第9章 污水管网设计与计算

第9章 污水管网设计与计算 城市区域中的生活污水和生产废水，可以统称为城市污水，其中生活污水占有绝大部分的比例。 生活污水和生产废水的排水量大约为用水量的60~80%。 污水管网的主要功能是收集和输送。

污水管网设计与计算 污水管道系统是由污水管道及管道系统上的附属构筑物组成。 污水管（渠）道设计的主要内容： 1．划分排水流域，进行管网定线； 2．划分设计管段，确定各设计管段的设计流量； 3．进行管（渠）道的水力计算，确定管径、坡 度、流速及埋深等； 4．绘制管（渠）道平面图及剖面图。

城市排水管网GIS－污水管网和雨水管网

城市排水系统 城市污水系统： －生活污水系统； －生产污水系统； 雨水排水系统。 区别： 水质、水量变化过程。

城市排水管段敷设

9.1 污水设计流量计算 9．1．1 设计污水量定额 1）居民生活污水定额和综合生活污水定额 9.1 污水设计流量计算 9．1．1 设计污水量定额 1）居民生活污水定额和综合生活污水定额 《室外排水设计规范》GBJ14-87 规定，可按当地用水定额的80％～90％采用。对给排水系统完善的地区可按90％计，一般地区可按80％计。 居民生活污水定额是指居民每人每日所排出的平均污水量。 居民生活污水定额与居民生活用水定额、建筑内给排水设施水平及排水系统普及程度等因素有关。 综合生活污水定额包括公共建筑排放的污水（公共建筑用水量定额－《建筑给水排水》）。

设计分区 2）工业企业工业废水和职工生活污水和淋浴废水定额：《建筑给水排水》。

Kz= Kd· Kh 日变化系数Kd： 在一年中最大日污水量与平均日污水量的比值。 时变化系数Kh： 9．1．2 污水量的变化 日变化系数Kd： 在一年中最大日污水量与平均日污水量的比值。 时变化系数Kh： 最大日中最大时污水量与该日平均时污水量的比值。 总变化系数Kz： 最大日最大时污水量与平均日平均时污水量的比值。 Kz= Kd· Kh

1）居民生活污水量变化系数 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

式中 Qd —— 平均日平均时污水量（L/s）。 （2）计算公式 式中 Qd —— 平均日平均时污水量（L/s）。 在多年观测资料的基础上进行综合分析总结出的计算公式。它反映了我国总变化系数与平均流量之间的关系。 当流量为中间数值时，总变化系数用内差法求得。 当有实际污水量变化资料时，可按实际数据采用。

工业企业生产用水、生活污水和淋浴污水量变化系数 工业种类 冶金 化工 纺织 食品 皮革 造纸 时变化系数Kh 1.0~1.1 1.3~1.5 1.5~2.0 1.3~1.8 工业企业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。

式中 Q1—— 居民生活污水设计流量（L/s）； 9．1．3 污水设计流量计算 1）居民生活污水设计流量的确定 居民生活污水是指居民日常生活中洗涤、冲厕、洗澡等产生的污水。 居民生活污水设计流量可按下式计算： 式中 Q1—— 居民生活污水设计流量（L/s）； q1—— 居民生活污水定额（L/人·d）； N1 —— 设计人口数； Kz —— 生活污水量总变化系数。

排水小区规划图

排水街坊图

2）工业废水设计流量

3）工业企业生活污水和 淋浴污水设计流量计算公式：

式中，

4）公共建筑污水流量（机关、学校、医院等） 式中, Q4 ——各公共建筑污水设计流量（L/s）； q4i —— 各公共建筑最高日污水量标准 L/用水单位·d）； N4i——各公共建筑用水单位数； T4i—— 各公共建筑最高日排水小时数；h Kh4i——各公共建筑污水量时变化系数。

5）城市污水设计总流量 【例题】某工业区，居住区人口为4000人，居民生活污水定额（平均日）=80（L/人·d），工厂最大班职工人数1000人，其中热车间职工占25%，热车间70%职工淋浴，一般车间10%职工淋浴。求该工业区生活污水总设计流量。

解： 1. 居住区生活污水设计流量 2．工业企业生活污水和淋浴污水设计流量

3．生活污水总设计流量

9．2 管段设计流量计算 1）设计管段的划分 （1）设计管段：两点之间的污水管道，如果采用的设计流量、管径和坡度不变，则称它为设计管段。 9．2 管段设计流量计算 1）设计管段的划分 （1）设计管段：两点之间的污水管道，如果采用的设计流量、管径和坡度不变，则称它为设计管段。 （2）划分设计管段：设计流量、管径和坡度不变的连续管段，可以划作一个设计管段。根据管道的平面布置图，凡有集中流量流入，有旁侧管接入的检查井均可作为设计管段的起止点。设计管段的起止点应依次编上号码。

每一设计管段的污水设计流量可能包括以下几种流量： （1）本段流量 q1—— 是从本管段沿线街坊流来的 污水量（归为管段上游节点流量）； 2）设计管段设计流量的确定 每一设计管段的污水设计流量可能包括以下几种流量： （1）本段流量 q1—— 是从本管段沿线街坊流来的 污水量（归为管段上游节点流量）； 人口密度和服务面积乘积： （2）转输流量 q2—— 是从上游管段和旁侧管段流来 的污水量； （3）集中流量 q3—— 是从工业企业或其它产生大量 污水的公共建筑流来的污水量。

式中 q1 —— 设计管段的本段流量（L/s）； F —— 设计管段的本段服务面积（ha）； q s —— 比流量（L/s·ha）。比流量是指 单位面积上排出的平均污水量。可用下式计算： 式中 n —— 生活污水定额（L/人·d）； —— 人口密度（人/ ha）。

式中 q ij —— 某一设计管段的设计流量（L/s）； q1 —— 本段流量（L/s）； q2 —— 转输流量（L/s）； 管段设计流量 管段的设计流量可由下式计算： 式中 q ij —— 某一设计管段的设计流量（L/s）； q1 —— 本段流量（L/s）； q2 —— 转输流量（L/s）； q3 —— 集中流量（L/s）； kz —— 生活污水总变化系数。

9．3 污水管道设计参数 水力计算的两个基本公式给出了流量 Q、流速 v、粗糙系数 n、水力坡度 I、水力半径Ｒ和过水断面面积ω等水力要素之间的关系。为使污水管渠正常运行，需对这些因素加以考虑和限制。作为污水管道设计的依据。 9．3．1 设计充满度 1）设计充满度h/D： 在设计流量下，污水管道中的水深 h与管道直径 D的比值称为设计充满度（或水深比）。当 h/D＝１时称为满流；当 h/D＜1时称为不满流。

2）非满流设计： 污水管道的设计有按满流 和非满流两种方法。在我国， 按非满流进行设计。 原因： 污水的流量很难精确确定，而且雨水或地下水可能渗入污水管道增加流量，因此，选用的污水管道断面面积应留有余地，以防污水溢出； 污水管道内沉积的污泥可能分解析出一些有害气体，需留出适当的空间，以利管道内的通风，排除有害气体，便于管道的疏通和维护管理。

3）最大设计充满度 最大设计充满度的规定如下表： 进行水力计算时，所选用的充满度，应小于或等于表中所规定的数值。 管径或渠高（mm） 200～300 350～450 500～900 ≥1000 0.55 0.65 0.70 0.75

9．3．3 最小管径 不计算管段： 污水管道位置 最小管径（mm） 最小设计坡度 街坊和厂区内 街道 200 300 0.004 0.003 在污水管道的上游，由于设计管段服务的排水面积较小，所以流量较小，由此而计算出的管径也很小。 如果某设计管段的设计流量小于在最小管径、 最小设计坡度（最小流速）、 充满度为0.5时管道通过的流量时，不必计算而直接选用最小管径和最小设计坡度，该管段称为不计算管段。 在有冲洗水源时，这些管段可考虑设置冲洗井定期冲洗以免堵塞。

9．3．4 最小设计坡度 最小设计坡度： 相应于管内最小设计流速时的坡度叫做最小设计坡度，即保证管道内污物不淤积的坡度。 I min=f（v min，R）。 R － 管道的水力半径。 不同管径的污水管道应有不同的最小设计坡度，管径相同的管道，由于充满度不同，也可以有不同的最小设计坡度。在表中规定了最小管径管道的最小设计坡度。

9．3．5 污水管道埋设深度 在污水管道工程中，管道的埋设深度愈大，工程造价愈高，施工期愈长。 含义： （1）覆土厚度——指管外壁顶部到地面的距离； （2）埋设深度——指管内壁底部到地面的距离。

最小埋深 确定污水管道最小埋设深度时，必须考虑下列因素： （1）必须防止管内污水冰冻或土壤冰冻而损坏管道 土壤的冰冻深度。在污水管道工程中，一般所采用的土壤冰冻深度值是当地多年观测的平均值。 《室外排水设计规范》规定：无保温措施的生活污水或水温与其接近的工业废水管道，管底可埋设在土壤冰冻线以上0.15m。有保温措施或水温较高或水流不断、流量较大的污水管道，其管底在冰冻线以上的距离可适当增大，其数值可根据经验确定。

（2）最小覆土厚度 必须保证管道不致因为地面荷载而破坏。 为保证污水管道不因受外部荷载而破坏，必须有一个覆土厚度的最小限值，被称为最小覆土厚度。此值取决于管材的强度、地面荷载类型及其传递方式等因素。 《室外排水设计规范》规定：在车行道下的排水管道，其最小覆土厚度一般不得小于0.7 m。在对排水管道采取适当加固措施后，最小覆土厚度值可酌减。

（3）必须满足街坊污水管衔接的要求 此值受建筑物污水出户管埋深的控制。从安装技术方面考虑，建筑物污水出户管的最小埋深一般在0.5～0.7 m之间，以保证底层建筑污水的排出。所以街坊污水管道的起端埋深最小也应有0.6～0.7 m。由此值可计算出街道污水管道的最小埋设深度。 从上面三个不同的要求来看，可以得到三个不同的管道埋深。这三个值中，最大的一个即是管道的最小设计埋深。

3．最大埋深 管道的最大埋深，应根据设计地区的土质、地下水等自然条件，再结合经济、技术、施工等方面因素确定。 一般在土壤干燥的地区，管道的最大埋深不超过7～8 ｍ；在土质差、地下水位较高的地区，一般不超过5 ｍ。 当管道的埋深超过了当地的最大限度值时，应考虑设置排水泵站提升，以提高下游管道的设计高程，使排水管道继续向前延伸。

9．3．6 污水管道的衔接 1．检查井设置原则：污水管道在管径、坡度、高程、方向发生变化及支管接入的地方及直线管段每隔一定距离。 9．3．6 污水管道的衔接 1．检查井设置原则：污水管道在管径、坡度、高程、方向发生变化及支管接入的地方及直线管段每隔一定距离。 2．污水管道在检查井中衔接时应遵循两个原则： （1）尽可能提高下游管段的高程，以减少管道埋深，降低造价； （2）避免上游管段中形成回水而造成淤积。

3．管道衔接方式：水面平接、管顶平接 （1）水面平接：是指在水力 计算中，上游管段终端和下游 管段起端在指定的设计充满度 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。 适用于管径相同时的衔接。

（2）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顶标高相同。采用管顶平接时，下游管段的埋深将增加。 这对于平坦地区或埋深较大的管 道，有时是不适宜的。这时为了 尽可能减少埋深，可采用水面平 接的方法。 适用于管径不相同时的衔接。

9．4 污水管网水力计算 污水管道设计计算实例： 某市一个区的街坊平面图。居住区街坊人口密度为350 人/ha，居民生活污水定额为120 L/人·d。火车站和公共浴室的污水设计流量分别为3 L/s和4L/s。工厂甲排除的废水设计流量为25 L/s。工厂乙排除的废水设计流量为6 L/s。生活污水和经过局部处理后的工业废水全部送至污水厂处理。工厂废水排出口的管底埋深为2 m，该市冰冻深度为1.40 m。试进行该区污水管道系统的设计计算 （要求达到初步设计深度）。

例题图

管渠水力计算基本公式

非满管流换算图

非满管流计算图

设计方法和步骤： 1．在街坊平面图上布置污水管道 该区地势北高南低，坡度较小，无明显分水线，可划分为一个排水流域。支管采用低边式布置，干管基本上与等高线垂直，主干管布置在市区南部河岸低处，基本上与等高线平行。整个管道系统呈截流式布置。 2．街坊编号并计算其面积 将街坊依次编号并计算其面积，列入表中。用箭头标出各街坊污水排出的方向。

例题计算图

街坊编号 1 2 3 4 5 6 7 面积（ha） 1.21 1.70 2.08 1.98 2.20 1.43 8 9 10 11 12 13 14 2.21 1.96 2.04 2.40 2.28 15 16 17 18 19 20 21 1.45 2.00 1.80 1.66 1.23 1.53 22 23 24 25 26 27 1.71 1.38 街坊面积汇总表：

（L/s·ha） 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，将各干管和主干管有本段流量进入的点（一般定为街坊两端）、集中流量及旁侧支管进入的点，作为设计管段的起止点的检查井并编上号码。 各设计管段的设计流量应列表进行计算。 本例中，居住区人口密度为350人/ ha，居民污水定额为120 L/人·d，则生活污水比流量为 （L/s·ha）

q 1～2 = 25 L/s q 8～9= qs· F· kz = 0.486×（1.21+1.70）·kz =1.41·kz =1.41×2.3=3.24 L/s q 9～10= qs· F· kz = 0.486×（1.21+1.70+1.43+2.21）·kz =3.18·kz =3.18×2.3=7.31 L/s q 10～2= qs· F· kz = 0.486×（1.21+1.70+1.43+2.21+1.21+2.28）·kz =4.88·kz =4.88×2.3=11.23 L/s

q 2～3= q s·F· kz + q甲 = (0.486×2.20+4.88）·kz+ q甲 = 13.09+25=38.09 L/s 管段 编号 居住区生活污水量Q1 集中流量 设计 流量L/s 本段流量 转输流量q2 L/s 合计平均 流量 总变化 系数 kz 生活污水设计流量 Q1 本段L/s 转输L/s 街坊 街坊面积 104m2 比流量qs L/s·104m2 q1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

污水干管流量计算表

4．管渠材料的选择 由于生活污水对管材无特殊要求，且管道的敷设条件较好，故在本设计中，DN≤400 mm的管道采用混凝土管，DN400 mm以上的管道采用钢筋混凝土管。 5．各管段的水力计算 在各设计管段的设计流量确定后，便可按照污水管道水力计算的方法，从上游管段开始依次进行各设计管段的水力计算。

水力计算步骤： (1) 从管道平面布置图上量出每一设计管段的长度， 列入表中第2项。 （2）将各设计管段的设计流量填入表中第3项。设计管段起止点检查井处的地面标高列入表中第10、11项。 （3）计算每一设计管段的地面坡度，作为确定管道坡度时的参考。 （4）根据管段的设计流量，参照地面坡度，确定各设计管段的管径、设计流速、设计坡度和设计充满度。

其余各设计管段的管径、坡度、流速和充满度的计算方法与上述方法相同。 在水力计算中，由于 Q、D、I、v、h/D各水力因素之间存在着相互关联的关系，因此，在查水力计算图时，存在着一个试算过程，最终确定的 D、I、v、h/D要符合设计规范的要求。 （5）根据设计管段的长度和设计坡度求管段的上下游高差。如管段1～2的上下游高差为I·L＝0.002×110＝0.22 m，列入表中第9项。

（6）根据管径和设计充满度求管段的水深。如管段1～2的水深 h＝D·h/D＝0.35×0.447＝0.16 m，列入表中第8项。 （7）求各设计管段上、下端的管内底标高和埋设深度。 控制点：是指在污水排水区域内，对管道系统的埋深 起控制作用的点。 各条干管的起点一般都是这条管道的控制点。 这些控制点中离出水口最远最低的点，通常是整个管道系统的控制点。具有相当深度的工厂排出口也可能成为整个管道系统的控制点，它的埋深影响整个管道系统的埋深。

首先确定管网系统的控制点。本例中离污水厂较远的干管起点有8、11、15及工厂出水口1点，这些点都可能成为管道系统的控制点。1点的埋深受冰冻深度和工厂废水排出口埋深的影响，由于冰冻深度为1.40 m，工厂排出口埋深为2.0 m，1点的埋深主要受工厂排出口埋深的控制。8、11、15三点的埋深可由冰冻深度及最小覆土厚度的限值决定，但因干管与等高线垂直布置，干管坡度可与地面坡度相近，因此埋深增加不多，整个管线上又无个别低洼点，故8、11、15三点的埋深不能控制整个主干管的埋设深度。对主干管埋深起决定作用的控制点则是1点。

确定控制点管道埋深 应根据城市的竖向规划，保证排水区域内各点的污 水都能自流排出，并考虑发展，留有适当余地； 不能因照顾个别点而增加整个管道系统的埋深。 对个别点 应采取加强管材强度，减小埋设； 填土提高地面高程以保证管道所需的最小覆土厚度； 设置泵站提高管位等措施，减小控制点的埋深。

1节点是主干管的起点，它的埋设深度定为2.0 m，将该值列入表12－6中第16项。

2点的埋设深度等于2点的地面标高减去2点的管内底标高，为86.100－83.98＝2.12 m，列入表12－6中第17项。 8～2、11～4、15～6三条污水干管各设计管段均为不计算管段，管段间衔接采用管顶平接。 （8）计算管段上、下端水面标高。 管段上下端水面标高等于相应点的管内底标高加水深。如管段1～2中1点的水面标高为84.200+0.16＝84.36 m，列入表中第13项。

污水干管水力计算表

根据管段在检查井处采用的衔接方法，可确定下游管段的管内底标高。 1) 管段1～2与管段2～3的管径相同，采用水面平接。 则这两管段在2点的水面标高相同。于是，管段2～3中2点的管内底标高为84.14－0.22＝83.92 m。 2）如管段4～5与管段5～6管径不同，可采用管顶平接。则这两管段在5点的管顶标高相同。然后用5点的管顶标高减去5～6管径，得出5点的管内底标高。

在进行管道的水力计算时，应注意如下问题： ① 慎重确定设计地区的控制点。这些控制点常位于本区的最远或最低处，它们的埋深控制该地区污水管道的最小埋深。各条管道的起点、低洼地区的个别街坊和污水排出口较深的工业企业或公共建筑都是控制点的研究对象。 ② 研究管道敷设坡度与管线经过的地面坡度之间的关系。使确定的管道坡度在满足最小设计流速的前提下，既不使管道的埋深过大，又便于旁侧支管的接入。

③ 水力计算自上游管段依次向下游管段进行，随着设计流量逐段增加，设计流速也应相应增加。如流量保持不变，流速不应减小。只有当坡度大的管道接到坡度小的管道时，下游管段的流速已大于1.0 m/s（陶土管）或1.2 m/s（混凝土、钢筋混凝土管道）的情况下，设计流速才允许减小。 设计流量逐段增加，设计管径也应逐段增大，但当坡度小的管道接到坡度大的管道时，管径才可减小，但缩小的范围不得超过50～100 mm，并不得小于最小管径。

④ 在地面坡度太大的地区，为了减小管内水流速度，防止管壁遭受冲刷，管道坡度往往小于地面坡度。这就可能使下游管段的覆土厚度无法满足最小限值的要求，甚至超出地面，因此应在适当地点设置跌水井。 当地面由陡坡突然变缓时，为了减小管道埋深，在变坡处应设跌水井。

⑤ 水流通过检查井时，常引起局部水头损失。为了尽量降低这项损失，检查井底部在直线管段上要严格采用直线，在转弯处要采用匀称的曲线。通常直线检查井可不考虑局部水头损失。 ⑥ 在旁侧管与干管的连接点上，要考虑干管的已定埋深是否允许旁侧管接入。同时为避免旁侧管和干管产生逆水和回水，旁侧管中的设计流速不应大于干管中的设计流速。

⑦ 初步设计时，只进行干管和主干管的水力计算。技术设计时，要进行所有管道的水力计算。 6．绘制管道平面图和纵剖面图 污水管道平面图和纵剖面图的绘制方法见本章第五节。本例题的设计深度仅为初步设计，所以，在水力计算结束后将求得的管径、坡度等数据标注在管道平面图上。同时，绘制出主干管的纵剖面图。

9．5 绘制管道平面图和纵剖面图 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。

污水干管剖面图

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1：5000～1：10000，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1：500～1：5000，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。

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1：500～1：2000，纵向1：50～1：200。 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。