给水排水管道系统-污水管网设计与计算

本课程的主要内容,概论污水管道系统设计雨水管道系统设计合流制管渠系统设计排水管渠要求及附属构筑物,-排水工程概念、内容、作用、排水体制、排水 系统的布置形式等,-污水管道的设计步骤及 注意事项、设计举例,-雨水管道的设计步骤及 注意事项、设计举例,-合流制管道的使用条件、 水力计算、改造途径等,-排水管渠断面形式、接口、基础、附属构筑物等,第九章：污水管网设计与计算,排水工程的发展历史排水工程的概念及内容城市排水管网系统的作用排水系统的体制排水系统的主要组成部分排水系统的布置形式工业企业排水系统与城市排水系统的关系废水的综合治理和区域排水系统排水系统的设计程序,一、排水工程的发展历史,河南省淮阳的古城下，发掘出公元前2800年埋下 的陶制排水管，比公元前2500年埃及发现的排水沟 早300年,河北省易县出土了战国后期的圆形陶制排水管,陕西西安出土秦代五角形陶制排水渠，在皇宫内出 现了明渠和暗渠相结合的排水系统,唐代长安建造了较为完整的雨水排水系统,江苏扬州发现了唐代建造的多功能的排水渠,明、清时代的北京城，排水管渠系统比较发达,一、排水工程的发展历史（续）,在近代我国排水工程发展缓慢，建国前全国103个 城市建有排水设施，管线总长6034.8km，全国只 有上海、南京建有城市污水处理厂，日处理能力 为4万吨。1921年上海北区污水厂，是我国最早的 活性污泥法水厂。,建国后，排水工程事业发展较快，城市下水道普 及率达60%以上。至1995年，全国排水管道总长11 万km，城市污水处理厂838座，日处理能力1645.4 万吨。,二、排水工程的概念与内容,排水工程的概念：,指为保护环境而建设的一整套用于收集、输送、 处理和利用污水的工程设施,排水工程的内容：,一是污水的收集、输送部分排水管网,二是污水的处理、利用部分污水处理,三、排水工程的作用,保护环境免受污染，使城市免受污水之害 和洪水之灾,促进工农业生产，保证城市可持续性发展,保护人民的身体健康与正常生活,四、排水系统的体制,污水的概念与分类：,在使用过程中受到了不同程度的污染，改变 了原来的化学成分和物理性质的水，叫污水。,按来源分,生活污水,工业废水,降水（降雨和降雪）,城市污水,四、排水系统的体制（续1）,污水的最终出路有三：,一是排放水体,二是灌溉农田,三是重复使用,自然复用,间接复用,直接复用,四、排水系统的体制（续2）,排水系统体制的概念：,生活污水、工业废水和雨水可以采用一个管渠 来排除，也可以采用两个或两个以上独立的管 渠来排除，污水的这种不同排除方式所形成的 排水系统，称为排水体制。,排水系统体制的分类：,合流制：直排式、完全截流式和部分截流式三种,分流制：完全分流制和非完全分流制,四、排水系统的体制（续3）,合流制和分流制的比较：,环保方面：全部截流式合流制对环境的污染最小；部分截 留式合流制雨天时部分污水溢流入水体，造成 污染；分流制在降雨初期有污染。,造价方面：合流制管道比完全分流制可节省投资20%40%， 但合流制泵站和污水处理厂投资要高于分流制， 总造价看，完全分流制高于合流制。而采用不 完全分流制，初期投资少、见效快，在新建地 区适于采用。,维护管理：合流制污水厂维护管理复杂。晴天时合流制管 道内易于沉淀，在雨天时沉淀物易被雨水冲走， 减小了合流制管道的维护管理费。,五、排水系统的组成部分,城市污水排水系统的组成部分,室内污水管道系统与设备,室外污水管道系统,污水处理厂,出水口,事故排出口,污水泵站或压力管道,手盆、便器、水封管、立管、出户管,街坊管道、街道污水管道、附属构筑物等,五、排水系统的组成部分（续1）,工业废水排水系统的组成部分,车间内部管道系统与设备,污水泵站或压力管道,厂区管道系统,废水处理站,五、排水系统的组成部分（续2）,雨水收集系统与设备,街坊或厂区雨水管道系统,街道雨水管道系统,出水口,排洪沟,雨水泵站,雨水口、天沟、雨水斗,雨水排水系统的组成部分,六、排水系统的布置形式,排水系统的布置原则,充分利用地形、地势，就近排入水体，以减小管道埋深、降低工程造价,排水系统布置的影响因素,地形地势,土壤情况,河流情况,气候情况,城市总体规划,六、排水系统的布置形式(续1),正交式,截流式,平行式,分区式,分散式,环绕式,七、工业企业排水系统与城市排水系统的关系,工业企业排出的废水应采取的措施,改革生产工艺，进行技术革新，力求把有害物质消除在生产过程之中，做到不排或少排废水,尽量采用循环或重复利用系统，以减小废水排放量,回收废水中的有用物质，节省能源、创造财富,尽量以废治废,七、工业企业排水系统与城市排水系统的关系(续1）,工业废水排入城市排水系统应考虑的问题,尽量考虑直接将工业废水排入城市排水系统，在污水处理厂统一进行处理,工业废水排入后，不应影响排水管渠和污水处理厂的正常运行，对某些废水应进行预处理,工业废水排入后，不应对养护人员造成危害,当城市污水处理厂为生物处理时，工业废水中抑制生物活性的有害物质浓度，不能超过有关规定,八、废水的综合治理和区域排水系统,废水的综合治理,指对废水进行统一规划，多重治理。其主要内容有：,减少和控制废水及污染物的排放量城市规划与生产布局合理化充分利用水体、土壤的环境容量发展经济、节能的水处理技术。废水中有用物质的回收及综合利用发展区域性废水及水污染整治系统,九、排水系统的设计程序,基本建设程序：,可行性研究阶段,计划任务书阶段,设计阶段,组织施工阶段,竣工验收交付使用,论证项目技术经济可行性,确定基建项目编制设计文件,设计图纸与概预算,项目实施,第二部分 污水管道系统设计,污水管道系统的设计步骤,设计资料的调查,设计方案的确定,设计计算,设计图纸的绘制,一、设计资料的调查及方案确定,设计资料调查,设计任务资料：有关的法令、法规、制度；城市的总 体规划及其他基础设施情况,自然资料：,地形资料，包括地形图、等高线,气象资料，包括气温、风向、降雨量等,水文资料，受纳水体流量、流速、洪水位,地质资料，包括地下水位、地耐力、地震等级,工程资料：,道路、通讯、供水、供电、煤气等,林西县排水总平面图,一、设计资料的调查及方案确定,设计资料调查,设计任务资料：有关的法令、法规、制度；城市的总 体规划及其他基础设施情况,自然资料：,地形资料，包括地形图、等高线,气象资料，包括气温、风向、降雨量等,水文资料，受纳水体流量、流速、洪水位,地质资料，包括地下水位、地耐力、地震等级,工程资料：,道路、通讯、供水、供电、煤气等,一、设计资料的调查及方案确定（续）,设计方案确定,包括排水体制的选择、排水系统的布置形式，应通过技术、经济比较，确定最优的方案,二、污水设计流量的计算,污水设计流量,指污水管道及其附属构筑物能保证通过的最大流量，设计流量包括生活污水量和工业废水量。,生活污水设计流量,居住区生活污水,公共建筑生活污水,工业企业生活污水及淋浴污水,工业废水设计流量,二、污水设计流量的计算（续1）,（1）居住区生活污水量计算,式中：Q1居住区生活污水设计流量，L/s； n居住区生活污水量标准（L/(d.人)），按室 外排水设计规范选用，欧洲的典型值为 200（L/(d.人)），美国的典型值为250450 （L/(d.人)）； N设计人口数，按规划部门根据统计资料提供 的参数选用； KZ总变化系数，是最大日最大时污水量与平 均日平均时污水量的比值,居住区生活污水排水定额,卫生设备情况,室内有给水排水卫生设备，但无淋浴设备,室内有给水排水卫生设备和淋浴设备,室内有给水排水卫生设备，并有淋浴和集中热水供应,分 区,一,二,三,四,五,生活污水每人每日排水定额（L）,55-90,90-125,130-170,60-95,100-140,140-180,65-100,110-150,145-185,65-100,120-160,150-190,55-90,100-140,140-180,注：第一分区包括：黑龙江、吉林、内蒙古的全部，辽宁的大部分，河北、山西、陕西偏北的一小部分，宁夏偏东 的一部分； 第二分区包括：北京、天津、河北、山东、山西、山西的大部分，甘肃、宁夏、辽宁的南部，河南北部，青海偏东和江苏偏北的一小部分； 第三分区包括：上海、浙江的全部，江西、安徽、江苏的大部分，福建北部、湖南、湖北的东部，河南南部； 第四分区包括：广东、台湾的南部，广西的大部分，福建、云南的南部； 第五分区包括：贵州的全部、四川、云南的大部分，湖南、湖北的西部，陕西和甘肃在秦岭以南的地区，广西偏北的一小部分,二、污水设计流量的计算（续1）,（1）居住区生活污水量计算,式中：Q1居住区生活污水设计流量，L/s； n居住区生活污水量标准（L/(d.人)），按室 外排水设计规范选用，欧洲的典型值为 200（L/(d.人)），美国的典型值为250450 （L/(d.人)）； N设计人口数，按规划部门根据统计资料提供 的参数选用； KZ总变化系数，是最大日最大时污水量与平 均日平均时污水量的比值,Kd日变化系数，是最大日污水量与平均日污水量的比值,Kh时变化系数，是最大日最大时污水量与最大日平均时 污水量的比值,KZ=Kd Kh,生活污水量总变化系数,污水平均日流量（L/s）,总变化系数（KZ）,5,2.3,15,2.0,40,1.8,70,1.7,100,1.6,200,1.5,500,1.4,1000,1.3,二、污水设计流量的计算（续2）,（2）公共建筑生活污水量计算,式中：Q2公共建筑生活污水设计流量，L/s； S公共建筑生活污水量标准（L/(d.人)），一般按 室内给水排水和热水供应设计规范推荐的参 数选用，排水量大的建筑也可以通过调查或参 考相近建筑选用。 Kh时变化系数，是最大日最大时污水量与最大日 平均时污水量的比值,二、污水设计流量的计算（续3）,（3）工业企业生活污水及淋浴污水量计算,式中：Q3工业企业生活污水及淋浴污水设计流量，L/s； A1一般车间最大班职工人数，人； A2热车间最大班职工人数，人； B1一般车间职工生活污水量标准，为25(L/(人.班)； B2热车间职工生活污水量标准，为35(L/(人.班)； K1一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计； K2热车间生活污水量时变化系数，以2.5计； C1一般车间最大班使用淋浴的职工人数，人； C2热车间最大班使用淋浴的职工人数，人； D1一般车间的淋浴污水量标准，为40(L/(人.班)； D2热车间的淋浴污水量标准，为60(L/(人.班)； T每班工作时数，h。,二、污水设计流量的计算（续4）,（4）工业废水设计流量计算,式中：Q4工业废水设计流量，L/s； m生产过程中每单位产品的废水量标准， L/单位产品； M产品的平均日产量； T每日生产时数； KZ总变化系数，与工业企业性质有关。,二、污水设计流量的计算（续5）,Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q渗,Q渗指地下水渗入量，一般以单位管道延长米或单位服务面积公顷计算，日本规定采用经验数据，按每人每日最大污水量的10%-20%。,三、污水管道的水力计算,污水管道内水质特点：,污水管道内水流特点,重力流,非满流,近似均匀流,排水管网理论与计算周玉文、赵洪宾著,三、污水管道的水力计算（续1）,水力计算的基本公式,式中：Q流量，m3/s； 过水断面面积，m2； v流速，m/s； R水力半径（过水断面积与湿周的比值），m； I水力坡度（即水面坡度，等于管底坡度）； C流速系数，或谢才系数。C值一般按曼宁公式计算，即,n管壁粗糙系数,三、污水管道的水力计算（续2）,污水管道水力计算的设计数据,设计充满度（h/D）,设计流速（v）,最小管径（D）,最小设计坡度（i）,设计充满度（h/D）,指设计流量下，管道内的有效水深与管径的比值。,h/D =1时，满流,h/D 1时，非满流,室外排水设计规范规定，最大充满度为：,管径（D）或暗渠高（H） （mm）,最大充满度（h/D）,2003003504505009001000,0.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80),h,D,为什么要做最大设计充满度的规定？,1、预留一定的过水能力，防止水量变化的冲击， 为未预见水量的增长留有余地；2、有利于管道内的通风；3、便于管道的疏通和维护管理。,设计流速,与设计流量和设计充满度相应的污水平均流速。,最小设计流速：是保证管道内不发生淤积的流速，与污水中所含杂质有关；国外很多专家认为最小流速为0.6-0.75m/s，我国根据试验结果和运行经验确定最小流速为0.6m/s。,最大设计流速：是保证管道不被冲刷破坏的流速，与管道材料有关；金属管道的最大流速为10m/s，非金属管道的最大流速为5m/s。,*国内一些城市污水管道长期运行的情况说明，超过上述最高限值，并未发生冲刷管道的现象。,最小管径,1、为什么要规定最小管径？ 街坊管最小管径为200mm，街道管最小管径为300mm。2、什么叫不计算管段？ 在管道起端由于流量较小，通过水力计算查得的管径小于最小管径，对于这样的管段可不用再进行其他的水力计算，而直接采用最小管径和相应的最小坡度，这样的管段称为不计算管段。,最小设计坡度,相应于最小设计流速的坡度为最小设计坡度，最小设计坡度是保证不发生淤积时的坡度。,（1）,（2）,（3）,规定：管径200mm的最小设计坡度为0.004；管径 300mm的最小设计坡度为0.003；管径400mm 的最小设计坡度为0.0015。,三、污水管道的水力计算（续3）,污水管道的埋设深度,管道的埋设深度有两个意义：,覆土厚度,埋设深度,决定污水管道最小覆土厚度的因素有哪些？,冰冻线的要求,地面荷载,满足街坊管连接要求,地面,管道,温度与地层深度关系图,哈尔滨建筑大学与东北院部分研究结论：,1、东北寒冷地区城镇冬季生活污水水温在4-15度之间，以地表水为给水水源所排出的生活污水水温在4-10度之间，以地下水为水源排出的生活污水水温在8-15之间。2、出户管及起始端污水支管容易发生冰冻，主要是因为流量小，坡度小，容易产生沉积堵塞而发生冰冻。加大污水管坡度，可使容易冰冻的污水支管不发生冰冻。3、污水管埋深必须避开有严重破坏能力的冻胀层或对冻胀层加以处理。粗砂和砂砾层冰冻时，水向下流，不具有冻胀性。,室外排水设计规范规定：无保温措施的生活污水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m；有保温措施或水温较高的管道，距离可以加大。 国外规范规定：污水管道最小埋深，应根据当地的养护经验确定。无养护资料时，采用如下数值：管径小于500mm，管底在冰冻线上0.3m；管径大于500mm，为0.5m。,三、污水管道的水力计算（续3）,污水管道的埋设深度,管道的埋设深度有两个意义：,覆土厚度,埋设深度,决定污水管道最小覆土厚度的因素有哪些？,冰冻线的要求,地面荷载,满足街坊管连接要求,地面,管道,H=h+IL+Z1-Z2+h式中：H街道污水管网起点的最小埋深，m； h街坊污水管起点的最小埋深，0.60.7m； Z1街道污水管起点检查井检查井处地面标高，m； Z2街坊污水管起点检查井检查井处地面标高，m； I街坊污水管和连接支管的坡度； L街坊污水管和连接支管的总长度，m； h连接支管与街道污水管的管内底高差，m。,三、污水管道的水力计算（续4）,污水管道水力计算的方法,1、需要确定的参数 流量Q、管径D、坡度I、流速v、充满度h/D和埋深H。2、确定方法 首先根据已知资料，计算出流量Q，根据Q值可初步确定管径D；然后，根据Q、D值，求I、h/D、v值。在这三个未知数中，还需知道一个参数，才能求得另外两个，此时可以在三个参数中先假设一个值，比如流速为最小流速，或是坡度为最小坡度，或是充满度满足一定要求等，之后进行查表或查图，就可得出其余两个未知数；最后要进行校核，若得出的两个参数满足其规定的要求，则计算完成，若不满足要求，则需调整假设值，甚至管径D，重新进行计算。,例1 已知n=0.014,D=300mm,I=0.004,Q=30L/s,求v和h/D。,例1 已知n=0.014,D=300mm, h/D =0.55,Q=32L/s,求v和I 。,四、污水管道的设计,确定排水区界，划分排水流域,管道定线,控制点确定和泵站的设置地点,设计管段及设计流量的确定,污水管道的衔接,污水管道在街道上的位置,确定排水区界，划分排水流域,排水区界是污水排水系统设置的界限。,排水流域是指在排水区界内，按照一定要求所划分的不同排水区域。（通常根据等高线划分排水区域，在地形平坦地区可按照面积的大小进行划分。）,管道定线,在总平面图上确定污水管道的位置和走向。,管道定线的影响因素,地形,污水厂和出水口的位置,所采用的排水体制,管道定线时注意事项,主干管布置在坚硬密实土壤中,尽量少穿河流、铁路、山谷和高地,避免与地下构筑物交叉,不宜敷设在繁忙、狭窄的街道下,集中流量尽量排入上游,控制点确定和泵站设置地点,对管道系统的埋深起控制作用的地点，通常在管道起点或最低最远点。,泵站设置地点,中途泵站,局部泵站,总泵站,设计管段及设计流量,两个检查井之间，设计流量不变，且采用同样的管径和坡度的管段，称为一个设计管段。 一般检查井的设置位置有：流量汇入的地方、管径变化的地方、转弯的地方、或在直管段管径长度较长时（3070m）。,设计流量,本段流量,转输流量,集中流量,1,2,3,4,A,B,C,D,q,式中：q1设计管段的本段流量，L/s； F设计管段服务的街坊面积，公顷； KZ生活污水量总变化系数； q0单位面积的本段平均流量，即比流量，L/s.公 顷 可用下式求得。,式中：n污水量标准，L/(人.d)； p人口密度，人/公顷。,污水管道的衔接,衔接的原则：尽可能地提高下游管段的高程，减 小埋深，降低造价；避免上游管段 回水淤积。,衔接的方式,水面平接,管顶平接,跌水连接,污水管道在街道上的位置,与其他管线、构筑物有一定的距离（174页） 与给水管相交时，设于给水管下方 尽量避免敷设在机动车道下，设在人行道下,五、污水管道的设计举例,原始资料： 给定某市的街坊平面图，如下页图。居住区街坊人口密度为350人/公顷，污水量标准为120L/(人.d)，火车站和公共浴室的设计污水量分别为3L/s和4L/s，工厂甲和工厂乙的工业废水设计流量分别为25L/s与6L/s。生活污水及经过局部处理的工业废水全部送至污水处理厂进行处理。工厂甲废水排出口的管底埋深为2.0m,平面图,管道定线,街坊面积计算,划分设计管段，计算设计流量（48页）,管道的水力计算（50页）,绘制图纸（平面图和管道纵剖面图）,水力计算注意问题,控制点选择 管道坡度与地面坡度 设计流速与设计