给排水 中级工程师讲义.docx

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给排水中级工程师讲义

第一部分城市给水工程

一、给水系统总论

1、城市给水相关技术规范

（1）《室外给水设计规范》（GBJ13－86）

（2）《泵站设计规范》（GB/T50265－97）

（3）《生活饮用水水源水质标准》（CJ3020－93）

（4）《生活饮用水卫生标准》（GB5749－85）

（5）《饮用净水水质标准》（CJ94－1999）

（6）《地表水环境质量标准》（GB3838－2002）

2、给水系统分类、组成及布置形式，以及影响给水系统布置的因素。

2.1给水系统分类

（1）按水源种类：

地表水和地下水

（2）按供水方式：

自流系统、水泵供水系统和混合供水系统

（3）按使用目的：

生活用水、生产给水和消防给水系统

（4）按服务对象：

城市给水和工业给水系统（循环系统和复用系统）

2.2给水系统的组成

（1）取水构筑物

（2）水处理构筑物

（3）泵站

（4）输水管渠和管网

（5）调节构筑物

2.3给水系统布置

2.3.1统一给水系统

（1）以地表水为水源的给水系统

（2）以地下水为水源的给水系统

2.3.2分系统给水

（1）分质给水系统

（2）分压给水系统

2.4影响给水系统布置的因素

（1）城市规划的影响

（2）水源的影响

（3）地形的影响

3、各类用水量标准、用水量变化规律及变化系数的确定

3.1城市用水量组成

综合生活用水（包括居民生活用水和公共建筑及设施用水）

（2）工业企业生产用水和工作人员生活用水：

（3）消防用水

（4）浇洒道路和绿地用水

（5）未预计水量及管网漏式水量

3.2用水量变化

（1）、生活用水随生活习惯和气候而变化

（2）、生产用水随气温和水温而变化

3.3日变化系数（Kd）和时变化系数（Kh）

3.4用水量计算

3.4.1最高日设计用水量Qd

Qd=（1.15-～1.25）（Q1＋Q2＋Q3＋Q4）（m3/d）

式中Q1——城镇或居住区的最高日生活用水量

Q1=qNf（m3/d）

Q2——工业企业职工的生活用水和淋浴用水量

Q3——浇洒道路和绿化用水

Q4——工业企业生产用水

Q4=q.B（1-n）（m3/d）

注：

未预见水量和管网漏水量=（15%～25%）最高日用水量

3.4.2最高时设计用水量Qh

Qh＝KhQd/86.4（L/s）

式中Kh——时变化系数

Qd——最高日设计用水量

4、城市给水需水量预测的相关方法

4.1城市短期用水量的影响因素：

（1）天气影响

（2）节假日影响

（3）管网影响

4.2城市中长期用水量的影响因素：

（1）工业总产值的影响

（2）人均年收入水平的影响

（3）水的重复利用率的影响

（4）人口数量及水价的影响

（5）管网运行、管理状况的影响

4.3预测方法

4.3.1定性预测

4.3.2定量预测

（1）回归分析方法

（2）时间序列分析方法

指数平滑法

自回归－移动平均模型

灰色预测方法

5、城市供水调度系统、调度中心、水厂监控中心组成及主要功能

5.1城市供水调度系统一般包括：

调度中心、水厂监控中心、水厂监控分站、水源井监控站、管网加压站和管网测压站。

主要功能：

安全可靠地将符合水量、水压、水质要求的水送往每个用户，并最大限度地降低给水系统的运行成本，保证给水系统的运行安全可靠性。

5.2供水调度中心须有遥感、遥测、遥迅等成套设备，负责调度水厂监控中心、水厂监控分站、水源井监控站、管网加压站和管网测压站。

主要功能：

及时了解整个给水系统生产情况，采取有效的科学方法和强化措施，执行集中调度的任务。

5.3水厂监控中心：

由操作员站、工程师展等工作站、管理工作站、历史服务器打印机等附属设备以及网络设备组成。

主要功能：

对整个水厂进行组态管理，系统监控；实时监测、显示、处理、控制各PLC子站的状态、通信、数据和信息；报警处理和报表打印；动态数据库和历史数据库管理；实现与上级系统的通信和数据交换。

6、城市给水系统规划设计原则及任务

6.1城市给水系统规划设计原则

（1）贯彻执行国家和地方的相关政策和法规

（2）城镇及工业企业规划时应兼顾给水工程

（3）给水工程规划要服从城镇发展规划

（4）合理确定近远期规划与建设范围

（5）要合理利用水资源和保护环境

（6）规划方案应尽可能经济和高效

6.2城市给水系统规划设计任务

（1）确定给水系统的服务范围与建设规模

（2）确定水资源综合利用与保护措施

（3）确定系统的组成与体系结构

（4）确定给水系统主要构筑物的位置

（5）确定给水处理的工艺流程与水质保证措施

（6）给水管网规划和干管布置与定线

（7）给水工程规划的技术经济比较，包括经济、环境和社会效益分析

7、水厂运行过程的监测与自动控制

7.1水厂监测内容

（1）水源水质：

原水的水温、水位、流量、水质（浊度、碱度、溶解氧等）

（2）投药装置反应沉淀或澄清：

水位、流量、pH值、碱度、出水浊度、余氯、泥浆浓度、泥位、泥流量等，以便对机械运转、沉淀池水位、投药、排泥等进行自动控制，从而保证水质、降低能耗。

（3）过滤：

水位、水头损失、流量、pH值、余氯、出水浊度、冲洗水箱（水塔）水位等，以便对滤池水位、过滤流量、表面冲洗流量、反冲洗水量和冲洗泵等进行控制。

（4）清水池和供水：

水位、流量、浊度、pH值、余氯、漏氯检测和报警、出水厂水压、管网水压遥测，以便于清水池、供水泵（台数、转数）、配水压力和流量等进行自动控制。

7.2水厂常用监测仪表

（1）电磁流量计

（2）电容式压力变送器

（3）电容式液位仪

（4）浊度仪

（5）电容式压差变送器

（6）投入式液位仪

（7）pH计

（8）温度计

（9）余氯分析仪

（10）声波液位仪

7.3水厂自动化控制

7.3.1水厂自动化控制系统的主要模式

（1）水厂供水调度SCADA系统

（2）水厂集散控制DCS系统

（3）PLC+PC系统模式

7.3.2水厂各构筑物的自动控制

（1）取水泵房

（2）沉淀池及澄清池

（3）快滤池

（4）投药控制

（5）二级泵房

（6）全厂控制

8、3S技术在城市给水中的应用

二、取水工程

1、给水水源特点及选择原则

1.1给水水源分类及其特点

表1地下水与地表水特点

项目

地下水

地表水

水质

水质澄清、变化幅度不大，相对地表水不易被污染

水质具有明显的季节性，河水混浊度高，尤其是在汛期，水中含沙量大，色度高，有机物和细菌的含量高且易被污染

水温

水温稳定

水温随季节变化幅度较大

矿化度和硬度

矿化度和硬度较大

矿化度和硬度较地下水小

取水和水处理设施

取水构筑物和水处理设施构造简单，费用低，便于靠近用户设置及卫生防护，同时便于维护及运行管理

取水构筑物构造复杂，处理设施占地大，费用高，维护管理较地下水复杂

1.2给水水源选择原则

（1）水源水量充沛可靠，便于防护。

（2）原水水质符合要求

（3）符合卫生要求的地下水，宜优先作为生活饮用水的水源。

（4）全面考虑统筹安排，正确处理与给水工程有关部门的关系。

（5）取水、输水及水处理设施安全经济和维护方便

（6）具备施工条件

2、合理利用水源基本方法及保护水源的措施

2.1合理利用水源基本方法

（1）工业用水宜采用地表水源，饮用水宜采用地下水源。

（2）利用处理后的污水灌溉农田。

（3）在工业给水系统中采用循环和复用给水，提高水的重复利用率，减少水源取水量。

（4）利用海水作为某些工业的给水水源。

（5）水库水源要综合利用。

（6）人工回灌地下水即用地表水补充地下水，以丰水年补充缺水年，以用水少的冬季补充用水多的夏季。

（7）在沿海城市的潮汐河流，采用“蓄淡避咸”的措施。

2.2保护水源的一般措施

（1）配合有关部门制定水资源开发利用计划。

（2）加强水资源管理。

（3）进行流域面积内的水土保持工作。

（4）防止水源水质污染。

2.3给水水源卫生防护

（1）地表水源卫生防护

（2）地下水源卫生防护

3、地下取水构筑物类型及适用条件

3.1管井

（1）适用于含水层厚度大于5m，其底板埋藏深度大于15m；

（2）适应于开采深层地下水，在深井泵性能允许的情况下，不受地下水埋深限制；

（3）适应性强，能用于各种岩性、埋深、含水层厚度和多层次含水层，应用范围最为广泛。

3.2大口井

（1）适用于取集浅层地下水，地下水埋深在12m以内，含水层厚度在5－20m以内；

（2）适用于任何砂石、卵石、砾石层，但渗透系数最好大于20m/d；

（3）含水层厚度大于10m时应做成非完整井；

（4）比较适合中小城镇、铁路及农村的地下水取水构筑物。

3.3辐射井

（1）适用于含水层厚度在10m以内；

（2）适应性较强，适用于不能用大口井开采的、厚度较薄的含水层及不能用渗渠开采的厚度薄、埋深大的含水层；

3.4复合井

（1）适用于地下水位较高，厚度较大的含水层；

（2）比较适合城镇水源、铁路沿线给水站及农业用井的地下取水构筑物

3.5渗渠

（1）适用于地下水埋深小于2m，含水层厚度小于6m的浅层地下水；

（2）适用于中砂、粗砂、砾石或卵石层；

（3）最适宜于开采河床地下水或地表渗透水。

4、江河、湖泊和水库取水构筑物选择的基本要求

4.1江河取水构筑物位置选择的基本要求

（1）设在水质较好地点

（2）具有稳定河床和河岸，靠近主流，有足够的水深

（3）具有良好的地质、地形及施工条件

（4）靠近主要用水地区

（5）应注意河流上的人工构筑物或天然障碍物

（6）避免冰凌的影响

（7）应与河流的综合利用相适应

4.2江河水取水构筑物

4.2.1固定式取水构筑物

（1）岸边式取水构筑物（包括合建式和分建式）

适用于大、中、小型取水量，宜建在岸边较陡，主流近岸，岸边有足够水深，水质和地质条件较好，水位变化幅度不大的情况，但水下施工工程量较大，且须在枯水期或冰冻期施工完毕。

（2）河床式取水构筑物

适用于河床稳定、河岸平坦、枯水期主流离岸较远、岸边水深不够或水质不好、而河中又具有足够水深或较好水质时。

取水方式：

自流管取水、虹吸管取水、水泵直接取水、桥墩式取水。

4.2.2移动式取水构筑物

（1）浮船式取水构筑物

适用条件：

水位变化幅度在10～40m，涨落速度小于2m/h的江河水取水；临时供水的取水构筑物或允许断水的永久性取水构筑物；投资受到限制，难以修建固定式取水构筑物。

取水位置的选择：

河岸有适宜坡度；设在水流平缓、风浪小的地方，以利于浮船的锚固和减小颠簸；尽量避开河漫滩和浅滩地段。

（2）缆车式取水构筑物

适用条件：

水位变化幅度在10～35m，涨落速度小于2m/h的江河中取水；作为永久性取水构筑物；水位变化幅度大且水流急、风浪大，不宜用浮船取水；受牵引设备限制，每部泵车的取水流量小于10万m3/d；取水河道漂浮物少、无冰凌、无船只碰撞可能。

取水位置的选择：

宜选择在河岸地质条件较好，岸坡稳定的位置；宜选择在岸坡倾角为10～280的地段；应选在凹岸的顺直河段上，主流近岸，水深足够，避免设在回水区或凸岸，以防淤积。

4.3湖泊和水库取水构筑物

4.3.1取水构筑物位置选择

（1）不要选择在湖岸芦苇丛生处附近

（2）不要选择在夏季主风向的向风面的凹岸处

（3）应选在靠近大坝附近或远离支流的汇入口

（4）应建在稳定的湖岸或库岸处

4.3.2取水构筑物的类型

（1）隧洞式取水和引水明渠取水

（2）分层取水的取水构筑物

（3）自流管式取水构筑物

5．水源水质监测系统组成及主要监测内容

5.1水质自动监测系统组成

（1）提水装置

（2）预处理装置

（3）监测仪器

（4）数据采集

（5）数据处理与传输装置

（6）远程数据管理中心

5.2主要监测内容：

水温、pH、溶解氧（DO）、电导率、浊度、高锰酸盐指数、化学需氧量（COD）、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮、磷酸盐、硝酸盐氮

三、输水和配水工程

3.1管网布置原则

3.1.1布置原则

（1）按照城市规划布置，考虑分期建设可能，留有充分的发展余地。

（2）城市配水管网宜设计成环状，当允许间断供水时，可设计为树状网，但应考虑将来有连成环状网的可能。

在树枝状管段的末端应装置排水阀。

（3）工业企业配水管网的形状，应根据厂区总图布置和供水安全要求等因素确定。

（4）城镇生活饮用水的管网，严禁与非生活饮用水的管网连接。

城镇生活饮用水管网，严禁与各单位自备的生活饮用水供水系统连接。

（5）管线遍布在整个给水区内，管网中的干管应以最近距离输水到用户和调节构筑物，保证用户有足够的水量和水压。

（6）配水管网应按最高日最高时用水量及设计水压进行计算，并应分别按下列三种情况和要求进行校合：

发生消防时的流量和水压要求；最大转输时的流量和水压要求；最不利管段发生故障时的事故用水量和水压要求。

（7）城市内一般建筑物可以从管网引一条进水管，用水较高的建筑物或建筑物群可从管网不同方位引入两条或数条水管。

3.1.2定线

（1）城市管网定线是指在地形平面图上确定管线的走向和位置。

定线时一般只限于管网的干管以及干管之间的连接管，不包括从干管到用户的分配管和接到用户的进水管。

（2）干管定线时其延伸方向应和二级泵站输水到水池、水塔、大用户的水流方向一致，以最近的距离，将一条或几条干管平行地布置在用水量较大的街区。

平行的干管间距约为500～800m，干管之间的连接管间距考虑在800～1000m左右。

（3）干管一般按城市规划道路定线，但尽量避免在高级路面和重要道路下通过。

（4）生活饮用水管道应尽量避免穿过毒物污染及腐蚀性等地区，如必须穿过时应采取防护措施。

（5）城镇给水管道的平面布置和竖向标高，应符合城镇的管道综合设计要求；工业企业给水管道的平面布置和竖向标高，应符合厂区的综合设计要求。

（6）城镇给水管道与建筑物、铁路和其他管道的水平净距，应根据建筑物基础的结构、路面种类、卫生安全、管道埋深、管径、管材、施工条件、管内工作压力、管道上附属构筑物的大小及有关规定等条件确定。

（7）给水管应设在污水管上方。

当给水管与污水管平行设置时，管外壁净距不应小于1.5m。

当给水管设在污水管测下方时，给水管必须采用金属管材，并应根据土壤的渗水性及地下水位情况，妥善确定净距。

（8）给水管道相互交叉时，其净距不应小于0.15m。

生活饮用水给水管与污水管或输送有毒液体管道交叉时，给水管道应敷设在上面，且不应有接口重叠；当给水管敷设在下面时，应采用钢套管，套管伸出交叉管的长度每边不得小于3m，套管两端应采用防水材料封闭。

3.1.3管顶埋深

管道的埋设深度，应根据冰冻情况、外部荷载、管材强度以及与其他管道交叉等因素确定。

当有热力计算和技术经济论证时才允许埋设在土壤冰冻线以上或露天敷设，并应采取调节管道伸缩和防寒保暖措施。

3.1.4管径

（1）负有消防给水任务管道的最小直径，不应小于100mm；室外消火栓的间距不应大于120m。

（2）从管网干管到用户和消火栓的分配管管径至少为100mm，大城市采用150～200mm。

（3）通过水力计算确定管径。

3.1.5管材

管材可分为金属管（铸铁管和钢管等）和非金属管（预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管和塑料管）。

管材的选择，取决于承受的水压、外部荷载、土的性质、施工维护和材料供应等条件确定。

3.1.6阀门

（1）给水管网应根据具体情况设置分段和分区检修的阀门。

管网上的阀门间距，不应超过5个消火栓的布置长度。

（2）在配水管网隆起点和平直段的必要位置，应装设排（进）气阀，低处应装设泄水阀。

其数量和直径应通过计算确定。

3.1.7集中给水栓

集中给水站设置地点，应考虑取水方便，其服务半径一般不大于50m。

3.1.8管道支墩与基础

（1）承插式管道在垂直或水平方向转弯处支墩的设置，应根据管径、转弯角度、试压标准和接口摩擦力等因素通过计算确定。

（2）在土基上，管道一般应敷设在未经扰动的原状土层上；在岩基上，应铺设砂垫层；对于淤泥和其他承载能力达不到设计要求的地基，必须进行基础处理。

3.2输水管布置原则

3.2.1定线

（1）输水管定线时，必须与城市建设规划相结合，尽量缩短线路长度，减少拆迁，少占农田，便于管渠施工和维护，保证供水安全。

（2）选线时，应选择最佳的地形和地质条件，尽量沿现有道路定线，以便施工和检修。

（3）减少与铁路、公路和河流的交叉；管线避免穿越滑坡、岩层、沼泽、高地下水位和河水淹没与冲刷地区，以降低造价和便于管理。

（4）远距离输水时，一般情况下往往是加压和重力输水两者的结合形式，根据地形高差、管线长度和水管承压能力等情况确定加压泵站。

（5）设计时应远近期同时考虑，分期实施。

3.2.2设计流量

（1）从水源至城镇水厂或工业企业自备水厂的输水管渠的设计流量，应按最高日平均时供水量加自用水量确定。

当长距离输水时，输水管渠的设计流量应计入管渠漏失水量。

（2）向管网输水的管道设计流量，当管网内有调节构筑物时，应按最高日最高时用水条件下，由水厂所负担供应的水量确定；当无调节构筑物时，应

按最高日最高时供水量确定。

（3）负有消防给水任务的输水管渠尚应包括消防补充流量或消防流量。

3.2.3条数及连通管

（1）输水管渠一般不宜少于两条，当有安全贮水池或其他安全供水措施时，也可修建一条输水干管，输水干管和连通管管径及连通管根数，应按输水干管任何一段发生故障时仍能通过事故用水量计算确定。

城镇的事故水量为设计水量的70%，工业企业的事故水量按有关工艺要求确定，当负有消防给水任务时，还应包括消防水量。

（2）为保证在输水管渠局部损坏时仍能保证事故水量，可在平行的2条或3条输水管渠之间设置连通管，并装置必要的阀门。

3.2.4附属设施

（1）输水管道应根据具体情况设置分段和分区检修的阀门。

（2）在输水管道隆起点和平直段的重要位置上，应装设排（进）气阀，低处应装设泄水阀。

其数量和直径应通过计算确定。

（3）设计满流输水管道时，应考虑发生水锤的可能，必要时应采取消除水锤的措施。

3.3管网水力计算

3.3.1沿线流量和节点流量

管网计算时并不包括全部管线，而是只计算经过简化后的干管网。

管网图形由许多管段组成，沿线流量是指供给该管段两侧用户所需流量。

节点流量是从沿线流量折算得出的并且假设是在节点集中流出的流量。

在管网水力计算中，首先需求出沿线流量和节点流量。

（1）沿线流量

城市给水管线，干管和分配管上接出许多用户，沿管线配水，用水情况复杂，难以按实际用水情况来计算管网。

因此，计算时往往加以简化，即假定用水量均匀分布在全部干管上，由此算出干管线单位长度的流量，叫做比流量：

qs＝Q－Σq

Σl

式中qs—比流量，L/（s·m）；

Q—管网设计总用水量（最高日最高时），L/s；

Σq—大用户集中于节点的总流量；

Σl—干管总长度，m；不包括穿越广场、公园等无建筑物地区的管线；只有一侧配水管线，长度按一半计算。

最高日最高时用水量和最大转输时或事故时的比流量不同，所以在管网计算时须分别计算。

两节点之间的干管段，其沿线流量等于比流量qs乘以管段长度l（m）：

q1=qsl（式2）

式中q1—沿线流量，L/s；

l—该管段的长度，m。

整个管网的沿线流量总和Σq1，等于qsΣl。

从式1可知，Σqsl值等于管网供给的总用水量减去大用户集中用水总量，即等于Q－Σq。

需要说明的是，按照用水量全部均匀分布在干管上的假定以求出比流量的方法，存在一定的缺陷，因为它忽视了沿线供水人数和用水量的差别，所以与各管段的实际配水量并不一致。

（2）节点流量

节点流量类型：

●工业企业和公共建筑等大用户集中流量，可作为节点流量；

●城镇居民用水比较分散，经比流量，沿线流量和节点流量计算后，分配到节点，作为节点流量。

沿线流量化成节点流量的原理是求出一个沿线不变的折算流量q，使它产生的水头损失等于实际上沿管线变化的流量产生的水头损失。

管网任一节点由沿线流量折半作为节点流量公式为：

qi＝0.5Σq1

即任一节点i的节点流量qi等于与该节点相连各管段的沿线流量qi总和的一半。

在城市管网中，大用户集中流量可直接作为接入大用户节点的节点流量。

管网按消防流量核算时，消防用水量加在最不利的节点。

3.3.2管段计算流量

流量分配方法：

单水源的树状网中，每一管段只有唯一的流量，任一管段的流量等于该管段下游所有节点流量的总和。

根据管段流量即可选用管径和进行水头损失计算。

环状网的流量分配比较复杂，不可能像树状网一样，对每一管段得到唯一的流量值。

分配流量时，必须保持每一节点的流量平衡条件，即流向任一节点的流量必须等于从该节点流出的流量，以满足节点流量平衡的条件，公式表示为：

qi＋Σqij＝0

式中qi—节点i的节点流量，L/s；

Σqij—从节点i到节点j的管段流量，L/s。

环状网流量分配的步骤是：

A．按照管网的主要供水方向，先拟定每一段的水流方向，并选定整个管网的控制点。

控制点是管网正常工作时和事故时必须保证所需水压的点；

B．流量分配时，一般在环状网平行的干管线中分配大致相同的流量，因而采用相近或相同的管径，这样一条干管损坏，流量由其他干管转输时，不会使这些干管中的流量增加过多；

C．相互平行的干管之间的连接管，平时流量一般不大，只有在干管损坏时才转输较大的流量，不必分配过大的流量。

D．多水源管网，可从不同水源节点开始分配，位于分界线上各节点流量，由几个水源同时供给。

各水源供水范围的节点流量总和加上分界线上由该水源供应的节点流量，应等于该水源的供水量。

环状网流量分配后，即可得出各管段的计算流量，由此流量即可确定管径。

3.3.3管网水力计算

（1）树状网水力计算

树状网的计算比较简单，主要原因是树状网中每一管段的流量容易确定，只要在每一节点应用节点流量平衡条件qi＋qij＝0。

任一管段的流量确定后，即可按平均经济流速的条件求出管径，并求得水头损失。

控制点的选择很重要，在保证控制点水压达到最小服务水头时，整个管网不会出现水压不足的地区。

如果控制点选择不当而出现某些地区水压不足时，应重新选定控制点进行计算。

支线计算可依据接出支线处节点的水压标高（等于节点处地面标高加服务水头）与支线终点的水压标高（终点地面标高与服务水头之和）差除以支线长度，即得支线的水力坡度，再从支线每一管段的流量并参照此水力坡度选定管径。

（2）环状网水力计算

A.环状网水力基础方程

首先分析环状网水力计算的条件。

对于任何环状网，管段数P、节点数J（包括泵站、水塔等水源节点）和环数L之间存在下列关系：

P＝J+I-1

给水环状网水力计算是联立求解连续性方程、能量方程和压降方程。

B.计算方法分类

在管网水力计算时，根据求解的未知数是管段流量还是节点水压，可以分为解环方程、解节点方程和解管段方程三类：

在初步分配流量后，调整管段流量以满足能量方程，得出各管段流量的环方程组解法；

应用连续性方程和压降方程解节点方程组，得出各节点的水压；

应用连续性方程和能量方程解管段方程组，得出各管段的流量。

3.2给水管网的运行维护方法

日常管网运行管理内容主要包括：

（1）检漏和修漏

（2）水管清垢和防腐蚀

（3）用户接管的安装、清洗和防水冻

（4）管网事故抢修

（5）检修阀门、消火栓、流量计和水表