城市污水管網優化設計及計算方法

曾更維

摘 要：簡要探討了城市污水管網的優化設計和相關計算方法，系統地分析了基本的優化思想，并詳細闡述了相應的污水管網計算方法，以期為日后的相關工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：污水管網；計算方法；管徑；充滿度

中圖分類號：TU992.0 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.067

污水管網是城市基礎水利設施，它在城市污水排放中起著非常重要的作用。因此，相關部門要高度重視其建設，努力做好污水管網的優化設計工作，并采取合理、科學的計算方法建設污水管網。

1 優化思想

1.1 選取盡可能小的設計流速

當水力半徑不變，管底坡度與流速的平方成正比時，減小流速能大幅減小管底坡度和埋深。在實際工作中，制約設計流速的條件有很多。在滿足這些要求的前提下，選擇一個盡可能小的設計流速是非常重要的，而且也是很容易實現的。設計流速的計算公式為：

1.2 選取盡可能大的設計充滿度

優化選擇接近最大設計充滿度的方法，不僅可以減少管材

耗量，還可以在一定程度上減小管底坡度和埋深。設計充滿度的計算公式為：

式（1）（2）中：v為設計流速，m/s；n為管壁粗糙系數，取0.014；R為水力半徑，m；I為水力坡度，等于管底坡度；ω為過水斷面面積，m2。

由式（1）可知，在確定了一個盡可能小的設計流速v后，n為常數，水力半徑R越大，管底坡度I越小。由水力學中水力半徑與充滿度的關系可知，當充滿度為0.81左右時，水力半徑會隨著充滿度的增大而增大。由于各種管徑的最大設計充滿度不大于0.75，所以，選擇盡可能大的設計充滿度就是選擇盡可能大的水力半徑。這樣，就可以減小管道坡度和埋深。

1.3 盡可能減小下游管段埋深

在管段滿足檢查井內銜接約束條件的前提下，可根據相銜

接兩管段的管徑與管段中的污水深度等選擇水面平接、管頂平接和管底平接等3種不同的銜接方式。

1.4 以全局優化的思想指導設計

為了保證整個工程系統的利益，往往要求工程系統中的某些局部（或子系統）利益作出一定的犧牲。盡可能減小所計算管段的坡度、埋深和管徑等，不僅會減小該管段的工程造價，還會減小下游各管段的坡度和埋深。

2 污水管網設計計算的約束條件

2.1 管徑

管徑對污水管道水力計算的約束主要反映在兩方面：①規定了最小管徑。②管徑的遞增或遞減方式。受管道規格的限制，在計算過程中，管徑的遞增或遞減是非連續、非均勻的。

2.2 流量

在確定管徑時，應選擇大管徑，所以，應明確各種管徑對應最小流速（最小充滿度）時所通過的流量為最小流量。當管段設計流量小于某一管徑的最小流量時，只能選小一級的管徑，但它不能小于最小管徑。

2.3 充滿度

污水管道是按照部分滿流計算的，而且每種管徑都有相應的充滿度上限值。以最大和最小充滿度為約束條件，選用設計充滿度可以確定管徑，達到優化的目的。

2.4 流速

管段的設計流速介于最小流速（0.6 m/s）與最大流速（金屬管10 m/s，非金屬管5 m/s）之間。不同管徑的圓形鋼筋混凝土管在最大充滿度下的最大流速是不同的。

2.5 坡度

相關規范中規定了最小管徑的最小設計坡度。各種管徑都有相應的最小設計坡度，為了保證管道的有效運行和維護管理工作能夠正常進行，應確定各種管徑的最大設計坡度。在平坦地區，污水管道的水力坡度應用最小設計坡度約束，而地形坡度大的地區則應用最大設計坡度約束。

2.6 埋深

管道起點的最小埋深應以管道通過地區的地質條件確定。當管道坡度小于地面坡度時，為了保證下游管段的最小覆土厚度，減少上游管段的埋深，應采用跌水連接的方式。

2.7 管段銜接方式

污水管道在檢查井處的連接一般采用水面平接和管頂平接2種方式。不管采用哪種連接方式，都不應出現下游管段上端的水面高于上游管段下端的水面、管端標高的情況，應盡量減小下游管段的埋深。

3 管徑優化計算方法

排水管網水力計算可采用傳統的均勻流基本公式（1）（2）.但是，在約束條件下，為了選擇具有最大設計充滿度的管徑，不能直接求出管段坡度和埋深。要想用計算機解決相關計算問題，可采用以下計算方法，即通過管道過水斷面夾角θ的中間變量求出管道計算中的未知設計參數，如圖1所示。

由此可以得出過水斷面面積ω的表達式，即：

式（3）中：D為管徑，m；θ為管段過水斷面夾角（弧度）。

濕周、水力半徑和充滿度計算公式為：

式（4）（5）（6）中：x為濕周，m；H/D為充滿度，其中，H為管段中水深，m。

為了將設計流速和設計流量都表示為過水斷面夾角θ的函數，可將式（5）和式（3）分別代入式（1）和式（2）中。由此可得：

在計算地面坡度較小或很平緩的常見地形下的管段時，首先要選擇一個能夠滿足約束條件的、盡可能小的設計流速，然后根據設計流速和流量選取一個0.8

用二分法求出式（8）的唯一θ解，并將求出的θ值代入式（6）中，得到該初選管徑相應的充滿度H/D.如果此充滿度大于該管徑的最大設計充滿度，則需重新選取一個大一級的管徑，并重復上述計算，直至得到一個滿足充滿度約束條件的管徑為止。顯然，用這種方式選取的管徑的充滿度最接近最大設計充滿度。至此，將已知參數v，D和θ代入式（3）（4）（5）（6）（7）求出管道坡度I，然后再計算該管段的高程和埋深。

當某一管段所處的地面坡度較大，按照上述方法算出的管道埋深已經不能滿足最小埋深的要求時，決定加大該管段坡度來滿足埋深要求。這時，可以先計算出滿足埋深所需要的管段坡度I，然后將已知的Q，I和已算出的D代入式（9）中，得到一個求解這種情況下過水斷面夾角θ的非線性方程，即：

用二分法求出該方程的唯一θ解，再將θ值代入式（6）中求出相應的充滿度。如果充滿度太小，可將初選的管徑縮小一級。這時，重復上述過程，直至選擇到一個充滿度較大的管徑。

4 結束語

綜上所述，污水管網的建設對于城市的可持續發展有著極為重要的作用。因此，相關部門要努力做好污水管網的優化設計工作，并采取有效的計算方法保證污水管網的設計，進而保證污水管網的完工質量。

參考文獻

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[2]王胤淇，黎明，魏一偉.城市污水管網優化設計及其決策系統淺析[J].中國高新技術企業，2015（31）.

〔編輯：白潔〕