城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算方法

曾更維

摘 要：簡要探討了城市污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和相關(guān)計(jì)算方法，系統(tǒng)地分析了基本的優(yōu)化思想，并詳細(xì)闡述了相應(yīng)的污水管網(wǎng)計(jì)算方法，以期為日后的相關(guān)工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：污水管網(wǎng)；計(jì)算方法；管徑；充滿度

中圖分類號(hào)：TU992.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.067

污水管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)水利設(shè)施，它在城市污水排放中起著非常重要的作用。因此，相關(guān)部門要高度重視其建設(shè)，努力做好污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并采取合理、科學(xué)的計(jì)算方法建設(shè)污水管網(wǎng)。

1 優(yōu)化思想

1.1 選取盡可能小的設(shè)計(jì)流速

當(dāng)水力半徑不變，管底坡度與流速的平方成正比時(shí)，減小流速能大幅減小管底坡度和埋深。在實(shí)際工作中，制約設(shè)計(jì)流速的條件有很多。在滿足這些要求的前提下，選擇一個(gè)盡可能小的設(shè)計(jì)流速是非常重要的，而且也是很容易實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)流速的計(jì)算公式為：

1.2 選取盡可能大的設(shè)計(jì)充滿度

優(yōu)化選擇接近最大設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)充滿度的計(jì)算公式為：

式（1）（2）中：v為設(shè)計(jì)流速，m/s；n為管壁粗糙系數(shù)，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?dāng)嗝婷娣e，m2。

由式（1）可知，在確定了一個(gè)盡可能小的設(shè)計(jì)流速v后，n為常數(shù)，水力半徑R越大，管底坡度I越小。由水力學(xué)中水力半徑與充滿度的關(guān)系可知，當(dāng)充滿度為0.81左右時(shí)，水力半徑會(huì)隨著充滿度的增大而增大。由于各種管徑的最大設(shè)計(jì)充滿度不大于0.75，所以，選擇盡可能大的設(shè)計(jì)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(nèi)銜接約束條件的前提下，可根據(jù)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(yōu)化的思想指導(dǎo)設(shè)計(jì)

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

2 污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算的約束條件

2.1 管徑

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

2.2 流量

在確定管徑時(shí)，應(yīng)選擇大管徑，所以，應(yīng)明確各種管徑對(duì)應(yīng)最小流速（最小充滿度）時(shí)所通過的流量為最小流量。當(dāng)管段設(shè)計(jì)流量小于某一管徑的最小流量時(shí)，只能選小一級(jí)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(jì)算的，而且每種管徑都有相應(yīng)的充滿度上限值。以最大和最小充滿度為約束條件，選用設(shè)計(jì)充滿度可以確定管徑，達(dá)到優(yōu)化的目的。

2.4 流速

管段的設(shè)計(jì)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(guān)規(guī)范中規(guī)定了最小管徑的最小設(shè)計(jì)坡度。各種管徑都有相應(yīng)的最小設(shè)計(jì)坡度，為了保證管道的有效運(yùn)行和維護(hù)管理工作能夠正常進(jìn)行，應(yīng)確定各種管徑的最大設(shè)計(jì)坡度。在平坦地區(qū)，污水管道的水力坡度應(yīng)用最小設(shè)計(jì)坡度約束，而地形坡度大的地區(qū)則應(yīng)用最大設(shè)計(jì)坡度約束。

2.6 埋深

管道起點(diǎn)的最小埋深應(yīng)以管道通過地區(qū)的地質(zhì)條件確定。當(dāng)管道坡度小于地面坡度時(shí)，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(yīng)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(yīng)出現(xiàn)下游管段上端的水面高于上游管段下端的水面、管端標(biāo)高的情況，應(yīng)盡量減小下游管段的埋深。

3 管徑優(yōu)化計(jì)算方法

排水管網(wǎng)水力計(jì)算可采用傳統(tǒng)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(shè)計(jì)充滿度的管徑，不能直接求出管段坡度和埋深。要想用計(jì)算機(jī)解決相關(guān)計(jì)算問題，可采用以下計(jì)算方法，即通過管道過水?dāng)嗝鎶A角θ的中間變量求出管道計(jì)算中的未知設(shè)計(jì)參數(shù)，如圖1所示。

由此可以得出過水?dāng)嗝婷娣eω的表達(dá)式，即：

式（3）中：D為管徑，m；θ為管段過水?dāng)嗝鎶A角（弧度）。

濕周、水力半徑和充滿度計(jì)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(shè)計(jì)流速和設(shè)計(jì)流量都表示為過水?dāng)嗝鎶A角θ的函數(shù)，可將式（5）和式（3）分別代入式（1）和式（2）中。由此可得：

在計(jì)算地面坡度較小或很平緩的常見地形下的管段時(shí)，首先要選擇一個(gè)能夠滿足約束條件的、盡可能小的設(shè)計(jì)流速，然后根據(jù)設(shè)計(jì)流速和流量選取一個(gè)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(yīng)的充滿度H/D.如果此充滿度大于該管徑的最大設(shè)計(jì)充滿度，則需重新選取一個(gè)大一級(jí)的管徑，并重復(fù)上述計(jì)算，直至得到一個(gè)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(shè)計(jì)充滿度。至此，將已知參數(shù)v，D和θ代入式（3）（4）（5）（6）（7）求出管道坡度I，然后再計(jì)算該管段的高程和埋深。

當(dāng)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(jīng)不能滿足最小埋深的要求時(shí)，決定加大該管段坡度來滿足埋深要求。這時(shí)，可以先計(jì)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(gè)求解這種情況下過水?dāng)嗝鎶A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(yīng)的充滿度。如果充滿度太小，可將初選的管徑縮小一級(jí)。這時(shí)，重復(fù)上述過程，直至選擇到一個(gè)充滿度較大的管徑。

4 結(jié)束語

綜上所述，污水管網(wǎng)的建設(shè)對(duì)于城市的可持續(xù)發(fā)展有著極為重要的作用。因此，相關(guān)部門要努力做好污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，并采取有效的計(jì)算方法保證污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而保證污水管網(wǎng)的完工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]陳勝兵，婁金生，黃平，等.基于拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建的城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].給水排水，2007（05）.

[2]王胤淇，黎明，魏一偉.城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其決策系統(tǒng)淺析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（31）.

〔編輯：白潔〕