第三节　给水系统的关系

一、给水系统流量关系

(一)取水构筑物、一级泵站给水流量

在乡镇供水中,为管理方便,一级泵站一般都按全天24h均匀供水,这样可以降低构筑物的规模和泵站的造价。所以取水构筑物、一级泵站的设计流量是按照最高日平均时给水量进行设计的,即

一些乡镇供水厂为了节约用水常采用间断供水,不是一天24h都供水,而是某一段时间,或一天分几段时间供水,故此取水构筑物一级泵站的时供水量为

(二)二级泵站与管网配水流量的关系

二级泵站的任务就是供给供水管网配水流量和保证其用水水压。而供水管网的配水流量即为乡镇用水量。二级泵站流量与管网配水流量的关系,分为有水塔和无水塔两种情况。

1.无水塔的情况

当管网内不设置水塔,二级泵站任何小时的供水量都应等于用水量,最大供水流量应满足最高日最高时用水量的要求,否则就会造成不同程度的供水不足现象。由于乡镇用水量一天24h每个小时都不相同,二级泵站内应选用多台流量大小不同的水泵,进行多种不同的组合,搭配运行,以保证用水量变化的要求。二级泵站内多台水泵的每种组合在一定的时间内供给一个固定的水量,这种供水方式称为分级供水。为了保证供水比较均匀,就目前我国乡镇实际供水状况,二级泵站在一天中最多分成3~4级供水,一般为2~3级供水。

2.有水塔的情况

当管网内设置水塔(或高位水池)时,水塔可以调节二级泵站供水和用户用水之间的流量差,二级泵站分级供水流量可以不等于用水量。当二级泵站分级供水流量小于管网用水量时,可以由水塔向管网供水,以补充二级泵站供水的不足;当二级泵站分级供水流量大于用水量时,多余的水量可转输到水塔中储存起来。这样,水塔不仅起到了调节水量的作用,而且可使二级泵站供水的分级数减少。如图1-4所示。

不管二级泵站设计几级供水,但一天中总供水量应等于最高日设计用水量,所设计的水泵分级工作供水线必须满足这一要求。显然,有水塔时,二级泵站的设计供水量变化过程应根据用水量变化曲线来拟定。当水泵供水量越接近用水量,水塔的调节量越小,即水塔的容积越小,但供水越不均匀。为满足供水均匀的要求,就必须增加泵站的供水分级数;水塔的调节能力越大,即水塔的容积越大,则供水越均匀,二级泵站供水分级数就可越少。因此,在确定二级泵站设计供水量时,需要两者兼顾,在保证供水均匀情况下,既要使水塔容积尽量小,又要使二级泵站供水分级数不宜过多。

当乡镇靠近山区或丘陵地区时,尽可能利用地形条件,在地形高处设置高位水池,即可起到水塔调节水量的作用。由于水池的建造成本比水塔低得多,并且容积也可以建造得很大,所以建造高位水池比建造水塔可节省大量资金。若水源和地形条件允许,小型水厂亦可以建造在山上或地形高处,这样,水厂的清水池可兼做高地水池,起到调蓄水量的作用。

(三)一级泵站与二级泵站的流量关系

一般情况下,一级泵站为均匀供水,以保证水厂水处理构筑物的稳定运行,而二级泵站为满足用户用水量要求分级供水,两泵站间就存在较大的供水量差额,所以必须在一、二级泵站之间建造清水池,以调节两者的流量差。

1.无水塔的情况

管网中不设置水塔时,二级泵站需按照乡镇用水量变化情况供水,因此,一级泵站与二级泵站的流量关系,就转化为一级泵站供水与用户用水量之间的流量平衡问题。此时,清水池的调节容积可按一级泵站均匀供水与用户用水曲线之间的差额确定。

2.有水塔的情况

当管网内设置水塔时,一级泵站和二级泵站的流量关系,就是一级泵站均匀供水与二级泵站分级供水之间的流量平衡问题。如图1-5所示,二级泵站分两级供水,实线表示为二级泵站供水工作线,虚线表示为一级泵站均匀供水工作线。在20时至次日5时(共9h)一级泵站供水量大于二级泵站供水量,多余的水量即储存在清水池中,清水池储存的水量可以用图中B部分面积表示;在5时至20时的时间内,一级泵站供水量小于二级泵站供水量,这段时间内二级泵站要取用清水池中的存水,以满足用水量的需要,二级泵站取用的水量可以用图中A部分面积表示。在一天中,储存的水量刚好等于取用的水量,即A部分面积正好等于B部分面积。而清水池的调节容积应等于用水量一个调节周期(在这里为一昼夜的时间)中累计的储存水量,或者等于累计的取用水量;如用图中的面积表示,即等于B部分面积,或者等于A部分面积。

水塔(或高位水池)和清水池都是供水系统中调节流量的构筑物,称作调节构筑物,两者有着密切的关联。如果二级泵站供水线接近用水线,则水塔容积减小,清水池容积相应增大;如果二级泵站分级供水级数增多,供水均匀程度增大,则水塔和清水池容积都会减小。但二级泵站的水泵台数增多会导致管理程序复杂,设备和运行费用增加。所以乡镇供水通常不采用增加泵站供水级数的做法,而是多采用增大清水池容积的做法,且清水池建造技术简单,成本低。

二、清水池和水塔的容积计算

(一)清水池容积计算

清水池是用于调节一级泵站和二级泵站流量差的,所以清水池的调节容积可由一、二级泵站供水量曲线确定。

(1)当无水塔时,清水池的容积即是一级泵站均匀供水线与用水量变化曲线之间的差值。为计算准确起见,首先计算它们之间每个小时的供水百分数之差值,见表1-8,第(2)项为乡镇用水逐时用水量占最高日设计用水量的百分数,第(4)项为一级泵站均匀供水平均时用水量百分数,第(2)项减去第(4)项等于第(5)项,即是无水塔时清水池逐时调节百分数。当用水量小于一级泵站平均时供水量时,两者的差额为负值;当用水量大于一级泵站平均时供水量时,两者的差额为正值。由表中可以看出,正值累计百分数等于负值累计百分数,说明储存水量等于流出水量。于是,正值累计百分数,或者负值累计百分数,即为清水池调节水量百分数,如表1-8第(5)项所列,为17.98%。清水池调节百分数乘以最高日设计用水量,即为清水池调节容积:Qd×清水池调节百分数(m3)。

(2)当有水塔时,清水池调节百分数就是二级泵站分级供水线百分数与一级泵站均匀供水平均时供水百分数之差,即表中第(6)项,等于第(3)项减去第(4)项,为12.50%。显然,有水塔时清水池的调节容积比没有水塔时要小得多。

当缺乏用水量变化资料,无法计算清水池调节百分数时,清水池的调节容积,可凭经验确定,通常按最高日设计用水量的10%~20%估算。乡镇供水因一天24h的用水量变化较大,应取较高的百分数。

清水池中除了储存调节水量以外,还要存放消防用水量和水厂自身用水量以及安全储备水量,因此,清水池的有效容积W应按下式计算:

为了便于清洗或检修时不间断供水,清水池应建成相等容积的两个,如仅有一个,则应采用中间分格的方式。

(二)水塔容积计算

水塔用于调节二级泵站分级供水与用户用水量变化之间的流量差。如表1-8所列,第(2)项是用水量变化逐时百分数,第(3)项为二级泵站分级供水百分数,第(2)项减去第(3)项等于第(7)项,即为水塔逐时调节百分数。当用水量大于二级泵站供水量时,两者差额为正值,当用水量小于二级泵站供水量时,两者的差额为负值。正值累计百分数,或负值累计百分数,都等于水塔容积调节百分数,如表1-8第(7)项,为6.55%。而水塔的调节容积为Qd×水塔调节容积百分数(m3)。

若缺少用水量变化资料,水塔的调节容积可凭工作经验确定,当泵站分级工作时,可按最高日设计用水量的2.5%~3%至5%~6%计算。用水量大,供水比较均匀时,采用低值;用水量小,供水不均匀时,采用高值。

水塔除了储存调节流量外,还须储存消防用水量,因此水塔的总容积为

从上面计算和表1-8第(5)、(6)、(7)项可以看到,无水塔和有水塔时,水塔与清水池总调节容积并不相同。无水塔时总调节容积为清水池调节的容积,为17.98%;有水塔时总调节容积包括清水池调节容积和水塔调节容积两部分,清水池调节容积虽可减小,但多了水塔的调节容积,两者的总调节容积为12.50%+6.55%=19.05%。也就是说,有水塔时,清水池和水塔的总调节容积,要比无水塔时清水池单独调节水量时的调节容积大一些。

三、供水系统的水压关系

(一)供水系统的水压

为了供给用户足够的生活用水或生产用水,供水系统应保证一定的水压,通常叫自由水压,即从地面算起的水压。村镇供水管网保持最小的自由水压为:1层10m,2层12m, 3层及以上每层增加4m。当用户高于接管点,还应加上用户与接管点地形的高差。在配水管网中,消火栓设置处的最小服务水压不应低于10m。

(二)一级泵站的水泵扬程

一级泵站是向水厂供水的,首先必须满足水厂前端水处理构筑物(一般为配水池或混合絮凝池)对水压的要求,还应考虑到输水管道的水头损失和水泵吸水管路的水头损失,如图1-6所示。所以一级泵站的水泵扬程Hp为

(三)无水塔管网的二级泵站水泵扬程

供水管网不设置水塔时,管网由二级泵站直接供水,供水水压必须首先满足管网中控制点的最小服务水头。所谓控制点,是指整个供水管网中控制水压的点,这一点往往位于离二级泵站最远点,或地形最高处,或压力最大的点,即只要该点的压力在最高用水量时可以达到最小服务水头,则整个管网就不会出现水压不足地区。

二级泵站的水泵扬程还要考虑控制点高程和清水池最低水位的高差,以及整个管网由水泵出水口到管网控制点的总水头损失和水泵吸水管路的水头损失。如图1-7所示。

由图可以看出,二级泵站的水泵扬程Hp为

(四)网前水塔管网的水塔高度和水泵扬程

当乡镇供水区的地形在二级泵站附近较高,由二级泵站向控制点方向为下坡,即地形逐渐降低,而供水区总用水量又不太大时,可以采用网前水塔供水管网,如图1-8所示。网前水塔管网的工作情况是,二级泵站先供水到水塔,再由水塔经管网供水到用户。为了确定水泵扬程,须先求出水塔高度。水塔的高度是指水塔水柜底到地面的高度,供水管网就是由水塔提供所需水压的,可见网前水塔管网由水塔供水地段与无水塔管网由水泵供水相似,水塔高度相当于二级泵站的水泵扬程。所以,水塔的高度Ht按下式计算:

从图1-8和式(1-22)中可以看出,因水塔修建在地形高处,则Zc-Zt为负值,水塔处的地形越高,即Zt越大,水塔高度Ht就越小;有条件时甚至可使Ht=0,就可以用高地水池代替水塔,使造价大为降低。

网前水塔的优点是:由于给水管网是由水塔供给水量和水压的,在设计年限内,水量和水压都能得到保证,供水稳定可靠。网前水塔的缺点是:水塔一旦建成后,其供水量和供水水压就固定不能变动了,为使水塔使用年限尽量长,发挥作用尽量大,一般都是按近期规划、着眼于远期规划设计,所以在开始使用的一段时期内,水塔的水量和水压都将高于供水管网的需求造成浪费;随着乡镇的发展,用水量越来越大,水压要求也会大幅度提高,一旦超过水塔设计的供水流量和水压时,水塔就没有办法满足乡镇用水对水量和水压的要求,因而网前水塔的调节能力较差。

二级泵站向水塔供水与无水塔管网供水相似,水塔的水柜最高水位相当于控制点的最小服务水头,于是,二级泵站的水泵扬程Hp为

(五)对置水塔管网的水塔高度和水泵扬程

当乡镇地形离二级泵站越远越升高,即由二级泵站向控制点方向为上坡时,水塔应设置在管网末端,构成对置水塔的管网系统,又称网后水塔,如图1-9所示。

1.最高用水时

由图1-9可看出,在最高用水时,泵站的供水量小于管网最大用水量,此时由泵站和水塔同时向管网供水,两者各有自己的供水区域,则必然有一供水分界线。在供水分界线上,水压最低,对于泵站和水塔两者来说,在供水分界线处水压必须相等,否则供水就不平衡。同时,供水分界线对于泵站和水塔两者来讲,即相当于控制点。

如供水分界线处的最小服务水头为Hc,水塔的高度可为

同样,如供水分界线处的地面高程低于水塔处的地面高程,Zc-Zt是负值,水塔高度将减小。

二级泵站的水泵扬程为

2.最大转输时

在管网用水量低时,二级泵站供水量大于用水量,多余的水量将通过整个管网流入水塔,流入水塔的流量称为转输流量。一天内泵站供水量大于用水量的时间很多,一般取转输流量为最大时的流量进行计算,以保证安全供水,称此流量为最大转输流量。在最大转输时,虽然用水量小,但因转输流量通过整个管网流入水塔,管线长,总的水头损失大;而且,水塔成为最不利点,其最小服务水头应为Ht+H0,往往比供水分界线处的自由水压高得多,所以最大转输时的水泵扬程通常都大于最高用水时的水泵扬程。最大转输时,水泵提供的扬程,应为

对置水塔的优点是:对管网用水量和水压的调节作用强,供水均匀、稳定。对置水塔的缺点是:当配水管网管线很长,最大转输时,泵站向水塔转输路线长,一般又为上坡,所以水头损失大,消耗能量大。

(六)网中水塔管网的水泵杨程

当乡镇中间部位的地形较高或为了靠近用水大户,水塔设置在管网中间时,构成网中水塔的给水系统。根据网中水塔在管网中的位置,可有两种工作情况:当水塔靠近二级泵站,并且泵站给水量大于泵站和水塔之间用户的用水量时,情况类似于网前水塔,不会出现给水分界线;当水塔离泵站较远,以致泵站给水量不够泵站和水塔之间用户使用时,必须由水塔供给一部分水量,这时情况类似于对置水塔,会出现供水分界线,但水塔还必须供给水塔后至管网末端部分用户用水量。网中水塔给水系统的水泵扬程和水塔高度的确定,根据水塔在管网中的位置和实际工作情况,可参照网前水塔和对置水塔的有关公式计算。

网中水塔的优点是:可充分利用乡镇高处地形,可大量节约供水能量;其缺点是:当水塔与泵站之间给水分界线处的地面高程及最小服务水头和水塔后管网末端(控制点)处的地面高程及最小服务水头相差较大时,水塔高度的计算将趋于复杂化,并且此时的水塔负担过重。

(七)加压泵站管网

随着乡镇的发展,给水区不断扩大,用水量大幅度增加,二级泵站的扬程再也不能满足用户对水压的要求时,如果用提高二级泵站的水泵扬程来满足给水要求,会带来经济和技术两方面的问题,即会出现在靠近泵站的区域内给水压力远高于用户所需水压,造成给水能量的极大浪费,给水管道将承受过大的压力,水管易爆裂而出现漏水和断水事故等问题。所以在这种情况下,不宜提高二级泵站的扬程,而适宜于在管网中途设置加压泵站,或者由用水大户自己设置加压泵站。

对于设置水塔的供水管网,随着乡镇用水量的增加,当旧的水塔失去了调节水量和水压的作用时,也可以设置加压泵站,从而使水塔仍能继续发挥其调节作用。当供水管网管线很长时,增加二级泵站扬程也会带来上述的经济和技术问题,也须设置加压泵站来满足给水系统对水量和水压的要求。在城市水资源不丰富的情况下,为弥补局部地区供水不足,由各用水大户自己设置加压泵站,也是一种解决问题的途径。设置加压泵站后,在不提高、甚至降低二级泵站扬程的情况下,可将两部分地区的水压提高。这样,不仅可节省动力费用,而且可使整个给水区的水压比较均匀。此外,通过调度使加压泵站在高峰用水时开机,在用水量小时停机,还能使二级泵站经常处于高效率下工作。