城市污水之城市排水系统的体制和组成教案.docx

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城市污水之城市排水系统的体制和组成教案

第一章排水沟道系统

课程学习目标和基本要求：

（1）全面掌握和了解城镇排水工程系统规划的基本概念、常识。

（2）准确掌握有关城镇排水管网设计的基本原理以及相关的计算方法。

第一节城市排水系统的体制和组成

排水系统：

为了系统地排除和处置各种废水而建设的一整套工程设施。

排水体制：

污水不同的排出方式所形成的排水系统。

一、规划与定线

排水沟道系统应根据城市规划和建设情况统一考虑，分期建设。

排水沟道系统使用年限长，改建困难，因此，应按远期水量设计，远期的规划年限应与城市的总体规划相协调。

排水沟道系统的平面布置，应根据地形、道路建设情况、原有和规划的地下设施，施工条件以及城市污水处理厂的位置等许多因素综合考虑确定。

排水沟道的流向与在街道上的位置应与街道的坡度协调、配合。

（堵塞溢流）

在一般情况下，排水沟道应尽量避免设在车行道下，如不可避免，应充分考虑施工对交通和路面建设的影响。

二、排水系统的体制

合流制排水系统——将生活污水、工业废水和雨水混合在同一套沟道内排除的系统。

分直排式合流制排水系统和截流式合流制排水系统两种。

分流制排水系统——将污水和雨水分别在两套或两套以上各自独立的沟道内排除的系统。

分完全分流制排水系统、不完全分流制排水系统和半分流制排水系统。

1、直排式合流制排水系统（见图1－1）

将排除的混合污水不经处理和利用就近直接排入水体。

以往的老城市差不多都是采用这种排水体制。

特点：

对水体污染严重；沟道建设相对较少，又不建污水厂，所以投资较低；不能满足环境保护的需要，一般不宜采用。

改造这种系统时，常采用截流式合流制排水系统。

2、截流式合流制排水系统（见图1－2）

在早期建设的基础上，沿水体岸边增建一条截流干沟，并在干沟末端设置污水厂。

同时，在截流干沟与原干沟相交处设置溢流井。

特点：

投资比直排式高；比直排式有了较大的改进；但在雨天，仍可能有部分混合污水因直接排放而污染水体，在多雨地区，污染可能仍然严重；随着环境质量标准的提高，这种系统也将满足不了要求。

3、完全分流制排水系统（见图1－3）

生活污水和工业废水通过污水排水系统排至污水厂，经处理后排入水体；雨水则通过雨水排水系统直接排入水体。

特点：

投资一般比截流式高；雨水污水分流，环保效益较好；将导致初污雨水直接进入水体形成污染；适用于工矿企业和新建的城市。

4、不完全分流制排水系统（见图1－4）

只设有污水排水系统，没有完整的雨水排水系统，各种污水通过污水排水系统排至污水厂，经处理后排入水体；雨水则通过地面漫流进入不成系统的明沟和小河，然后进入水体。

特点：

无雨水排水系统，投资比较少；受地形的限制；适用于发展中的城镇、工业区和居住区（可分步投资，先建污水系统，再完善雨水系统）。

5、半分流制排水系统（见图1－4）

在完全分流制排水系统的基础上改进的。

在雨水干沟上设置雨水跳跃井可截留初污雨水进入污水沟道。

雨水干沟流量不大时，雨水与污水一起进入污水处理厂处理；雨水干沟流量超过截流量时，跳跃截流口经雨水出流干沟排入水体。

特点：

环境效益最好；在生活水平高、环境质量要求高的城镇可以采用。

目前尚无实例。

排水体制的选择原则：

三、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。

排水系统（图1－6）

沟道系统——收集和输送废水的工程设施①～④

污水厂——改善水质和回收利用污水的工程设施⑤～⑾

出水口——废水排入水体的工程设施⑿～⒀

（一）城市污水系统

城市污水系统的作用是收集住宅和公共建筑的污水并输送至污水厂，由五部分组成。

1、房屋污水管道系统——联结室内用水设备和室外沟道，以排除用过的水。

（见教材）。

污、废水在排水管系中的流动并不是一相流，而是呈现复杂的气水两相流。

水封高度——存水弯中存有的水柱的高度。

水封层越厚，防止气体穿透的能力越强；但水封层太高，又会使存水弯底部容易产生沉积脏物，且安装也较困难。

水封高度按不同的卫生器具类型宜在25~100mm范围内选用。

2、城市污水沟道系统——分坊内沟道和坊外沟道。

有支沟、干沟和总干沟以及一些附属设施组成。

为了便于清通，每段沟道都呈直线，段与段之间设窨井。

倒虹管等，第三节会学到。

3、污水泵站及压力管道

4、污水厂

5、出水口和事故排放口

（二）工厂排水系统

工厂排水系统的作用是收集各车间及其他排水对象所排出的废水，送至回收利用、处理构筑物，或直接排入城市排水系统。

由五部分组成。

1、车间内部沟道系统和设备（见教材）

2、厂内沟道系统（见教材，详细讲解图1－11）

（其他的组成部分与城市污水系统相同）

3、污水泵站及压力管道

4、污水厂

5、出水口和事故排放口

（三）雨水排水系统

雨水排水系统的作用是收集雨水径流，排入水体。

由五部分组成。

1、房屋雨水管道系统——收集屋面雨水，并将其排入室外的雨水沟道系统。

2、街坊或厂区雨水沟道系统——窨井、控制井等。

3、街道雨水沟道系统——有检查井、跌水井、出水口和雨水口等。

4、排洪沟

5、雨水泵站及压力管——必要时抽升部分或全部雨水。

第二节沟道及沟道系统上的构筑物

一、概述

见教材

沟道的基本要求（对管材的要求）：

1、不渗水——否则将降低沟道的排水能力或是污染邻近的地下水。

2、抗腐蚀和耐冲刷磨损——某些污水和地下水有侵蚀性，杂质有冲刷磨损作用。

3、水力性能好——内壁面整齐光滑，减少水流阻力，保持水流畅通。

4、能承担外压力——土压力、车辆压力和内部水压，而且在运输和施工中不致破裂。

5、价格便宜，易于施工，使用寿命长——应就地取材，考虑预制管件和快速施工的可能性，以降低造价以及运输和施工费用，从而降低整个沟道系统的造价。

二、沟管

通常是圆形的非金属管子。

圆形：

水力性能好。

在一定坡度下，在指定断面面积下，水力半径最大，因此流速大，流量也大。

此外，便于预制，使用材料经济，对外压抵抗力较强。

能获得较高的稳定性，运输、施工和养护方便。

非金属：

抗腐蚀性、耐冲刷磨损性和经济性都优于金属管。

只有在外力很大或对渗漏要求特别高的场合才采用金属管。

（一）混凝土管

混凝土管适用于排除雨水、污水。

管径一般小于450mm，长度为0.6～1m。

管口有承插式、企口式和平口式（见图1-12）。

前两种方式适用于中、小口径的管道，后一种适用于大口径的管道。

管间连接方式管节间用水泥砂浆或沥青油膏填封，前者为刚性，强度高，适用于一般废水管道和水头低于5m的低压管，后者为柔性，适用于地基较差的管道连接，能承受微量的不均匀沉陷（下同）。

混凝土管一般在专门的工厂预制，也可以现场浇制。

混凝土管的制造方法有捣实法、压实法和振荡法。

优点：

原料较易获得，设备、制造工艺简单。

缺点：

抗蚀性较差，既不耐酸也不耐碱；抗渗性也较差；管节短、接头多，施工复杂。

（二）钢筋混凝土管

钢筋混凝土管适用于排除雨水、污水。

管径一般500～2400mm，长度在1～3m之间。

口径在700mm以上时，采用内外两层钢筋，钢筋的混凝土保护层为25mm。

当管道埋深较大或敷设在土质条件不良的地段，以及穿越铁路、河流、谷地时，都可采用钢筋混凝土管（还可以用金属管）。

除用于无压管外，亦可用作倒虹管以及泵站的压力管。

其它优缺点同混凝土管。

管口：

承插、企口和平口。

制造方法：

捣实法、压实法和振荡法。

其它优缺点同混凝土管。

（三）陶土管

陶土管差不多适用于各种水质，特别是酸性废水。

缺点是质脆易碎，不宜敷设在松土和地质不稳定地区（如土崩或地震地区）。

烧制过程管径管长外形（图1－13）

（四）金属管——铸铁管、钢管

在外力很大或对渗漏要求特别高的场合下才采用金属管。

在压力管线上和施工特别困难的场合也常采用。

优点：

质地坚固，抗压抗震抗渗透性好，水流阻力小（内壁光滑），管节长、接头少。

缺点：

价格昂贵，抗腐蚀性差。

（五）UPVC管（白色塑料管）（六）玻璃钢管（七）HDPE管

合理选择管材的原则

1、静力学方面，必须具有较大的稳定性，在承受荷载时应是稳定的和坚固的。

2、水力学方面，应具有最大的排水能力，在一定的流速下不产生沉淀物。

3、经济方面，市场供应充足，单长造价较低。

4、养护方面，应便于冲洗和清淤，使用寿命长。

5、适用性方面，不易被腐蚀和磨损。

特别说明：

①生活污水以及中性或弱碱性（pH=8~10）的工业废水，上诉管材都适用，当生活污水沟道，河流污水沟道采用混凝土或钢筋混凝土管材时，由于沉积污泥会析出硫化氢腐蚀沟道，可在沟道内加入专门的衬层（多由沥青，煤焦油或环氧树脂材料做成）；②如果是碱性（pH>10）的工业废水，用陶土管或砖渠；③如果是较强酸性（pH>5）的工业废水，用陶土管、耐酸水泥砌的砖渠或内壁涂有塑料或环氧树脂衬层的管道；④其它情况下，可根据各管材的优缺点进行选择。

三、沟渠

常用沟渠断面（见图1-14），各断面优缺点见教材。

四、管道基础

常用的管道基础有：

砂土基础、灰土基础、混凝土基础。

各种基础的形式、做法和适用条件参见《给水排水标准图集》S222。

五、窨井

各种检查井

窨井，又称检查井，主要是为了检查、清通和连接沟道而设置的（见图1-15）。

文字说明在p24

检查井的位置：

①沟道交汇、转弯处；②管道尺寸、标高或坡度变化处；③直线沟道上每隔一段距离处；④特殊用途处。

具体技术说明见教材p23①②③④⑤

窨井井身和井盖的材料见教材p23和p24。

井身与地面的距离见教材p25。

标准设计参见《给水排水标准图集》S231S232S233

六、跌水井

当上下游沟段出现较大的落差（大于1m）时，一般窨井不再适用，改用跌水井连接。

管道直径小于等于200mm时，一次落差不宜超过6m，管道直径为300～400mm时，一次落差不宜超过4m，管径大于400mm时，其一次跌水高度和跌水方式应通过水力计算确定。

跌水井是设有消能设施的窨井，它可以克服水流跌落时产生的巨大冲击力，宜设在直线沟段（转弯处不宜设）。

跌水井的构造见教材。

跌水井有多种形式：

竖管式、竖槽式、阶梯式和堰坝式。

标准设计参见《给水排水标准图集》S234

图1-20竖管式跌水井和图1-21阶梯式跌水井

七、水封井

当工业废水中含有易燃的挥发性物质时（如汽油类物质），它的沟道水面空间常充满空气和易燃气体的混合物，易发生爆炸，并点燃水面浮油，火有窜入车间的危险。

为防止这种气体进入车间，在连接车间内、外沟段的窨井中应设置水封，这种窨井叫水封井（图1-22）。

当排泄这类废水的沟道很长时，在沟道适当的位置也应设置水封井。

这类沟道具有危险性，定线时要注意安全问题。

水封的深度一般为0.25m，井上设通风管（其管径不得小于100mm），井底设沉泥槽。

八、溢流井（见教材）

在合流沟道与截留沟道的交接处，设置溢流井以完成截留（晴天）和溢流（雨天）的作用。

截流槽式溢流井（图1-23）

溢流井示意图（图1-24）

九、跳越井（见教材）

一般用于半分流制排水系统，设在截留沟道与雨水沟道的交接处（图1-25）。

十、冲洗井（见教材）

当污水在沟道内的流速不能保证自清时，为防止淤积可设置冲洗井。

冲洗井一般适用于管径小于400mm的较小沟道，冲洗沟道长度一般为250m左右（见图1-26）。

十一、潮门井（见教材）

为防止潮水或河水倒灌进排水沟道，在排水沟道出水口上游的适当位置应设置潮门井，潮门井是装有防潮闸门的窨井（见图1-27）。

十一、雨水口

雨水口是在雨水沟道或合流沟道上收集地面雨水的构筑物。

设在交叉路口、路侧边沟的一定距离处以及设有道路边石的低洼地方（宜设在汇水点或截水点，不宜设在汇水很少或不便的地方）。

雨水口的形式和数量应按汇水面积上所产生的径流量和雨水口的泄水能力来确定。

雨水口包括进水篦、井身和连接管三部分。

形式：

边沟雨水口（进水篦稍低于边沟底水平放置图1-28）、侧石雨水口（进水篦嵌入边石垂直放置图1-29）和联合式雨水口图1-30。

汇水能力与适用条件p31间距p31篦面高p31与窨井的连接p31

雨水口井身一般不大于1.0m，一般为0.6～0.8m。

其泄水能力及适用条件见《给水排水标准图集》S235。

图1-28边沟雨水口图1-29侧石雨水口

十二、倒虹管

定义：

倒虹管由进水井、沟管及出水井组成。

分直管式和折管式。

位置：

①穿越河道、铁路、洼地、或地下构筑物等障碍物不能按原高程通过；②尽可能与障碍物轴线垂直。

数目：

①穿越小河，旱沟，洼地时可设1条；②穿越河道时一般设两条，1用1备（穿过河道的倒虹管，应选择在河床和河岸较稳定、不易被冲刷的地段及埋深较小的部位敷设。

管顶与河床的垂直距离一般不小于0.5m。

）；③穿越特殊重要的构筑物时应设3条，2用1备。

长度：

角度：

管材和管径选择：

流速：

进出水井：

图1-34避开地下管道的直式倒虹管

图1-33穿越道河的折管式倒虹管

防止倒虹管内污泥淤积的措施（前面都已经讲了，这里再次强调）

（1）提高倒虹管内的设计流速：

一般采用1.2~1.5m/s；

（2）最小管径采用200mm；

（3）在进水井或靠近进水井的上游沟道的窨井底部设沉淀槽；

（4）折管式倒虹管的上升管与水平线夹角应不大于30º。

十三、管桥

沟道穿过谷地时，可以不变更坡度而用栈桥或桥梁承托沟管，这种构筑物称为管桥。

十四、出水口（见教材）

（沟道出水口的位置和形式应根据出水水质、水体的水位及其变化幅度、水流方向、下游用水情况、边岸变迁（冲、淤）情况和夏季主导风向等因素确定，并要取得当地卫生主管部门和航运管理部门的同意。

污水和受水水体需充分混合时，出水口常长距离伸入水体。

雨水出水口设在常水位以上。

污水出水口应尽可能在常水位以下。

出水口与河道连接处，一般设置护坡或土墙。

出水标高比水体水面高出很多时，应考虑设置单级或多级跌水设施。

）

第二章

城市污水管道系统的规划设计

第一节沟道中的水流情况

污水在沟道系统中的流动特点

1.管网呈树枝状且沿程流量递增；

2.靠重力流动；

3.污水中含有杂质（①µ>µ清水；②过水断面面积变化；③粗糙系数发生变化。

）近似按清水出厂管计算；

4.沟道中流速沿程有变化：

（①沿程流量有变化；②转弯，交叉，变径等处流速有变化。

）近似按稳定均匀流计算。

第二节污水沟道水力学设计的原则

沟道水力学设计：

根据水力学原理确定沟道的管径，坡度和高程。

一.设计原则（见教材）

1.不溢流2.不淤积3.不冲刷沟壁4.要注意通风

第三节沟道水力学计算用的基本公式

一.水力计算公式

1.流量公式：

Q=Av（4.2.1）

式中：

Q－设计流量（m3/s）；

A－水流有效断面面积（m2）；

v－流速（m/s）。

2.流速公式：

式中：

v—流速（m/s）；

R—水力半径（m）；

I—水力坡降；

n—粗糙系数。

3.方程组：

①流速公式；②qv=

二.污水设计流量计算

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）道设计的主要内容包括：

划分排水流域，进行管网定线；划分设计管段，确定各设计管段的设计流量；进行管（渠）道的水力计算，确定管径、坡度、流速及埋深等；绘制管（渠）道平面图及剖面图。

2.1污水设计流量计算

污水设计流量是污水管道系统及附属构筑物设计的依据。

2.1.1设计污水量定额

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。

我国现行《室外排水设计规范》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。

综合生活污水定额（还包括公共建筑排放的污水）

注意：

采用平均日污水量定额。

工业企业工业废水和职工生活污水和淋浴废水定额：

与给水定额相近，可参考。

2.1.2污水量的变化

通常用变化系数来反映城镇污水量的变化程度。

变化系数有日变化系数、时变化系数和总变化系数。

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称为日变化系数。

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，称为时变化系数。

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称为总变化系数。

Kz=Kd·Kh

1．居民生活污水量变化系数

总变化系数与平均流量有一定关系，平均流量愈大，总变化系数愈小。

生活污水量总变化系数宜按现行《室外排水设计规范》规定采用。

（1）查表

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，总变化系数用内差法求得。

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。

（2）公式计算

该式是我国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：

式中——平均日平均时污水量（L/s）。

2．工业废水量变化系数

日变化系数较小，接近1。

时变化系数见下表：

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

1.5~2.0

1.5~2.0

1.3~1.8

3．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。

1．1．3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。

设计人口指污水排水系统设计期限终期的规划人口数。

它与城市的发展规模及人口的增长率有关。

2．工业废水设计流量

3．工业企业的生活污水和淋浴污水设计流量的确定

工业企业生活污水和淋浴污水设计流量用下式计算：

（4）公共建筑污水设计流量

可利用综合污水定额计算，如有具体资料也可单独计算。

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．工业企业的生活污水和淋浴污水设计流量

3．生活污水总设计流量

2．2管段设计流量计算

1．设计管段的划分

（1）设计管段：

两个检查井之间的管段，如果采用的设计流量不变，且采用同样的管径和坡度，则称它为设计管段。

（2）划分设计管段：

只是估计可以采用同样管径和坡度的连续管段，就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。

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；

（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。

对于某一设计管段，本段流量是沿管段长度变化的，即从管段起点的零逐渐增加到终点的全部流量。

为便于计算，通常假定本段流量从管段起点集中进入设计管段。

而从上游管段和旁侧管流来的转输流量q2和集中流量q3对这一管段是不变的。

本段流量是以人口密度和管段的服务面积来计算，公式如下：

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）；

qs——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）；

ρ——人口密度（人/ha）。

某一设计管段的设计流量可由下式计算：

式中qij——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。

第四节水力学算图

第五节沟道水力学设计数据

5.1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。

2.3.1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．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。

原因是：

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。

一.设计充满度

充满度定义：

沟道中的水深h和管径D（或渠深H）的比值。

如p43图。

设计充满度：

沟道是按不满流的情况进行设计的。

在设计流量下，沟道中的水深h和管径D（或渠深H）的比值c称为设计充满度。

1.按不满流进行设计（h/D<1）

h/D≤（h/D）max（最大设计充满度）

（h/D）max见表2－2《室外排水设计规范》

排水管渠的最大设计充满度和超高，应符合下列规定：

（1）重力流污水管道应按非满流计算，其最大设计充满度，应按《室外排水设计规范》表4.2.4的规定取值；

表4.2.4最大设计充满度

管径或渠高（mm）

最大设计充满度

200~300

0.55

350~450

0.65

500~900

0.70

≥1000

0.75

注：

在计算污水管道充满度时，不包括短时突然增加的污水量，但当管径小于或等于300mm时，应按满流复核。

（2）雨水管道和合流管道应按满流计算；

（3）明渠超高不得小于0.2m。

按不满流进行设计原因：

①留出一定空间，使管道通风；②考虑未预见水量；③便于沟道的疏通和维护管理，④在一定条件，可提高流速，减少淤积（流速和充满度的关系见教材手画图）。

h/D↓，排量↓；h/D↑；流速↓。

2.按满流设计（h/D＝1）

雨水沟道系统按满流设计（h/D＝1）

qv满＝qv＋q未预见，q未预见＝（10～