利用軟件結合實例設計城鎮給水管網

【摘要】給水管網系統是構成城鎮給水系統的重要部分。本文結合某市某縣的管網設計實例介紹了城鎮給水系統的組成，并簡單地對配水管網的平面布置及計算、水量水壓調節設施及管道選材等進行探討。

【關鍵詞】給水系統；配水管網；用水量計算；管網水力計算

城鎮給水系統的重要部分是給水管網系統，需滿足用戶對水量、水質、水壓的要求。給水管網系統的任務是通過泵站、輸水管、配水管網、及調節構筑物等設施的配合工作將符合用戶用水水質標準的水輸送和分配到用戶來實現的。工程設計的基本要求是以最少的建造費用和管理費用，保證用戶所需的水量和水壓，降低漏損率，保持水質安全。管網設計對配水管網的建設十分重要，并且是后續工作的基礎。下面將利用軟件結合某市某縣的配水管網設計進行討論。

1、給水管網系統

給水管網系統由輸水管渠和配水管網構成。輸水管渠應保證供水不間斷，盡量線路最短，少占農田，維護方便。根據距離選擇壓力輸水或無壓輸水方式。配水管網安放的原則是在滿足各用戶對水量、水壓的要求以及考慮施工及維護方便的前提下，盡量縮短管線長度[1]。管網中管道可分為干管、分配管、進戶管（三種管道有三種管徑）。輸水管渠之間應在適當的位置設置連接管來保證供水，配水管網一般采用環狀管網布置。城鎮配水管網還承擔城鎮的消防作用，因此，在現狀道路或規劃道路上應敷設管徑一般不小于150mm的配水支管。

布置管網時，可考慮分期建設，可前期采取樹狀網，后期可逐步構成環狀網。可在城中心布置環狀管網，在郊區可布置樹狀支管網，環狀管網與樹狀支狀管網相結合。當遇到地形條件有限制等情況，可采用支狀管網來減少工程費用。

某縣地表水廠位于某縣的東北街區偏西北方向，干管將由水廠出來沿緯一路向東方向、向西方向敷設，呈“日”字型布置，再由干管接配水支管。干管布置如下圖所示。（其中，藍色線表示干管）

2、用水量計算

由綜合生活用水，工業企業用水，澆灑道路和綠地用水以及未預見用水和管網漏失水量組成的城鎮最高日總用水量，消防水量是城市給水系統必須考慮的水量，在最高日用水量計算時不計算，但在校核時需要計算。

配水管網為滿足城鎮用水量的變化，在設計年限保證系統安全可靠供水，應取最高日最高時用水量作為設計依據。日變化系數值約為1.1～1.5，時變化系數值約為1.2～1.6。大城市變化系數取小值，小城市可適當加大。

根據人口增長系數以及人均綜合用水標準等依據，利用數據模型計算到2020年某縣中心城區用水量350萬m3/年（9589.04m3/d，399.54m3/h，110.98L/S），取日變化系數1.3，時變化系數為1.4。通過計算，最高日最高時的用水量為559.36m3/h（155.38L/S）。

3、管網水力計算

配水管網是個復雜的系統，通過配水管網的水力計算可以確定干管管徑、管網各節點的水壓、管段的實際設計流量、泵站和管網中的加壓泵站的揚程等數據。

3.1 計算流量

配水管網的設計按照高日高時用水量計算。管網計算前分析供水區域內用戶用水量的分布特點，可假設大用戶節點流量為集中流量，其余用水量均勻分布在管線上，由此算出管線單位長度的流量，稱長度比流量。人口密度不同，也可按該管段的供水面積決定比流量的計算方法，稱面積比流量。

在鴻業軟件里將管線布置好后，將大用戶和水源定義集中流量。其中，水源的集中流量為負，其他大用戶集中流量為正。將輸水管渠定義為兩側不供水類型，城周邊的管線定義成單側供水類型，城中心管線定義成雙側供水類型。按管長進行分配流量。城市熱鬧區的管道可設置一定的配水系數。

3.2 沿線流量和節點流量

根據比流量可求出整個管網任意一管段的沿線流量，即長度比流量（面積比流量）與所求管段計算長度（供水面積）的乘積。

任一管段流量由沿線流量ql和轉輸流量qt構成。由沿線流量ql可將沿線流量ql轉化成從管段兩端節點流出的節點流量，其化為節點流量的原理是求一個沿線不變、而從管段末端節點流出的流量αql（α稱為流量折算系數），使它產生的水頭損失等于實際上沿線流量qx產生的水頭損失，其余的沿線流量（1-α）ql則從管段始端節點流出。管段中通過的是均勻流量q=qt+αql，此時就可根據該流量確定管徑。區域面積小的配水管網如果用水量均勻可用面積比流量計算流量。

3.3 管網平差

在初分配流量、管徑確定好的前提下，為同時滿足連續性方程組和能量（環）方程組，進行反復重復計算來分配管道流量。

手算管網平差是一個巨大的工作量。隨著軟件應用發展，利用軟件解決管網平差問題是很常見。在前面所述的工作上，利用鴻業市政軟件進行管網平差計算。

首先，設置最不利點水壓為28m，進行反算水源壓力的計算。得到此時的水源壓力，將此時所有管段節點的流量、壓力的數據賦回圖中。然后，將反算水源壓力的水源壓力輸入水源節點上，進行消防校核計算。將大用戶點和在反算水源壓力中計算的最不利點（壓力最小點）設置為消防流量，由于某縣屬于中小城鎮，根據規范設置消防流量為45L/S。進行消防計算時，可以不設置最不利點水壓為28m。若消防校核符合，將消防校核的數據賦回圖中，繼續進行事故校核；若不符合，擴大相應管線管徑，重新進行反算水源壓力和消防校核的步驟，直到消防校核符合為止。接下來，將離近水源點的管渠或管線定義成事故管，將給水系數設置為0.7，此時也可以不設置最不利點水壓。事故校核若符合要求，完成給水管網平差計算；若校核不符合要求，擴大相應管線管徑，重新進行反算水源壓力、消防校核計算、事故校核計算，直到所有計算符合為止。

管網平差計算后，進行節點標注和管段標注。此時，管線上的相應流量、流速、管徑、長度以及節點上的流量、水壓等數據清晰地呈現在圖中。相應的反算水源壓力圖在圖2顯示。（消防校核、事故校核計算圖類似反算水源壓力圖，標注的節點流量、節點壓力與反算水源壓力圖不同）

4、管材選擇

管材的選擇應從配水管網布置、管徑、管道的工作壓力、地理情況及施工運輸條件等方面來綜合比較，選擇管材的原則是從經濟、環保、減少資源等方面選取。一般采用抗腐蝕、節能環保的非金屬管材。

常規供水工程的管材種類有：鋼筋混凝土管、球墨鑄鐵管、鋼管、PVC管、PE管等。根據管材種類可采用相應的連接方式。本設計采用球墨鑄鐵管。

由于球墨鑄鐵管具有較高的抗拉強度、延伸率、韌性好、耐腐蝕、抗氧化、耐高壓等性能特點，以及施工便捷等優點 。在某縣設計中，采用球墨鑄鐵管進行計算，本設計采用承插連接方式。

5、附屬構件

5.1 閥門

閥門通常放在管網節點及分支管處、穿越障礙物和過長的管線。配水干管上裝設閥門間距一般為400～1000m。在入戶管或預埋支管上也應設置閥門，主次管線通常設置在次要管線上。

如果沒有限制，管道材料可按照管徑結合覆土、閥門安裝等要求進行選擇。管道直徑大于DN300的一般選用蝶閥，管道直徑小于DN300的一般選擇閘閥。

5.2 排氣閥

有種類型排氣閥能自動進氣、自動排氣，本設計可以采用這類排氣閥安裝在管線隆起部分。平時排除水中釋放的氣體，以免空氣積存；在管道檢修、放空時進入空氣，保持管道排水暢通；避免水錘作用。在配水管網布置時，應分析管道的高程，合理設計管網的高點和低點。

根據經驗，排氣閥一般管道小于DN350選用單口排氣閥，管道大于DN400選用雙口排氣閥。某市某縣設計可采用單口排氣閥。

5.3 消火栓

根據消防要求，當道路寬度大于60米時，應在道路兩側均勻布置，在配水管網上需設置消火栓；當道路寬度小于60米時，在道路一側布置。消火栓的間距不應大于120米，大部分工程通常在路口處設置地上式消火栓，使用方便。本設計采用地上式消火栓。

6、結語

城鎮給水管網系統是城鎮發展的重要工程，利用市政鴻業軟件設計某市某縣的配水管網，通過反算水源壓力計算、事故校核計算、消防校核計算確定管道的管徑、流量和節點壓力。進一步選取管徑大小、附屬構件、消火栓，從而完成給水管網系統設計。

參考文獻：

[1] 席智虎，蘇功軍. 淺析平原地區城鎮配水管網工程設計[J]. 大眾科技，2010，（07）：82-83.

[2]《給水排水設計手冊》編寫組.第3冊城鎮給水（第二版）[s].北京：中國建筑工業出版社，2004.