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1、给水工程讲义,总则,给水工程设计的前提条件和基本原则 前提条件：城市总体规划 近远期结合：近期设计年限 510年 远期规划年限1020年,给水系统,系统分类 分区给水系统 系统组成 系统选择,分区给水系统,基本概念基本形式 串联分区 并联分区基本作用 技术上使管网水压不超过 水管可以承受的压力 经济上降低供水能量和费用 n1 En E 2n分2个区可省1/4的能量，最多只能省1/2。,分区给水系统,工业给水系统,工业给水系统应从全局出发考虑水资源的节约利用和水体保护，并应采用复用或循环系统重复利用率重复用水量/总用水量（%）,用水量、水质和水压,（、）设计用水量计算 综合生活用水 工业企业生产
2、用水和工作人员生活用水 消防用水 浇洒道路和绿地用水 未预见用水量及管网漏失水量如果给出了综合生活用水量，在计算设计供水量时就不能再加公共建筑用水量,各种用水量和变化系数的含义,平均日用水量最高日用水量:在设计规定的年限内，用水最多一日的用水量 日变化系数:在一年中，最高日用水量与平均日用水量的比值,各种用水量和变化系数的含义,时变化系数:在最高日内，最高一小时用水量与 平均时用水量的比值 最高日用水量最高日最高时用水量=时变化系数 用水时段,给水系统的流量关系,正常情况 输水管渠 配水管网、7.1.2、校核情况 输水管渠 配水管网 5.0.3、7.1.3、水厂内清水池和管网中水塔有效容积,用
3、水量计算例题,某城市的给水系统总的规模为10万m3/d 系统组成如下：水源取水泵站原水输水管水厂（絮凝池沉淀池滤池清水池二级泵房）清水输水管管网用户,用水量计算例题,最高日用水量为10万m3/d。其中：居民生活用水、公共建筑用水、工业企业生产用水和生活用水、浇洒道路和绿化用水 约 7.98.6万m3/d 消防用水 约10001300 m3/d 未预见用水量及管网漏失水量 1525%约1.32万m3/d,用水量计算例题,水厂的自用水量按10%计，为1万m3/d水厂按24小时运行原水输水管漏失水量按4%计 取水泵站设计流量（1000001.14）244750 m3/h原水输水管设计流量（10000
4、01.14）244750 m3/h,用水量计算例题,水厂内水处理构筑物（絮凝池、沉淀池、滤池以及与水处理有关的加药、加氯等设施）的设计流量（1000001.10）244584 m3/h 时变化系数1.35最高日最高时流量为：（10000024）1.355625 m3/h,用水量计算例题,清水输水管设计流量 5625 m3/h配水管网设计流量 5625 m3/h水厂二级泵房设计流量 5625 m3/h水厂部分自用水流量（加药、清洗用）,水厂内清水池和管网中水塔有效容积,5.0.28、5.0.29、7.7.5、产水曲线 送水曲线 自用水量 消防储备水量 消毒的接触时间,水厂内清水池和管网中水塔有效
5、容积,水厂处理构筑物24小时均匀运行出水泵房按最高日最高时考虑，实际出水量是逐时变化的，这中间就需要有清水池来调节。每一小时时段内的具体用水量 每一小时时段内的用水量占全天用水量的比例 连续多余量（进池）或连续出池量,水源,水源选择：、地下水取水构筑物：地表水取水构筑物：、3.3.22、,水资源,水资源概况 水资源的含义：广义概念；狭义概念；工程概念 我国水资源概况：总量不少；人均淡水资源贫乏；水资源时空分布不均匀；水源污染相当严重,给水水源的类型,地下水源：包括潜水（无压地下水）、自流水（有压地下水）和泉水 地表水源：包括江河、湖泊、水库和海水,供水水源选用的基本要求,、3.1.3、水量充沛
6、可靠和水质符合要求 设计枯水流量的保证率90%97%枯水位的保证率90%99%水质要求 应符合现行的生活饮用水卫生标准,水源保护,中华人民共和国水污染防护法中华人民共和国水污染防护法实施细则地表水环境质量标准地下水质标准生活饮用水集中式供水单位卫生规范保护水源的一般措施给水水源卫生防护,地下水取水构筑物,、管井:适用于含水层厚度大于5 m，其底板埋藏深度大于15 m大口井:适用于含水层厚度在5 m左右，其底板埋藏深度小于15 m 渗渠:仅适用于含水层厚度小于5 m，渠底埋藏深度小于6 m 泉室:适用于有泉水露头，且覆盖层厚度小于5 m,管井,大口井,地表水取水构筑物,构筑物位置的选择要求和设计
7、应注意的问题,江河作为水源时的特征,径流特征：水位、流量、流速泥沙运动：推移质泥沙、悬移质泥沙河床演变：水流与河床的相互作用，淤积、冲刷水质特征：漂浮物和冰冻，含沙量、粒径、分布，无机和有机化合物，生物,取水位置的选择,关于位置的选择，有六点。此外，还应注意主流和支流、天然障碍物，河流上的人工构筑物，如排水口、桥梁、码头、丁坝、拦河坝等；还应与河流的综合利用相适应。位置选择时要注意取水口与这些物体的上、下游关系。,地表水取水构筑物的型式和适用条件,3.3.6、3.3.8、3.3.14、3.3.19、3.3.22、3.3.23、3.3.24 型式有:固定式:活动式:山区浅水河流:岸边式 缆车式
8、低坝式 河床式 浮船式 底栏栅式 斗槽式,地表水取水构筑物的型式,地表水取水构筑物的型式,地表水取水构筑物的型式,地表水取水构筑物的型式和适用条件,活动式适用条件:当水源水位变幅大，水位涨落速度小于2.0 m/h，且水流不急、要求施工周期短和建造固定式取水构筑物有困难时，可考虑采用缆车或浮船等活动式取水构筑物。,地表水取水构筑物的型式和适用条件,缆车式和浮船式适用条件 缆车式取水构筑物的要求，“其位置宜选择在岸坡倾角为1028的地段 3.3.23 浮船式取水构筑物的位置应选择在河岸较陡的停泊条件良好的地段。,岸边式和河床式取水构筑物的设计,岸边式和河床式取水构筑物的设计,防洪标准 江河取水构筑
9、物的防洪标准不应低于城市防洪标准，其设计洪水重现期不得低于100年。并应采用设计和校核两级标准 保证率 设计枯水位的保证率，应根据水源情况和供水重要性选定，一般可采用90%99%。,岸边式和河床式取水构筑物的设计,取水泵房进口地坪的设计标高 分三种情况、有三个关键参数：设计最高水位、浪高、加0.5 m。、最低层进水孔下缘距河床或水体底部的高度 淹没进水孔上缘在设计最低水位下的深度,岸边式和河床式取水构筑物的设计,格栅、格网的计算参数、有关泵房设计的规定也适用于取水泵房此外，如何确定取水泵的安装高度、取水构筑物各部位的底标高，都与设计最低水位有关,泵房,水泵机组的选定及泵房的布置,水泵机组的选定
10、应考虑的因素,应根据逐时、逐日和逐季水量变化情况，水压要求，水质情况，调节水池大小，机组的效率和功率因素等条件，综合考虑确定 符合节能的要求 备用泵两点要求：数量、型号此外 水泵扬程计算 电动机功率计算,泵房的布置应考虑的因素,主要因素：起重设备选用机组平面布置检修场地设置架空管道安全层高布置要求立式水泵其它,输配水,、管网和输水管的布置、2.0.4、管段计算流量及管径计算、管网水力计算、5.0.165.0.26 管材、配件及管道敷设 5.0.16 给水管防腐,管网和输水管的布置,输水管渠、输水干管一般不宜少于两条。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
11、水量计算确定城镇的事故用水量为设计水量的70%，工业企业事故用水量按有关工艺。当有消防给水任务时，还应包括消防水量输水管道应根据具体情况设置分段检修的阀门,管网和输水管的布置,管网，、两种基本形式：环状、树枝状管网中管道分：干管、连接管和分配管 影响布置的主要因素：平面布置（城市总体规划）、供水安全要求、节约投资和运行能耗、选用的系统形式等,配水管网布置中的安全措施,5.0.14 根据具体情况设置分段和分区检修的阀门。阀门间距不应超过5个消火栓的布置长度。隆起点和平直管的必要位置装设排（进）气阀，低处安装泄水阀5.0.11 负有消防给水任务管道，最小直径不应小于100 mm；室外消火栓的间距不
12、应大于120 m5.0.7 城镇生活饮用水的管网，两个严禁,输水管道的设计流量及水力计算,、水源至水厂的输水管渠 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,输水管道的设计流量及水力计算,向管网输水的管道：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；当管网内无调节构筑物时，应按最高日最高时供水量确定；此外，当负有消防给水任务时，应分别包括消防补充流量或消防流量。,输水管道的设计流量及水力计算,输水管道水力计算 重力供水时：同一管径 不同管径 水泵供水时：正常时 事故时确定连通管根数、阀门设置 计算事故时流量,配
13、水管网的水力计算,、设计计算的依据：计算：最高日最高时用水量及设计水压校核：按下列三种情况和要求进行：1、发生消防时的流量和水压要求；2、最大转输时的流量和水压要求；3、最不利管段发生故障时的事故用水量和水压要求。,配水管网的水力计算,正确选择控制点。其水压确定：2.0.3 当按建筑层数确定生活饮用水管网上的最小服务水头时：一层为10 m，二层为12 m，二层以上每增高一层增加4 m 2.0.4 工业企业生产用水量、水质和水压，应根据生产工艺要求确定 2.0.6 消防用水的水压要求应按有关的设计防火规范执行,配水管网的水力计算,计算流量的确定：要知道管网的流量如何计算成节点流量，如何计算管段计
14、算流量 比流量 沿线流量、集中流量 折算流量折算系数节点流量 沿线流量、集中流量的折算 管段计算流量树状网的计算 环状网的计算,配水管道的水头损失,重点要掌握的：、要注意：公式（5-8-1）和（5-8-2）中的指数有错；与新版建筑给水排水设计规范不同。,流速限制和经济流速,流速限制 最大流速一般不超过2.53.0 m/s 最小流速输送原水通常不得小于0.6 m/s 经济流速 在一定年限（投资偿还期）内管网造价和管理费用（主要是电费）之和为最小的流速 平均经济流速,经济流速,树状管网的水力计算,压力供水 确定管段的计算流量 选择控制点，确定干管线路确定干管管径计算各管段的水头损失，计算总水头损失
15、计算水泵扬程、水塔高度,树状管网,树状管网的水力计算,重力供水 确定管段的计算流量 选择控制点，确定干管线路 根据总水头损失合理确定干管管径 计算干管线各节点水压 由相应的干管线各节点水压推算各支管的管径,环状管网的水力计算,环状网水力基础方程管段数P、节点数J与环数L关系式 P=J+L-1（方程数目）（必要时引入虚管段、虚节点、虚环）连续性方程流入该节点的流量必须等于从该节点流出的流量 能量方程管网每一个环中各管段水头损失总和等于零 压降方程管段流量与水头损失关系,环状管网的水力计算,初步分配流量，确定管段流量，确定管径 计算各管段水头损失 计算闭合差（至小环0.5 m，大环1.0 m）计算
16、校正流量（注意本环的和邻环的）（注意无论水头损失或流量都有顺时针方向的为正和逆时针方向的为负 平差后就基本上同树状网计算）,环状管网,环状管网,管材、配件、管道敷设及防腐,给水管防腐，,水厂总体设计,水厂总体设计的布置原则、要联系到：,水处理,给水处理基本概念 混凝、沉淀和澄清 过滤 除铁、除锰 消毒,水处理构筑物的生产能力,、确定：最高日供水量+自用水量+消防补充水量 水厂生产时间 自用水率最高日供水量的 5%10%校核：、供水量不一定是最高日供水量,给水处理的基本概念,给水处理的任务给水水质指标 水质标准 给水处理的基本方法 饮用水处理的工艺 饮用水常规处理工艺,饮用水常规处理工艺,混凝沉
17、淀过滤消毒除铁、除锰 消毒,混凝、沉淀和澄清,混凝的基本概念 絮凝池的型式及其设计要求 凝聚剂和助凝剂的投配 沉淀及沉淀池 澄清池,混凝的基本概念,胶体颗粒的特性 混凝的作用和过程 混凝的机理 絮凝过程动力学,胶体颗粒的特性,典型物质为细小黏土颗粒、高分子有机物、腐殖酸、病毒、细菌等 尺寸很小在1100（或1000）nm稳定而不沉淀溶液体系为胶体溶液，混浊不清。表面带电，形成双电层结构 电动电位（电位）。电位在胶体的稳定与凝聚中有着重要的作用。,双电层结构,混凝的作用和过程,混凝的作用：是使胶体失去稳定性，即脱稳，然后使脱稳胶体相互聚集成为较大粒径的颗粒。混凝的过程：混凝是凝聚和絮凝的总称。凝
18、聚是胶体失去稳定性的过程，即脱稳，一般在2分钟；脱稳胶体相互聚集称为絮凝，需要1030分钟凝聚过程的设备称为混合池或混合器；絮凝过程的设备称为反应池、絮凝池或絮凝反应池,混凝的机理,压缩双电层吸附电中和吸附架桥沉淀物的卷扫或网捕,絮凝过程动力学,在絮凝过程中颗粒的碰撞接触是颗粒间相互凝聚的必要条件，因此，对絮凝过程的主要控制条件是搅拌强度与絮凝时间其主要参数是速度梯度G和水力停留时间T以及它们的乘积GT值 混合池：G=5001000/s T=1030 s（2 min）絮凝反应池：G=2070/s，T=1030 min GT=104105,速度梯度G值的计算,机械搅拌时 p G 水力絮凝时 gh
19、 G T,理想反应器,完全混合连续式反应器（CSTR）_ 1 n0 t（1）KG nm个絮凝池串联时，某一个 _ 1 n0 1/m t（）1 KG nm,絮凝池的型式及其设计要求,、机械絮凝池折板絮凝池 隔板絮凝池穿孔旋流絮凝池 絮凝池的基本要求是，原水与药剂混合后，通过絮凝池应形成肉眼可见的大的密实絮凝体 所有絮凝池都要有足够的絮凝时间，起始速度大，然后逐步减小,絮凝池的型式,絮凝池的型式,絮凝池的型式,絮凝池的型式,凝聚剂和助凝剂的投配,、投配方式：采用湿投或干投 湿投时搅拌方式：水力、机械或压缩空气等搅拌湿投时溶解次数：一般每日不宜超过3次 溶液浓度：5%20%（按固体重量计算）石灰宜制
20、成乳液投加,凝聚剂和助凝剂的投配,在工程设计工作中有时会碰到的问题使用硫酸亚铁作为凝聚剂时必须同时投加氯。加氯的作用 加氯量计算原水的碱度问题 同时投加石灰调节水的碱度 水的碱度对混凝的影响 碱度如何计算，如何调节 石灰投加量计算,沉淀及沉淀池,沉淀理论沉淀池的基本设计参数沉淀池、澄清池、气浮池,沉淀理论,沉淀是在重力作用下，水中比水重的悬浮物、混凝生成的矾花等从水中分离的过程 沉淀分类 自由沉淀 絮凝沉淀 拥挤沉淀 压缩沉淀 四种沉淀中，自由沉淀理论是基础，沉淀池的理论分析与设计都基于自由沉淀,离散颗粒的沉淀速度的计算,Re1的层流区，Stokes公式1Re1000的过渡区，Allen公式R
21、e1000的紊流区，Newton公式三个公式中最重要的是Stokes公式粒径d是指球形颗粒的，如果不是球形的要换算成球形的,计算离散颗粒沉速的 Stokes公式,Re1的层流区 1 su gd2 18 使用Stokes公式的前提是Re1，因此计算后必须验算Re,理想沉淀池特性分析,水样的颗粒沉速分布曲线 理想沉淀池的基本假设理想沉淀池对颗粒的去除率理想沉淀池中特定颗粒沉速u0与表面负荷q0的关系 u0=q0絮凝沉淀池中颗粒的去除率,理想沉淀池对颗粒的去除率,理想沉淀池对颗粒的去除率,理想沉淀池对颗粒的去除率,如果理想沉淀池的截留沉速为u0，其总的去除率为 p0 ui P（1p0）d pi 0
22、u0,沉淀池的基本设计参数,沉淀池最基本的设计参数是特定颗粒沉速u0（mm/s）或表面负荷q0(m3/m2h),沉淀池、澄清池的型式,平流沉淀池异向流斜管沉淀池同向流斜板沉淀池机械搅拌澄清池水力循环澄清池脉冲澄清池悬浮澄清池,沉淀池、澄清池的型式,沉淀池、澄清池的型式,沉淀池、澄清池的型式,沉淀池、澄清池、气浮池适用条件,、选型依据：原水水质 设计生产能力 处理后水质要求 原水水温变化 制水均匀程度 是否连续运转,沉淀池、澄清池、气浮池适用条件,絮凝池与沉淀池的连接,、7.4.20、宜合建（各种沉淀池）宜采用穿孔墙（平流沉淀池）底部配水区高度不宜小于1.5 m（异向流斜管沉淀池）,沉淀池的基本
23、设计参数,平流沉淀池、沉淀时间、水平流速、有效水深、每格宽度、长度与宽度之比、长度与深度之比、溢流率 表面负荷q0原水浊度250NTU时取1.21.6 m3/(m2h)250NTU时取1.82.1 m3/(m2h),沉淀池的基本设计参数,衡量平流沉淀池水力状态的两个参数 弗劳德数Fr（110-4110-5）雷诺数 Re（400015000）异向流斜管沉淀池、表面负荷q0一般取9.011.0 m3/(m2h)，斜管管径、斜长和倾角，以及清水区保护高度和底部配水区高度等同向流斜板沉淀池、,弗劳德数和雷诺数计算,V2弗劳德数 Fr Rg vR雷诺数 Re,澄清池,澄清池是把混凝和沉淀这两个过程综合在
24、同一个处理构筑物中进行 按泥渣在池内的状态分为：泥渣循环型 泥渣悬浮型泥渣循环型 机械搅拌澄清池 水力循环澄清池泥渣悬浮型 悬浮澄清池 脉冲澄清池,机械搅拌澄清池的基本设计参数,、上升流速总停留时间第一反应室和第二反应室的停留时间搅拌叶轮提升流量,滤池,过滤概述 滤池的型式 过滤机理深层过滤机理 滤料、滤料粒径级配与厚度 过滤方式、滤速 及过滤水力学 滤池冲洗及配水系统 各种常用滤池的构造要求及其主要设计参数,过滤概述,在常规给水处理中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截流水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程 过滤的功效不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等会随水的浊度
25、降低而被部分去除 在饮用水的净化工艺中过滤是不可缺少的,滤池的型式,快滤池压力滤池虹吸滤池重力式无阀滤池移动罩滤池气水反冲均质滤料滤池,滤池的型式,滤池的型式,滤池的型式,过滤机理深层过滤机理,颗粒迁移拦截、沉淀、惯性、扩散、水动力等作用引起颗粒黏附黏附力与水流剪力共同作用滤层含污能力在一个过滤周期内，按整个滤层计，单位体积滤料中的平均含污量,滤料、滤料粒径级配与厚度,滤料基本要求 机械强度、化学稳定性（尤其不得含有有害成分）、级配及空隙率 滤料粒径级配与厚度 有效粒径d10、不均匀系数K80、最大粒径dmax、最小粒径dmin、滤料空隙率m、同体积球体直径d0、球度系数,过滤方式,恒速过滤变
26、水头恒速过滤、恒水头恒速过滤减速过滤（变速过滤）,滤速,滤速以m/h计，滤速相当于滤池的负荷滤池的负荷以单位面积上的过滤水量计，单位为m3/(m2h)按正常情况下的滤速设计，并以检修情况下的强制滤速校核滤速取决于滤料,过滤水力学,清洁滤层水头损失卡曼-康采尼公式等速过滤中的水头损失变化滤层中的负水头及其防止措施,滤池冲洗,冲洗方式高速水流反冲洗、表面冲洗加高速水流反冲洗、气水反冲洗反冲洗主要参数冲洗强度、滤层膨胀度、冲洗时间滤层反冲洗时的水头损失 反冲洗水塔高度的计算,膨胀后滤层对冲洗水流的阻力,滤层膨胀后，处于悬浮状态时滤层对冲洗水流的阻力，等于它们在水中的重量（单位面积上）s h（1m0）
27、L0 这个公式也可以用来计算澄清池中水流通过悬浮层的水头损失，这时m0为悬浮层泥渣的含水率，s为泥渣的密度，L0为悬浮层的厚度,配水系统,、高速水流反冲洗配水系统有三种：*大阻力配水系统*中阻力配水系统*小阻力配水系统,配水系统,各种型式滤池的配水系统,、,滤池的个数和分格数的确定,、各种滤池的个数不得少于两个 任一构筑物或设备进行检修、清洗或停止工作时仍能满足供水要求 按正常情况下的滤速设计，并以检修情况下的强制滤速校核根据这三条规定可以计算最少需要的格数,常用滤池构造要求及主要设计参数,普通快滤池为例采用石英砂滤料，dmin=0.5，dmax=1.2，K802.0，厚度700正常滤速810
28、 m/h，强制滤速1014 m/h滤池分格数一般不少于4格，单格面积一般为2060，最大可到100滤池工作周期1224 h 滤层表面以上水深1.52.0 m,常用滤池构造要求及主要设计参数,承托层（自上而下）：d=24，厚度100；d=48，厚度100；d=816，厚度100；d=1632，厚度要使本层顶面高出配水系统孔眼100。滤池冲洗前的水头损失，采用2.02.5 m；冲洗后清洁滤层的水头损失一般为0.4 m，注意防止滤层内出现负水头,常用滤池构造要求及主要设计参数,冲洗强度1215 l/s，膨胀率45%，冲洗时间75 min配水系统：采用“丰”字形配水管系，配水干管（渠）进口处流速1.0
29、1.5 m/s；配水支管进口处流速1.52.0 m/s；孔眼流速56 m/s；孔眼总面积与滤池面积之比为0.2%0.28%。孔眼45向下交错布置在配水支管上。,常用滤池构造要求及主要设计参数,冲洗排水槽，槽外底到滤料表面的距离等于滤层冲洗时膨胀高度（70045%=305），槽平面面积25%的滤池面积。槽间距1.52.0 m，槽中水面以上有710保护高度进水管流速0.81.2 m/s，出水管1.01.5 m/s，冲洗水管2.02.5 m/s，排水管1.01.5 m/s,常用滤池构造要求及主要设计参数,冲洗水量一般占过滤水量的5%反冲洗的总水头一般为78 m冲洗水箱，有效容积按单格滤池冲洗水量的1
30、.5倍计算，水箱底高出冲洗排水槽口的高度一般为78 m冲洗水泵，水泵能力按单格滤池考虑，并应有备用机组，水泵扬程为反冲洗的总水头再加上冲洗排水槽口与吸水水池设计最低水位的高差,水处理构筑物中集水槽设计计算,集水槽形式 水平集水槽 穿孔集水槽 齿形集水槽 形集水槽（滤池冲洗排水槽）单宽流量限制,除铁、除锰,、地下水除铁：原水曝气 接触氧化过滤 原水曝气 氧化过滤地下水除锰：原水曝气 单级过滤除铁除锰 原水曝气 氧化一次过滤除铁二次过滤除锰 原水曝气 一次过滤除铁曝气二次过滤除锰,消毒,消毒剂种类：设计应注意问题：液氯 Cl2 接触时间 漂白粉 CaOCl2 安全 漂粉精 Ca(OCl)2 氯胺 NH2Cl NHCl2,
