1、,9 污水管网设计与计算,综述,功能为收集与输送城市区域中的市政污水，生活污水所占比例较大。 污水管网设计的主要任务为： 污水管网总设计流量与各管段设计流量计算 污水管网管段管径、埋深、接口设计与水力计算 污水提升泵站的设置与提升 污水管网施工图绘制等。,9.1 设计污水量定额,排放系数：城市用水量与排放量之间的关系；一般为60-80%，在干旱季节低达50%。 但雨水可进入，以及企业与用户自备水源未统计部分进入，使得实际污水量增大。 根据相关设计规定，污水量可按照当地设计用水定额的80-90%计算；工业企业生活污水量与淋浴水量可参照有关设计规范规定。 工业废水量定额一般以单位产值、单位数量产品
2、或单位生产设备所排出的废水量表示。 污水管网按照最高日最高时污水排放流量进行设计。 污水管网设计流量与供水管网设计流量的不同点在于供水管网设计流量采用最高日最高时用水量乘以总变化系数，而污水管网设计流量采用平均日污水量定额乘以相应的总变化系数。,9.2 污水量的变化系数,污水量的变化可采用变化系数与变化曲线表示 污水量日变化系数Kd：在设计年限内，最高日污水量与平均日污水量的比值。 污水量时变化系数Kh：设计年限内，最高日最高时污水量与该日平均时污水量的比值。 污水量总变化系数Kz：设计年限内，最高日最高时污水量与平均日平均时污水量的比值。 Kz= KdKh,9.2 污水量的变化系数,居民生活
3、污水量变化系数工业废水量变化系数 变化较小，可近似取为1。 工业企业生活污水和淋浴污水量变化 生活污水量一般按照每个工作班污水量定额计算，相应的变化系数班内给出，且与工业企业生活用水量变化系数相同，一般车间为3，高温车间为2.5。 淋浴污水量计算方法同上，每班考虑在1h之内使用，且不考虑1h之内流量变化。,9.3 污水流量计算,1居民生活污水设计流量 主要因素为生活设施条件、设计人口和污水流量变化。设计人口指设计年限终期所服务的人口数量。同一城市也存在多个排水服务区域，有时污水量标准不同，分别计算。 2工业废水设计流量 考虑水的重复利用率。3工业企业生活污水量和淋浴污水设计流量4公共建筑污水设
4、计流量,9.3 污水流量计算,某大型企业年产值为10亿元，废水产生量定额为100t/万元，总变化系数为1.2；该厂三班制生产，每班工作8小时，最大班职工人数为2000cap，其中在高温及重污染车间工作的职工占总人数的30%，使用淋浴人数按照85%计算，其余70%在一般车间工作，使用淋浴人数按照30%计算，工厂居住区面积为50104m2，人口密度为550cap/104m2，生活污水量标准为150L/（capd）。该厂设置污水处理站，所有污水由管道汇集进入污水处理站，请计算该厂的最大时污水设计流量。,9.3 污水流量计算,分析：本题主要针对某工厂的废水量进行计算。对于本题，用水主要集中在以下几方面
5、：1）工业生产排水；2）居住区居民生活污水；3）工人上班生活污水；4）工人下班淋浴污水。工业污水量的计算方法为：1）单位产品排水量；2）单位产值排水量；3）单位生产设备排水量。本题给定了单位产值排水量；在工业污水量的计算中还要注意是否存在水的重复利用率，本题不存在；也要注意时变化系数与日变化系数之关系和向公式中应该带入的值（？）生活污水量的计算较简单，可根据定额与人口数量计算；唯一注意的是总变化系数的求解。工人上班时的生活污水量计算较简单，但要注意其班数及班时间；工人下班淋浴水量计算较简单，不管何种情况均按照淋浴持续一小时计算；但要注意一般车间和高温车间的用水量定额。,9.3 污水流量计算,计
6、算工业废水设计流量：日变化系数为近似为1，由于总变化系数为1.2，即时变化系数为1.2；则工业废水设计流量为380.52L/s；居民区生活污水流量总变化系数的计算,380.52L/s,=47.74L/s,则生活污水设计流量,=84.25L/s；,高温与重度污染车间生活污水量与淋浴用水量计算,+,=10.32L/s；,一般车间生活污水量与淋浴用水量计算,+,=8.31L/s,则本厂总设计流量为,=380.52+84.25+10.32+8.31=483.4L/s。,9.3 污水流量计算,9.3 污水流量计算,几点讨论,1.由上述讲解可知，通过分析城市污水的组成可以计算总量；计算总量的目的在于确定城
7、市污水处理厂的规模。在这一点上，与给水的设计是相似的。 2.所不同的在于居民生活污水量需要乘以总变化系数；而工业污水、工厂生活污水以及公共建筑污水要分别乘以各自的时变化系数或班内变化系数。而给水总用水量是加权所有的水量后，在平均时流量上乘以总变化系数。这一点是两者所不同的。 3.当计算企业排水时，需要考虑水的复用系数。下述两点教材中未考虑或讲述有些偏差，我提出来共同讨论： 1.关于企业自备水源的问题。在当今设计排水管网时已经对于水量要进行调查，并非听之任之。 2.污水管网的普及问题。在教材中未涉及到此问题；城市的排水管网一定是完善的吗？若不完善是否应该有一个普及率？我认为在计算总量时，不管是城
8、市居民生活污水抑或企业排水或公共建筑排水均存在是否排入管网的问题，若不排入应该扣除。,9.4 管段设计流量计算,9.4.1节点与管段 将污水管网中流量与埋设坡度不变的一段管道叫做管段。 管道的两端点叫做节点。 一般在节点上肯定存在水的流态或流速的变化；比如跌水井、提升泵站等。 节点处肯定设置检查井。 污水管段很容易出现事故，为了检修方便每间隔一定距离在管段上需要设置检查井；若管段长度过大可设置若干检查井，这也说明检查井未必是节点。,9.4 管段设计流量计算,9.4.2节点设计流量计算 由于污水管网水的流态为重力流；故为降低水头损失，最好的办法就是增大管径。如何增大管径呢？只有唯一的办法是增大管
9、段设计流量；于是这就决定了污水节点的设计流量与给水管网的不同。 在污水管网设计中，流量也分为两种沿线流量和集中流量；但在污水管网中，沿线流量被叫做本段流量。 在污水管网设计中，节点流量是该节点下游一条管段所连接的用户污水流量与该节点所接纳的集中污水流量之和。 如下图所示意。,9.4 管段设计流量计算,集中流量,本段流量,节点流量的合并计算,9.4 管段设计流量计算,由上图也可看出；污水管网和给水管网节点设计流量方法是不同的。 在污水管网设计中，管段起端节点流量为本节点收集的集中水量和本段流量之和。 那么，本段流量如何计算呢？ 和给水管网相似，计算比流量，按照面积或管段长度分配本段流量。 要牢记
10、一点：本段流量是完全加到管段起端节点，而非一分为二。,9.4 管段设计流量计算,9.4.3管段设计流量计算 前面讲到，污水管网的设计按照最高时设计；但最高时未必同时出现。 前面也得知，变化系数主要针对生活污水而言较复杂，每一管段流量不同，其变化系数也是不同的；故对于管段设计流量而言，污水管网节点不会满足流量连续性条件；但分配的平均时流量满足质量守恒。这也是污水管网与给水管网相比的最大不同之处。,污水管网水力计算，从上游起端节点向下游节点进行。 污水管网进行计算时，节点与管段的流量也应满足流量连续性方程。但污水管网的设计流量却不满足流量连续性方程；原因在于设计流量为最高时流量，它们一般不会同时出
11、现，连续性条件只能对同一时段内的流量运用。在计算和分配居民生活污水量时，对平均日流量满足流量连续性；每条管段又乘以各自的总变化系数作为设计流量。 为降低计算复杂性，总是假定居民生活污水、工业废水、工业企业生活污水和淋浴污水、公共建筑污水等四大类污水的最高时流量同时出现，其设计流量可直接叠加。 管段设计流量计算式如下：,i=1，2，3M,9.4 管段设计流量计算,9.5 污水管道设计参数,由水力学公式可知，设计流量与设计流速及过水断面积有关；流速是管壁粗糙系数、水力半径以及水力坡度的函数。 1设计充满度 非满管流设计：污水流量随时变化，雨水或地下水可能随时渗入，有必要保留部分空间给未预见水量，防
12、止污水溢出。管道内沉积的污泥可能分解出一些有害气体，要留出适当空间进行通风排气。管道的疏通与管理。 最大设计充满度与管径大小相关联，可在规范中查出。 当管径小于等于300mm时，应按段时间内的满管流核算，保证污水不会溢流到地面。 采用明渠流时，设计超高不小于0.2m。,9.5 污水管道设计参数,2设计流速 与设计流量、设计充满度相对应；为防止管道冲刷以及沉积，设计流速在最大与最小设计流速范围内。 最小设计流速为不产生沉积流速，与污水中含有物质的颗粒以及成分和管道水力半径以及管道粗糙度有关。规范规定管道最小设计流速为0.6m/s，若含有重金属、矿物固体或重油则适当加大。明渠设计为0.4m/s。
13、地形平坦地区，若最小设计流速大，则会增加管道敷设深度。 最大设计流速与管材相关。金属管道最大允许流速为10m/s；非金属管道允许5m/s。,9.5 污水管道设计参数,3最小管径 在污水管网的上游部分，污水管段的设计流量较小，根据设计流量计算管径极小，易于产生堵塞现象。对于200与150管径，堵塞次数后者为前者的2倍；在同样埋深条件下，两者管道造价相差不多；采用较大管径可选用较小管道坡度，使管道埋深减少。为维护管理方便，规范规定，街区与厂区内最小管径为200mm，街道下的最小管径为300mm。 在进行水力计算时，由设计流量得出的管径小于最小管径时，应采用最小管径值。一般可根据最小管径的最小设计流
14、速和最大充满度下能通过的最大流量值，确定设计管段的服务面积，若设计管段的服务面积小于此值，直接采用最小管径与最小坡度而不进行设计计算。这种管段叫做不计算管段。在不计算管段中可考虑设置冲洗井。,9.5 污水管道设计参数,4最小设计坡度 管网敷设时，使得管道敷设坡度与地形坡度走向一致而获得较小的埋深。当地形平坦，或两值走向相反时，尽可能减少管道敷设坡度。但由该管段敷设坡度形成的流速应等于或大于最小设计流速，防止管道内沉积。将对应于最小设计流速的坡度称为最小设计坡度。 不同污水管道应有不同的最小设计坡度。管径相同的管道，充满度不同，设计最小坡度也不同。当在给定的设计充满度下，管径越大，相应的最小设计
15、坡度值越小。 规范中规定了最小管径对应的最小设计坡度；200mm时最小设计坡度为0.004；300时为0.003。较大管径的最小设计坡度由最小设计流速保证。,9.5 污水管道设计参数,5污水管道埋设深度 指管道的内壁底部离开地面的垂直距离。管道顶部离开地面的垂直距离叫做覆土厚度。 在实际工程中，污水管道的造价由选用的管道材料、管径、施工现场地质条件与埋深等因素决定。 管道埋设深度包括起点埋深、终点埋深与平均埋深。 为保证污水管道不受外界压力和冰冻的影响，管道的覆土厚度的最小值叫做最小覆土厚度。 最小覆土厚度满足下列要求： 1）防止管道内污水冰冻以及土壤冰冻而破坏管道。规范规定：无保温措施，管低
16、可埋设在冰冻线以上0.15m。有保温措施可适当加大。,9.5 污水管道设计参数,2）防止地面荷载的破坏 动力车道下污水管道最小覆土厚度不宜小于0.7m。 3）满足街区污水连接管衔接的要求 为使得污水顺利进入污水管网，保证污水干管起点的埋深大于或等于街区内污水支管终点的埋深，而污水支管起点的埋深又必须大于或等于建筑物污水出户管的埋深。污水出户管的最小埋深一般采用0.5-0.7m，所以污水支管起点最小埋深也有0.6-0.7m。 还应考虑最大埋深 一般在干燥土壤中，最大埋深不超过7-8m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5m。,9.5 污水管道设计参数,6污水管道的衔接 污水管道在检查井中衔接
17、应该达到如下要求：避免上游管道形成回水，造成淤积；在平坦地区应尽可能提高下游管道的标高以减少埋深。 常用的衔接方式为：水面平接和管顶平接。 水面平接在设计管道的埋深时使得管道内上下游的设计水面保持等高。上游设计流量小，具有较大流量变化，短期内上游管道内的实际水面低于下游管道形成回水。适用于上下游管径相同时和平坦地区，会适当降低埋深。 管顶平接指上下游管道顶部保持等高。会使上下游管道水面有所下降不易产生回水，但下游管道埋深增加。 在特殊情况下，如下游管道地面坡度激增，下游管径可能小于上游管径，此时采用管底平接的方法，保持上下游管道底部等高。,9.5 污水管道设计参数,衔接示意图（三种）,1.水面
18、平接,理想状况,回水的产生,2.管顶平接,3.管底平接,9.6 污水管网水力计算,水力计算的主要目的在于确定管径与埋深；即考虑管网的造价与运行的经济性。 通过水力分析表明，当设计污水流量小于一定值时，已无管径选择的余地，可以不通过计算直接采用最小管径，在平坦地区还可以直接采用最小坡度进行设计，这类管段叫做不计算管段。规范规定，街区和厂区内最小管径为200mm，最小设计坡度为0.004；街道下最小管径为300mm，最小设计坡度为0.003。由公式进行计算，对应的流量分别为9.19L/s和14.63L/s。,9.6 污水管网水力计算,较大坡度地区管段设计 管段按照地面坡度进行敷设，设计最小流速能够
19、满足；在管径选择中主要考虑管段充满度问题，即选择最大充满度所对应的最小管径，降低管段造价。计算步骤如下： 首先计算期望管段坡降； 其次根据设计流量、期望坡度与最大充满度计算管径；或根据水力计算中的管径选择表进行管径选择。根据设计流量、坡度与管径计算实际充满度与流速。,9.6 污水管网水力计算,反坡或平坦地区管段设计 实际工程实践中，考虑最多的是平坦或反坡地区的管段设计；设计时，充分考虑经济性指标。 设计思路 由技术条件确定一个最大可用管径；根据水力分析可知，选择较大的管径可降低坡度；但当管径达到一定程度时，设计流速无法满足最小流速要求，必然需要增加敷设坡度，使得造价提高。表9.7列出不同设计流
20、量范围内的最大管径设计，可参考。另外，在这种情况下，管段埋深是主要控制指标，对于这类管段一般采用最大设计管径。 对于上述情况也可采用附录的管径选择表进行管径选定。根据一定的设计流量，可确定不同坡度下所对应的一组管径，再根据经济性指标进行管段管径以及设计坡度的确定。然后再根据相应的计算公式进行设计充满度以及设计流速的计算。,管段衔接设计 衔接设计是由上游管段向下游管段进行的；首先确定起点埋深；对于非起点管段，首先确定它与上游管段的衔接关系（管底平接、水面平接和管顶平接），以确定本管段的起点埋深；然后用本管段设计确定的管径、坡度、充满度等以及管段长度，计算本管段终点埋深。 水力计算时应注意的问题
21、确定控制点，位于本区的最远或地形最低处。各管道起点、低洼地区的个别街坊和污水出口较深的工矿企业或公共建筑均为研究对象。 水力计算由上游向下游依次进行。一般情况下，随设计流量增加，流速逐段增加。只有当上游坡度大于下游坡度且下游管段设计流速大于1或1.2m/s的情况下，才允许减小。设计管径也逐段增加，但当坡度小的管段衔接到坡度大的管段时，管径可以减小，但减小幅度不得超过50-100mm。,9.6 污水管网水力计算,9.7 管道平、纵剖面图的绘制,初设阶段的管道平面图就是管道总体布置图，比例采用1：5000-1：10000，图上的内容包括地形，地物，河流，风向图等。管线用粗线条表示，在管线上标出设计
22、管段的检查井以及编号，标出各管段服务面积，可能设置的中途泵站，污水厂以及排水口等；水力设计因素包括管径，坡度以及长度等。 施工图设计要求更详细，比例1：1000-1：5000.,9 污水管网设计与计算,知识结构与分析思路,1设计流量（设计总流量、管段设计流量）。 2管径与坡度以及埋深（会采用管径选择表进行管径选择）。,分析思路,确定各管段设计流量选择合适的管径与坡度计算充满度与流速进行管段衔接设计确定起点与终点管道埋深,9 污水管网设计与计算,例题p225。,计算步骤： 首先根据相关地形确定管线走向；根据地形再确定各管段汇水区域（管段服务面积）； 计算各管段生活污水沿线流量并计算总变化系数，确
23、定设计流量； 根据管径选择表进行管径选择，确定设计坡度； 计算管段设计充满度、设计流速； 确定管段衔接设计； 确定埋深及各管段标高。,9 污水管网设计与计算,9 污水管网设计与计算,各街坊面积与人口计算,9 污水管网设计与计算,居民生活污水总流量计算？,街坊总面积为7.54+6.49=87.6公顷。 总人口为87.6400=35040cap 平均日生活污水量35040140=4905600L/d=56.78L/s。 总变化系数：2.7/（56.78）0.11=1.73。 生活污水设计流量：56.781.73=98.31L/s。 问题：此设计流量在污水管网管段设计中有无作用？,9 污水管网设计与
24、计算,管线布置,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,地势走向,9 污水管网设计与计算,节点编号与沿线流量收集,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,9 污水管网设计与计算,各管段汇流流量计算,9 污水管网设计与计算,通过上述计算已经确定各管段的设计流量，设计流量为管径、坡度的设计基础。 根据设计流量，查附图“管径选择图”，确定管径与对应的最小坡度。 在此处，只计算主干管的水力学参数。具体见下表。,9 污水管网设计与计算,已经确定了管径与水力坡度，通
25、过水力学公式进行充满度与流速的计算,根据管径与充满度计算上端水面标高，根据埋深确定上端管顶标高，再根据坡降确定下端管径水面与管顶、管底标高；作为下段管段的起始设计值。,下段管段设计时，需要先确定管道衔接方式，然后据此进行本段埋深设计。,排水方式设计：根据埋深已经确定了最终管段的埋深，对比城市污水厂所处位置的地面标高，确定污水从管道进入污水处理厂是否需要进行提升。,9 污水管网设计与计算,本章考点出题方式,1.已知设计人口及设计排水定额确定居民污水排放总设计流量； 2.城市（或某一居民区）污水总设计流量计算； 工业污水排放量可按照两种方法进行计算，还应该注意复用水系数。 3.进行管网布置以及水力
26、计算。,9 污水管网设计与计算,P210例9.2,问题： 比流量的计算：分配的是什么？设计流量还是平均时流量？ 每一管段的居民生活污水乘以总变化系数；集中流量呢？如何处理？ 从例题中看出的节点设计流量是否满足流量连续性方程呢？ 哪一种流量满足节点流量连续性方程？,9 污水管网设计与计算,相关问题,1生活污水量计算方法与生活用水量计算方法有何不同？ 2没有确定管径前，起点埋深能够确定吗？ 3污水管网中的管段如何划分？ 4在平坦或反坡地区与较大坡度地区的污水管道设计中，哪种情况一般采用最大充满度设计？哪种情况一般采用最小流速设计？ 5若在污水管道设计中要考虑经济性因素，则平坦地区或反坡地区和较大坡
27、度地区哪一个易于考虑？讲明原因。,9 污水管网设计与计算,城市污水处理厂管段设计,管段、节点的概念。？ 对于每一构筑物在规范中均存在流速设计要求。 根据流速要求和水量可计算各管段管径。 各构筑物之间连接管可通过经验确定。 按照前面已经讲述的方法可计算输水管路的水头损失；但输泥管路如何设计呢？ 输泥管路管径不小于200mm。 具体方法见下。,9 污水管网设计与计算,压力管道水力计算,沿程水头损失：在紊流条件下选用海曾-威廉姆公式计算。,海曾-威廉姆系数CH与污泥浓度有关，见下表。,流速的确定：为保证紊流条件，选用较大流速；具体消化污泥不同管径极限流速的试验值见下表；初沉污泥无机颗粒含量高，流动性差，极限流速略高。,9 污水管网设计与计算,9 污水管网设计与计算,为保证安全性，在根据公式计算的基础上乘以保证系数K；K取值见下图。,0,2,4,6,8,10,10,8,6,4,2,水头损失系数K,污泥浓度/%,消化污泥,生污泥及其浓缩污泥,9 污水管网设计与计算,局阻计算：,9 污水管网设计与计算,各水处理构筑物本身的水头损失,
