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1、供水管网水力模型 张 明 安徽工程大学 Tel：139 5531 6938 Email：zhangming 主要内容 1、管网水力模型建立背景 2、管网系统组成及各部分流量关系 3、管网模型化 4、管网水力学基本方程 5、管网水力特性的计算机模型 Ø 存在问题：供水管网中实际水流状态，复杂和多变 ，难以分析预测。 Ø 建立作用：有助于管理人员详细了解管网，在各种 情况下的运行状态。 Ø 基本原理：通过点线组成的网络模拟真实管网，求 解管网基本方程组确定管网每一个组成部分的参数 。 建立有效的供水管网水力模型非常重要。 1 供水管网水力模型建立背景 计算机建立的水力
2、模型 2 供水管网系统组成 给水系统：保证用水对象获得所需水质、水压和水量 的一整套构筑物、设备和管路系统的总和。由取水工 程、净水工程和输配水工程所组成。 用水对象：生产设备、生活设施、消防设备 构筑物：取水头部、絮凝池、沉淀池、滤池、清水池 、水泵房、水塔 设备：加压设备、控制设备、计量设备 管路系统：输水管、配水管网 取水系统 给水处理系统 给水管网系统 实线 排水管网系统 虚线 废水处理系统 排放系统 城镇给排水系统示意图 水 源 取 水 构 筑 物 一 级 泵 站 净 水 构 筑 物 清 水 池 二 级 泵 站 输 配 水 管 网 用 户 水 塔 高地水池 供水管网系统组成 取水：管
3、井、取水头部、取水构筑物； 能够获得足够的水量； 净水：絮凝池、沉淀池、滤池； 保证水量、去除影响使用的杂质； 加压：深井泵站、一泵站、二泵站、中途泵站； 保证水量、提供适当的压力； 输送：输水管、配水管网、明渠； 形成水流通道，维持合理的流速； 调节：清水池、水塔、高地水池、屋顶水箱； 调节取水、净水与用水之间的数量差异， 储备事故及消防用水。 供水管网系统各组成部分的作用 供水管网系统各部分的流量关系 清水池用于调 节给水处理厂 处理水量与二 级泵站供水量 之差 水塔用于调节二级泵 站供水量与 用户用水量之差 水厂自用水量一般是用户 总用水量的5%10% 主要包括 Ø 管网系统布
4、置形式 Ø 管网拓扑结构模型化 Ø 管网模型元素概化 Ø 管段中流量的分配 3 供水管网系统模型化 3.1 管网系统布置形式 根据管网的布置形式，可分为树状管网和 环状管网。 树状管网投资较省，但供水安全性较差； 环状管网投资明显高于树状管网，但增加 了供水的可靠性。 一般在城镇建设的初期采用树状管网，随 着城镇的发展逐渐连成环状管网。在城市的中 心布置成环状管网，郊区布置成树状管网。 泵站 树 状 管 网 泵站 环 状 管 网 供水管网的布置要求 1按照城市规划平面图布置管网，布置时 应考虑给水系统分期建设的可能，并留有充 分的发展余地； 2管网布置必须保证供水
5、安全可靠，当局 部管网发生事故时，断水范围应减到最小； 3管线遍布在整个给水区内，保证用户有 足够的水量和水压； 4力求以最短距离敷设管线，以降低管网 造价和供水能量费用。 3.2 管网拓扑结构模型化 管网模型：将给水排水管网工程实体简化和抽象为用管段和节点两 类元素图形和数据表达的系统，称为给水排水管网模型。 管网模型分类：拓扑模型、水力模型、水质模型、运行管理模型。 管网模型内容：管网拓扑关系和水力、水质特性。 模型理论基础：数学、水力学、化学、生物学。 管网图简化 o某市管网全图 o管网局部图 o管网简化图 管网图形及简化 管网图形：根据图论的基本原理，图由“弧 ”和“顶点”两部分组成。
6、给水管网的几何图形 可以抽象地认为是由管段和节点构成的有向图， 如将管段看成“弧”，节点看成“顶点”，则管 网本身也是一种“图”。 管网图形中每个节点通过一条或多条管段和 其他节点相连接。如果舍去后，会破坏“图”的 连续性的管段，称为联系管段。去除后会破坏“ 图”的连续性的节点，称为铰点。 铰点 联系管段 节点：有集中流量进出、管道合并或 分叉以及边界条件发生变化的地点 管段：两个相邻节点之间的管道 管线：顺序相连的若干管段 环：起点与终点重合的管线 基环：不包含其它环的环 大环：包含两个或两个以上基环的环 管段 基环 节点 管线 大环 管网简化原则与方法管网简化原则与方法 （1）简化原则 1
7、）宏观等效原则。保持其功能，各元素之间的关系不变。 2）小误差原则。简化模型与实际系统的误差在一定允许范 围，满足工程上的要求。 （2）管线简化一般方法 1）删除次要管线，保留主干管线和干管线。 2）相近交叉点合并，减少管线的数目。 3) 删除全开阀门，保留调节阀、减压阀等。 4）串联、并联管线水力等效合并。 5）大系统拆分为多个小系统，分别计算。 管网简化图例 节点 合并 管段合并 分解 忽略 在保证计算结果接近实际 情况的前提下，为方便计算 可对管线进行适度简化。 分解：只有一条管段连 接的两个管网可分解成两个 管网进行计算；管网末端水 流方向确定的部分可分开计 算；环状网上接出的树状网
8、分开计算。 忽略：管网中主要起联 络作用的管段，由于正常运 行时流量很小，对水力条件 的影响很小，计算时可以忽 略。 节点合并：距离很近的 两个节点计算时可视为一个 节点。 管段合并：长度近似相等、彼此几 乎平行且相距很近的两条管段计算时可 合并。 等效管段的比阻： 等效管段的长度： 管网简化原则与方法管网简化原则与方法 3.3 3.3 供水管网模型元素概化供水管网模型元素概化 o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。 o经过简化的供水管网进一步抽象成为仅由管段和节 点两类元素组成的管网模型。 管段和节点 oo管段：管段
9、：管线和泵站等简化后的抽象形式，只输送水 量，不允许改变水量，但可以改变水的能量。 当管线中间有较大的集中流量时，应在集中流量点 处划分管段，设置节点。 泵站、减压阀、跌水井、非全开阀门等应设于管段 上。 oo节点：节点：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象形 式。水的能量唯一，但有流量的输入或输出。 管段和节点流量的概化 比流量：为简为简 化计计算而将除去大用户户集中 流量以外的用水量均匀地分配在全部有效干管 长长度上，由此计计算出的单单位长长度干管承担的供 水量。 城镇镇中用水量标标准不同的区域应应分别计别计 算 比流量。 公园街坊 街坊 街坊 街坊街坊 街坊街坊街坊 沿线流量：干管有效长
10、度与比流量的乘积。 按管道长长度计计算的比流量不能反映供水人 数和用水量的差别别，可采用按面积计积计 算比流量 的方法。 管段和节点流量的概化 经过简化，管网中除最末端的管段外，其 他任一管段的流量都由两部分组成，一部分是 本管段沿程配水产生的流量，即沿线流量，另 一部分是通过该管段输送到下游管段的流量， 称为转输流量。 节点流量：沿线流量只有概念上的意义，在水力 计算时应将沿线流量按适当比例分配到两各节点 ，成为节点流量。沿线流量转换成节点流量的原 则是管段的水头损失相同。 管段和节点流量的概化 集中流量处理： 概化后管段和节点的属性 管段属性 o构造属性：管长、直径、粗糙系数。 o拓扑属性
11、：管段方向、起点、终点。 o水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。 节点属性 o 构造属性：高程、位置。 o 拓扑属性：与节点关联的管段及其方向、节点的度； o水力属性：节点流量、节点水头、自由水头。 管网的流量分配就是确定管网中各管段的流 量，通过的流量即管段流量(计算流量)。节点 流量求出后，就可进行管网的流量分配，依 此确定各管段的流量和管径。 计算流量(即流量分配)，实际包括该管段两侧 的沿线流量和通过该管段输送到以后管段的 转输流量。 3.4 管段流量的分配 树状管网的管段流量具有唯一性。 泵站 5 6 3 8 5 6 4 6 2 7 3 5 4 5 2 8 6 14 27 33
12、3 4 12 17 7 26 2 34 77 5 环状管网满足连续性条件的流量分配方 案可以有无数多种。(经济性、可靠性） 15 10 13 12 18 16 17 14 19 7 6 12 5 27 14 8 58 19 12 33 59 134 6024 9 511 13 57 3010 249 8 环状网流量分配步骤 1、按照管网的主要供水方向，初步拟定各管段的水 流方向，并选定整个管网的控制点。 2、为了可靠供水，从二级泵站到控制点之间选定几 条主要的平行干管线，这些平衡干管中尽可能均匀地 分配流量，并且符合水流连续性，即节点流量平衡。 3、和干管线垂直的连接管，可分配较少的流量。原
13、因：主要作用是沟通平行干管之间的流量，有时起部 分输水作用,有时仅就近供水到用户，平时流量一般不 大，只有在干管损坏时才能转输较大的流量。 主要包括 Ø 管段直径与水头损失计算 Ø 管网计算基础方程 Ø 管网计算方法分类 Ø 管网水力计算 4 供水管网系统水力学基本方程 4.1 管径计算 管道直径、管段计算流量和水流速度之间满 足以下关系： 在确定的计计算流量下，管道直径是流速的函 数： 从技术上考虑，水流的最大速度应不超过 2.53.0米/秒（防止水锤），最小速度不得小 于0.6米/秒（防止沉积）。 从经济上考虑，较大的水流速度可减小管 道直径，降低工
14、程造价；但由于水流速度大而 会导致水头损失增加，从而加大运行的动力费 用。合理的流速应该使得在一定年限（投资偿 还期）内管网造价与运行费用之和最小。 4.1 管径计算 设设Wt为总费为总费 用，C为为管网造价，M1为为年度 运行电费电费 ，M2为为年折旧费费用，t为为投资偿还资偿还 年 限。则则有： 投资偿还资偿还 期内的年度总费总费 用为为： 因M2与管网造价有关，以管网造价的百分数计， 可表示为M2= C De M1 Ve W M1 W V W 0D W 0 管径 （mm）平均经济经济 流速 （m/s） D=100400 D400 0.60.9 0.91.4 经济流速: Q一定,在资金偿还
15、期内,管网的造价和 管理费用之和为最小时相应流速为经济流速. 经济管径: 如果Q一定,由经济流速制定的管径叫 经济管径. 经济流量:如果DN一定,由经济流速决定的管段通 过的流量叫经济流量. 在重力条件下, 把H用完所得管径为经济管径. DN(mm ) 100150200250300400 V(m/s) 0.840.941.091.231.271.43 Q(L/s) 6.5916.634.260.489.919.7 DN(m m) 4505006007008009001000 V(m/s) 1.491.591.791.811.912.002.0 Q(L/s) 236.9312.2506.169
16、6.5960.1 1272.31641.5 D-V-Q,以靠近为原则 流量和水头损失的关系： 均匀流基本公式： 4.1 水头损失计算 1. 舍维维列夫公式（适用于旧铸铁铸铁 管和旧钢钢管） 2. 巴甫洛夫斯基公式（适用于混凝土管、钢钢 筋混凝土管和渠道） 对对于混凝土管和钢钢筋混凝土给给水管，当 0.01n0.04时时，y值值可采用1/6。 3. 海曾威廉公式 水管种类类海曾-威廉系数C 塑料管 新铸铁铸铁 管、涂沥沥青或水泥的铸铁铸铁 管 混凝土管、焊焊接钢钢管 旧铸铁铸铁 管和旧钢钢管 150 130 120 100 4. 柯尔勃洛克公式 水管种类类粗糙系数k（mm） 涂沥沥青铸铁铸铁 管 涂水泥铸铁铸铁 管 涂沥沥青钢钢管 镀锌钢镀锌钢 管 石棉水泥管 离心法钢钢筋混凝土管 塑料管 0.050.125 0.50 0.05 0.125 0.030.04 0.040.25 0.010.03 目的：确定各水源节点的供水量、各管段的流 量和管径、全部节点的水压。 多水源环状管网的管段数、节点数、基 环数和水源数满足列关系： +- 单水源环状管网： +-1 树状管网：
