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1、第3章 给水排水管道系统3.1 给水排水管道系统的任务和组成3.1.1 给水管道系统的任务和组成 整个给水工程或给水系统是包括水的取集、处理和输配的一个大的系统。根据水源的不同、供水对象不同及地形不同等，给水系统的组成也有所不同。（P45图31为一典型的城市单水源给水系统示意图。）给水管道系统的组成：1.输水管（渠）道2.配水管网3.泵站4.水量调节构筑物5.给水管道系统上的附属构筑物给水管道系统所承担的任务就是水的提升、水的输送和分配及水量调节。在整个给水系统中，投资最大的往往是输水管（渠）道和配水管网，可达总投资6080左右。因此，给水管道的合理设计十分重要。3.1.2 排水管道系统的任务
2、和组成 一.定义：将城市污（废）水和降水按要求进行收集、处理和排放的工程称为排水系统。（图32为一简单分流制排水系统示意图。）二.排水管道系统的组成：1.污水支管2.干管3.主干管4.雨水支管5.雨水干管6.排水管道系统上的附属构筑物3.2 给水排水管道系统规划和布置1.给水系统的总体布局（1）统一供水系统统一供水系统：一般适用于城市地形起伏较小，建筑层数差别不大，各种用户对水质和水压要求相差不大的城市或大型工业区。（2）分质供水系统分质供水系统：当对水质要求不高的工业生产用水或其他用水所占比例较大时，为了节约水处理费用或节省水资源，可采用不同管道系统，分别将不同水质的水供给用户。（3）分区供
3、水系统分区供水系统：当城市地形高差较大，或城市供水范围很大，或城市被自然地形分割成若干部分的大、中城市，可采用分区供水系统。该系统又可以分为并联分区供水和串联分区供水（图33）。并联分区供水的优点是：高区和低区用水分别供给，比较安全可靠；高区和低区水泵集中在一个泵站内，管理方便。缺点是：增加了高压输水管道。串联分区供水的优点是：无需设置高压输水管；也无需高压水泵。缺点是：增加了一个高区假牙泵站，同时供水安全可靠性不如并联分区，因为高区供水需通过低区管网。（4）区域供水系统区域供水系统 特点：可以统一规划、合理利用水资源；分散的、小规模的独立供水系统联成一体后，通过统一管理、统一调度，可以提高供
4、水系统技术管理水平、经济效益和供水安全可靠性。一般适用于相距较近、地理条件和水源特点合适的中、小城镇，或某一大城市与其周边的中、小城镇乃至村镇的联合供水。2.配水管网布置 基本布置形式有以下两种：（1）树状网（图35）（2）环状网（图36）布置配水管网总的要求是：管线应遍布整个用水区；供水安全可靠；力求以最短距离向用户供水（特别是大用户）；按城市规划要求保留管网发展余地；管道一般按规划道路敷设，但尽量避免敷设在高级路面下。3.输水管渠布置输水管渠选线及布置要求如下：（1）应能保证不间断供水。（2）尽量使输水管线最短，以降低造价和输水费用。（3）输水管线尽量避免穿越河谷、铁路等障碍物以及沼泽、滑
5、坡等地质不良地区，并尽量不占或少占良田。有条件时，最好沿现有道路或规划道路敷设管道。（4）充分利用地形，优先考虑重力流或部分重力流输水。4.长距离输水管渠和引水工程 长距离输水工程包括输水管渠、泵站、调蓄水库、穿越河流、沼泽等一系列工程设施，受到复杂地质、地形等自然条件和某些社会环境的影响。因此，管渠选线时，要经过周密调研、充分论证才能确定。3.2.2 排水管道系统规划和布置1.城市排水体制 对城市污水和雨水（包括冰雪融化水）的汇集排除方式，称排水体制。排水体制分合流制和分流制两种基本形式。排水体制的选择是排水系统的关键。（1）合流制排水系统 将城市污水和雨水采用一个管渠系统汇集排除的称合流制
6、排水系统。合流制排水系统又分直流式和截流式两种（图37 a、b)。直流式排水系统是将未处理的混合污水用统一管渠系统就近直接排入水体。截流式排水系统在晴天时，管中汇集的只是城市污水，总流量较小，可全部输送到污水处理厂，经处理后排入水体。雨天时，混合污水流量大增。当混合污水流量超过一定数量时，超出部分则通过溢流井直接排入水体，部分混合污水仍输入污水处理厂经处理后排入水体。因此截流式排水系统虽然也会造成水体污染，但污染程度比直流式大大减轻。这种排水体制目前应用仍较广。（2）分流制排水系统 将城市污水和雨水采用两个或两个以上排水管渠系统汇集排除的称分流制排水系统。汇集和输送城市污水的管渠系统称污水排除
7、系统。它将污水输入污水处理厂经处理后排入水体。汇集和排除雨水的称雨水排除系统。某些较清洁而无需进行处理的生产废水有时也可通过雨水排除系统直接排入水体。城市中只有污水排除系统而未建雨水排除系统，称不完全分流制。合流制排水系统的主要优点是管系较简单，造价较低；主要缺点是管系复杂，造价较高。2.排水管道系统布置 排水管道系统在平面上的布置均呈树状网形式。管道系统布置和定线的原则尽可能在管线短、管道埋设深度浅的情况下，使最大区域的污水或雨水能自流排除。地形是影响排水管道系统布置的主要因素。地质条件也影响管道系统布置。地下建筑和障碍物对管道系统布置也有影响。3.3 给水排水管道系统主要设计内容、方法和要
8、求3.3.1 给水管道系统主要设计内容、方法和要求 给水管道系统设计主要内容有以下六部分：管道系统布置和定线；设计流量计算；求出管道直径；计算管道中水头损失；求出二级泵站扬程及水塔高度（当设置水塔时）；水量调节构筑物（清水池、水塔或水库）容积计算。1.设计流量计算设计用水量包括：城市居民生活用水量；工业企业用水量（包括生产用水和职工生活用水）；浇洒道路和绿地用水量；消防用水量等。在设计年限内，用水最多的一天称最高日用水量；在一天内，用水最多的一小时水量称最高时用水量；一天内平均一小时用水量称平均时间用水量。给水管道系统各部分设计流量均以设计年限内最高日用水量计算。所谓设计流量设计流量，是用以确
9、定各部分供水能力或管道直径的流量。各部分设计流量选定如下：一级泵站、原水输水管一级泵站、原水输水管：设计流量均按最高日、平均时用水量计算。二级泵站二级泵站：若管网中无水塔或调节水库时，二级泵站供水量随用水量变化而变化，设计流量按最高日、最高时用水量计算；二级泵站与一级泵站流量之差由水厂清水池调节。若管网中有水塔或水库，二级泵站根据用水量变化情况分级供水；二级泵站供水量与用水量之差由水塔或水库调节。清水输水管道清水输水管道：若管网中无水塔或调节水库时，设计流量按最高日、最高时用水量计算。若管网中设有水塔或水库时，设计流量应按最高日、最高时用水量减去水塔输出的流量。若城市中有数个水厂，则每个水厂至
10、管网的输水管设计流量应按最高日、最高时用水量，由各水厂按水厂规模分担。配水管网配水管网：配水管网设计总流量按最高日、最高时用水量计算。2.配水管网中的管段设计流量计算 沿管段输入支管的众多大小不等的用户流量，称为沿线流量。某一大用户的用水量称为集中流量。沿线流量和集中流量之和等于总流量。设计时必将管网流量进行简化的方法和步骤如下：第一步：将非均有配出的沿线流量简化成均有配出的沿线流量，即假定输入管网的总流量（已知）减去集中流量以后，沿管网全部管线均匀配出（管线仅一边供水者按1/2计）。这样，管段上的沿线流量就仅与管段长度成正比。第二步：将均有配出的沿线流量按一定比例折算成节点流量，即假定管段沿
11、线流量不是沿线配出，而是仅由管段两端节点输出。集中流量总是在节点上输出，也并入节点流量中。这样，全部节点流量之和等于总流量。管网节点流量求出以后，就可以进行流量分配。树状网的每一管段流量只有一个。作流量分配时，必须保持节点处流量平衡，即对任一节点而言，进入节点的流量必须等于流出该节点的流量（箭头方向表示流量的进出），以保持水流的连续性。环状网流量分配涉及供水安全可靠性和经济性两种因素。供水安全可靠性和经济性两者不可兼顾，一般是在满足供水安全可靠性要求下力求经济。注意：第一，这是按最高日、最高时用水量计算的流量，是用以计算管道直径的，其他世界，流量是不同的，而且不断变化的。第二，这只是初步的流量
12、分配，在确定管径并通过水力计算后，各管段流量还会有所调整。3.管径计算管网流量分配后，即可按下式求管段直径：D=式中：Qijij管段的管段流量，m3/s v 管中流速，m/s D 管段直径，mvQij44.管道系统水力计算 水力计算的目的，是求出管道水头损失，进而求出管网及输水管中各节点水压以及泵站扬程（包括水塔高度等）。管网平差5.水泵扬程计算 当管网水力计算完成以后，各管段水头损失即已求出。然后在管网中选一可控制整个管网压力的控制点并确定用户所需最小服务水头。根据控制点地面与水泵吸水井水位高差、所选最小服务水头、沿管网起端循任一条线路（树状网只有一条线路）至控制点的管线水头损失及输水管水头
13、损失等，即可求出水泵扬程。6.给水管道系统优化设计基本概念 给水管道系统的优化设计，应考虑以下四方面因素：所需水量、水压的保证性；供水可靠性；水质安全性；经济性。标准优化法是求一定约束条件下、一定年限内（称投资偿还期）管网造价和管理费之和为最小时的管径，称经济管径，相当于经济冠军的流速称经济流速。3.3.2 污水管道系统主要设计内容、方法和要求 污水管道系统的设计内容主要是：管道系统平面布置；计算设计流量；管道直径和坡度计算；管道埋设深度设计；附属构筑物设计。1.污水设计流量计算污水管道系统是按设计年限内最高日、最高时污水量计算的，并按各居住区分别计算，以便计算各管段设计流量。凡采用同一设计流
14、量、同一管径和统一坡度的两检查井之间的管段，称之为设设计管段计管段。每一管段流量应包括三部分流量：（1）本段流量：从管段沿线街坊流来的流量。（2）转输流量：从上游管道和旁侧管道流来的流量。（3）集中流量用公式表示：管段设计流量本段流量转输流量集中流量2.污水管道系统水力计算 水力计算的目的，是在流量已知条件下，求出经济合理的管道直径（或渠道断面尺寸）、管道坡度和埋设深度。由于污水管渠是重力流且是非满流，则管中流量Q、管径D、流速v、管段坡度I、充满度h/D等5个参数是互相关联的水力参数。污水管道设计的限制条件如下：（1）最大允许充满度h/D0.550.75，视管径大小决定。（2）管内最小设计流
15、速定为0.6 m/s。为防止管道冲刷损坏，金属管最大设计流速10 m/s；非金属管最大设计流速5 m/s。（3）最小管径：街坊和工厂区内为200mm，街道下为300mm。（4）一般规定管径200mm，最小设计坡度0.004；管径300mm，最小设计坡度0.003。（5）车道下的管道最小覆土厚度不得小于0.7m，其余见有关规定。注意：（1）在流量Q已知条件下，改变一个参数，其他3个参数均随之变化。（2）设计计算过程中，既要满足上述约束条件，又要力求降低工程造价，故必须结合地形等条件综合考虑，不纯粹是水力学计算问题。3.3.3 雨水管渠系统设计特点1.设计流量（1）设计暴雨强度所谓设计暴雨强度设计
16、暴雨强度，是指一定年限内可能出现一次的暴雨（称重现期），在一定的降雨历时内，单位汇水面积上的雨水量。设计时，根据雨水排除要求，先确定重现期和降雨历时，而后按暴雨强度公式求出设计暴雨强度。（2）汇水面积 汇水面积汇水面积是指某一管段所承担的汇集雨水的面积。某管段汇水面积本管段汇水面积转输汇水面积（3）径流系数 径流系数径流系数是径流量与降雨量之比。设计流量径流系数设计暴雨强度汇水面积2.雨水管渠水力计算特点 雨水管渠水力设计内容与污水管渠相同，水力计算方法和水力学原理也与污水管渠相同。但是雨水管渠按满流计算，即充满度h/D1。当雨水采用明渠排除时，则明渠的超高一般等于或大于0.20m。3.雨水径流量的调节 由于雨水设计流量大，故雨水管渠断面尺寸大，造价高。为了减少管渠断面尺寸，可在雨水管渠系统的适当位置设置雨水调节池，把雨水径流洪峰暂存其内，待洪峰流量下降至一定程度时，再将贮存在池内的水慢慢排出，这样就可降低下游雨水干管断面尺寸。3.3.4 合流制管渠系统设计特点 溢流井上游管段设计流量包括雨水流量和城市污水流量。所谓截流倍数截流倍数，是指通过溢流井上游转输至溢流井下游管段的雨水量（即不
