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污水管道系统的设计计算
第八章污水管道系统的设计计算
（一）教学要求
熟练掌握污水管道的设计计算过程
（二）教学内容
1、污水设计流量
2、污水管道的设计参数
3、污水管道的水力计算
（三）重点
污水管道的水力计算
第一节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。
一、生活污水设计流量
1.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：
=
（8-1）
式中：
Q1——居民生活污水设计流量，L／s；
n——居民生活污水量定额，L／（cap·d）；
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：
（8-2）
式中：
N——设计人口数，cap；
ρ——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/hm2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
（8-3）
生活污水量总变化系数
污水平均日流量（L/s）
5
15
40
70
100
200
500
≥1000
总变化系数Kz
2.3
2.0
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
注：
①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；
②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：
=
（8-4）
式中：
Q—污水平均日流量，L/s。
当Q＜5L/s时，Kz=2.3；当Q＞1000L/s时，Kz=1.3。
设计时也可采用式（8-4）直接计算总变化系数，但比较麻烦。
2.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。
3.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：
=
+
（8-5）
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。
二、工业废水设计流量
工业废水设计流量按下式计算：
（8-6）
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。
三、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）（8-7）
设计时也可按综合生活污水量进行计算，综合生活污水设计流量为：
（L/s）（8-8）
式中Q1/——综合生活污水设计流量，L/s；
n/——综合生活污水定额，对给水排水系统完善的地区按综合生活用水定额90%计，一般地区按80%计；
其余符号同前。
此时，城市污水管道系统的设计总流量为：
（L/s）（8-9）
【例8-1】河北某中等城市一屠宰厂每天宰杀活牲畜260t，废水量定额为10m3/t，工业废水的总变化系数为1.8，三班制生产，每班8h。
最大班职工人数800cap，其中在污染严重车间工作的职工占总人数的40%，使用淋浴人数按该车间人数的85%计；其余60%的职工在一般车间工作，使用淋浴人数按30%计。
工厂居住区面积为10ha,人口密度为600cap/ha。
各种污水由管道汇集输送到厂区污水处理站，经处理后排入城市污水管道，试计算该屠宰厂的污水设计总流量。
【解】该屠宰厂的污水包括居民生活污水、工业企业生活污水和淋浴污水、工业废水三种，因该厂区公共设施情况未给出，故按综合生活污水计算。
1．综合生活污水设计流量计算
查综合生活用水定额，河北位于第二分区，中等城市的平均日综合用水定额为110～180L/（cap•d），取165L/（cap•d）。
假定该厂区给水排水系统比较完善，则综合生活污水定额为165×90%=148.5L/（cap•d），取为150L/（cap•d）。
居住区人口数为600
10=6000cap。
则综合生活污水平均流量为：
L/s。
用内插法查总变化系数表，得Kz=2.24。
于是综合生活污水设计流量为Q1/=10.4
2.24=23.30L/s。
2．工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算
由题意知：
一般车间最大班职工人数为800
60%=480人，使用淋浴的人数为480
30%=144人；污染严重车间最大班职工人数为800
40%=320人，使用淋浴的人数为320
85%=272人。
所以工业企业生活污水和淋浴污水设计流量为：
=
+
=
+
=8.35L/s
3．工业废水设计流量计算
=
该厂区污水设计总流量
L/s
在计算城市污水管道系统的污水设计总流量时，由于城市排水区界内的汇水面积较大，因此需按各排水流域分别计算，将各排水流域居住区生活污水、工业废水和工厂生活污水设计流量列表进行计算，最后再汇总得出污水管道系统的设计总流量。
某城镇污水管道系统设计总流量的计算见表8-2、8-3、8-4、8-5。
城镇综合生活污水设计流量计算表表8-2
居住区
名称
排水流
域编号
居住区
面积
（ha）
人口
密度
（cap/ha）
居民
人数
（cap）
污水量
定额
[（L/cap•d）]
平均污水量
总变化
系数
Kz
设计流量
（m3/d）
（m3/h）
（L/s）
（m3/h）
（L/s）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
商业区
60
500
30000
160
4800
200
55.6
1.74
348
96.74
文卫区
40
400
16000
180
2880
120
33.3
1.81
217.2
60.27
工业区
50
450
22500
160
3600
150
41.7
1.78
267
74.23
合计
—
150
—
68500
—
11280
470
130.6
1.57
①
737.9
②
205.04
②
注：
①中的总变化系数是根据合计平均流量查出的。
②中的数字不是直接合计，而是合计平均流量与相对应的总变化系数的乘积。
各工业企业生活污水和淋浴污水设计流量计算表表8-3
车
间
名
称
车
间
性
质
班
数
每班
工作
时数
（h）
生活污水
淋浴污水
合计
设计
流量
（L/s）
最大班
职工
人数
（cap）
污水量
定额
（L/cap•d）
时
变
化
系
数
设计
流量
（L/s）
最大班
使用淋
浴的职
工人数
（cap）
污水量
定额
（L/cap•d）
设计
流量
（L/s）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
酿
酒
厂
污染
3
8
156
35
2.5
0.47
109
60
1.82
2.29
一般
3
8
108
25
3.0
0.28
38
40
0.42
0.70
肉类
加工
厂
污
染
3
8
168
35
2.5
0.51
116
60
8.8
2.49
一
般
3
8
92
25
3.0
0.24
35
40
2.27
0.63
造
纸
厂
污
染
3
8
150
35
2.5
0.46
105
60
1.75
2.21
一
般
3
8
145
25
3.0
0.38
50
40
0.56
0.94
皮
革
厂
污
染
3
8
274
35
2.5
0.83
156
60
2.6
3.43
一
般
3
8
324
25
3.0
0.84
80
40
0.89
1.64
印
染厂
污
染
3
8
450
35
2.5
1.37
315
60
5.25
6.62
一
般
3
8
470
25
3.0
1.22
188
40
2.09
3.31
总计
6.6
17.7
24.3
各工业企业工业废水设计流量计算表表8-4
工业
企业
名称
班
数
各
班
时
数
（h）
产
品
名
称
日
产
量
（t）
工业
废水
定额
（m3/t）
平均流量
总变化系数
设计流量
（m3/d）
（m3/h）
（L/s）
（m3/h）
（L/s）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
酿酒厂
3
8
酒
15
18.6
279
11.63
3.23
3.0
34.89
9.69
肉类加
工厂
3
8
牲畜
162
15
2430
101.25
28.13
1.7
172.13
47.82
造纸厂
3
8
白纸
12
150
1800
75
20.83
1.45
108.75
30.20
皮革厂
3
8
皮革
34
75
2550
106.25
29.51
1.4
148.75
41.31
印染厂
3
8
布
36
150
5400
225
62.5
1.42
319.5
88.75
合计
12459
519.13
144.2
784.02
217.77
城镇污水设计总流量统计表表8-5
排水工程对象
综合生活污水
设计流量
（L/s）
工业企业生活污水和
淋浴污水设计流量
（L/s）
工业废水
设计流量
（L/s）
城镇污水设计
总流量
（L/s）
居住区和公共建筑
205.04
447.11
工业企业
24.3
工业企业
217.77
第二节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。
一、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8-1设计管段的设计流量
二、设计管段的流量确定
如图8-1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。
1．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：
=
（8-10）
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，hm2；
KZ——生活污水量总变化系数；
qs——生活污水比流量，L／（s·hm2）。
生活污水比流量可采用下式计算：
=
（8-11）
式中n——生活污水定额或综合生活污水定额，L／（cap·d）；
ρ——人口密度，cap/hm2。
2．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。
3．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。
第三节污水管道的水力计算
一、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。
二、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。
（一）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8-2所示。
图8-2充满度示意图
当h/D＝1时称为满流；h/D《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8-6所示。
最大设计充满度表8-6
管径（D）或暗渠高（H）
最大设计充满度（h/D）或（h/H）
200～300
350～450
500～900
≥1000
0.60
0.70
0.75
0.80
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。
这样规定的原因是：
（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8-6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8-6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。
（二）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。
（三）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。
（四）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。
三、污水管道的埋设深度
管道埋深是影响管道造价的重要因素，是污水管道设计的重要参数。
管道埋设深度有两个意义：
（1）覆土厚度：
是指管道外壁顶部到地面的距离（图8-3）；
（2）埋设深度：
是指管道内壁底部到地面的距离。
图8-3管道埋深示意图
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：
（1）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。
（2）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
四、污水管道的衔接
管道衔接时应遵循以下两个原则：
1.尽可能提高下游管道的高程，以减小管道的埋深，降低造价；
2.避免在上游管段中形成回水而造成淤积。
污水管道衔接的方法，通常有水平面接和管顶平接两种，如图8-5所示。
图8-5污水管道的衔接
水面平接是指在水力计算中，使污水管道上游管段终端和下游管段起端在设计充满度条件下的水面相平，即上游管段终端与下游管段起端的水面标高相同。
一般用于上下游管径相同的污水管道的衔接。
管顶平接是指在水力计算中，使上游管段终端和下游管段起端的管内顶标高相同。
一般用于上下游管径不同的污水管道的衔接。
.
六、污水管道的水力计算步骤
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。
【例7-5】图8-6为河南省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2m，试进行该小区污水管道系统的设计。
图8-6某建筑小区平面图
图8-7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：
（一）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8-7所示。
（二）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8-7中，并用箭头标出各街坊污水排出的方向。
各街坊面积汇总表表8-7
街坊编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
街坊面积（hm2）
1.21
1.70
2.08
1.98
2.20
2.20
1.43
2.21
1.96
2.04
2.40
街坊编号
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
街坊面积（hm2）
2.40
1.21
2.28
1.45
1.70
2.00
1.80
1.66
1.23
1.53
1.71
街坊编号
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