城市污水管网优化设计及计算方法

曾更维

摘 要：简要探讨了城市污水管网的优化设计和相关计算方法，系统地分析了基本的优化思想，并详细阐述了相应的污水管网计算方法，以期为日后的相关工作提供参考和借鉴。

关键词：污水管网；计算方法；管径；充满度

中图分类号：TU992.0 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.03.067

污水管网是城市基础水利设施，它在城市污水排放中起着非常重要的作用。因此，相关部门要高度重视其建设，努力做好污水管网的优化设计工作，并采取合理、科学的计算方法建设污水管网。

1 优化思想

1.1 选取尽可能小的设计流速

当水力半径不变，管底坡度与流速的平方成正比时，减小流速能大幅减小管底坡度和埋深。在实际工作中，制约设计流速的条件有很多。在满足这些要求的前提下，选择一个尽可能小的设计流速是非常重要的，而且也是很容易实现的。设计流速的计算公式为：

1.2 选取尽可能大的设计充满度

优化选择接近最大设计充满度的方法，不仅可以减少管材

耗量，还可以在一定程度上减小管底坡度和埋深。设计充满度的计算公式为：

式（1）（2）中：v为设计流速，m/s；n为管壁粗糙系数，取0.014；R为水力半径，m；I为水力坡度，等于管底坡度；ω为过水断面面积，m2。

由式（1）可知，在确定了一个尽可能小的设计流速v后，n为常数，水力半径R越大，管底坡度I越小。由水力学中水力半径与充满度的关系可知，当充满度为0.81左右时，水力半径会随着充满度的增大而增大。由于各种管径的最大设计充满度不大于0.75，所以，选择尽可能大的设计充满度就是选择尽可能大的水力半径。这样，就可以减小管道坡度和埋深。

1.3 尽可能减小下游管段埋深

在管段满足检查井内衔接约束条件的前提下，可根据相衔

接两管段的管径与管段中的污水深度等选择水面平接、管顶平接和管底平接等3种不同的衔接方式。

1.4 以全局优化的思想指导设计

为了保证整个工程系统的利益，往往要求工程系统中的某些局部（或子系统）利益作出一定的牺牲。尽可能减小所计算管段的坡度、埋深和管径等，不仅会减小该管段的工程造价，还会减小下游各管段的坡度和埋深。

2 污水管网设计计算的约束条件

2.1 管径

管径对污水管道水力计算的约束主要反映在两方面：①规定了最小管径。②管径的递增或递减方式。受管道规格的限制，在计算过程中，管径的递增或递减是非连续、非均匀的。

2.2 流量

在确定管径时，应选择大管径，所以，应明确各种管径对应最小流速（最小充满度）时所通过的流量为最小流量。当管段设计流量小于某一管径的最小流量时，只能选小一级的管径，但它不能小于最小管径。

2.3 充满度

污水管道是按照部分满流计算的，而且每种管径都有相应的充满度上限值。以最大和最小充满度为约束条件，选用设计充满度可以确定管径，达到优化的目的。

2.4 流速

管段的设计流速介于最小流速（0.6 m/s）与最大流速（金属管10 m/s，非金属管5 m/s）之间。不同管径的圆形钢筋混凝土管在最大充满度下的最大流速是不同的。

2.5 坡度

相关规范中规定了最小管径的最小设计坡度。各种管径都有相应的最小设计坡度，为了保证管道的有效运行和维护管理工作能够正常进行，应确定各种管径的最大设计坡度。在平坦地区，污水管道的水力坡度应用最小设计坡度约束，而地形坡度大的地区则应用最大设计坡度约束。

2.6 埋深

管道起点的最小埋深应以管道通过地区的地质条件确定。当管道坡度小于地面坡度时，为了保证下游管段的最小覆土厚度，减少上游管段的埋深，应采用跌水连接的方式。

2.7 管段衔接方式

污水管道在检查井处的连接一般采用水面平接和管顶平接2种方式。不管采用哪种连接方式，都不应出现下游管段上端的水面高于上游管段下端的水面、管端标高的情况，应尽量减小下游管段的埋深。

3 管径优化计算方法

排水管网水力计算可采用传统的均匀流基本公式（1）（2）.但是，在约束条件下，为了选择具有最大设计充满度的管径，不能直接求出管段坡度和埋深。要想用计算机解决相关计算问题，可采用以下计算方法，即通过管道过水断面夹角θ的中间变量求出管道计算中的未知设计参数，如图1所示。

由此可以得出过水断面面积ω的表达式，即：

式（3）中：D为管径，m；θ为管段过水断面夹角（弧度）。

湿周、水力半径和充满度计算公式为：

式（4）（5）（6）中：x为湿周，m；H/D为充满度，其中，H为管段中水深，m。

为了将设计流速和设计流量都表示为过水断面夹角θ的函数，可将式（5）和式（3）分别代入式（1）和式（2）中。由此可得：

在计算地面坡度较小或很平缓的常见地形下的管段时，首先要选择一个能够满足约束条件的、尽可能小的设计流速，然后根据设计流速和流量选取一个0.8

用二分法求出式（8）的唯一θ解，并将求出的θ值代入式（6）中，得到该初选管径相应的充满度H/D.如果此充满度大于该管径的最大设计充满度，则需重新选取一个大一级的管径，并重复上述计算，直至得到一个满足充满度约束条件的管径为止。显然，用这种方式选取的管径的充满度最接近最大设计充满度。至此，将已知参数v，D和θ代入式（3）（4）（5）（6）（7）求出管道坡度I，然后再计算该管段的高程和埋深。

当某一管段所处的地面坡度较大，按照上述方法算出的管道埋深已经不能满足最小埋深的要求时，决定加大该管段坡度来满足埋深要求。这时，可以先计算出满足埋深所需要的管段坡度I，然后将已知的Q，I和已算出的D代入式（9）中，得到一个求解这种情况下过水断面夹角θ的非线性方程，即：

用二分法求出该方程的唯一θ解，再将θ值代入式（6）中求出相应的充满度。如果充满度太小，可将初选的管径缩小一级。这时，重复上述过程，直至选择到一个充满度较大的管径。

4 结束语

综上所述，污水管网的建设对于城市的可持续发展有着极为重要的作用。因此，相关部门要努力做好污水管网的优化设计工作，并采取有效的计算方法保证污水管网的设计，进而保证污水管网的完工质量。

参考文献

[1]陈胜兵，娄金生，黄平，等.基于拓扑关系构建的城市污水管网优化设计[J].给水排水，2007（05）.

[2]王胤淇，黎明，魏一伟.城市污水管网优化设计及其决策系统浅析[J].中国高新技术企业，2015（31）.

〔编辑：白洁〕