响

d.绘制应力分布云图：标注危险截面应力值

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

测试方法：

a.模拟打开2个消防栓（2L/s·栓）

b.记录主干管压力下降过程（0-10min）

c.压力恢复时间：要求30分钟内恢复90%

d.瞬态水锤计算：校核最大水锤压力（<0.5MPa）

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

预测方法：

a.悬浮物浓度测量：取水口悬浮物含量（10mg/L）

b.淤积率计算：k=(C₁-C₂)/t

c.管道淤积厚度：ΔH=k×Q⁻¹.67×t

d.清淤周期建议：根据淤积率确定清淤时间

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

分析方法：

a.敏感性分析：计算流量偏差对压力的影响系数

b.概率模型：采用蒙特卡洛方法模拟流量变化

c.安全系数：设计流量增加20%作为储备

d.风险评估：绘制风险曲线（压力-流量关系）

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

计算书内容：

a.基础数据计算：密度、粘度、雷诺数等

b.管道计算：管径、长度、水头损失

c.水泵计算：扬程、流量、功率

d.校核计算：流速、压力、应力等

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

管道清单格式：

序号|管段编号|起点|终点|管径(DN)mm|材质|长度(m)|数量|单位

1|01-02|A节点|B节点|300|HDPE|150|1|米

2|02-03|B节点|C节点|400|球墨铸铁|200|1|米

...

(3)运行手册：正常工况操作指南

手册内容：

a.系统图：标注管道走向、设备位置

b.操作流程：启泵顺序、停泵顺序

c.日常检查：压力、流量、温度监测

d.故障处理：常见问题及解决方法

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

绘制方法：

a.坐标系：纵轴为高程(m)，横轴为距离(km)

b.曲线绘制：设计流量线、最大流量线、最小流量线

c.标注节点：泵站、阀门、测压点

d.图例说明：不同颜色代表不同工况

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

绘图步骤：

a.模拟网格划分：与数值模型网格一致

b.提取压力数据：节点压力、管段压力

c.等值面绘制：压力梯度颜色映射

d.关键点标注：设计压力、允许最高/最低压力

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

拍摄要求：

a.模型比例：1:50或1:100

b.测量装置：压力传感器、流量计

c.模拟工况：设计流量、最大流量

d.偏差统计：实测值与模拟值对比表

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

估算方法：

a.直接费用：材料费、设备费、安装费

b.间接费用：设计费、监理费、税费

c.分项估算：管道工程、泵站工程、阀门采购

d.总投资曲线：按工程进度分年投资

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

分析方法：

a.计算年运行时间：正常工况3000小时

b.水泵功率计算：P=QH/η

c.电耗计算：W=Pt电价

d.成本构成：电费、维护费、药剂费

(3)投资回收期：预计3.5年

计算方法：

a.年净收益：年收益-年运行成本

b.投资回收期：总投资/年净收益

c.敏感性分析：考虑电价上涨的影响

d.经济性评价：绘制投资回报曲线

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

具体要求：

a.流体参数：密度±1%，粘度±2%

b.管道参数：直径±0.5%，长度±1%

c.水泵参数：扬程±2%，流量±3%

d.校核方法：采用双方法验证（计算+模拟）

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

实施措施：

a.管径选择：按1.3倍设计流量选管径

b.水泵配置：配置备用泵及调速设备

c.通道预留：预留检修通道及扩展空间

d.管网布局：设置旁通管路

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

计划内容：

a.冲洗时间：选择用水低谷期（深夜12-5点）

b.冲洗频率：主干管每季度一次，支管每半年一次

c.冲洗标准：流速达到1.5-2.0m/s

d.冲洗监测：冲洗前后水质检测（浊度、铁含量）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

控制措施：

a.设备选型：选用低噪声水泵（<75dB）

b.布局优化：泵站设置隔音罩（减噪15-20dB）

c.隔振处理：水泵基础安装减振垫

d.绿化降噪：泵站周围种植隔音林带（高度2-3m）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

(2)高程控制：设置4个测压点

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

(3)运行手册：正常工况操作指南

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

(3)投资回收期：预计3.5年

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

计算公式：Re=(ρvD)/μ

其中：Re为雷诺数，ρ为流体密度，v为流速，D为特征长度，μ为动力粘度

判定标准：Re<2000为层流，2000<Re<4000为过渡流，Re>4000为湍流

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

Colebrook方程：1/√f=-2.0log10((ε/3.7D)+(2.51/(Re√f)))

其中：f为摩擦系数，ε为管道相对粗糙度，D为管道直径

实际应用：通常采用试算法或图解法求解

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

常见构件损失系数表：

管道入口：0.5-0.8

逐渐扩大管：0.1-0.3

逐渐缩小管：0.05-0.2

突然扩大管：0.5

突然缩小管：0.5

90°弯头：0.3-0.6（小半径）至0.2-0.4（大半径）

三通（直通）：0.2-0.3

三通（侧出）：0.4-0.6

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

网格划分原则：

a.在流态变化区域（如阀门附近）加密网格

b.管道弯曲处网格过渡平滑

c.单元类型优先选用四面体或六面体混合网格

d.网格质量检查：雅可比值>0.7，扭曲度<0.8

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

进口条件设置：

a.总流量控制：设定设计流量及变化范围（如±15%）

b.质量流量边界：适用于恒定流量系统

c.压力入口：需注明大气压或设定压力值

出口条件设置：

a.压力出口：标注目标压力值（如0.1MPa）

b.出口流量：用于验证系统流量平衡

c.节流边界：模拟管道出口阻力

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

求解策略：

a.初始场设定：采用均匀分布或实测数据初始化

b.求解器选择：隐式求解器适用于瞬态分析，显式求解器适用于稳态

c.收敛标准：连续求解2000步，残差下降至1e-6

d.后处理参数：设置等值面显示阈值（如0.05MPa）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

测量方法：

a.全站仪测量管道转折点坐标

b.测深杆测量管顶埋深

c.GPSRTK测量高程控制点

d.管道清淤后直接测量管底高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

资料清单：

a.管道竣工图（包含管径、材质、长度）

b.水力测试报告（包含流量、压力数据）

c.地质柱状图（包含土层分布、地下水位）

d.历史事故记录（如管道破裂、堵塞事件）

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

需求调研：

a.调研居民用水量（人均日用水量120L）

b.工业用水量（最大时300m³/h）

c.公共设施用水（学校、医院用水量）

d.消防用水量（按规范计算，如2L/s·人）

e.绘制时程曲线：日变化系数、周变化系数、年变化系数

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

识别方法：

a.理论计算：根据管道摩阻计算压力损失

b.模拟分析：通过压力等值面识别高压区（>0.3MPa）和低压区（<0.1MPa）

c.实测对比：将模拟值与实测值偏差>15%的节点标记为冲突点

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

分析步骤：

a.划分计算单元：将管网划分为5-10个计算段

b.计算各段水头损失：Σ(沿程损失+局部损失)

c.绘制水头线：标注各节点水头值及高程

d.能耗优化：通过增加管径或优化布局降低能耗

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

风险点检查：

a.检查最低点管道高程是否低于吸水井

b.计算真空度：真空度>70%的管段需加强防护

c.提出防范措施：设置真空破坏器或提高吸水井水位

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

布局原则：

a.树状管网：适用于新建区域，主干管呈放射状

b.环状管网：适用于建成区改造，形成闭合环路

c.混合式管网：主干管环状、支管树状

d.绘制管网拓扑图：标注节点编号、管段编号

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

计算方法：

a.需求流量计算：Q=q₁+q₂+...+qₙ

b.管径计算：D=√(4Q/πv)

c.标准管径选择：采用国标管径系列（DN100-DN1200）

d.多方案比选：计算不同管径下的投资与运行费用

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

选型步骤：

a.求解扬程曲线：H=H₁+H₂+H₃（吸水高度+水头损失+压力要求）

b.确定流量范围：设计流量至最大时流量

c.水泵选型：选择3台HL系列水泵（150kW/台）

d.配置变频器：根据流量变化自动调节转速

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

分配方法：

a.确定最不利路径：从水源到最远最高的用户

b.按比例分配：主干管流量分配系数为0.6-0.7

c.次干管分配：根据服务区域大小调整流量

d.绘制流量分配图：标注各管段设计流量

(2)高程控制：设置4个测压点

高程确定：

a.管道埋深计算：考虑覆土厚度（0.7-1.0m）和地面荷载

b.最低点高程：保证管内最低点高于吸水井水位

c.测压点布置：设置在管道转折处、阀门前后

d.高程控制表：列出各节点设计高程和埋深

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

系统组成：

a.数据采集层：流量计、压力传感器、液位计

b.传输层：光纤环网或无线公网传输

c.控制层：PLC控制器、变频器

d.监控层：触摸屏+上位机监控软件

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

验算方法：

a.查阅规范：不同管径的最小流速要求

b.计算校核：Q=va，若v<最小值则需增大管径

c.悬浮颗粒计算：根据颗粒粒径和密度校核

d.绘制流速分布图：标注各管段流速值

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

计算方法：

a.Darcy定律：Q=(kAΔH)/L

b.年失水量计算：Q×365×24

c.失水率控制：要求失水率<1%/年

d.渗漏点定位：采用声纳探测法或压力衰减法

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

分析方法：

a.应力计算：σ=(P×D)/(2×(D-ε))

b.材料强度校核：HDPE管道允许应力0.3MPa

c.热应力分析：考虑温度变化（±20℃）的影响

d.绘制应力分布云图：标注危险截面应力值

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

测试方法：

a.模拟打开2个消防栓（2L/s·栓）

b.记录主干管压力下降过程（0-10min）

c.压力恢复时间：要求30分钟内恢复90%

d.瞬态水锤计算：校核最大水锤压力（<0.5MPa）

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

预测方法：

a.悬浮物浓度测量：取水口悬浮物含量（10mg/L）

b.淤积率计算：k=(C₁-C₂)/t

c.管道淤积厚度：ΔH=k×Q⁻¹.67×t

d.清淤周期建议：根据淤积率确定清淤时间

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

分析方法：

a.敏感性分析：计算流量偏差对压力的影响系数

b.概率模型：采用蒙特卡洛方法模拟流量变化

c.安全系数：设计流量增加20%作为储备

d.风险评估：绘制风险曲线（压力-流量关系）

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

计算书内容：

a.基础数据计算：密度、粘度、雷诺数等

b.管道计算：管径、长度、水头损失

c.水泵计算：扬程、流量、功率

d.校核计算：流速、压力、应力等

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

管道清单格式：

序号|管段编号|起点|终点|管径(DN)mm|材质|长度(m)|数量|单位

1|01-02|A节点|B节点|300|HDPE|150|1|米

2|02-03|B节点|C节点|400|球墨铸铁|200|1|米

...

(3)运行手册：正常工况操作指南

手册内容：

a.系统图：标注管道走向、设备位置

b.操作流程：启泵顺序、停泵顺序

c.日常检查：压力、流量、温度监测

d.故障处理：常见问题及解决方法

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

绘制方法：

a.坐标系：纵轴为高程(m)，横轴为距离(km)

b.曲线绘制：设计流量线、最大流量线、最小流量线

c.标注节点：泵站、阀门、测压点

d.图例说明：不同颜色代表不同工况

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

绘图步骤：

a.模拟网格划分：与数值模型网格一致

b.提取压力数据：节点压力、管段压力

c.等值面绘制：压力梯度颜色映射

d.关键点标注：设计压力、允许最高/最低压力

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

拍摄要求：

a.模型比例：1:50或1:100

b.测量装置：压力传感器、流量计

c.模拟工况：设计流量、最大流量

d.偏差统计：实测值与模拟值对比表

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

估算方法：

a.直接费用：材料费、设备费、安装费

b.间接费用：设计费、监理费、税费

c.分项估算：管道工程、泵站工程、阀门采购

d.总投资曲线：按工程进度分年投资

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

分析方法：

a.计算年运行时间：正常工况3000小时

b.水泵功率计算：P=QH/η

c.电耗计算：W=Pt电价

d.成本构成：电费、维护费、药剂费

(3)投资回收期：预计3.5年

计算方法：

a.年净收益：年收益-年运行成本

b.投资回收期：总投资/年净收益

c.敏感性分析：考虑电价上涨的影响

d.经济性评价：绘制投资回报曲线

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

具体要求：

a.流体参数：密度±1%，粘度±2%

b.管道参数：直径±0.5%，长度±1%

c.水泵参数：扬程±2%，流量±3%

d.校核方法：采用双方法验证（计算+模拟）

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

实施措施：

a.管径选择：按1.3倍设计流量选管径

b.水泵配置：配置备用泵及调速设备

c.通道预留：预留检修通道及扩展空间

d.管网布局：设置旁通管路

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

计划内容：

a.冲洗时间：选择用水低谷期（深夜12-5点）

b.冲洗频率：主干管每季度一次，支管每半年一次

c.冲洗标准：流速达到1.5-2.0m/s

d.冲洗监测：冲洗前后水质检测（浊度、铁含量）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

控制措施：

a.设备选型：选用低噪声水泵（<75dB）

b.布局优化：泵站设置隔音罩（减噪15-20dB）

c.隔振处理：水泵基础安装减振垫

d.绿化降噪：泵站周围种植隔音林带（高度2-3m）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

(2)高程控制：设置4个测压点

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

(3)运行手册：正常工况操作指南

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

(3)投资回收期：预计3.5年

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

计算公式：Re=(ρvD)/μ

其中：Re为雷诺数，ρ为流体密度，v为流速，D为特征长度，μ为动力粘度

判定标准：Re<2000为层流，2000<Re<4000为过渡流，Re>4000为湍流

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

Colebrook方程：1/√f=-2.0log10((ε/3.7D)+(2.51/(Re√f)))

其中：f为摩擦系数，ε为管道相对粗糙度，D为管道直径

实际应用：通常采用试算法或图解法求解

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

常见构件损失系数表：

管道入口：0.5-0.8

逐渐扩大管：0.1-0.3

逐渐缩小管：0.05-0.2

突然扩大管：0.5

突然缩小管：0.5

90°弯头：0.3-0.6（小半径）至0.2-0.4（大半径）

三通（直通）：0.2-0.3

三通（侧出）：0.4-0.6

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

网格划分原则：

a.在流态变化区域（如阀门附近）加密网格

b.管道弯曲处网格过渡平滑

c.单元类型优先选用四面体或六面体混合网格

d.网格质量检查：雅可比值>0.7，扭曲度<0.8

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

进口条件设置：

a.总流量控制：设定设计流量及变化范围（如±15%）

b.质量流量边界：适用于恒定流量系统

c.压力入口：需注明大气压或设定压力值

出口条件设置：

a.压力出口：标注目标压力值（如0.1MPa）

b.出口流量：用于验证系统流量平衡

c.节流边界：模拟管道出口阻力

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

求解策略：

a.初始场设定：采用均匀分布或实测数据初始化

b.求解器选择：隐式求解器适用于瞬态分析，显式求解器适用于稳态

c.收敛标准：连续求解2000步，残差下降至1e-6

d.后处理参数：设置等值面显示阈值（如0.05MPa）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

测量方法：

a.全站仪测量管道转折点坐标

b.测深杆测量管顶埋深

c.GPSRTK测量高程控制点

d.管道清淤后直接测量管底高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

资料清单：

a.管道竣工图（包含管径、材质、长度）

b.水力测试报告（包含流量、压力数据）

c.地质柱状图（包含土层分布、地下水位）

d.历史事故记录（如管道破裂、堵塞事件）

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

需求调研：

a.调研居民用水量（人均日用水量120L）

b.工业用水量（最大时300m³/h）

c.公共设施用水（学校、医院用水量）

d.消防用水量（按规范计算，如2L/s·人）

e.绘制时程曲线：日变化系数、周变化系数、年变化系数

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

识别方法：

a.理论计算：根据管道摩阻计算压力损失

b.模拟分析：通过压力等值面识别高压区（>0.3MPa）和低压区（<0.1MPa）

c.实测对比：将模拟值与实测值偏差>15%的节点标记为冲突点

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

分析步骤：

a.划分计算单元：将管网划分为5-10个计算段

b.计算各段水头损失：Σ(沿程损失+局部损失)

c.绘制水头线：标注各节点水头值及高程

d.能耗优化：通过增加管径或优化布局降低能耗

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

风险点检查：

a.检查最低点管道高程是否低于吸水井

b.计算真空度：真空度>70%的管段需加强防护

c.提出防范措施：设置真空破坏器或提高吸水井水位

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

布局原则：

a.树状管网：适用于新建区域，主干管呈放射状

b.环状管网：适用于建成区改造，形成闭合环路

c.混合式管网：主干管环状、支管树状

d.绘制管网拓扑图：标注节点编号、管段编号

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

计算方法：

a.需求流量计算：Q=q₁+q₂+...+qₙ

b.管径计算：D=√(4Q/πv)

c.标准管径选择：采用国标管径系列（DN100-DN1200）

d.多方案比选：计算不同管径下的投资与运行费用

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

选型步骤：

a.求解扬程曲线：H=H₁+H₂+H₃（吸水高度+水头损失+压力要求）

b.确定流量范围：设计流量至最大时流量

c.水泵选型：选择3台HL系列水泵（150kW/台）

d.配置变频器：根据流量变化自动调节转速

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

分配方法：

a.确定最不利路径：从水源到最远最高的用户

b.按比例分配：主干管流量分配系数为0.6-0.7

c.次干管分配：根据服务区域大小调整流量

d.绘制流量分配图：标注各管段设计流量

(2)高程控制：设置4个测压点

高程确定：

a.管道埋深计算：考虑覆土厚度（0.7-1.0m）和地面荷载

b.最低点高程：保证管内最低点高于吸水井水位

c.测压点布置：设置在管道转折处、阀门前后

d.高程控制表：列出各节点设计高程和埋深

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

系统组成：

a.数据采集层：流量计、压力传感器、液位计

b.传输层：光纤环网或无线公网传输

c.控制层：PLC控制器、变频器

d.监控层：触摸屏+上位机监控软件

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

验算方法：

a.查阅规范：不同管径的最小流速要求

b.计算校核：Q=va，若v<最小值则需增大管径

c.悬浮颗粒计算：根据颗粒粒径和密度校核

d.绘制流速分布图：标注各管段流速值

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

计算方法：

a.Darcy定律：Q=(kAΔH)/L

b.年失水量计算：Q×365×24

c.失水率控制：要求失水率<1%/年

d.渗漏点定位：采用声纳探测法或压力衰减法

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

分析方法：

a.应力计算：σ=(P×D)/(2×(D-ε))

b.材料强度校核：HDPE管道允许应力0.3MPa

c.热应力分析：考虑温度变化（±20℃）的影响

d.绘制应力分布云图：标注危险截面应力值

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

测试方法：

a.模拟打开2个消防栓（2L/s·栓）

b.记录主干管压力下降过程（0-10min）

c.压力恢复时间：要求30分钟内恢复90%

d.瞬态水锤计算：校核最大水锤压力（<0.5MPa）

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

预测方法：

a.悬浮物浓度测量：取水口悬浮物含量（10mg/L）

b.淤积率计算：k=(C₁-C₂)/t

c.管道淤积厚度：ΔH=k×Q⁻¹.67×t

d.清淤周期建议：根据淤积率确定清淤时间

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

分析方法：

a.敏感性分析：计算流量偏差对压力的影响系数

b.概率模型：采用蒙特卡洛方法模拟流量变化

c.安全系数：设计流量增加20%作为储备

d.风险评估：绘制风险曲线（压力-流量关系）

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

计算书内容：

a.基础数据计算：密度、粘度、雷诺数等

b.管道计算：管径、长度、水头损失

c.水泵计算：扬程、流量、功率

d.校核计算：流速、压力、应力等

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

管道清单格式：

序号|管段编号|起点|终点|管径(DN)mm|材质|长度(m)|数量|单位

1|01-02|A节点|B节点|300|HDPE|150|1|米

2|02-03|B节点|C节点|400|球墨铸铁|200|1|米

...

(3)运行手册：正常工况操作指南

手册内容：

a.系统图：标注管道走向、设备位置

b.操作流程：启泵顺序、停泵顺序

c.日常检查：压力、流量、温度监测

d.故障处理：常见问题及解决方法

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

绘制方法：

a.坐标系：纵轴为高程(m)，横轴为距离(km)

b.曲线绘制：设计流量线、最大流量线、最小流量线

c.标注节点：泵站、阀门、测压点

d.图例说明：不同颜色代表不同工况

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

绘图步骤：

a.模拟网格划分：与数值模型网格一致

b.提取压力数据：节点压力、管段压力

c.等值面绘制：压力梯度颜色映射

d.关键点标注：设计压力、允许最高/最低压力

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

拍摄要求：

a.模型比例：1:50或1:100

b.测量装置：压力传感器、流量计

c.模拟工况：设计流量、最大流量

d.偏差统计：实测值与模拟值对比表

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

估算方法：

a.直接费用：材料费、设备费、安装费

b.间接费用：设计费、监理费、税费

c.分项估算：管道工程、泵站工程、阀门采购

d.总投资曲线：按工程进度分年投资

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

分析方法：

a.计算年运行时间：正常工况3000小时

b.水泵功率计算：P=QH/η

c.电耗计算：W=Pt电价

d.成本构成：电费、维护费、药剂费

(3)投资回收期：预计3.5年

计算方法：

a.年净收益：年收益-年运行成本

b.投资回收期：总投资/年净收益

c.敏感性分析：考虑电价上涨的影响

d.经济性评价：绘制投资回报曲线

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

具体要求：

a.流体参数：密度±1%，粘度±2%

b.管道参数：直径±0.5%，长度±1%

c.水泵参数：扬程±2%，流量±3%

d.校核方法：采用双方法验证（计算+模拟）

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

实施措施：

a.管径选择：按1.3倍设计流量选管径

b.水泵配置：配置备用泵及调速设备

c.通道预留：预留检修通道及扩展空间

d.管网布局：设置旁通管路

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

计划内容：

a.冲洗时间：选择用水低谷期（深夜12-5点）

b.冲洗频率：主干管每季度一次，支管每半年一次

c.冲洗标准：流速达到1.5-2.0m/s

d.冲洗监测：冲洗前后水质检测（浊度、铁含量）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

控制措施：

a.设备选型：选用低噪声水泵（<75dB）

b.布局优化：泵站设置隔音罩（减噪15-20dB）

c.隔振处理：水泵基础安装减振垫

d.绿化降噪：泵站周围种植隔音林带（高度2-3m）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

(2)高程控制：设置4个测压点

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

(3)运行手册：正常工况操作指南

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

(3)投资回收期：预计3.5年

五、注意事项

1.计算精度要求：重要参数取值误差控制在±3%

2.设计冗余度：关键管线预留30%过流能力

3.维护建议：制定年度冲洗计划（如每季度一次）

4.环境影响：降低噪声排放（<55dB）

一、水力学设计计划概述

水力学设计计划是针对水利工程、市政给排水、环境工程等领域中流体流动问题进行系统性分析和设计的核心文件。该计划旨在通过科学的方法确定流体在管道、渠道、设备等系统中的运动规律，为工程项目的可行性研究、方案设计、设备选型及优化运行提供理论依据和技术支撑。水力学设计计划需综合考虑流体性质、边界条件、系统功能等多方面因素，确保设计方案的安全、经济、高效。

二、水力学设计计划编制要点

（一）项目基本信息

1.项目名称：明确工程项目的具体名称，如"XX园区市政给水管网优化设计"。

2.设计目标：量化工程要达到的主要指标，如"保证供水压力不低于0.2MPa，年供水量达到5万吨"。

3.设计范围：界定工程涉及的物理空间和功能模块，如"包括3个取水点、4个调节池及主干管网设计"。

（二）设计基础数据

1.流体参数

(1)水体密度：通常取1000kg/m³（温度5℃时）

(2)动力粘度：常温下约1.0×10⁻³Pa·s

(3)表面张力：标准大气压下约0.072N/m

2.系统参数

(1)管道材质：如HDPE、球墨铸铁，需注明规格型号

(2)阀门类型：闸阀、蝶阀等，标注公称通径

(3)设备性能：水泵扬程范围（如30-60m）、流量范围（如50-150m³/h）

（三）设计方法选择

1.理论计算法

(1)雷诺数计算：用于判断流态（层流/湍流）

计算公式：Re=(ρvD)/μ

其中：Re为雷诺数，ρ为流体密度，v为流速，D为特征长度，μ为动力粘度

判定标准：Re<2000为层流，2000<Re<4000为过渡流，Re>4000为湍流

(2)摩擦系数确定：采用Colebrook方程或Moody图

Colebrook方程：1/√f=-2.0log10((ε/3.7D)+(2.51/(Re√f)))

其中：f为摩擦系数，ε为管道相对粗糙度，D为管道直径

实际应用：通常采用试算法或图解法求解

(3)局部损失系数：查表选取标准值（如弯头0.3-0.6）

常见构件损失系数表：

管道入口：0.5-0.8

逐渐扩大管：0.1-0.3

逐渐缩小管：0.05-0.2

突然扩大管：0.5

突然缩小管：0.5

90°弯头：0.3-0.6（小半径）至0.2-0.4（大半径）

三通（直通）：0.2-0.3

三通（侧出）：0.4-0.6

2.数值模拟法

(1)模型建立：划分计算网格（如50-200万单元）

网格划分原则：

a.在流态变化区域（如阀门附近）加密网格

b.管道弯曲处网格过渡平滑

c.单元类型优先选用四面体或六面体混合网格

d.网格质量检查：雅可比值>0.7，扭曲度<0.8

(2)边界条件设置：进口流量分布、出口压力约束

进口条件设置：

a.总流量控制：设定设计流量及变化范围（如±15%）

b.质量流量边界：适用于恒定流量系统

c.压力入口：需注明大气压或设定压力值

出口条件设置：

a.压力出口：标注目标压力值（如0.1MPa）

b.出口流量：用于验证系统流量平衡

c.节流边界：模拟管道出口阻力

(3)求解参数配置：时间步长（1e-4-1s）、收敛精度（1e-6）

求解策略：

a.初始场设定：采用均匀分布或实测数据初始化

b.求解器选择：隐式求解器适用于瞬态分析，显式求解器适用于稳态

c.收敛标准：连续求解2000步，残差下降至1e-6

d.后处理参数：设置等值面显示阈值（如0.05MPa）

三、水力学设计实施步骤

（一）系统分析阶段

1.现状调研

(1)实地测量：管道埋深、地形高程

测量方法：

a.全站仪测量管道转折点坐标

b.测深杆测量管顶埋深

c.GPSRTK测量高程控制点

d.管道清淤后直接测量管底高程

(2)资料收集：已有系统运行数据、地质勘察报告

资料清单：

a.管道竣工图（包含管径、材质、长度）

b.水力测试报告（包含流量、压力数据）

c.地质柱状图（包含土层分布、地下水位）

d.历史事故记录（如管道破裂、堵塞事件）

(3)用户需求分析：不同时段流量需求（如日变化系数3.0）

需求调研：

a.调研居民用水量（人均日用水量120L）

b.工业用水量（最大时300m³/h）

c.公共设施用水（学校、医院用水量）

d.消防用水量（按规范计算，如2L/s·人）

e.绘制时程曲线：日变化系数、周变化系数、年变化系数

2.问题识别

(1)水力冲突点定位：压力过高/过低区域

识别方法：

a.理论计算：根据管道摩阻计算压力损失

b.模拟分析：通过压力等值面识别高压区（>0.3MPa）和低压区（<0.1MPa）

c.实测对比：将模拟值与实测值偏差>15%的节点标记为冲突点

(2)能耗分析：计算系统总水头损失（如15-30m）

分析步骤：

a.划分计算单元：将管网划分为5-10个计算段

b.计算各段水头损失：Σ(沿程损失+局部损失)

c.绘制水头线：标注各节点水头值及高程

d.能耗优化：通过增加管径或优化布局降低能耗

(3)安全隐患排查：如虹吸现象风险点

风险点检查：

a.检查最低点管道高程是否低于吸水井

b.计算真空度：真空度>70%的管段需加强防护

c.提出防范措施：设置真空破坏器或提高吸水井水位

（二）方案设计阶段

1.初步设计

(1)管网布局：采用树状/环状拓扑结构

布局原则：

a.树状管网：适用于新建区域，主干管呈放射状

b.环状管网：适用于建成区改造，形成闭合环路

c.混合式管网：主干管环状、支管树状

d.绘制管网拓扑图：标注节点编号、管段编号

(2)管径计算：根据经济流速（1.0-1.5m/s）确定

计算方法：

a.需求流量计算：Q=q₁+q₂+...+qₙ

b.管径计算：D=√(4Q/πv)

c.标准管径选择：采用国标管径系列（DN100-DN1200）

d.多方案比选：计算不同管径下的投资与运行费用

(3)水泵选型：配置3台变频泵（2用1备）

选型步骤：

a.求解扬程曲线：H=H₁+H₂+H₃（吸水高度+水头损失+压力要求）

b.确定流量范围：设计流量至最大时流量

c.水泵选型：选择3台HL系列水泵（150kW/台）

d.配置变频器：根据流量变化自动调节转速

2.优化设计

(1)流量分配：按最不利路径校核

分配方法：

a.确定最不利路径：从水源到最远最高的用户

b.按比例分配：主干管流量分配系数为0.6-0.7

c.次干管分配：根据服务区域大小调整流量

d.绘制流量分配图：标注各管段设计流量

(2)高程控制：设置4个测压点

高程确定：

a.管道埋深计算：考虑覆土厚度（0.7-1.0m）和地面荷载

b.最低点高程：保证管内最低点高于吸水井水位

c.测压点布置：设置在管道转折处、阀门前后

d.高程控制表：列出各节点设计高程和埋深

(3)自动化方案：集成SCADA监控系统

系统组成：

a.数据采集层：流量计、压力传感器、液位计

b.传输层：光纤环网或无线公网传输

c.控制层：PLC控制器、变频器

d.监控层：触摸屏+上位机监控软件

（三）校核验证阶段

1.水力计算

(1)验算最小流速：保证管内不淤积（如0.6m/s）

验算方法：

a.查阅规范：不同管径的最小流速要求

b.计算校核：Q=va，若v<最小值则需增大管径

c.悬浮颗粒计算：根据颗粒粒径和密度校核

d.绘制流速分布图：标注各管段流速值

(2)失水计算：管材渗透系数取1.0×10⁻⁴cm/s

计算方法：

a.Darcy定律：Q=(kAΔH)/L

b.年失水量计算：Q×365×24

c.失水率控制：要求失水率<1%/年

d.渗漏点定位：采用声纳探测法或压力衰减法

(3)应力分析：管道环向应力≤0.1MPa

分析方法：

a.应力计算：σ=(P×D)/(2×(D-ε))

b.材料强度校核：HDPE管道允许应力0.3MPa

c.热应力分析：考虑温度变化（±20℃）的影响

d.绘制应力分布云图：标注危险截面应力值

2.模拟验证

(1)瞬态工况测试：消防用水时压力下降幅度

测试方法：

a.模拟打开2个消防栓（2L/s·栓）

b.记录主干管压力下降过程（0-10min）

c.压力恢复时间：要求30分钟内恢复90%

d.瞬态水锤计算：校核最大水锤压力（<0.5MPa）

(2)长期运行分析：5年内的淤积预测

预测方法：

a.悬浮物浓度测量：取水口悬浮物含量（10mg/L）

b.淤积率计算：k=(C₁-C₂)/t

c.管道淤积厚度：ΔH=k×Q⁻¹.67×t

d.清淤周期建议：根据淤积率确定清淤时间

(3)不确定性分析：考虑±10%的流量偏差

分析方法：

a.敏感性分析：计算流量偏差对压力的影响系数

b.概率模型：采用蒙特卡洛方法模拟流量变化

c.安全系数：设计流量增加20%作为储备

d.风险评估：绘制风险曲线（压力-流量关系）

四、设计成果交付内容

1.技术文档

(1)设计说明书：包含计算书、图表、公式

计算书内容：

a.基础数据计算：密度、粘度、雷诺数等

b.管道计算：管径、长度、水头损失

c.水泵计算：扬程、流量、功率

d.校核计算：流速、压力、应力等

(2)材料清单：管道长度统计表、阀门规格表

管道清单格式：

序号|管段编号|起点|终点|管径(DN)mm|材质|长度(m)|数量|单位

1|01-02|A节点|B节点|300|HDPE|150|1|米

2|02-03|B节点|C节点|400|球墨铸铁|200|1|米

...

(3)运行手册：正常工况操作指南

手册内容：

a.系统图：标注管道走向、设备位置

b.操作流程：启泵顺序、停泵顺序

c.日常检查：压力、流量、温度监测

d.故障处理：常见问题及解决方法

2.模拟成果

(1)水力线图：绘制日/夜不同时段的水力曲线

绘制方法：

a.坐标系：纵轴为高程(m)，横轴为距离(km)

b.曲线绘制：设计流量线、最大流量线、最小流量线

c.标注节点：泵站、阀门、测压点

d.图例说明：不同颜色代表不同工况

(2)压力分布云图：标注关键点压力值

绘图步骤：

a.模拟网格划分：与数值模型网格一致

b.提取压力数据：节点压力、管段压力

c.等值面绘制：压力梯度颜色映射

d.关键点标注：设计压力、允许最高/最低压力

(3)水力模型照片：验证模型与实际偏差<5%

拍摄要求：

a.模型比例：1:50或1:100

b.测量装置：压力传感器、流量计

c.模拟工况：设计流量、最大流量

d.偏差统计：实测值与模拟值对比表

3.经济性评估

(1)初步投资估算：含设备购置费（如200万元）

估算方法：

a.直接费用：材料费、设备费、安装费

b.间接费用：设计费、监理费、税费

c.分项估算：管道工程、泵站工程、阀门采购

d.总投资曲线：按工程进度分年投资

(2)运行成本分析：水泵电耗占比35%

分析方法：

a.计算年运行时间：正常工况3000小时

b.水泵功率计算：P=QH/η

c.电耗计算：W=Pt电价

d.成本构成：电费、维护费、药剂费

(3)投资回收期：预计3.5年

计算方法：

a.年净收益：年收益-年运行成本

b.投资回收期：总投资/年净收益

c.敏感性分析：考虑电价上涨的影响

d.经济性评价：绘制投资回