给排水管道工程技术：水压关系

水压是给水系统三要素之一，供水企业供给用户的水必须保证一定的水压，由二级泵站和水塔提供。给水系统在各种最不利的工作情况下，保证各用户获得足够的水量和适宜的水压，此时的水压称为给水系统最小服务水头。我国《室外给水设计规范》（GB50013—2014）规定：当按直接供水的建筑层数确定给水管网水压时，其用户接管处的最小服务水头，一层为10m，二层为12m，二层以上每增加一层增加4m。一般应根据各城市规定的建筑标准层数来确定管网的最小服务水头，不应将城市内的高层建筑物或建筑群或建在城市高地的建筑物等所需水压，不应作为管网水压控制条件。为了满足这类建筑物的用水，可单独设置局部加压装置，比较经济。

1.4.3.1　水泵扬程

由水泵扬程的定义可知，水泵扬程是指单位重量液体通过水泵后所获得的能量增值。水泵扬程Hp由两部分组成：一是静扬程H0，水泵的有效扬程，根据液体的提升要求确定；二是水头损失∑h，包括吸水管路、压水管路、连接管线等的水头损失。因此，水泵扬程的数学表达式为

1.一级泵站扬程

在给水系统中泵站主要有一级泵站和二级泵站，一级泵站扬程（图1.4.4）的计算方式如下。

图1.4.4　一级泵站扬程

1—吸水井；2—一级泵站；3—絮凝池

式中 Hp——一级泵站扬程，m；

H0——静扬程，m；

hs——由最高日平均时供水量加水厂自用水量确定的吸水管路水头损失，m；

hd——由最高日平均时供水量加水厂自用水量确定的压水管和泵站到絮凝池管线中的水头损失，m。

2.二级泵站扬程

（1）二级泵站扬程计算。二级泵站是从清水池取水直接送向用户或先送入水塔，而后流进用户。无水塔时直接由二级泵站向用户供水，在任何最不利情况下工作，其所需水泵扬程均由两部分组成：一是克服地形高差满足控制点用户所要求的自由水压而必需的能量，即水泵的静扬程，为水泵的有效扬程HST；二是将所需流量从泵站吸水池通过管道系统送至控制点用户，需要克服各种阻力而消耗的能量，包括泵站内水头损失∑hp和泵站至控制点之间的水头损失∑h。因此，二级水泵扬程计算公式为

式中 Hp---二级泵站扬程，m；

HST---二级泵站所需静扬程，m，等于控制点要求的水压标高（Zc+Hc）与吸水井最低设计水位标高Z0之差；

Zc---控制点处的地形标高，m；

Hc---控制点所要求的自由水压值，m，管网设计时根据该点建筑层数确定；

∑hp---泵站内水头损失，m，等于泵站的吸水管水头损失hs与压水管水头损失hd之和，即∑hp=hs+hd（m）；

∑h---泵站至控制点之间的水头损失，m，等于输水管路的水头损失hc与配水管网的水头损失hn之和，即∑h=hc+hn，此项可通过管网水力计算获得。

上式中各符号的意义可用水压线图表示，如图1.4.5所示。

图1.4.5　无水塔时管网的水压线

1-最小用水量时；2-最大用水量时

从上述可知，泵站所需总扬程是以满足控制点用户的自由水压要求为前提计算得出的。所谓的控制点是指整个给水系统中水压最不容易满足的地点（又称最不利点），用以控制整个供水系统的水压。该点对供水系统起点（泵站或水塔）的供水压力要求最高，只要该点水压符合要求，则整个给水系统均能得到保证，这一特征是判断某点是不是控制点的基本原则。由此看来，正确地分析确定系统的控制点非常重要，是正确进行给水系统水压分析的关键。一般情况下，控制点通常在系统的下列地点：

1）地形最高点。

2）要求自由水压最高点。(www.xing528.com)

3）距离供水地点最远点。

当然，系统中某一地点同时满足上述条件，这一地点一定是控制点。但在实际工程中，往往不是这样，多数情况下只要具备其中一个或者两个，选出几个可能的地点通过分析比较才能确定。

（2）二级泵站扬程校核。输、配水管网的管径和二级泵站扬程是按设计年限内最高日最高时的水量和水压要求确定的，但还应满足特殊情况下的水量和水压要求。因此，在特殊供水情况下，应对管网的管径和二级泵站扬程进行校核，以确保供水安全。通过校核，当二级泵站扬程不能满足特殊供水要求时，有时需将管网中个别管段的直径放大，有时则需另选合适的水泵或设专用水泵。

特殊供水情况主要有三种：消防时、最大转输时和最不利管段发生故障时。在这三种情况下，由于管网中的流量发生了变化，有可能使管网的水头损失增加，从而使二级泵站扬程增大，因而需要进行校核。校核时，二级泵站扬程仍可按前述方法计算，只是需要注意控制点的位置，并重新确定管网中的流量。

1.4.3.2　水塔高度计算

水塔是靠重力作用将所需的流量压送到各用户的。大中城市目前一般不设水塔，因为城市用水量大，水塔容积比较小解决不了城市水压问题，如果容积太大造价太高，并且水塔高度一旦确定，以后几乎没有调整水压的范围。同时，大中城市设置也会影响城市美观。在小城镇、工业企业或者村镇根据需要可考虑设置水塔，能较好地保证恒定的水压。水塔的位置，主要在靠近水厂，管网中间，管网末端。不论哪类水塔，水塔高度是指水柜底面或最低水位离地面的高度。水塔高度的计算高度如图1.4.6所示，按下式计算：

图1.4.6　水塔高度计算图

式中 Ht——水塔高度，m；

Hc——控制点要求的自由水压，m；

∑h——按最高日最高时用水量计算的从水塔至控制点之间管路的水头损失，m；

Zt——水塔处的地形标高，m；

Zc——控制点处的地形标高，m。

由式（1.4.10）可以看出，水塔处地形Zt越高，水塔高度Ht越小，造价可以降低。因此，在设计给水系统时应尽量利用供水区域的地形特点，把水塔建在地形较高的地方，特别是在山地小城市和地形高差较大的村镇。

1.4.3.3　无水塔管网系统的水压情况

1.最高用水时水压情况

管网中不设水塔而由二级泵站直接供水时，管网水压情况如图1.4.5所示。供水过程中，用水量总是变化的，用水量变化必要引起管网水压波动，用水量变化越大，管网压力波动也就越大。最高用水时，二级泵站所需扬程Hp直接由控制点按式（1.4.10）计算得出。

2.消防时的水压情况

输配管网的管径和二级泵站的水泵型号和台数都是根据最高日最高时用水的设计流量和设计水压确定，但在消防时，管网额外增加了大量的消防流量，管网的水头损失会明显增大，管网系统在消防时的水压会发生变化。因此，为保证安全供水，必须按消防时的条件进行核算。我国城镇给水一般均按低压制消防条件进行核算，即管网通过的总流量按最高日最高时设计用水量与消防流量之和（Qh+Qx），消防时管网的自由水压值应保证不低于10m进行核算，以确定按最高用水时确定的管径和水泵扬程是否能适应这一工作情况的需要。

无水塔管网系统在消防时的水压线如图1.4.7所示（着火点可考虑在控制点C处）。消防时，由于管网中增加了消防流量，一方面使管网系统的水头损失明显增大；另一方面消防时要求的自由水压Hf（低压制）通常小于最高用水时要求的自由水压Hc。因此，视管网水头损失的增值ΔHx=[（∑hpx+∑hx）-（∑hp+∑h）]和减少的自由水压值（Hc-Hf）大小，消防时所需的水泵扬程Hpx和最高用水时所需的水泵扬程Hp的关系可有以下几种情况：

图1.4.7　无水塔管网在消防时的水压线

1—消防时；2—最高时用水

（1）当ΔHx=Hc-Hf时，则Hpx=Hp，但由于消防时增加消防流量，所以最高时所选水泵机组不能满足消防时的供水流量要求，这时只需在二级泵站内多设置与最高时工作型号相同的水泵，以满足最高时兼消防的需要。

（2）当ΔHx＜Hc-Hf时，则Hpx＜Hp，这时视（Hp-Hpx）值大小，应核算最高用水所选机组，通过工况点的改变（扬程降低，流量增加）能否满足消防时的流量（Qh+Qx）要求，若不能满足时，只需按第一种情况采取措施即可。

（3）当ΔHx＞Hc-Hf时，则Hpx＞Hp，这时视（Hp-Hpx）值大小采取相应措施。若按最高时所选水泵通过工况点改变（流量减少，扬程增加）能够满足消防时对扬程Hpx的要求时，只需按（1）采取措施即可，否则应放大部分管段的管径或设专用消防泵。

由以上论述可知，管网水力计算应满足4种情况下流量及水压的需要：①最高日最高时用水量；②消防时；③最高日最高时有一处最不利管段发生损坏时（限于环状管网）；④最大转输时（限于设有对置水塔的管网）。由于第②、③种情况历时较短，通常二级泵站最高时用水量大于最大转输时的供水量，所以决定管网管径及选择二级泵站的水泵型号主要依据最高日最高时管网的计算结果。第②、③、④种情况只在管网管径和水泵型号确定的基础上进行校核，可通过调节水泵运行方式和改变工况点来满足对流量和扬程的需要。如不能满足需要，可适当放大管网个别管段的管径来解决。在中小城市和村镇，由于用水量少，消防流量占比例较大的小型水厂，最高日最高时的二级泵站扬程与最高时消防的水泵扬程相差较大，并且采用放大管网管径不经济时，需要设置专用消防泵供最高时消防使用。