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水污染控制工程复习资料

《水污染控制工程》（上）总复习

绪论

第一节水循环与水污染

一、水循环

水的社会循环与水的自然循环的区别：

在水的社会循环中，水的性质在不断地发生变化，生活污水和工业生产废水的排放，是形成水污染的主要根源，也是水污染防治的主要对象。

二、水污染

2、造成水体污染的因素：

向水体排放未达标的城市污水和工业废水、含有化肥和农药的农业排水、含有地面污染物的暴雨初期径流、随大气扩散的有毒有害物质通过重力沉降或降水过程进入水体等，都会对水体造成污染。

第二节水体污染的危害及严重性

一、水体污染的危害

（一）危害人体健康

（二）降低农作物的产量和质量

（三）影响渔业生产的产量和质量

（四）制约工业的发展

（五）加速生态环境的退化和破坏

（六）造成经济损失

第三节水污染控制工程的主要内容与任务

一、水污染控制工程的主要目标

水污染防治的主要目标：

保障人类社会对用水的持续需求和用水水质的安全性，具体有以下三点：

（1）确保地面水和地下水饮用水源地的水质，为向居民供应安全可靠的饮用水提供保障。

（2）恢复各类水体的使用功能和生态环境，确保自然保护区、珍稀濒危水生动植物保护区、水产养殖区、公共游泳区、海上娱乐体育活动区、工业用水取水区和农业灌溉等水质，为经济建设提供合格的水资源。

（3）保持景观水体的水质，美化人类居住区的悦人景色。

三、我国的水环境法规与标准

水环境标准又可分为国家标准和地方标准。

通常地方标准要严于国家标准，以保证水环境质量。

第一章排水管渠系统

第一节城镇排水系统的体制和组成

一、排水系统的体制

排水系统的体制：

生活污水、工业废水和雨水可以采用一套管渠系统或是采用两套或两套以上的、各自独立的管渠系统来排除，这种不同的排除方式所形成的排水系统，称为排水系统的体制，简称排水体制，又称排水制度。

排水系统主要有合流制和分流制两种系统。

（一）合流制排水系统：

是将生活污水、工业废水和雨水混合在同一套管渠内排除的系统。

1、直排式合流制排水系统：

2、截流式合流制排水系统：

附：

溢流井

在截流式合流制排水系统中，晴天时，管道中的污水全部送往污水厂进行处理；雨天时，管道中的混合污水仅有一部分送入污水厂处理，超过截流管道输水能力的那部分混合污水不作处理，直接排入水体。

在合流管道与截流管道的交接处，设置溢流井以完成截流（晴天）和溢流（雨天）的作用。

（二）分流制排水系统：

是将污水和雨水分别在两套或两套以上各自独立的管渠内排除的系统。

排除生活污水、工业废水或城市污水的系统称污水排水系统；排除雨水的系统称雨水排水系统。

由于排除雨水的方式不同，分流制排水系统又分为完全分流制、不完全分流制和半分流制三种。

1、完全分流制排水系统：

2、不完全分流制排水系统：

3、半分流制（又称截流式分流制）排水系统：

附：

跳跃井

跳跃井一般用于半分流制排水系统，设在截流管道与雨水管道的交接处，当小雨或初雨时，雨水流量不大，全部雨水被截流，送至污水厂处理；当大雨时，雨水管道中的流量增至一定量后，将越过截流干管，全部雨水直接排入水体。

（三）合理选择排水系统的体制：

是城镇和工业企业排水系统规划和设计的重要问题。

（1）从根本上影响排水系统的设计、施工和维护管理，

（2）对城镇和工业企业的规划和环境保护影响深远，（3）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，应当在满足环境保护需要的前提下，根据当地的具体条件，通过技术经济比较决定。

1．直排式合流制排水系统由于全部污水不经处理直接排入水体，故对水体污染严重。

虽然投资较低，但随着环境质量标准的提高，这种体制将不能满足环境保护的要求。

因此，一般不宜采用这种体制。

2．截流式合流制排水系统该系统即使在雨天，也仅有部分混合污水不经处理直接排入水体，故对水体的污染较直排式合流制有很大的改善；但在多雨地区，污染可能仍然严重。

随着环境质量标准的提高，该系统也将不能满足要求。

为了克服截流式合流制这一缺陷，可设调蓄设施贮存雨污水，待雨后再送至污水厂处理。

这样做还有可能降低污水厂进水量的变化幅度，从而降低其基建费用和改善其运行条件。

3．不完全分流制排水系统该排水系统由于只建污水系统，不建雨水系统，故投资节省。

这种体制适用于地形适宜，有地面水体，可顺利排泄雨水的城镇。

发展中的城镇，为了分步投资，可先建污水系统，再完善雨水系统。

4．完全分流制排水系统该排水系统由于既有污水排水系统，又有雨水排水系统，故环保效益较好；但有初期雨水的污染问题，其投资一般也比截流式合流制高。

新建的城市及重要的工矿企业，一般采用完全分流制排水系统。

工厂的排水系统，一般也采用完全分流制。

性质特殊的生产废水，还应在车间单独处理后再排人污水管道。

5．半分流制排水系统在生活水平高、环境质量要求高的城镇可以采用。

总的来看，分流制排水系统，比合流制排水系统灵活，其建设能配合社会发展的需要。

不论污染负荷如何加重或环境要求如何提高，建成系统都较易进行相应调整。

所以，新建的排水系统，一般应采用分流制。

但在附近有较大的水体、发展又受到限制的小城镇，或在雨水稀少、废水可以全部处理的地区等，采用合流制排水系统有时也是合理的。

二、排水系统的组成部分

排水系统是收集、输送、处理、利用及排放废水的全部工程设施。

通常，排水系统由三部分组成：

管渠系统、污水厂、出水口

附：

检查井

检查井（又称窨井），主要是为了检查、清通和连接管渠而设置的。

检查井通常设在管渠交汇、转弯、管径或坡度改变以及跌水等处，相隔一定距离的直线管渠上也设置检查井。

附：

倒虹管

排水管道有时会遇到障碍物，如河道、铁路、各种地下设施等。

由于排水管道采用重力流，因此碰到障碍物时，应先考虑较易搬迁的障碍物（如给水管道）为其让路。

在管道必须为障碍物让路时，它不能按原有的坡度埋设，而是按下凹的折线方式从障碍物下通过，这种管道称为倒虹管。

第二节排水管渠及管渠系统上的构筑物

二、管道

通常，管道是预制的圆形管子。

因为圆形断面的水力性能好，便于预制，使用材料经济，能承受较大荷载，且运输和养护也较方便。

（六）合理选择管道：

是排水管渠系统设计的重要问题，主要从三方面进行考虑：

①市场供应情况。

在选择管道时，应尽可能就地取材，采用易于制造、供应充足的管材。

②经济上的考虑。

在考虑造价时，不但要考虑管道本身的价格，还要考虑施工费用和使用年限。

例如，在施工条件差（地下水位高或有流沙等）的场合，采用较长的管子可以减少管接头，从而减少了施工费用；在地基承载力差的场合，强度高的长管对基础要求低，可以减少敷设费用。

③技术上的要求。

例如，在有内压力的管段上，就必须用金属管、钢筋混凝土管等；输送侵蚀性污水或管外有侵蚀性地下水时，最好采用塑料管或陶土管；当侵蚀性不太强时，也可以考虑用混凝土管或特种水泥浇制的混凝土管等。

第二章排水管渠水力计算

第一节污水管渠水力设计原则

污水管渠水力设计原则：

1、不溢流。

为了保证管渠不溢流，水力计算时所采用的设计流量，是可能出现的最大流量。

2、不淤积。

当管渠中水流的速度太小时，水流中的固体杂质就要下沉，淤积在管中，会降低管渠的输送能力，甚至造成堵塞。

因此，管渠水力计算时，所采用的流速要有一个最低限值。

3、不冲刷管壁。

当管渠中水流速度过大时，就会冲刷和损坏管渠内壁。

因此管渠水力计算时所采用的流速要有一个最高限值。

4、要注意通风。

生活污水和工业废水及其淤积物在管渠中往往散发有毒气体和可燃气体。

这些气体会伤害下检查井养护管渠的工人，而且可燃气体可能引起爆炸。

因此，污水管渠的水力设计一般不按满流计算，在管渠中的水面之上保留一部分空间，作为通风排气的通道，并为不溢流留有余地。

第二节管渠水力计算基本公式

一、名词解释：

设计管段——在进行水力计算时，常以相邻的两个检查井间的管段作为设计对象，称作设计管段。

当相邻的设计管段能采用同样的口径和坡度时，可以合并为一条设计管段。

所以，在同一个设计管段上，流量沿程不变或变化较小，全管段可以采用同样的口径和坡度。

二、管渠水力计算基本公式

1、流量公式为：

（2—1）

2、流速公式为：

（2—2）

第三节水力学算图

一、设计管段的水力要素与水力学算图结构

对每一个设计管段，有6个水力要素：

管径D、粗糙系数n、充满度h/D、水力坡度即管底坡度i、流量Q和流速v。

二、举例说明不满流圆形管道水力学算图的用法

三、不满流圆形管道水力学算图中的虚线意义

图中两条虚线（最大允许充满度线和最小允许流速线）。

查图时，在一般情况下，宜选用两条虚线交点处或接近交点又在两条虚线上方的数据。

这样，既符合规定，又能使管道断面得到充分利用，相应的坡度也较小，以减少埋深，降低造价。

当管道口径和流量已知时，宜选用流量线和最小流速线交点处或流量线和最大允许充满度线交点处的数据。

第四节管渠水力设计主要参数

四、最小设计坡度和不计算管段的最小设计坡度

1、最小设计坡度：

同最小设计流速相应的坡度就是最小设计坡度。

相同直径的管道，如果充满度不同，可以有不同的最小设计坡度。

2、不计算管段的最小设计坡度：

因设计流量很小而采用最小管径的设计管段称为不计算管段。

由于这种管段不进行水力计算，没有设计流速，因此就直接规定管道的最小设计坡度。

五、管道的埋设深度和覆土厚度

1、定义

（1）管道的埋设深度：

是指管底的内壁到地面的距离。

管道的埋设深度对整个管道系统的造价和施工影响很大。

管道愈深，则造价愈贵，施工期愈长。

所以，管道的埋设深度小些好，并有一个最大限值，这个限值称为最大埋深。

（2）管道的覆土厚度：

是指管顶的外壁到地面的距离。

尽管管道埋深小些好，但是，管道的覆土厚度有一个最小限值，称为最小覆土厚度。

2、最小覆土厚度决定于下列三个因素：

（1）必须防止管道中的污水冰冻和因土壤冰冻膨胀而损坏管道。

（2）必须防止管壁被车辆造成的活荷重压坏。

《规范》规定：

管顶最小覆土厚度在车行道下宜为0.7m；人行道下0.6m。

在保证管道不会受外部荷重损坏时，最小覆土厚度可适当减小。

（3）必须满足支管在衔接上的要求。

房屋排出管的最小埋深通常采用0.55～0.65m。

对于每一个具体管段来说，从上述决定最小覆土厚度的三个因素出发，可以得到三个不同的覆土限值。

这三个限值中的最大值就是这一管段的允许最小覆土厚度。

第五节管段的衔接

1．检查井上下游的管段在衔接时应遵循下述原则

（1）尽可能提高下游管段的高程，以减少埋深，从而降低造价，在平坦地区这点尤其重要。

（2）避免在上游管段中形成回水而造成淤积。

（3）不允许下游管段的管底高于上游管段的管底。

2．管段的衔接方法：

通常采用管顶平接，有时也采用水面平接。

在特殊情况下需要采用管底平接。

（1）管顶平接：

是指在水力计算中，使上游管段和下游管段的管顶内壁的高程相同。

采用管顶平接时，上游管段产生回水的可能性较小，但往往使下游管段的埋深增加。

在一般情况下，异管径管段采用管顶平接。

有时，当上下游管段管径相同而下游管段的充盈深小于上游管段的充盈深时（由小坡度转入较陡的坡度时，可能出现这种情况），也可采用管顶平接。

（2）水面平接：

是指在水力计算中，使上游管段和下游管段的水面高程相同。

采用水面平接时，常因管道中流量出现变化时（主要是上游的小管道）而产生回水，但下游管道的埋深可以浅些。

为了减少下游管道的埋深，也有人建议在充满度为0.8处平接。

通常，同管径管段往往是下游管段的充盈深大于上游管段的充盈深，为了避免在上游管段中形成回水而采用水面平接。

在平坦地区，为了减少管道埋深，异管径的管段有时也采用水面平接或充满度0.8处平接。

当异管径管段采用管顶平接而发现下游管段的水面高于上游管段的水面时（这种情况并不常见），应改用水面平接。

（3）管底平接：

是指在水力计算中，要使上游管段和下游管段的管底内壁的高程相同。

在特殊情况下，下游管段的管径小于上游管段的管径（坡度突然变陡时，可能出现这种情况），而不能采用管顶平接或水面平接时，应采用管底平接以防下游管段的管底高于上游管段的管底。

为了减少管道系统的埋深，虽然下游管道管径大于上游管道管径，有时也可采用管底平接。

3.总之，管段的衔接是以尽量减少管道埋深为前提，而且在检查井处不应发生下列情况：

①下游管底高于上游管底，②下游水位高于上游水位。

第六节管段水力计算

例2—4已知设计管段长度L为240m；地面坡度I为0.0024；流量Q为40L/s，上游管段管径D为300mm，充满度h/D为0.55，管底高程为44.220m，地面高程为46.060m，覆土厚度为1.54m（参看图2—8）。

求：

设计管段的口径和管底高程。

解：

由于上游管段的覆土厚度较大，设计管段坡度应尽量小于地面坡度以减少管段埋深。

（1）令D=300mm，查附录二附图2—3，当D=300mm，Q=40L/s，h/D=0.55（最大充满度）时，i=0.0058>I=0.0024，不符合本题应尽量减少埋深的原则；令v=0.6m/s（最小流速）时，h/D=0.90>0.55，也不符合要求。

（2）令D=350mm，查附录二附图2—4，当D=350mm，Q=40L/s，v=0.6m/s时，h/D=0.66>0.65，不符合要求；令h/D=0.65时，v=0.61m/s>0.6m/s，符合要求。

此时i=0.0015

采用管顶平接（为什么?

）

设计管段的上端管底高程：

（44.220+0.300-0.350）m=44.170m

设计管段的下端管底高程：

（44.170-240×0.0015）m=43.810m

检验：

上游管段的下端水面高程：

（44.220+0.300×0.55）m=44.385m

设计管段的上端水面高程：

（44.170+0.350×0.65）m=44.398m

44.398m高于44.385m，不符合要求，应采用水面平接。

（3）令D=400mm，查附录二附图2—5，当D=400mm，Q=40L/s，v=0.6m/s时，h/D=0.53，i=0.00145。

与D=350mm相比较，管段设计坡度基本

相同，管段容积未充分利用，管段埋深反而增加0.05m。

另外，管段口径一般不跳级增加，所以D=350mm，i=0.0015的设计为好。

（4）管底高程修正：

采用水面平接。

上流管段的下端水面高程：

（44.220+0.300×0.55）m=44.385m

设计管段的上端管底高程：

（44.385-0.350×0.65）m=44.158m

设计管段的下端管底高程：

（44.158-240×0.0015）m=43.798m

例2—5已知设计管段长度L为130m；地面坡度I=0.0014；流量Q=56L/s，上游管段口径D=350mm，充满度h/D=0.59，管底高程为43.67m，地面高程为45.48m。

求：

设计管段的口径和管底高程。

解：

覆土厚度为（45.48-43.67-0.35）m=1.46m。

离最小覆土厚度允许值0.7m差距较大，因此设计时应尽量使设计管段坡度小于地面坡度。

（1）令D=350mm，查附录二附图2—4，当D=350mm，Q=56L/s，v=0.6m/s时，i=0.0015，但h/D=0.95>0.65，不符合要求。

当h/D=0.65时，v=0.85m/s．i=0.0030>I=0.0014，不很理想。

采用水面平接（为什么?

）

上游管段的下端水面高程：

（43.67+0.350×0.59）m=43.877m

设计管段的上端管底高程：

（43.877-0.350×0.65）m=43.650m

设计管段的下端管底高程：

（43.650-130×0.0030）m=43.260m

（2）令D=400mm，查附录二附图2—5，当D=400mm，Q=56L/s，v=0.6m/s时，i=0.0012，但h/D=0.70>0.65，不符合规定。

当h/D=0.65时，i=0.00145。

v=0.65m/s，符合要求。

管段坡度接近地面坡度I=0.0014。

采用管顶平接（为什么?

）

设计管段的上端管底高程：

（43.67+0.350-0.400）m=43.620m

设计管段的下端管底高程：

（43.620-130×0.00145）m=43.432m

检验：

上游管段的下端水面高程：

43.877m

设计管段的上端水面高程：

（43.620+0.65×0.400）m=43.880m

43.880高于43.877m，虽不符合要求，但可接受（下端管底施工高程略低于计算值）。

（3）究竟采用D=350mm，i=0.003，还是采用D=400mm，i=0.00145，在前一组答案里下端管底高程是43.260m，比后一组答案里的高程43.432m，低0.172m。

从本设计管段的造价而论，第一答案可能比第二答案便宜；但是，后面的管段都将落下0.172m。

假如下游的地区有充分的坡度，可以采用第一答案，假如在平坦地区，以后还有很长的管段以及覆土厚度大于0.7m较多时，宜采用第二答案。

例2—6已知L=190m；Q=66L/s，I=0.008（上端地面高程44.50m，下端地面高程42.98m），上游管段D=400mm，h/D=0.61，其下端管底高程为43.40m，覆土厚度0.7m。

如图2—9所示。

求：

管径和管底高程。

解：

本例特点是地面坡度充分，偏大。

上游管段下端覆土厚度已为最小容许值。

估计设计管段坡度将小于地面坡度，且口径可小于上游管段。

（1）令D=400mm，i=I=0.008，h/D=0.65时，查图得Q=133L/s>66L/s。

（2）令D=350mm，i=I=0.008，h/D=0.65时，查图得Q=91L/s>66L/s。

（3）令D=300mm，i=I=0.008，h/D=0.55时，查图得Q=47L/s<66L/s。

（4）可以选用D=350mm，i=0.008。

规范规定，在地面坡度变陡处，管道管径可以较上游小1或2级。

下面计算管底高程。

D=350mm，Q=66L/s，I=0.008时查图得h/D=0.53，v≈1.28m/s，符合要求。

采用管底平接（为什么?

）

设计管段的上端管底高程=上游管段的下端管底高程43.40m

设计管段的下端管底高程=（43.40-190×0.008）m=41.88m

（5）如果采用地面坡度作为管道设计坡度时，设计流速超过最大流速，这时管道设计坡度必须减少，并且设计管段的上端检查井应采用跌水井，为图2—9所示。

第三章污水管道系统的设计

第一节污水设计流量的确定

一、生活污水设计流量的确定

（一）按生活污水量定额计算

（3—1）

（二）按生活污水比流量计算

故得Qd=q0·A·K总（3—4）

式中：

q0——比流量，L／（s·hm2），

，其中P为街坊人口密度，q0的意义是设计管道单位排水面积的平均流量（引入比流量是为了简化计算）；

如何确定设计管段的排水面积A呢?

通过划分街坊的泄水面积来确定设计管段的排水面积。

1、围坊布置：

当街管采用围坊布置时，通常用各街角的角平分线划分街坊成四块，每块街坊的污水假定排入相近的街管。

2、低侧布置：

当街管采用低侧布置时，通常假定整块街坊的污水排入在其低侧的街管中。

3、对边布置：

当街管采用对边布置时，通常将街坊面积用中线划分，被划分的街坊的污水假定排人邻近的街管中。

二、工厂生产区的生活污水设计流量的确定

（二）工厂工业废水设计流量

（3—5）

第二节污水管道系统的平面布置

污水管道系统的平面布置包括：

确定排水区界，划分排水流域；选择污水厂出水口的位置；拟定污水干管及总干管的路线；确定需要抽升的排水区域和设置泵站的位置等。

在施工图设计阶段时，尚需确定街道支管的路线及管道在街道上的位置等。

三、拟定污水管道系统的路线

1、确定污水管道系统的路线，又称污水管道系统的定线。

2、管道定线的顺序：

一般按总干管、干管、支管顺序依次进行。

3、定线应遵循的主要原则：

应尽可能地在路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。

4、定线时通常考虑的因素

（1）污水厂和出水口位置。

（2）地形。

（3）地质。

（4）地下管线及构筑物的位置。

（5）道路。

（6）近远期规划以及分期建设的安排。

（7）街坊的建筑特征和用户接管排水的方便。

污水支管的平面布置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：

①低侧式：

街坊狭长或地形倾斜时采用；

②围坊式：

街坊地势平坦且面积较大时采用；

③穿坊式：

街坊内部建筑规划已确定，或街坊内部管道自成体系时，支管可以穿越街坊布置。

5、污水管道系统的方案确定之后，便可绘制污水管道初步设计阶段的平面布置图。

其中包括干管、总干管的位置与流向和主要泵站、污水厂、出水口及灌溉田的位置等。

四、确定需要抽升的排水区域和设置泵站

污水泵站一般分为中途泵站和终点泵站，有时也有局部泵站。

1、中途泵站：

中途泵站的位置是根据管道的最大合理埋深而决定的。

由于污水管道中的水流靠重力流动，因此，管道必须具有坡度。

在地形平坦地区，管道埋深往往增加很快，当埋深超过最大埋设深度时，需设置中途泵站抽升污水。

2、终点泵站：

一般是设在污水厂内处理构筑物之前。

3、局部泵站：

在地形复杂的城市，有些地区比较低洼，需设置局部泵站抽升污水；在一些高楼的地下室、地下铁道和其他地下建筑物中，其污水也需要设置局部泵站抽升。

第三节管道在街道上的位置

三、处理地下管线交叉的原则及处理方式：

1、处理地下管线交叉的原则：

小管让大管，有压管让无压管，新建管线让已建管线，临时管线让永久管线，柔性结构的管线让刚性结构的管线。

2、具体处理方式：

给水管在排水管道之上，电力线、煤气管、热水管、热气管在给水管之上。

第四节污水管道的水力设计

一、设计要求

1、污水管道水力设计的任务是：

根据已经确定的管道路线，计算和确定各设计管段的设计流量、管径、坡度、流速、充满度和管底高程。

2、污水管道水力设计的原则是：

不冲刷、不淤积，不溢流，要通风。

3、污水管道水力计算是由确定控制点开始，从上游到下游，计算和确定各个设计管段的有关数据。

控制点是对整个管道系统的高程起控制作用的地点。

控制点的位置一般是位于距离污水厂或出水口最远处或排水流域中地面高程最底处，管道埋深有特殊要求处（如地下室）。

控制点的埋深影响整个管道系统的埋深，所以应尽量浅些。

控制点埋深的减小可以从以下几方面着手：

①加强管道强度，②填高控制点处的地面高程，③设置局部泵站提升水位。

4、设计管段的设计流量可能由三部分组成：

（1）沿线流量：

从本管段服务的街坊流来的流量。

（2）集中流量：

从工厂（生产车间及生活区）或公共建筑来的流量，它们的排水量可以较为准确地估计。

（3）转输流量：

从上游管段和旁侧管段来的流量。

二、计算示例

污水管道水力计算示例如下：

1、划分为若干设计管段。

设计管段的起讫点是检查井的位置（但并不是每两个检查井之间就是一个设计管段，设计管段中间的检查井，图中不必画出），图3—7中检查井5和检查井4之间构成的设计管段的管道转了向，我们仍可把管段5—4作为