给水系统流量关系及其

为了保证供水的可靠性，给水系统中所有构筑物都应以最高日设计用水量Qd为基础进行设计计算。但是，给水系统中各组成部分的工作特点不同，其设计流量也不一样。城市最高日设计用水量Qd由最高日综合生活用水（包括居民生活用水和公共建筑用水）、工业企业用水、浇洒道路和绿地用水、管网漏损水量、未预见用水五部分用水量之和构成。村镇最高日设计用水量Qd由最高日生活用水、公共建筑用水、工业用水、畜禽饲养用水、管网漏损水和未预见用水五部分用水量之和构成，经济条件好或规模较大的镇可根据需要适当考虑浇洒道路和绿地用水量。

1.4.1.1　取水构筑物和给水处理系统各组成部分的设计流量

城市的最高日设计用水量确定后，取水构筑物和给水处理系统各构筑物的设计流量主要取决于一级泵站的工作情况而定，通常一级泵站和水厂都是连续、均匀地运行。主要原因有两方面：一是从水厂运行角度，流量稳定，有利于水处理构筑物稳定运行和管理，因为水量波动较大不利于水处理构筑物的正常运行，从而致使水厂管理复杂化；二是从工程造价角度，每天24h均匀运行，平均每小时的流量将会比最高时流量有较大降低，同时又能满足最高日供水要求，取水构筑物和水处理构筑物的各项尺寸、设备容量等都可以最大限度地缩小，从而降低工程造价。因此，为使水厂稳定运行和便于操作管理，降低工程造价，通常取水和水处理工程的各项构筑物、设备等，以最高日平均时设计用水量加上水厂的自用水量作为设计流量，即

式中 α——考虑水厂本身用水量系数，以供沉淀池排泥、滤池冲洗等用水，其值取决于水处理工艺、构筑物类型及原水水质等因素，一般在1.05～1.10之间；

T——每日工作小时数，水处理构筑物不宜间歇工作，一般按24h均匀工作考虑，只有夜间用水量很小的县镇、农村等才考虑一班或两班制运转。

取用地下水若仅需在进入管网前消毒而无需其他处理时，一级泵站可直接将井水输入管网，但为提高水泵的效率和延长井的使用年限，一般先将水输送到地面水池，再经二级泵站将水池水输入管网。因此，取用地下水的一级泵站计算流量为

和式（1.4.1）不同的是，水厂本身用水量系数α为1。

对于村镇水厂，采用常规净水工艺的水厂，自用水量可按最高日用水量的5%～10%计算，即水厂本身用水量系数α在1.05～1.10之间；只进行消毒处理的水厂，可不计水厂自用水量，即水厂本身用水量系数α为1；采用电渗析工艺的水厂，自用水量可按电渗析器日产淡水能力的120%计算，水厂用水量系数α为2.2。

1.4.1.2　二级泵站和输配水管网部分的流量关系

二级泵站、输水管、配水管网的设计流量及水塔、清水池的调节容积，都应按照用户用水情况和一、二级泵站的工作情况确定。

1.二级泵站设计流量

（1）二级泵站的工作情况。二级泵站的工作情况与管网中是否设置流量调节构筑物（水塔或高地水池等）有关。当管网中无流量调节构筑物时，为安全、经济地满足用户对给水的要求，二级泵站必须按照用户用水量变化曲线工作，即每时每刻供水量应等于用户用水量。这种情况下，二级泵站最大供水流量QⅡmax，应等于最高日最高时设计用水量Qh；为使二级泵站在任何时候既能保证安全供水，又能在高效率下经济运转，设计二级泵站时，应根据用户用水量变化曲线选用多台大小搭配的水泵（或采用改变水泵转速的方式）来适应用水量变化。实际运行时，有管网的压力来控制。如管网压力增加时，表明用水量减少，应适当减开水泵或大泵换成小泵（或降低水泵转速）；反之，应增开水泵或小泵换成大泵（或提高水泵转速），水泵切换（或改变转速）均可实现自动控制。这种供水方式，完全通过二级泵站的工况调节来适应用户用水量的变化，使二级泵站供水曲线符合用户用水量曲线。目前，大中城市一般不设水塔，均采用这种供水方式。

对于用水量变化较大的小城镇、农村或自备给水系统的小区域供水，除采用上述供水方式外，修建水塔或高地水池等流量调节构筑物来调节供水与用水之间的流量不平衡，以改善水泵的运行条件，也是一种常见的供水方式。

（2）二级泵站的设计流量。给水管网最高时供水来自给水处理系统，可能是一个或多个自来水厂，水厂处理好的清水先存放在清水池中，由二级泵站加压后送入管网。对于单水源给水系统或者用水量变化较大时，可能需要在管网中设置水塔或高位水池如村镇供水，水塔或高位水池在供水低峰时将水量储存，而在供水高峰时与二级泵站一起向管网供水，可以降低供水泵站设计规模。

供水管网设计的基本原则：

1）供水管网设计流量等于最高日最高时设计用水量，即

式中 Qs——设计供水总流量，L/s。

2）对于多水源给水管网系统，由于有多个泵站，水泵工作组合方案多，供水调节能力比较强，一般不需要在管网中设置水塔或高位水池进行用水量调节，设计时直接使各水源供水泵站的设计流量之和等于最高时用水流量，但各水源供水量的比例应通过水源能力、制水成本、输水费用、水质情况等技术经济比较确定。

3）对于单水源给水管网系统，可以采用管网中不设水塔（或高位水池）或设置水塔（或高位水池）两种方案。当给水管网内不设水塔或高位水池时，供水泵站设计供水流量为最高时用水流量；当给水管网中设置水塔或高位水池时，应先设计泵站供水曲线。具体要求是：

a.管网供水泵站的设计供水量一般分为二级或三级，高峰供水时分一级，低峰供水时分一级，在高峰和低峰供水量之间为一级。分级太多不利于水泵机组的运行管理。

b.泵站各级供水量尽量接近用水线，以减小水塔或高位水池的调节容积，一般各级供水量可以取相应时段用水量的平均值。

c.分级供水时，应注意每级能否选到合适的水泵，以及水泵机组的合理搭配，并尽可能满足目前和今后—段时间内用水量增长的需要。

d.必须使泵站24h供水量之和与最高日用水量相等，如果在用水量变化曲线上绘制泵站供水量曲线，各小时供水量也要用其点最高日总用水量（也就是总供水量）的百分数表示，24h供水量百分数之和应为100%。

如图1.4.1中有两条虚线，水平直线虚线3代表最高日平均供水量，占最高日供水量的4.17%；折线虚线2代表二级泵站供水曲线，分为两级，第一级从22点到次日5点，供水量为2.22%，第二级为从5点到22点，供水量为4.97%，最高日泵站总供水量为：2.22%×7+4.97%×17=100%。

从图1.4.1所示的用水量曲线和泵站供水曲线，可以看出水塔或高位水池的流量调节作用，供水量高于用水量时，多余的水进入水塔或高位水池内储存；相反，当供水量低于用水量时，则从水塔或高位水池流出以补泵站供水量的不足。尽管各城市的具体条件有差别，水塔或高位水池在管网内的位置可能不同，例如可放在管网的起端、中间或末端，但水塔或高位水池的调节流量作用并不因此而有变化。(www.xing528.com)

图1.4.1　某城市最高日用水量变化曲线

1—用水量变化曲线；2—二级泵站设计供水线；3—一级泵站供水曲线

【例题1.4.1】 某城市最高日设计用水量为45000m3/d，最高日内用水量时变化曲线如图1.4.1所示。试求：（1）若管网中不设水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量是多少？

（2）若管网中设有水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量是多少？水塔或高位水池的设计供水流量是多少？水塔或高位水池的最大进水量为多少？

【解】（1）若管网中不设水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量为

（2）若管网中设有水塔或高位水池，供水泵站设计供水流量为

水塔或高位水池的设计供水流量为

水塔或高位水池的最大进水量（21-22点达到最大，称为最高转输时）为

2.输水管和配水管网的设计流量

输水管和配水管网的设计流量均应按输配系统在最高日最高时用水下的工作情况确定，并随有无水塔（或高地水池）及其在管网中的位置而定。

无水塔时，二级泵站到管网的输水管和配水管网都应以最高日最高时设计用水量Qh作为设计流量。

设有网前水塔时，二级泵站到水塔的输水管直接应按泵站分级工作线的最大一级供水流量QⅡmax计算；水塔到管网的输水管和配水管网仍按最高日最高时设计用水量Qh作为设计流量。

设有对置水塔时，泵站到管网的输水管应以按泵站分级工作线的最大一级供水流量QⅡmax作为设计流量；水塔到管网的输水管流量则应按（Qh-QⅡmax）计算；配水管网仍以按最高日最高时设计用水量Qh作为设计流量。但必须指出，在最高时用水，由泵站和水塔分别从两端供水，共同满足最高时用水设计流量Qh的需要，在这种情况下，确定的管网管径往往比一端供水时小，所以在确定管径后，为保证供水安全，还需按最大转输时进行校核。

设有网中水塔时，由两种情况：一是水塔靠近二级泵站，并且泵站的供水流量大于泵站与水塔之间用户的用水流量，类似于网前水塔；二是水塔离泵站较远，以致泵站的供水流量小于泵站与水塔之间用户的流量，在泵站与水塔之间将出现供水分界线，类似于对置水塔。这两种情况的二级泵站的设计流量确定可参考网前水塔和对置水塔的流量计算。

3.水塔和清水池的调节作用

（1）水塔的流量调节。水塔在给水系统中位于二级泵站于用户之间，二级泵站供水流量和用户用水量不等时，其差额可由水塔吞吐部分流量来调节。现结合图1.4.1中供水泵站供水量和用户用水量变化曲线来说明水塔调节流量的作用。从13时至15时、20时至22时、23时至24时和次日0时至3时、5时至8时，二级泵站每小时供水量QⅡ大于用水流量Q用，多余的流量（QⅡ-Q用）进入水塔储存起来；从12时至13时、15时至20时、22时至23时和次日3时至5时、8时至13时，二级泵站每小时供水量QⅡ小于用水流量Q用，不足的流量（Q用-QⅡ）进入水塔储存起来；由水塔流入管网进行补充。供水曲线2和用水曲线1所围成的面积就是在某一时段内流入水塔或流出水塔的水量。最高日逐时累积存入及流出水塔的水量值，所得的最大值与最小值的差值是水塔调节流量所必需的容积，称为调节容积。

（2）清水池的流量调节。一级泵站通常是均匀供水，二级泵站一般为分级供水，因此，一、二级泵站的每小时供水量并不相等，清水池就是为了调节一、二级泵站供水量的差额，扣除水厂自用水量。图1.4.2中实线2表示二级泵站工作曲线，虚线1表示一级泵站工作曲线或水厂产水曲线。阴影面积A表示清水池储存的水量，阴影面积B表示需从清水池调用的水量。由图1.4.2可以看出从22时到次日5时，多余水量储存在清水池中；在5时到22时，因水厂产水量小于二级泵站需要量，需要从清水池中取水来满足用水量的需要。但在同一天内，储存的水量等于取用的水量，即清水池所需调节容积等于累计储存水量或累计取用的水量。

图1.4.2　清水池的调节容积计算

1—水厂产水曲线；2—二级泵站的供水曲线

从上述分析可知，水塔和清水池都是给水系统中调节流量的构筑物，彼此之间存在密切联系。水塔的调节容积取决于二级泵站供水量和用户用水量的组合曲线，而清水池的调节容积决定于水厂产水量和二级泵站供水量的组合曲线。若水厂产水曲线和用户用水曲线一定时，水塔和清水池的调节容积将随二级泵站供水曲线的变化而变化。由图1.4.1可以看出，如果二级泵站供水曲线越接近用水曲线，必然远离水厂产水曲线，则水塔的调节容积可以减少，但清水池的调节容积将会增大；如果二级泵站供水曲线与用户用水曲线重合，则水塔调节容积为零，即成为无水塔的管网系统，但清水池的调节容积达到最大值。反之，清水池的调节容积可大大减小，但水塔的调节容积将会明显增大。由此可见，给水系统中流量的调节由水塔和清水池共同承担，并且通过二级泵站供水曲线的拟定，二者所需的调节容积可以相互转化。所以在工程实践中，一般均增大清水池的容积而缩减水塔的容积，以节省投资。