给排水工程中管道布局优化与水力特性分析研究

摘要：给排水工程中管道布局的优化与水力特性分析是提高城市水资源利用效率、改善环境质量的关键技术之一。旨在探讨如何通过合理的管道布局设计和水力特性分析来提高管网系统的运行效率和稳定性。通过对管道布局优化方法和水力特性分析技术的综合研究，探讨如何在实际工程中应用这些技术来提高管道系统的运行效率和可靠性，为城市给排水系统的规划与设计提供理论支持和技术指导。

关键词：给排水工程管道布局水力特性特性分析

ResearchonPipelineLayoutOptimizationandHydraulicCharacteristicAnalysisinWaterSupplyandDrainageEngineering

YAOChunxiu

ShandongRunlinFireEngineeringCo.，Ltd.，Jinan，ShandongProvince，250031China

Abstract： Theoptimizationofpipelinelayoutandtheanalysisofhydrauliccharacteristicsinwatersupplyanddrainageengineeringarekeytechnologiestoimprovetheefficiencyofurbanwaterresourceutilizationandenvironmentalquality.Thisarticleaimstoexplorehowtoimprovetheoperationalefficiencyandstabilityofthepipelinenetworksystemthroughreasonablepipelinelayoutdesignandhydrauliccharacteristicanalysis.Throughcomprehensiveresearchonpipelinelayoutoptimizationmethodsandhydrauliccharacteristicanalysistechniques，thispaperexploreshowtoapplythesetechnologiesinpracticalengineeringtoimprovetheoperationalefficiencyandreliabilityofthepipelinesystem，whichprovidestheoreticalsupportandtechnicalguidancefortheplanninganddesignoftheurbanwatersupplyanddrainagesystem.

KeyWords：Watersupplyanddrainageengineering;Pipelinelayout;Hydrauliccharacteristic;Characteristicanalysis

随着城市化进程的不断加速和人口的持续增长，城市给排水系统的规模和复杂度也不断增加。然而，传统的管道布局设计和水力特性分析方法往往存在一定局限性，难以满足城市发展对给排水系统的需求。为了提高城市给排水系统的运行效率和可靠性，有必要深入研究管道布局优化与水力特性分析，并结合现代科技手段，探索新的解决方案。

1给排水工程中管道布局优化的原则

1.1最小化管道长度

管道长度最小化是优化给排水工程管道布置的基本原则。减少管道长度可显著降低施工材料成本。这一原则符合工程设计的经济效益方面，最大限度地减少材料的使用转化为直接节约成本。此外，短管道通常有助于减少摩擦损失，提高系统的水力效率和节能[1]。管道长度最小化的原则也与供水和排水网络的运行效率相对应。管道越短，通常会降低系统沿线的压降，确保端点有足够的水压，最大限度地减少附加泵站的需求。此外，更短的管道可能会简化维护和维护工作，因为需要检查和管理的管段较少。从可持续性角度考虑，尽量减少管道长度符合减少资源消耗和环境影响的目标。更短的管道需要更少的建筑原材料来减少与材料提取、制造和运输相关的能源消耗和排放。通过采用这一原则，工程师可以在给排水工程领域促进更可持续的方法。

1.2优化管网连接

管网连接优化包括布局设计，以确保整个系统高效可靠的供水和排水。这一原则强调了建立良好连接管道的重要性，以促进水流的畅通，最大限度地减少网络中的死端分支或孤立段。良好的连接网络可以增强系统的弹性，降低水停滞或质量恶化的可能性。通过确保优化管网连接，可以增强系统对水需求和环境条件变化的响应能力。连接性好的布局，即使在需求高峰期或管道故障或维护活动的情况下，也能实现高效的配水。通过最小化孤立区域的产生，该原则有助于将整个管网的水质和压力水平保持在可接受的范围内[2]。从规划角度看，管网连接优化需要考虑人口分布、土地利用模式、未来发展规划等因素。通过战略性铺设连接重要住宅、商业和工业区域的管道，工程师能够适应预期的增长，确保供水和排水系统的长期功能和可扩展性。

1.3最小化干涉和相交

尽量减少干扰和交叉对于优化管道布局，确保给排水系统的结构完整性至关重要。该原则强调，应避免与现有基础设施（道路、铁路、公用事业、地下电缆等）发生不必要的交叉。尽量减少交叉口的数量，工程师可以降低管道损坏的风险，简化施工和维护操作。尽量减少干扰和交叉的原则也有助于降低成本和提高项目效率。通过避免与其他基础架构项目发生冲突，工程师可以尽量减少与成本高昂的迁移和修复需求、协调和许可问题相关的潜在延迟。这种方法可以促进项目的顺利执行，提高整个项目的可行性。从安全性的角度考虑，将干扰和交叉最小化有助于降低意外损坏和挖掘活动导致的事故和服务中断的风险。通过仔细规划管道路线，避开交通拥挤或敏感的地方，工程师可以将危及公共安全或妨碍基本服务的可能性降到最低。这一原则强调了主动风险管理和遵守监管要求的重要性[3]。

2给排水工程中管道的水力特性分析

2.1流态特性分析

管道水力分析包括研究各种操作条件下的流体流动行为，包括稳态和瞬态流动状态。了解流速分布、压力梯度、流体等流动特性对于评价管道系统的性能和效率至关重要。管道内的流体流动受流体力学基本原理控制，包括质量守恒、动量守恒和能量守恒。这些原理由连续性方程、伯努利方程和动量方程等数学方程表示，这些方程构成分析管道水力性能和预测管道流动行为的基础。通过应用计算流体动力学技术，工程师可以进行详细的模拟，分析湍流、边界层发展、流动分离等复杂的流动现象。

2.2压力损失与管道摩擦

压力损失分析是管道水力特性的组成部分，因为它量化了由于摩擦阻力、弯曲、部件及其他水力损失引起的管道长度的压力降低。了解压力损失分布对于确定能量需求、确定泵的尺寸、确保系统端点处足够的压力水平至关重要。以摩擦系数或亚麻布粗糙度系数为特征的摩擦阻力在确定管道压力损失中起着重要的作用。通过考虑管道材料、表面粗糙度、流速等因素，工程师可以准确预测摩擦损失，优化管道设计，最大限度地降低能耗和运营成本。

2.3液体波动与管道水击

当管道系统内的流速或压力突然变化，产生沿管道传播的压力波时，会产生水力过渡，如锤。理解和缓解水力过渡对于保护管道基础设施不受损坏和确保系统的可靠性和安全至关重要。锤击分析涉及利用流体力学原理和波传播理论对瞬态流动现象进行建模。数值方法，如特征法和有限差分法，通常用于模拟瞬态流动事件，预测因阀门快速关闭、水泵跳闸和其他动作变化引起的压力波动。通过实施调压箱、气室、稳压阀等措施，工程师可以有效控制和减轻锤击的影响，降低管道破裂、设备损坏、服务中断的风险[4]。

3给排水工程中管道布局优化的难点

3.1多因素交叉影响

给排水工程中管道布局优化的主要问题之一是影响设计过程的各种因素的复杂相互作用。这些因素包括但不限于水力性能、地形地貌、土地利用模式、环境约束和限制要求。平衡这些不同的考虑事项，开发满足各种目标的最佳布局是工程师的一大难题。水力效率的实现包括最小化压力损失，保持足够的流速，确保水在整个管网中的均匀分布。但优化水力性能需要与建设成本、土地使用限制、环境影响等其他因素进行权衡，在设计管道路线时，工程师必须控制各种地形特征，如山丘、山谷、河流和城市结构。要在遵循自然轮廓之间找到最佳平衡，最大限度地降低钻探和分级成本，同时避免陡坡和地质灾害，需要进行复杂的分析和仔细考虑。

3.2不确定性和可变性

给排水工程固有的不确定性和可变性对优化管道布置提出了重大挑战。变动的水需求、不断变化的环境条件、人口增长和技术进步等因素给设计过程带来了不确定性。工程师必须预测并适应这些不确定性，以开发能够应对未来变化和挑战的坚固、灵活的管线布局。环境变异性、气候变化、极端天气事件和生态动态等因素，使管道布局优化更加复杂。工程师应考虑这些因素对液压性能、系统弹性和环境可持续性的潜在影响。将不确定性分析和方案计划结合到设计过程中有助于识别漏洞并制定降低风险的自适应策略。

4水力特性的给排水工程管道布局优化策略

4.1最小化管道阻力

优化管道布局就其自身而言，所具有的基本目标之一是最小化管道阻力，由此能够更加有效地确保水力系统的高效运行。管道阻力在一定程度之上主要由管道内摩擦和管道弯头、分支、阀门等附件的阻力所导致。因此在实际的管道布置过程当中，降低管道阻力可以减少水泵的能耗，降低运行成本，能够更加有效地提高水力系统的可靠性和稳定性[5]。实现管道阻力的最小化在一定程度之上需要综合考虑管道的直径、材质、管道段的长度和粗糙度等因素。就目前而言，在实际管道的布置过程当中，采用较大直径的管道可以降低单位长度的阻力，同时也会进一步地增加初始建设成本。在设计过程当中，利用数值模拟和实地试验等手段，能够更为有效地对不同布局方案进行评估和比较，由此为基础选择最优设计方案以实现管道阻力的最小化。

4.2平衡管道网络的压力

在给排水工程中，进一步地平衡管道网络的压力分布是保障系统正常运行的关键之一。在实际的管道布设过程当中，合理的压力分布在一定程度之上，能够更为充分地确保各个节点和终端的水压处于合适的范围内，同时，在一定程度之上能够有效地免压力过高或过低对设备和管道系统造成损坏。此外在实际管道构建过程当中，为了平衡管道网络的压力，相应的建设者需要考虑管道的高程、流量、水泵的选型和运行方式等因素。在具体的布置过程当中，通过合理设置水泵的位置和功率，同时进一步地配备适当的调压设备和调节阀，能够从诸多角度调整管道系统中不同部位的水压，以此为基础有效地将相应的水压保持在合理范围内。

4.3优化管道系统的水力性能

优化管道系统的水力性能在实际的落实过程当中是实现高效水力输送的关键目标之一。水力性能的优化在一定程度之上主要包含降低水力损失、提高水流速度和均匀性，同时需要进一步地确保管道系统的稳定运行。为了优化管道系统的水力性能，相应的系统在实际构建过程当中需要综合考虑管道的布局、直径、材质和水泵的配置等因素。具体构建过程当中需要采用合适的管道直径和材质，并且需要从诸多角度出发，合理设计的管道布局，以此为基础能够减少压力损失和摩擦阻力，从而更为充分地提高水流速度和均匀性。此外，在管理过程当中需要借助先进的水力模拟技术和数值计算方法，以为基础，更加有效地对管道系统进行精确的水力分析和优化设计。

5结语

在给排水工程中，管道布局优化是确保水资源有效利用、提高系统运行效率和稳定性的关键环节。通过本文深入探讨了基于水力特性的管道布局优化策略，包括最小化管道阻力、平衡管道网络的压力、优化管道系统的水力性能以及考虑系统的安全性与稳定性。这些策略不仅可以帮助工程师克服管道布局优化过程中的难点和挑战，还能够有效提高水力系统的运行效率、降低运行成本、保障系统安全稳定运行。

参考文献

[1]寇志军.高层建筑给排水工程设计和施工技术要点探析[J].山西建筑，2021，47（15）：121-122，125.

[2]王淳，杨帆，刘敬言，等.美丽乡村项目（幺铺村）给排水工程设计[J].城镇供水，2022（3）：105-108.

[3]金鸿飞，潘超.地铁给排水、水消防工程布局及设计要点[J].中国房地产业，2022（33）：214-217.

[4]叶竹君.给排水管道非开挖修补方法研究及装置设计[D].武汉：湖北工业大学，2020.

[5]彭博.基于BIM技术的市政给排水管道工程措施项目成本管理研究[D].南昌：南昌大学，2023.