第四章-計(jì)算機(jī)在排水管網(wǎng)中最優(yōu)化應(yīng)用課件

第四章計(jì)算機(jī)在排水工程中的應(yīng)用2023/7/191污水管道中污水流動(dòng)的特點(diǎn)水力計(jì)算的基本公式污水管道水力計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)污水管道的埋設(shè)深度污水管道水力計(jì)算的方法污水管道的設(shè)計(jì)2023/7/192污水在管道中一般是靠管道兩端的水面高差從高到低處流動(dòng)。在大多數(shù)情況，管道內(nèi)部是不承受壓力的，即靠重力流動(dòng)。污水的流動(dòng)按照一般液體流動(dòng)的規(guī)律，并假定管道內(nèi)水流是均勻流。

污水管道中污水流動(dòng)的特點(diǎn)

2023/7/193污水管道水力計(jì)算的目的，在于合理的經(jīng)濟(jì)的選擇管道斷面尺寸、坡度和埋深。由于這種計(jì)算是根據(jù)水力學(xué)規(guī)律，所以稱做管道的水力計(jì)算。

水力計(jì)算的基本公式

2023/7/1942023/7/1951、設(shè)計(jì)充滿度在設(shè)計(jì)流量下，污水在管道中的水深h和管道直徑D的比值為設(shè)計(jì)充滿度（或水深比），h/D=1時(shí)稱為滿流；h/D<1時(shí)稱為不滿流。污水管道的設(shè)計(jì)有按滿流和不滿流兩種方法。我國(guó)按不滿流進(jìn)行設(shè)計(jì)。在計(jì)算污水管道充滿度時(shí)，不包括淋浴或短時(shí)間內(nèi)突然增加的污水量。

污水管道水力計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

2023/7/196管徑（D）或暗渠高（H）（mm）最大設(shè)計(jì)充滿度（h/D或h/H）200-3500.55350-4500.65500-9000.70≥10000.752023/7/1972、設(shè)計(jì)流速和設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)充滿度相應(yīng)的水流平均速度叫做設(shè)計(jì)流速。最小設(shè)計(jì)流速是保證管道內(nèi)不致發(fā)生淤積的流速。設(shè)計(jì)充滿度下的最小設(shè)計(jì)流速為0.6m/s。管徑為500、600-1000、1100-1400和大于等于1500mm的最小設(shè)計(jì)流速分別為0.7、0.8、0.9和1.0m/s；最大設(shè)計(jì)流速是保證管道不被沖刷損壞的流速。該值與管道材料有關(guān)，通常，金屬管道最大設(shè)計(jì)流速為10m/s，非金屬管道的最大設(shè)計(jì)流速為5m/s。2023/7/1983、最小管徑一般在污水管道系統(tǒng)上游部分，設(shè)計(jì)污水流量很小，若根據(jù)流量計(jì)算，則管徑會(huì)很小，管徑過(guò)小極易堵塞，采用較大的管徑，可選用較小的坡度，使管道埋深減小。不計(jì)算管段——若設(shè)計(jì)管段服務(wù)的排水面積小于（根據(jù)最小管徑在最小設(shè)計(jì)流速和最大充滿度情況下能通過(guò)的最大流量值，進(jìn)一步估算出的設(shè)計(jì)管段的排水面積），即直接采用最小管徑和相應(yīng)的最小坡度而不再進(jìn)行水力計(jì)算。2023/7/1994、最小設(shè)計(jì)坡度在污水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，通常使管道埋設(shè)坡度與設(shè)計(jì)地區(qū)的地面坡度基本一致，但管道坡度造成的流速應(yīng)等于或大于最小設(shè)計(jì)流速，以防止管道內(nèi)產(chǎn)生沉淀。最小設(shè)計(jì)坡度——相應(yīng)于管內(nèi)流速為最小設(shè)計(jì)流速時(shí)的管道坡度。2023/7/1910管徑200mm的最小設(shè)計(jì)坡度0.004；管徑300mm的最小設(shè)計(jì)坡度0.003。2023/7/1911覆土厚度——指管道外壁頂部到地面的距離；埋設(shè)深度——指管道內(nèi)壁底到地面的距離。1、必須防止管道內(nèi)污水冰凍和因土壤凍脹而損壞管道無(wú)保溫措施的生活污水管道或水溫與生活污水接近的工業(yè)廢水管道，管底可埋設(shè)在冰凍線以上0.15m。2、必須防止管壁因地面荷載而受到破壞車行道下污水管最小覆土厚度不宜小于0.7m。3、必須滿足街區(qū)污水連接管銜接的要求

污水管道的埋設(shè)深度

2023/7/1912已知設(shè)計(jì)流量Q和管道粗糙系數(shù)n，需要求管徑D、水力半徑R、充滿度h/D、管道坡度I和流速v。有五個(gè)未知數(shù)，因此須假定3個(gè)求其他2個(gè)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，常采用水力計(jì)算圖（將流量、管徑、坡度、流速、充滿度、粗糙系數(shù)各水力因素之間關(guān)系繪制起來(lái)的圖形）。

污水管道水力計(jì)算的方法

2023/7/19131、確定排水區(qū)界，劃分排水流域2、管道定線和平面布置的組合（定線按主干管、干管、支管順序依次進(jìn)行，應(yīng)盡可能在管線較短和埋深較小的情況下，讓最大區(qū)域的污水能自流排出）3、控制點(diǎn)的確定和泵站的設(shè)置地點(diǎn)

污水管道的設(shè)計(jì)

2023/7/19144、設(shè)計(jì)管段及設(shè)計(jì)流量的確定設(shè)計(jì)管段——兩個(gè)檢查井之間的管段采用的設(shè)計(jì)流量不變，且采用同樣的管徑和坡度。每一設(shè)計(jì)管段的污水設(shè)計(jì)流量可能包括以下幾種流量：A．本段流量q1——是從管段沿線街坊流來(lái)的污水量；B．轉(zhuǎn)輸流量q2——是從上游管段和旁側(cè)管段流來(lái)的污水量；C．集中流量q3——是從工業(yè)企業(yè)或其它大型公共建筑物流來(lái)的污水量。2023/7/1915初步設(shè)計(jì)時(shí)，只計(jì)算干管和主干管的流量。技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算全部管道的流量。2023/7/19165、污水管道的銜接管道銜接時(shí)應(yīng)遵循的兩個(gè)原則：A．盡可能提高下游管段的高程，以減少管道埋深，降低造價(jià)；B．避免上游管段中形成回水而造成淤積。2023/7/1917水面平接——指的是在水力計(jì)算中，使上游管段終端和下游管段起端在指定的設(shè)計(jì)充滿度下的水面標(biāo)平，即上游管段終端與下游管段起端的水面標(biāo)高相同。管頂平接——指的是在水力計(jì)算中，使上游管段終端和下游管段起端的管頂標(biāo)高相同。跌水連接——當(dāng)管道敷設(shè)地區(qū)的地面坡度很大時(shí)，為了調(diào)整管內(nèi)流速所采用的管底坡度將會(huì)小于地面坡度。不管采用哪種銜接方法，下游管段起端的水面和管底標(biāo)高都不得高于上游管段終端的水面和管底標(biāo)高。2023/7/19181、在小區(qū)平面圖上布置污水管道；2、街區(qū)編號(hào)并計(jì)算面積；3、劃分設(shè)計(jì)管段、計(jì)算設(shè)計(jì)流量（只計(jì)算主干管和干管）；本段流量利用q0比流量與面積的乘積求出。集中流量轉(zhuǎn)輸流量

污水管道設(shè)計(jì)計(jì)算流程

2023/7/19194、水力計(jì)算（列表計(jì)算）A．從管道平面圖上量出每一段設(shè)計(jì)管段的長(zhǎng)度，列入表中；B．設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量列入表中，設(shè)計(jì)管段起迄點(diǎn)（起點(diǎn)和終點(diǎn)）檢查井處的地面標(biāo)高列入表中；C．計(jì)算每一設(shè)計(jì)管段的地面坡度（地面高差/距離），作為確定管道坡度時(shí)參考；D．確定起始管段管徑以及設(shè)計(jì)流速v，設(shè)計(jì)坡度I，設(shè)計(jì)充滿度h/D。首先擬采用最小管徑300mm，由水力計(jì)算圖得出；2023/7/1920E．確定其它管段的管徑、流速、充滿度和管道坡度；

F．計(jì)算各管段上端、下端的水面、管底標(biāo)高及其埋設(shè)深度；由管段長(zhǎng)度和管道坡度求降落量；由管徑和充滿度求水深；確定控制點(diǎn)，可知道初始埋深；由前面幾點(diǎn)和管段在檢查井內(nèi)銜接方式確定設(shè)計(jì)管段上、下端的管內(nèi)底標(biāo)高，水面標(biāo)高及埋設(shè)深度；2023/7/1921G．需注意的問(wèn)題a．必須細(xì)致研究管道系統(tǒng)的控制點(diǎn)；b．必須細(xì)致研究管道敷設(shè)坡度與管線經(jīng)過(guò)地段的地面坡度之間的關(guān)系；c．水力計(jì)算自上游依次向下游管段進(jìn)行，流量應(yīng)逐段增加，流速也相應(yīng)增加。只有在管道坡度由大驟然變小的情況下，設(shè)計(jì)流速才允許減??；d．地面坡度太大的地區(qū)，為了減小管內(nèi)水流速度，防止管壁被沖刷，管道坡度往往需要小于地面坡度?？稍谶m當(dāng)點(diǎn)設(shè)置跌水井，管段之間采用跌水連接；e．水流通過(guò)檢查井時(shí)，常引起局部水頭損失，一般可不考慮局部損失；f．旁側(cè)管與干管的連接處時(shí)，要考慮干管的已定埋深是否允許旁側(cè)接入，可能需要用到跌水井。2023/7/1922排水管網(wǎng)計(jì)算（水力與高程的設(shè)計(jì)計(jì)算）特點(diǎn)：1、污水在非滿流的管道中靠重力流動(dòng)，采用均勻流基本公式計(jì)算；2、每一管段設(shè)計(jì)計(jì)算采用同一公式與相同計(jì)算方法概述每一個(gè)管段的計(jì)算均需要對(duì)v、D、h/D、I多次選擇與計(jì)算，并需要考慮管段之間連接及各約束條件計(jì)算工作重復(fù)計(jì)算機(jī)編程（PSG19源程序）2023/7/1923PSG19源程序特點(diǎn)：1、目標(biāo)：降低工程造價(jià)；2、計(jì)算方法與人工計(jì)算基本相同，按照污水流動(dòng)方向，先計(jì)算支管后計(jì)算干管和主干管，從上游至下游一次計(jì)算；3、計(jì)算過(guò)程中，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范等約束條件的同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)（v、D、h/D、I）等優(yōu)化選擇；4、適用于各種地形條件下的分流制污水排水管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算；5、人機(jī)對(duì)話功能（如地面坡度較大，跌水or增大I）；6、運(yùn)算時(shí)只輸入必要原始數(shù)據(jù)，其它如比流量等能計(jì)算出來(lái)；7、從計(jì)算結(jié)果中優(yōu)選最佳方案。2023/7/1924P221污水管道水力計(jì)算的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)污水管道的埋設(shè)深度污水管道水力計(jì)算的方法（水力計(jì)算圖）排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算的約束條件設(shè)計(jì)充滿度、設(shè)計(jì)流速、最小管徑、最小設(shè)計(jì)坡度已知設(shè)計(jì)流量Q和管道粗糙系數(shù)n，需要求管徑D、水力半徑R、充滿度h/D、管道坡度I和流速v2023/7/1925目的：降低工程造價(jià)1、設(shè)計(jì)流速2、設(shè)計(jì)充滿度3、檢查井內(nèi)管段銜接4、全局優(yōu)化思想選擇設(shè)計(jì)參數(shù)最優(yōu)化基本思想減小埋深和坡度盡可能小V一定，R增大，I減小盡可能大水面平接、管頂平接、管底平接人機(jī)對(duì)話2023/7/1926人工計(jì)算方法：水力計(jì)算圖計(jì)算機(jī)：引入新的參數(shù)θ（管道過(guò)水?dāng)嗝鎶A角）求出管道設(shè)計(jì)中的未知參數(shù)計(jì)算方法已知設(shè)計(jì)流量Q和管道粗糙系數(shù)n，需要求管徑D、水力半徑R、充滿度h/D、管道坡度I和流速v2023/7/19272023/7/19281、子程序ROOTS1和ROOTS2（P252、253）兩大重要子程序二分法求解非線性方程1、已知流量Q，坡度I，管道粗糙度n，管道管徑d，精度要求ep1，請(qǐng)利用C語(yǔ)言編程求解污水管道斷面θ值；2、已知流量Q，流速v，管道管徑d，精度要求ep1，請(qǐng)利用C語(yǔ)言編程求解污水管道斷面θ值；要求如下：（1）采用函數(shù)調(diào)用（2個(gè)子函數(shù)，1個(gè)主函數(shù)）；（2）并請(qǐng)給出詳細(xì)的程序清單（對(duì)程序中語(yǔ)句注釋說(shuō)明）2023/7/19292、子程序GDLJ（250）編制目的是：在滿足下游管段始端的水面和管底標(biāo)高分別不得高于上游管段末端的水面和管底標(biāo)高的約束條件下，在檢查井內(nèi)管道銜接時(shí)盡可能降低下游管段埋深；水面平接——除了上下游管段的管徑均為200mm（不計(jì)算管徑）外，只要下游管段中的污水深度大于等于上游管段中的污水深度，都采用水面平接；管頂平接——下游管段中的污水深度小于上游管段中的污水深度，且下游管段的管徑比上游管段的管徑大時(shí)，采用管頂平接；管底平接——下游管段中的污水深度小于上游管段中的污水深度，且下游管段的管徑比上游管段的管徑小時(shí)；2023/7/1930參數(shù)說(shuō)明：N——設(shè)計(jì)管段與檢查井標(biāo)號(hào)；D(N)——第N管段直徑；HH(N)——第N管段內(nèi)污水水深；HS(N,1)——第N-1管段末端水面標(biāo)高；HG(N,1)——第N-1管段末端管底標(biāo)高；HM(N,2)——第N管段始端管底埋深；H(N)——第N號(hào)檢查井地面標(biāo)高；I(N)——第N管段管底坡度；L(N)——第N管段管長(zhǎng)；2023/7/1931水面平接HS(N,2)=HS(N,1)HG(N,2)=HS(N,2)+HH(N)管頂平接HG(N,2)=HG(N,1)+D(N-1)-D(N)HS(N,2)=HG(N,2)+HH(N)管底平接HG(N,2)=HG(N,1)HS(N,2)=HG(N,2)+HH(N)HM(N,2)=H(N)+HG(N,2)HIL(N)=L(N)*I(N)HG(N+1,1)=HG(N,2)-HIL(N)HM(N+1,1)=H(N+1)-HG(N+1,1)HS(N+1,1)=HG(N+1,1)+HH(N)D(N)>200并HH(N)>HH(N-1)HH(N)<HH(N-1)并D(N)>=D(N-1)HH(N)<HH(N-1)并D(N)<D(N-1)2023/7/1932作業(yè)：