生活污水、工业废水和降水排水设计

排水设计1、排水基础知识1.1排水分类 城市排水按照来源和性质可分为生活污水、工业废水和降水，而城市污水是指排入城市排水管道的生活污水和工业废水的总和。 1生活污水 生活污水指人们日常生活中用过的水，主要包括从住宅、公共场所、机关、学校、医院、商店及其他公共建筑和工厂的生活间，如厕所、浴室、厨房、食堂和洗衣房等处排出的水。生活污水中含有较多有机物和病原微生物等污染物质在收集后需经过处理才能排入水体、灌溉农田或再利用。 2工业废水 工业废水是指在工业生产中所产生的废水。工业废水水质随工厂生产类别、工艺过程、原材料、用水成分以及生产管理水平的不同而有较大差异。根据污染程度的不同，工业废水可分为生产废水和生产污水。生产废水是指在使用过程中受到轻度污染或仅水温增高的水，如冷却水，通常经简单处理后即可在生产中重复使用，或直接排入水体。生产污水是指在使用过程中受到较严重污染的水具有危害性，需经处理后方可再利用或排放。不同的工业废水所含污染物质有所不同，如冶金、建材工业废水含有大量无机物，食品、炼油、石化工业废水所含有机物较多。另外，不少工业废水含有的物质是工业原料，具有回收利用价值。 3降水 降水即大气降水，包括液态降水和固态降水，通常主要指降雨。降落雨水一般比较清洁，但初期降雨的雨水径流会携带着大气中、地面和屋面上的各种污染物质，污染相对严重，应予以控制。由于降雨时间集中，径流量大，特别是暴雨，若不及时排泄，会造成灾害。在城市和工业企业中，应当有组织地、及时地排除上述废水和雨水，否则可能污染和破坏环境，甚至形成公害，影响生活和生产以及威胁人民健康。 1.2排水管道系统的组成排水管道系统一般由废水收集设施、排水管道、水量调节池、提升泵站、废水输水管（渠）和排放口等组成。图1.1 排水管道系统示意图1-排水管道；2-水量调节池；3-提升泵站；4-输水管道（渠）；5-污水处理厂1.3排水体制在城市和工业企业中通常有生活污水、工业废水和降水。这些污水是采用一个管渠系统来排除，或是采用两个或两个以上各自独立的管渠系统来排除。污水的这种不同排除方式所形成的排水系统，称作排水系统的体制，简称排水体制。排水系统的体制，一般分为合流制和分流制两种类型。 1 合流制合流制排水系统是将城市生活污水、工业废水和雨水径流汇集到一个管渠内予以输送、处理和排放。按照其产生的次序及对污水处理的程度不同，合流制排水系统可分为直排式合流制、截流式合流制和全处理式合流制。（1）直流式合流制排水系统：城市污水与雨水径流不经任何处理直接排入附近水体的合流制称为直排式合流制排水系统（图1.2）。管渠系统布置就近排向水体，分若干排出口，混合的污水不经处理直接泄入水体。国内外很多老城区的排水方式大多是这种系统，但是随着现代化工业与城市的发展，污水量不断增加，水质日趋复杂，所造成的污染危害很大。因此，这种直泄式合流制排水系统目前不宜采用。（2）截流式合流制排水系统（图1.3）：截流式合流制是在直排式合流制的基础上，修建沿河截流干管，在适当的位置设置溢流井，并在截流主干管（渠）的末端修建污水处理厂。该系统可以保证晴天的污水全部进入污水处理厂，雨季时，通过截流设施，截流式合流制排水系统可以汇集部分雨水（尤其是污染重的初期雨水径流）至污水处理厂，当雨污混合水量超过截流干管输水能力后，其超出部分通过溢流井泄入水体。这种体制对带有较多悬浮物的初期雨水和污水都进行处理，对保护水体是有利的，但另一方面雨量过大，混合污水量超过了截流管的设计流量，超出部分将溢流到城市河道，不可避免会对水体造成局部和短期污染。并且，进入处理厂的污水，由于混有大量雨水，使原水水质、水量波动较大，势必对污水厂各处理单元产生冲击，这就对污水厂处理工艺提出了更高的要求。国内外在改造老城市的合流制作水系统时，通常采用这种方式。 1 合流支管 2 合流干管 1 合流干管 2 截流干管 3 截流井 4 污水厂 5、6 排放口图1.2 直流制排水系统 图1.3 截流式合流制排水系统1 支管 2 干管 3 污水厂 4排放口 图1.4 全处理合流制排水系统（3）全处理合流制排水系统（图1.4）：污水、废水、雨水混合汇集后全部输送到污水厂处理后再排放。这对防止水体污染，保障环境卫生方面当然是最理想的，但需要主干管的尺寸很大，对污水处理厂处理能力的要求高，并且需要大量的投资和运行费用，很不经济。因此，这种方式在实际情况下也很少采2 分流制当生活污水、工业废水和雨水用两个或两个以上排水管渠排除时，称为分流制排水系统。其中排除生活污水，工业废水的系统称为污水排水系统；排除雨水的系统称为雨水排水系统。根据排除雨水方式的不同，又分为完全分流制、不完全分流制和截流式分流制。（1）完全分流制排水系统（图1.5）：分设污水和雨水两个管渠系统，前者汇集生活污水、工业废水，送至处理厂，经处理后排放或加以利用。后者通过各种排水设施汇集城市内的雨水和部分工业废水（较洁净），就近排入水体。但初期雨水未经处理直接排放到水体，对水体污染严重。近年来，国内外对雨水径流的水质调查发现，雨水径流特别是初降雨水径流对水的污染相当严重，因此提出对雨水径流也要严格控制的截流式分流制排水系统。 1 污水干管 2 污水主干管 1 污水干管 2 雨水干管 3 截流井 3 雨水干管 4 污水厂 5 出水口 4 截流干管 5 污水厂6排放口图1.5 完全分流制 图1.6 截流式分流制1 污水干管 2 污水主干管3 原有管渠 5 污水厂 6 排放口 图1.7 不完全分流制（2）截流式分流制排水系统（图1.6）：既有污水排水系统，又有雨水排水系统，与完全分流制的不同之处是在于它具有把初期雨水引入污水管道的特殊设施，称雨水截流井。在小雨时，雨水经初期雨水截流干管与污水一起进入污水处理厂处理；大雨时，雨水跳跃截流干管经雨水出流干管排入水体。截流式分流制的关键是初期雨水截流井。要保证初期雨水进入截流管，中期以后的雨水直接排入水体，同时截流井中的污水不能溢出泄入水体。截流式分流制可以较好地保护水体不受污染，由于仅接纳污水和初期雨水，截流管的断面小于截流式合流制，进入截流管内的流量和水质相对稳定，亦减少污水泵站和污水处理厂的运行管理费用。（3）不完全分流制排水系统（图1.7）：只建污水排水系统，未建雨水排水系统，雨水沿着地面、道路边沟和明渠泄入水体。或者在原有渠道排水能力不足之处修建部分雨水管道，待城市进一步发展或有资金时再修建雨水排水系统。该排水体制投资省，主要用于有合适的地形、有比较健全的明渠水系的地方，以便顺利排泄雨水。目前还有很多城市在使用，不过它没有完整的雨水管道，在雨季容易造成径流污染和洪、涝灾害，所以最终还得改造为完全分流制。对于常年少雨、气候干燥的城市可采用这种体制，而对于地势平坦，多雨易造成积水地区，不宜采用不完全分流制。1.4排水体制的选择 合理地选择排水系统的体制，是城市和工业企业排水系统规划和设计的重要问题。它不仅从根本上影响排水系统的设计、施工、维护管理，而且对城市和工业企业的规划和环境保护影响深远，同时也影响排水系统工程的总投资、初期投资以及维护管理费用。通常排水系统体制的选择应满足环境保护的需要，根据当地条件，通过技术经济比较确定。而环境保护应是选择排水体制时所考虑的主要问题。下面从不同的角度进一步分析各种体制的使用情况。 （1）环境保护方面：如果采用合流制将城市生活污水、工业废水和雨水全部截流送往污水厂进行处理，然后再排放，从控制和防止水体的污染来看是较理想的，但这时截流主干管尺寸很大，污水厂容量也要增加很多，建设费用相应地提高。采用截流式合流制时，在暴雨径流之初，原沉淀在合流管渠的污泥被大量冲起，经溢流井送人水体。同时雨天时有部分混合污水溢入水体。实践证明，采用截流式合流制的城市，水体污染日益严重。应考虑将雨天时溢流出的混合污水予以储存，待晴天时再将储存的混合污水全部送至污水厂进行处理，或者将合流制改建成分流制排水系统等。 分流制是将城市污水全部送至污水厂处理，但初期雨水未加处理就直接排入水体，对城市水体也会造成污染，这是它的缺点。近年来，国内外对雨水径流水质的研究发现，雨水径流特别是初期雨水径流对水体的污染相当严重。分流制虽然具有这一缺点，但它比较灵活，比较容易适应社会发展的需要，一般又能符合城市卫生的要求，所以在国内外获得了广泛的应用，而且也是城市排水体制的发展方向。 （2）工程造价方面：国外有的经验认为合流制排水管道的造价比完全分流制一般要低20%40%，但合流制的泵站和污水厂的造价却比分流制高。从总造价来看完全分流制比合流制可能要高。从初期投资来看，不完全分流制初期只建污水排水系统，因而既可节省初期投资费用，又可缩短工期，发挥工程效益也快。合流制和完全分流制的初期投资均大于不完全分流制。 （3）维护管理方面：晴天时污水在合流制管道中只是部分流，雨天时才接近满管流，因而晴天时合流制管内流速较低，易于产生沉淀。但据经验，管中的沉淀物易被暴雨水流冲走，这样合流管道的维护管理费用可以降低。但是，晴天和雨天时流入污水厂的水量变化很大，增加了合流制排水系统污水厂运行管理中的复杂性。而分流制系统可以保持管内的流速，不致发生沉淀，同时，流入污水厂的水量和水质比合流制变化小得多，污水厂的运行易于控制。 （4）施工方面：合流制管线单一，减少与其他地下管线、构筑物的交叉，管渠施工较简单。但在建筑物有地下室情况下采用合流制，遇暴雨时有可能倒流入地下室内，合流制安全性不如分流制。混合制排水系统的优缺点，介于合流制和分流制排水系统两者之间。 排水系统体制的选择是一项既复杂又很重要的工作。应根据城镇及工业企业的规划、环境保护的要求、污水利用情况、原有排水设施、水量、水质、地形、气候和水体状况等条件，在满足环境保护的前提下，通过技术经济比较综合确定。新建地区一般应采用分流制排水系统。但在特定情况下采用合流制可能更为有利。1.5排水系统的规划设计原则排水工程是现代化城市不可缺少的一项重要设施，是城市建设的重要组成部分，同时也是控制水污染、改善和保护水环境的重要措施。排水工程的规划和设计，应遵循以下原则：（1）排水工程的规划应符合城市总体规划，并应与其他单项工程建设密切配合，相互协调；（2）城市污水是可贵的淡水资源，在规划中要考虑污水经再生后回用的方案。还要考虑给水和防洪的问题，污水排水工程与给水工程相协调，雨水排水工程与防洪工程相协调；（3）如果严格按照总体规划的年限、污水量标准、居住人口密度、土地服务范围等为依据，往往很难顺应城镇的发展需要，因此进行城镇排水管网规划设计时，应比城镇总体规划年限更长些； （4）考虑污水、雨水的集中处理与分散处理； （5）经济合理地确定管网密度、排水灌渠尽量分散，避免集中，排水路线尽量短捷，以节省总投资； （6）主干管尽可能布置在河岸或水体附近的较低处，以便于干管接入；（7）城镇污水管渠应考虑城市工业废水的接入，满足排入城市下水道水质工业废水直接排入下水道，不满足标准的在城内进行预处理后排入下水道；（8）排水管渠应尽量避免穿越不宜通过的地带和构筑物，也不宜穿越有待规划和发展的大片空地，以免影响整块地的功能和价值； （9）排水管渠系统应和地形地势相适应，顺坡排水，尽量使污水重力排出，尽量少设中途提升泵站。1.6 排水系统的布置形式城市、居住区或工业企业的排水系统在平面上的布置，随地形、规划、污水厂的位置、土壤条件、河流情况、污水的种类和污染程度等因素而定。常规的排水管网一般布置成树状网，以地形为主要考虑因素的布置形式有以下几种： 平行式（图1.8）：干管与等高线及河道基本平行，而主干管与等高线及河道成一定斜角敷设。平行式布置适应于地势向河流方向有较大倾斜的地区，避免了因干管坡度及管内流速过大而导致管道严重冲刷。正交式（图1.9）：干管与以最短距离与水体垂直相交敷设。正交式布置适应于地势向水体适当倾斜的地区，正交布置的干管长度短、管径小，因而经济，污水排出也迅速。但是由于污水未经处理就直接排放，会使水体遭受严重污染，影响环境。因此在现在城市中，这种布置形式仅用于排除雨水。若沿河岸在敷设主干管，并将各干管的污水截流送至污水厂，这种布置形式称截流式布置。截流式布置对减轻水体污染、改善和保护环境有重大作用。它适用于分流制污水排水系统，将生活污水及工业废水经过处理后排入水体；也适用于区域排水系统，区域主干管截流各城镇的污水送至区域污水厂进行处理。1.支管 2.干管 3.主干管 4.溢流口 5.泵站 6.出口渠渠头7.污水厂8.污水灌溉田 9.河流图1.8平行式1.支管 2.干管 3.支干管 4.主干管 5.泵站6.污水厂 7.污水灌溉田 8.河流 图1.9正交式截流式（图1.10）：沿河岸再敷设主干管，并将各干管的污水截流送至污水厂，是正交式发展的结果。可减轻水体污染，保护环境。适用于分流制污水排水系统。 图1.10截流式 图1.11分区式分区式（图1.11）：在地势高低相差很大的地区，当污水不能靠重力流至污水厂时采用。分别在高地区和低地区敷设独立的管道系统。高地区的污水靠重力流直接流入污水厂，而低地区的污水用水泵抽送至高地区干管或污水厂。优点是能充分利用地形排水，节省电力。适用于个别阶梯地形或起伏很大的地区。分散式（图1.12）：当城镇中央部分地势高，且向周围倾斜，四周又有多处排水出路时，各排水流域的干管常采用辐射状布置，各排水流域具有独立的排水系统。特点是干管长度短，管径小，管道埋深浅，便于污水灌溉等，但污水厂和泵站（如需设置时）的数量将增多。适用于在地势平坦的大城市。 图1.12分散式 图1.13环绕式环绕式（图1.13）：可沿四周布置主干管，将各干管的污水截流送往污水厂集中处理，这样就由分散式发展成环绕式布置。特点是污水厂和泵站（如需设置时）的数量少，基建投资和运行管理费用小。2、污水管道设计2.1污水管道系统的设计内容包括： （1）设计基础数据（包括设计地区的面积、设计人口数、污水定额等）的确定； （2）污水管道系统的平面布置； （3）污水管道系统设计流量计算和水力计算； （4）污水管道系统上某些附属构筑物，如污水中途泵站、倒虹管、管桥等的设计计算； （5）污水管道在街道横断面上位置的确定； （6）绘制污水管道系统平面图和纵剖面图。2.2确定排水区界，划分排水流域排水区界是排水系统敷设的界限。在排水区界内应根据地形及城市和工业企业的竖向规划划分排水流域。一般来说，流域边界线应与分水线相符合。在地形起伏及丘陵地区，流域分界线与分水线基本一致，在地形平坦无显著分水线的地区，应使干管在最大合理埋深情况下，尽量使绝大部分污水能以自流排水为原则。如有河流或铁路等障碍物贯穿，应根据地形情况，周围水体情况及倒虹管的设置情况等，通过方案比较，决定是否分为几个排水流域。每一个排水流域应有一条或一条以上的干管，根据流域高程情况就能查明水流方向和污水需要抽升的地方。 2.3污水管道定线和平面布置污水管道定线和平面布置的组合正确是合理、经济的设计污水管道系统的先决条件，是污水管道系统设计的重要环节。管道定线：在城镇总平面图上确定污水管道的位置和走向。 管道平面布置：包括全部支管、干管、主干管、泵站、污水厂、出水口的具体位置和资料。 （1）影响污水管平面布置的主要因素：a）地形和水文地质条件；b）城市总体规划、竖向规划和分期建设情况；c）排水体制、线路数目；d）污水处理利用情况、处理厂和排放口的位置；e）排水量大的工业企业和公建情况；f）道路和交通情况；g）地下管线和构筑物分布情况。（2）定线顺序：主干管、干管、支管。 a）遵循的主要原则：应尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出。 b)考虑因素：地形、排水体制、污水厂和出水口位置，水文地质条件，道路宽度，地下管线等。 （3）主干管的布置原则：a）地形平坦或略有坡度，主干管一般平行于等高线布置，在地势较低处，沿河岸边敷设，以便于收集干管来水； b）地形较陡，主干管可与等高线垂直，这样布置主干管坡度较大，但可设置为数不多的跌水井，而使干管的水力条件得到改善； c）避开地质条件差的地区； d）总干管的走向取决于污水厂和出水口位置。 （4）干管的布置原则：a）尽量设在地势较低处，以便支管排水； b）地形平坦或略有坡度，干管与等高线垂直（减小埋深）； c）地形较陡，干管与等高线平行（减少跌水井数量）； d）一般沿城市街道布置，通常设置在污水量较大、地下管线较少、地势较低一侧的人行道、绿化带或慢车道下，并与街道平行。当街道宽度40m，可考虑在街道两侧设两条污水管，以减少连接支管的长度和数量。 （5）支管的平面布置原则： 除取决于地形外，还需考虑街坊的建筑特征，并便于用户的接管排水，一般有三种形式：底边式、围坊式、穿坊式。a）底边式(图2.1)：街坊狭长，面积较小或地形倾斜，街区内污水采用集中出水方式时，只管敷设在服务街区较低侧的地下； b）围坊式也称周边式(图2.2)：街区面积较大且地形平坦时，宜在街区四周的街道下敷设支管； c）穿坊式(图2.3)：街坊内部建筑规划已经确定，或街坊内部管道自成体系时，支管可穿越街坊布置。 图2.1底边式 图2.2围坊式图2.3穿坊式（6） 管道在街道上的布置 a）从建筑红线到道路中心线管线的布置的顺序一般是：电力电缆电信电缆煤气管道热力管道给水管道污水管道雨水管道。 b）矛盾处理原则：新建让已建的，临时让永久的，小管让大管，压力管让重力流管，可弯让不可弯的，检修次数少的让检修次数多的。 c）管线隧道：在繁忙街道，可以把各种管道集中安置在隧道中；雨水管道可以与隧道平行敷设。（7） 污水处理厂厂址的选择：根据室外排水设计规范（GB50014-2006）的规定，污水厂位置的选择应符合城镇总体规划和排水工程专业规划的要求，并应根据下列因素综合确定： a）在城镇水体的下游；b）便于处理后出水回用和安全排放； c）便于污泥集中处理和处置；d）在城镇夏季主导风向的下风侧； e）有良好的工程地质条件； f）少拆迁、少占地，根据环境评价要求，有一定的卫生防护距离；g）有扩建的可能； h）厂区地形不应受洪涝灾害影响，防洪标准不应低于城镇防洪标准，有良好的排水条件； i）有方便的交通、运输和水电条件。污水厂和出水口要设在城市的下风向，水体的下游，离开居住区和工业区。其间距必须符合环境卫生的要求，应通过环境影响评价最终确定。2.4污水设计流量的计算 污水管道系统的设计流量是污水管道及其附属构筑物能保证通过的最大流量。通常以最大日最大时流量作为污水管道系统的设计流量，其单位为L/s。它包括生活污水设计流量和工业废水设计流量两大部分。就生活污水而言又可分为居民生活污水、公共设施排水和工业企业内生活污水和淋浴污水三部分。（1）生活污水设计流量a） 居民生活污水设计流量 居民生活污水主要来自居住区，它通常按下式计算： 式中： Q1 居民生活污水设计流量，Ls； n 居民生活污水量定额，L(capd)； N 设计人口数，cap； KZ生活污水量总变化系数。1）居民生活污水量定额 居民生活污水量定额，是指在污水管道系统设计时所采用的每人每天所排出的平均污水量。在确定居民生活污水量定额时，应调查收集当地居住区实际排水量的资料，然后根据该地区给水设计所采用的用水量定额，确定居民生活污水量定额。在没有实测的居住区排水量资料时，可按相似地区的排水量资料确定。若这些资料都不易取得，则根据室外排水设计规范(GBJl4-87)的规定，按居民生活用水定额确定污水定额。对给水排水系统完善的地区可按用水定额的90%计，一般地区可按用水定额的80%计。2）设计人口数 设计人口数是指污水排水系统设计期限终期的规划人口数，是计算污水设计流量的基本数据。它是根据城市总体规划确定的，在数值上等于人口密度与居住区面积的乘积。即：式中：N设计人口数，cap；人口密度，cap/hm2；F居住区面积，hm2；cap“人”的计量单位。人口密度表示人口的分布情况，是指单位面积上居住的人口数，以cap/h m2表示。它有总人口密度和街坊人口密度两种形式。总人口密度所用的面积包括街道、公园、运动场、水体等处的面积，而街坊人口密度所用的面积只是街坊内的建筑用地面积。在规划或初步设计时，采用总人口密度，而在技术设计或施工图设计时，则采用街坊人口密度。设计人口数也可根据城市人口增长率按复利法推算，但实际工程中使用不多。3）生活污水量总变化系数 流入污水管道的污水量时刻都在变化。污水量的变化程度通常用变化系数表示。变化系数分为日变化系数、时变化系数和总变化系数三种。一年中最大日污水量与平均日污水量的比值称为日变化系数(Kd)； 最大日最大时污水量与最大日平均时污水量的比值称为时变化系数(Kh)；最大日最大时污水量与平均日平均时污水量的比值称为总变化系数(Kz)。 显然，按上述定义有 表2.1 生活污水量总变化系数污水平均日流量（L/s）51540701002005001000总变化系数Kz2.32.01.81.71.61.51.41.3注：当污水平均日流量为中间数值时，总变化系数用内插法求得；当居住区有实际生活污水量变化资料时，可按实际数据采用。我国在多年观测资料的基础上，经过综合分析归纳，总结出了总变化系数与平均流量之间的关系式，即：式中：Q 污水平均日流量，L/s。当Q5L/s时，Kz=2.3；当Q1000L/s时，Kz=1.3。设计时也可采用式直接计算总变化系数，但比较麻烦。b）公共设施排水量公共设施排水量Q2应根据公共设施的不同性质，按建筑给水排水设计规范（GB50015-2003）的规定进行计算。式中：q2i 各公共建筑最高日污水量标准，L/(用水单位.d）；N2i 用水单位数；T2i 最高日排水小时数，h；Kh2i 污水量时变化系数。c）工业企业生活污水和淋浴污水设计流量工业企业的生活污水和淋浴污水主要来自生产区的食堂、卫生间、浴室等。其设计流量的大小与工业企业的性质、污染程度、卫生要求有关。一般按下式进行计算：式中：Q3工业企业生活污水和淋浴污水设计流量，L/s；A1 一般车间最大班职工人数，cap；B1一般车间职工生活污水定额，以25L/(cap班)计；K1一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计；A2热车间和污染严重车间最大班职工人数，cap；B2热车间和污染严重车间职工生活污水量定额，以35L(cap班)计； K2热车间和污染严重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，cap； D1一般车间的淋浴污水量定额，以40L(cap班)计； C2热车间和污染严重车间最大班使用淋浴的职工人数，cap； D2热车间和污染严重车间的淋浴污水量定额，以60L(cap班)计； T 每工作班工作时数，h。淋浴时间按60min计。工业企业工业职工生活污水和淋浴污水量变化系数：生活污水：一般车间3.0，高温车间2.5。淋浴污水：下班后1小时使用，不考虑变化。（2）工业废水设计流量工业废水设计流量按下式计算： 式中：Q4 工业废水设计流量，Ls； m 生产过程中每单位产品的废水量定额，L单位产品； M 产品的平均日产量，单位产品/d； T 每日生产时数，h； KZ总变化系数。工业废水量日变化系数较小，接近1。时变化系数见下表2.2：表2.2工业废水量时变化系数工业种类冶金化工纺织食品皮革造纸时变化系数Kh1.01.11.31.51.52.01.52.01.52.01.31.8（3）城市污水管道系统设计总流量城市污水管道系统的设计总流量一般采用直接求和的方法进行计算，即直接将上述各项污水设计流量计算结果相加，作为污水管道设计的依据，城市污水管道系统的设计总流量可用下式计算： （L/s） 2.5污水管段设计流量的计算污水管道系统的设计总流量计算完毕后，还不能进行管道系统的水力计算。为此还需在管网平面布置图上划分设计管段，确定设计管段的起止点，进而求出各设计管段的设计流量。只有求出设计管段的设计流量，才能进行设计管段的水力计算。（1）设计管段的划分在污水管道系统上，为了便于管道的连接，通常在管径改变、敷设坡度改变、管道转向、支管接入、管道交汇的地方设置检查井。对于两个检查井之间的连续管段，如果采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，则这样的连续管段就称为设计管段。设计管段两端的检查井称为设计管段的起止检查井（简称起迄点）。 图2-4 设计管段的设计流量（2）设计管段的流量确定如图2-4所示，每一设计管段的污水设计流量可能包括以下3种流量。 a）本段流量q1 所谓本段流量是指从本管段沿线街坊流来的污水量。对于某一设计管段而言，它沿管线长度是变化的，即从管段起点为零逐渐增加到终点达到最大。为了计算的方便，通常假定本段流量是在起点检查井集中进入设计管段的，它的大小等于本管段服务面积上的全部污水量。一般用下式计算：式中 q1设计管段的本段流量，Ls；F设计管段服务的街坊面积，hm2；KZ生活污水量总变化系数； qs 生活污水比流量，L(shm2)。 生活污水比流量可采用下式计算： 式中 n生活污水定额或综合生活污水定额，L(capd)； 人口密度，cap/ hm2。b）转输流量q2转输流量是指从上游管段和旁侧管段流来的污水量。它对某一设计管段而言，是不发生变化的，但不同的设计管段，可能有不同的转输流量。 c）集中流量q3 集中流量是指从工业企业或其它大型公共设施流来的污水量。对某一设计管段而言，它也不发生变化。设计管段的设计流量是上述本段流量、转输流量和集中流量三者之和。2.6污水管道的水力计算（1）污水管道中污水流动的特点污水在管道内依靠管道两端的水面高差从高处流向低处，是不承受压力的，即为重力流。污水中含有一定数量的悬浮物，它们有的漂浮于水面，有的悬浮于水中，有的则沉积在管底内壁上。这与清水的流动有所差别。但污水中的水分一般在99以上，所含悬浮物很少，因此，可认为污水的流动遵循一般流体流动的规律，工程设计时仍按水力学公式计算。污水在管道中的流速随时都在变化，但在直线管段上，当流量没有很大变化又无沉淀物时，可认为污水的流动接近均匀流。设计时对每一设计管段都按均匀流公式进行计算。（2）污水管道水力计算的设计参数 为保证污水管道的正常运行，室外排水设计规范中对这些因素综合考虑，提出了如下的计算控制参数，在污水管道设计计算时，一般应予以遵守。a)设计充满度在设计流量下，污水在管道中的水深h与管道直径D的比值（h/D）称为设计充满度，它表示污水在管道中的充满程度，如图2-5所示。 图2-5 充满度示意图当h/D1时称为满流；h/Dl时称为不满流。室外排水设计规范规定，污水管道按不满流进行设计，其最大设计充满度的规定如表2-3所示。 表2-3最大设计充满度 管径（D）或暗渠高（H） （mm）最大充满度（h/D）最小充满度（h/D）（参考）2003003504505009001000 0.55(0.60)0.65(0.70)0.70(0.75)0.75(0.80) 0.250.250.300.35注：在计算污水管道充满度时，不包括淋浴或短时间内突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。规定最大设计充满度的原因是：1）污水流量时刻在变化，很难精确计算，而且雨水可能通过检查井盖上的孔口流入，地下水也可能通过管道接口渗入污水管道。因此，有必要预留一部分管道断面，为未预见水量的介入留出空间，避免污水溢出妨碍环境卫生，同时使渗入的地下水能够顺利流泄。2）污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体（如CH4、H2S等）。此外，污水中如含有汽油、苯、石油等易燃液体时，可能产生爆炸性气体。故需留出适当的空间，以利管道的通风，及时排除有害气体及易爆气体。3）便于管道的清通和养护管理。 表2-3所列的最大设计充满度是设计污水管道时所采用的充满度的最大限值，在进行污水管道的水力计算时，所选用的充满度不应大于表2-3中规定的数值。但为了节约投资，合理地利用管道断面，选用的设计充满度也不应过小。为此，在设计过程中还应考虑最小设计充满度作为设计充满度的下限值。根据经验各种管径的最小设计充满度不宜小于0.25。一般情况下设计充满度最好不小于0.5，对于管径较大的管道设计充满度以接近最大限值为好。对于明渠，设计规范规定设计超高（即渠中水面到渠顶的高度）不小于0.2m。b）设计流速与设计流量、设计充满度相对应的水流平均速度称为设计流速。设计流速过小，污水流动缓慢，其中的悬浮物则易于沉淀淤积；反之，污水流速过高，虽然悬浮物不宜沉淀淤积，但可能会对管壁产生冲刷，甚至损坏管道使其寿命降低。为了防止管道内产生沉淀淤积或管壁遭受冲刷，室外排水设计规范规定了污水管道的最小设计流速和最大设计流速。污水管道的设计流速应在最小设计流速和最大设计流速范围内。最小设计流速是保证管道内不致发生沉淀淤积的流速。污水管道在设计充满度下的最小设计流速为0.6m/s。含有金属、矿物固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大，明渠的最小设计流速为0.4m/s。最大设计流速是保证管道不被冲刷损坏的流速。该值与管道材料有关，通常金属管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道的最大设计流速为5m/s。c）最小设计坡度我国室外排水设计规范规定：管径为200mm时，最小设计坡度为0.004；管径为300mm时，最小设计坡度为0.003。d）最小管径我国室外排水设计规范规定：污水管道在街坊和厂区内的最小管径为200mm，在街道下的最小管径为300mm。e）污水管道的埋设深度污水管道的土方施工占总投资的5070，因此在保证工程质量的条件下，减少埋设深度非常重要。 埋深概念： 覆土厚度：是指管道外壁顶部到地面的距离（图2-6）；埋设深度：是指管道内壁底部到地面的距离。确定污水管道最小覆土厚度时，必须考虑下列因素： 1）防止冰冻膨胀而损坏管道：生活污水温度较高，即使在冬天水温也不会低于4。很多工业废水的温度也比较高。此外，污水管道按一定的坡度敷设，管内污水经常保持一定的流量，以一定的流速不断流动。因此，污水在管道内是不会冰冻的，管道周围的土壤也不会冰冻。所以，不必把整个污水管道都埋设在土壤冰冻线以下。但如果将管道全部埋设在冰冻线以上，则因土壤冰冻膨胀可能损坏管道基础，从而损坏管道。 室外排水设计规范规定，冰冻层内污水管道的埋设深度，应根据流量、水温、水流情况和敷设位置等因素确定，一般应符合下列规定：无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。 图2-6 管道埋深示意图有保温措施或水温较高的管道，管底在冰冻线以上的距离可以加大，其数值应根据该地区或条件相似地区的经验确定。2）防止管壁因地面荷载而破坏；3）满足街坊污水连接管衔接的要求。H=Z1（Z2h）IL+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处地面标高，m； Z2街坊污水管起点检查井处地面标高，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。最大埋深：一般在土壤干燥的地区，管道的最大埋深不超过78m；在土质差、地下水位较高的地区，一般不超过5m。最小覆土厚度：室外排水设计规范规定：最小覆土厚度在车行道下为0.7m，人行道下为0.6m，在保证管道不受外部荷重损坏是可适当减小。（3）污水管道的水力计算a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 b污水管道水力计算的方法1)需要计算的参数：流量Q、管径D、坡度I、流速v、充满度h/D和埋深H。2)计算方法在具体计算时，设计流量Q和管道粗糙系数n已知，还有管径D 、充满度h/D、管道坡度I和流速v是未知的，因此需要先假定2个求其它两个，这样的数学计算非常复杂，而且经常要试算。为了简化计算，常采用水力计算图进行。 对每一张水力计算图而言，管径D和粗糙系数n是已知的，图上的曲线表示的是Q、v、I、 h/D之间的关系，这四个因素中，只要确定两个因素，就可以通过图查出其它两个因素。计算时，Q为已知，D不知，应确定D。只要再知道一个因素就可以查图计算了，通常情况下先想办法假定坡度I。 由Q和I，就可查图得出v、h/D 复核v、h/D 的设计规定若符合，则该管段的D、I（v、h/D）即确定。若不符合，重新设定I或管径D进行计算。 计算中涉及到管径的假定。坡度和管径的假定是相互制约的。在有较大坡度地区时，先假定管道的敷设坡度I，然后求出管径，管道坡度可以先假定为地面坡度，管径的选择越小越好；在平坦或反坡地区时，先假定管道的直径，然后求出敷设坡度I 。按上述方法，可以暂时确定出每一个管段的管径和坡度。确定出的管径和坡度还要进行复核。复核时，可以根据水力计算图进行查图计算，当计算出的v、h/D 符合设计规定时，则初步确定的管径和坡度即为所求，此时管道的v、h/D 也就计算出来了。若v、h/D 中有一个不符合设计规定时，则要调整管径或管道坡度重新计算。另外，在计算时，还要注意一点，就是不计算管段的水力计算。不计算管段一般在管网的起端，当街坊起端流量小于9.19L/s，街道起端流量小于14.63L/s时，管道分别采用200mm和300mm的管径。（4）确定各管段始点和终点的埋设深度（水面标高、管底标高） 即衔接设计，衔接设计也是由上游管段向下游管段进行的。1）首先确定第一个管段的起点、终点的埋深（管底标高、水面标高） a确定出第一个管段的起点埋深H1：第一个管段的起点通常是管网的控制点。根据埋深的三个要求，确定出第一个管段的起点埋深H1 b 起点的管底标高=起点的地面标高E1起点埋深H1 c起点的水面标高=起点的管底标高+管中水深h d 终点的管底标高起点的管底标高IL e 终点的水面标高终点的管底标高+管中水深h f 终点的埋深H2=终点的地面标高E2终点的管底标高2）确定第二个管段的起点、终点的埋深（管底标高、水面标高）首先应确定与第一个管段的衔接关系（根据具体情况选用一种 ）：a沟顶平接（上游管段的终点与下游管段的起点管顶标高相同）第二管段起点的管底标高上游终点的管底标高+上游管径下游管径第二管段起点的水面标高起点的管底标高+管中水深h第二管段起点的埋深H1=起点的地面标高E1起点的管底标高即可求出第二管段终点的管底标高、水面标高、埋设深度b水面平接（上游管段的终点与下游管段的起点水面标高相同）第二管段起点的管底标高上游终点的水面标高下游管中的水深同理可依次求出后续下游管段的起点和终点埋深2.7管段衔接原则及方法（1）原则： a）尽可能提高下游管段的高程，以减小埋深，从而减低造价； b）避免在上游管段中形成回水而造成淤积； c）不允许下游管段的关底高于上游管段的管底。 （2）衔接方法（图2-7）：1）沟顶平接：上游管段和下游管段的管顶内壁的高程相同（不致回水，但下游埋深较大）； 2）水面平接：上游管段和下游管段的水面高程相同（下游管段的水不会倒流而淤积上游管段）；3）沟底平接：上游管段和下游管段的管底内壁的高程相同（埋深较水面平接大）。 一般情况下，异管径沟段采用沟顶平接，同管径沟段采用水面平接。特殊情况，同管径，坡度变陡，沟顶平接，下游管径小于上游管径（坡度变陡），沟底平接。图2-7 污水管道的衔接2.8污水管道的设计方法和步骤污水管渠的设计通常按以下步骤进行：（1）收集并整理设计地区各种原始资料 （如地形图、排水工程规划图、水文、地质等）作为基本的设计数据；（2）划分排水流域，进行污水管道定线；（3）街坊编号并计算街坊面积；（4）划分设计管段，计算各管段的设计流量：根据流域具体情况，选定设计流量的计算方法，计算从上游向下游依次进行，并列表计算各设计管段的设计流量；（5）管渠材料的选择：污水管道管径小于或等于400mm，采用混凝土管，管径大于400mm，采用钢筋混凝土管；（6）各污水管段的水力计算，确定污水管道的坡度、管径和埋深：计算并确定出各设计管段的管径、坡度、流速、管底标高和管道埋深；（7）绘制污水管道平面图及纵剖面图。污水管道的水力计算步骤：a计算每一设计管段的长度，从管道平面布置图上量出每一设计管段的长度，列入水力计算表中。b将各设计管段的设计流量列入水力计算表中。设计管段起讫点检查井处的地面标高列入水力计算表中。c 计算每一设计管段的地面坡度，作为确定管道坡度时参考。d 确定起始管段设计参数确定起始管段的管径以及设计流速v，设计坡度I，设计充满度h/D。首先拟采用最小管径mm，即查水力计算图，在这张计算图中，管径D和管道粗糙系数n为已知，其于4个水力因素只要知道2个即可求出另外2个。现已知设计流量，另1个可根据水力计算设计数据的规定设定。将所确定的管径D、管道坡度I、流速v、充满度h/D分别列入水力计算表中。e确定其他管段设计参数确定其它管段的管径D、设计流速v、设计充满度h/D和管道坡度I。通常随着设计流量的增加，下一个管段的管径一般会增大一级或两级（50mm为一级），或者保持不变，这样便可根据流量的变化情况确定管径。然后可根据设计流速随着设计流量的增大而逐段增大或保持不变的规律设定设计流速。根据Q和v即可在确定D那张水力计算图中查出相应的h/D和I值，若h/D和I值，若h/D和I值符合设计规范的要求，说明水力计算合理，将计算结果填入表中相应的项中。在水力计算中，由于Q、v、h/D、I、D各水力因素之间存在相互制约的关系，因此在查水力计算图时实际存在一个试算过程。f 计算各管段上端、下端的水面、管底标高及其埋设深度：1）根据设计管段长度和管道坡度求降落量。2）根据管径和充满度求管段的水深。3）根据管道衔接方法求设计管段上、下端的管内底标高，水面标高及埋设深度。以上计算均应列表计算，所有结果列入水力计算表。2.9绘制管道的平面图和纵剖面图平面图和纵剖面图是排水管道设计的主要组成部分。污水管道设计和雨水管道设计均应绘制相应的管道平面图和纵剖面图，二者在绘制要求上基本是一致的。根据设计阶段的不同，图纸所体现的内容和深度也不同。 （1）平面图的绘制：平面图是管道的平面布置图，应反映出管道的总体布置和流域范围，不同设计阶段的平面图，其要求的内容也不同。初步设计阶段，一般只绘出管道平面图。采用的比例尺通常为1：50001：10000。图上应有地形、地物、河流、风向玫瑰或指北针等。新设计和原有的污水或雨水，管道用粗单实线表示，只绘出主干管和干管。在管线上画出设计管段起止点的检查井并编号，标出各设计管段的服务面积，可能设置的泵站等。注明主干管和干管的管径、坡度和长度等。此外，还应附有必要的说明和工程项目表。技术设计，或扩大初步设计和施工图设计阶段，采用的比例尺通常为1：5001：5000，图上内容除反映初步设计的要求外，要求更加具体、详尽。要求注明检查井的准确位置和标高，污水管道与其它地下管线或构筑物交叉点的准确位置和标高，以及居住区街坊连接管或工厂排出管接入污水干管或主干管的准确位置和标高。地面设施包括人行边道、房屋界限、电杆、街边树木等。图上还应有图例、主要工程项目表和施工说明。（2）纵剖面图的绘制：纵剖面图是管道的高程布置图，应反映出管道沿线的高程位置，它和平面图是相互对应的。图中一般用细实线加图例表示原地面高程线和设计地面高程线，用双粗实线表示管道高程线，用中实线的双竖线表示检查井。对于工程量较小，地形、地物比较简单的污水或雨水，管道工程可不绘制纵剖面图，只需将设计管段的管径、坡度、管长、检查井的标高以及交叉点等内容注明在平面图。但在较大工程中，情况比较复杂，必须绘制纵剖面图以明确管道的高程情况。在纵剖面图上应绘出原地面高程线和设计地面高程线，管道高程线，检查井及支管接入处位置、管径和高程，与其它地下管线、构筑物或障碍物交叉点的位置和高程，沿线地质钻孔位置和地质情况等。初步设计一般不绘制剖面图。在剖面图的下方要画一表格，表中列出检查井号、管道长度、管径、管道设计坡度、设计地面高程、设计管内底高程、埋设深度、管道材料、接口形式和基础类型。有时也将流量、流速、充满度等水力计算数据注上。纵剖面图的比例尺，常采用横向1：5001：2000，纵向1：501：200。除管道的平、剖面图外，技术设计和施工图设计中，还应包括管道附属构筑物的详图、管道交叉点特殊处理的平、剖面图等。附属构筑物可在给水排水标准图集中选用。2.10污水管道的设计举例污水管道的设计方法与水力计算步骤，通过下面的例题予以介绍。图2-8为某中小城市一个建筑小区的平面图。小区街坊人口密度为350cap/ha。工厂的工业废水（包括从各车间排出的生活污水和淋浴污水）设计流量为29L/s。工业废水经过局部处理后与生活污水一起由污水管道全部送至污水厂经处理后再排放。工厂工业废水排出口的埋深为2 m，试进行该小区污水管道系统的设计。图2-8 某建筑小区平面图2-9 某建筑小区污水管道平面布置图（初步设计）设计方法和步骤如下：（1）在街坊平面图上布置污水管道由街坊平面图可知该建筑小区的边界为排水区界。在该排水区界内地势北高南低，坡度较小，无明显分水线，故可划分为一个排水流域。在该排水流域内小区支管布置在街坊地势较低的一侧；干管基本上与等高线垂直；主干管布置在小区南面靠近河岸的地势较低处，基本上与等高线平行。整个建筑小区管道系统呈截流式布置，如图2-9所示。（2）街坊编号并计算其面积将建筑小区内各街坊编上号码，并将各街坊的平面范围按比例计算出面积，将其面积值列入表2-4中，并用箭头标出各街坊污水排出的方向。表2-4各街坊面积汇总表 街坊编号1234567891011街坊面积（hm2）1.211.702.081.982.202.201.432.211.962.042.40街坊编号1213141516171819202122街坊面积（hm2）2.401.212.281.451.702.001.801.661.231.531.71街坊编号232425262728街坊面积（hm2）1.802.201.382.042.042.40 (3)划分设计管段，计算设计流量根据设计管段的定义和划分方法，将各干管和主干管中有本段流量进入的点(一般定为街坊两端)、有集中流量进入及有旁侧支管接入的点，作为设计管段的起止点并将该点的检查井编上号码，如图2-9所示。各设计管段的设计流量应列表进行计算。在初步设计中，只计算干管和主干管的设计流量；在技术设计和施工图设计中，要计算所有管段的设计流量。本设计为初步设计，故只计算干管和主干管的设计流量，如表2-5所示。表2-5污水干管和主干管设计流量计算表 管段编号居住区生活污水量（或综合生活污水量）集中流量q3设计流 量(L/s) 本段流量q1转输流量q2(L/s)合计平均流量(L/s)总变化系数Kz生活污水设计流量(L/s)本段(L/s)转输(L/s)街坊编号街坊面积（ha）比流量qsL/(sha)流量q1(L/s)123456789101112128991010