某大學市政給排水管網(wǎng)課程設計

關于利用Excel軟件進行排水管道水力計算有關問題的探討黃明1、2侯曉江3(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽合肥230009；2.安徽建筑工業(yè)學院環(huán)境工程系，安徽合肥2300223.合肥學院總務處，安徽合肥230022)摘要：排水管道水力計算的理論不復雜，但其計算重復，查表頻繁。本文通過建立正確的排水管道水力計算公式，利用Excel軟件輔助設計，制成了科學的排水管道水力計算表格，并給出了Excel簡潔的計算程序。還對“十五”國家級規(guī)劃教材《給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)》中的兩個例題進行了驗證，對增加的管徑計算公式進行了初步討論。水力計算結(jié)果可以滿足排水管道設計要求，免去了查表的煩瑣。關鍵詞：Excel軟件；排水管道；水力計算；公式DiscussiononapplyingExcelsoftwaretoaiddingthehydrauliccalculationofthedrain-pipeHUANGMing1、2HOUXiao-jiang3(1.SchoolofResourcesandEnvironmentEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China；2.Dep.ofEnvironmentEngineering,AnhuiInstituteofArchitecture&Industry,Hefei230022,China)3.OfficeofGeneralAffairs,HefeiUniversity，Hefei230022,China)Abstract：Thetheoryofthehydrauliccalculationofthedrain-pipeisnotcomplicate,butthedesigncalculationisrepeatedconstantlyandthevarioustablesarelookedupfrequently.Inthispaper,theformulaeofthecorrectivehydrauliccalculationsofthedrain-pipehavebeenestablishedandbyExcelsoftwareaiddingthehydrauliccalculation,thescientificcalculationtablesofthehydraulicofthedrain-pipehavebeencompleted.Theshortcutprogramsofthecalculationarealsogiven.Thetwoexamplesofthetextbookinwater&wastewaterpipenetworkfor15thCountryGrade，sPlanareverifiedandthecalculationformulaeofthepipe-diameterincreasedarediscussedpreliminarily.Theresultsofhydrauliccalculationcansatisfytheneedsofthehydrauliccalculationinthedrain-pipe.Italsorelievesofthetediousofthetableslookedup.Keywords:Excelsoftware;drain-pipe;hydrauliccalculation;formula排水管道分污水管道和雨水管道兩大部分，污水管道多為非滿流設計，雨水管道為滿流設計，盡管排水管道水力計算的理論簡單，但其計算重復、數(shù)據(jù)調(diào)整頻繁，還要不斷查圖表等特點，給手工計算帶來了很大的困難。目前，市場上有一些商業(yè)性的排水管網(wǎng)設計計算軟件，鑒于其知識產(chǎn)權(quán)及二次開發(fā)問題，一些設計部門開始利用Excel軟件來輔助排水管道的水力計算。從設計部門制作和網(wǎng)上下載的Excel電子表格看，體現(xiàn)了Excel輔助排水管道水力計算直觀、快捷的優(yōu)點，但還存在查表頻繁、少數(shù)計算公式不正確及參數(shù)調(diào)整隨意等缺點，另外，在少數(shù)文獻中，也存在一些值得推敲的問題。為此，有必要對Excel輔助排水管道水力計算中出現(xiàn)的一些問題，作進一步的探討，并制作出科學的Excel電子表格，以保證排水管道水力計算的規(guī)范和準確。污水管道水力計算公式的推導問題1.1水力斷面面積公式推導問題圖1為非滿流污水管的充滿度小于0.5（左圖）和大于0.5（右圖）兩種情形，其中D為管徑，D/2為污水管半徑，h為水面高度，θ為建立數(shù)學模型而引入的中間變量。θhθhDθhD圖1污水管道過水斷面示意圖Fig.1Sketchofcross-sectionofriverofsewerpipes當＜0.5時，據(jù)文獻[1、2]，推導出的非滿流污水管水力斷面面積公式為（1）當＞0.5時，據(jù)文獻[2]，非滿流污水管水力斷面面積為（2）公式（2）值得推敲，正確的推導如下：（3）比如，將代入公式（2），得和，前者大于后者；同樣，代入公式（3），得和，前者小于后者。公式（2）表明，隨著θ增大，A反而減小，顯然錯誤，而公式（3）卻相反。這說明，公式（1）和（3）在＜0.5和＞0.5兩種情況下完全一致。1.2中間變量θ推求問題如設充滿度，可推出<0.5時，；>0.5時，。當＜0.5時，據(jù)文獻[2、3]，推導出的水力斷面面積A公式為（4）當＞0.5時，據(jù)文獻[2]，推導出水力斷面面積A公式為（5）由于公式（5）是在公式（2）錯誤的基礎上進行推導的，再加上中間變量θ推求出現(xiàn)錯誤，導致公式（5）出現(xiàn)較大的偏差。應將代入公式（3）推求，可得（6）比如，當D=350mm時，將=0.51和0.52代入公式（5）得，A=0.0469m2和0.0457m2，前者大于后者；同樣，代入公式（6），得A=0.0493m2和0.0506m2，前者小于后者。顯然，公式（5）又出現(xiàn)充滿度值增大，水力斷面面積A減小的錯誤。1.3管徑D的求算問題在進行管道水力計算時，是在已知設計流量Q及管道粗糙系數(shù)n條件下，求管徑D、水力半徑R、充滿度、管道坡度I和流速v。由于方程中有5個未知數(shù)，必須先假定3個，再求其它2個，數(shù)學計算極為復雜[4]。傳統(tǒng)的求解方法是查水力計算圖。下面通過公式推導求解管徑D，并進行優(yōu)化計算。根據(jù)，可推出管徑計算公式：當＜0.5時，（7）當＞0.5時，（8）再根據(jù)水力計算基本公式[5]，可推導出濕周（）、水力半徑（R）和水力坡度（I）公式：當＜0.5時，（9）當＞0.5時，（10）（11）將公式（1）、（3）、（4）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）和（11）等公式輸入Excel電子表格中，其中公式（4）與（6）、（7）與（8）和（9）與（10）需要使用Excel軟件中的if函數(shù)[6、7]，如表1的第4、第9及第10項可寫成：IF(E4>0.5,POWER(4*C4*1000/H4/(PI()-ACOS(2*E4-1)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4)),0.5),IF(E4<0.5,POWER(4*C4*1000/H4/(ACOS(1-2*E4)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4)),0.5)))、IF(E4<0.5,(ACOS(1-2*E4)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4))*POWER(0.001*C4,2)/4,IF(E4>0.5,(PI()-ACOS(2*E4-1)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4))*POWER(0.001*C4,2)/4))和IF(E4<0.5,K5/(ACOS(1-2*E4)*0.001*C4),IF(E4>0.5,I5/(PI()-ACOS(2*E4-1))/(0.001*C4)))。再將公式（11）輸入表1中，即可借助Excel軟件完成污水管道的水力計算。表1污水管道的水力計算表[3]Tab.1ThehydrauliccalculationtableofsewerpipesABCDEFGHIJKL1管段編號管道長度l(m))設計流量Q(L//s)管徑D(mm)充滿度管道坡度I流速V(m/s))水流斷面A(m2)水力半徑R(m)實際流量Q/(LL/s)坡降(m)2h/Dh(m)31～211025.003500.4470.160.002010.600.04170.081225.000.2242～325038.093500.6270.220.001540.600.06350.099338.090.3853～417039.563500.6480.230.001510.600.06590.100739.560.2664～522060.924500.6100.270.001120.600.10150.125960.920.2575～624066.925000.5540.280.001040.600.11150.132966.920.2586～724084.365000.6730.340.000920.600.14060.146184.360.22由于水力計算存在優(yōu)化問題，因此，可按如下步驟進行優(yōu)化計算：①已知設計流量，最小流速0.6m/s和最大設計充滿度0.55/0.65/0.70/0.75[8]，求解管徑D；②將管徑D值取整，求解水流斷面A和水力半徑R；③已知管道粗糙系數(shù)n，水力半徑R、流速v，求解管道坡度I；④增大最小流速，調(diào)整充滿度，使實際輸水能力略大于設計流量，求解出新的水流斷面A、水力半徑R和管道坡度I即為優(yōu)化計算值。優(yōu)化計算應遵循增大最小流速，調(diào)整充滿度的原則。因為污水設計流量為各項最大值累加而得，因此，按最小設計流速計算所得的管道坡度I偏小，容易造成管道淤積。對于此點，即將頒布的新的室外排水設計規(guī)范已將最小坡度作了適當?shù)脑黾?。?中流速取0.6m/s，主要是為保持與規(guī)劃教材[3]數(shù)據(jù)一致而設?？梢?，通過上述計算，較好的避免了查水力計算圖的煩瑣。3雨水管道水力計算由于雨水管道按滿流設計，因此只需將污水管道水力計算公式中的充滿度值改為1，且不設中間變量θ，即可得到下列簡化的計算公式[1]：；；；；對于管徑D，可由公式推得。將上述計算公式以及根據(jù)暴雨強度公式乘以徑流系數(shù)求得的單位面積徑流量公式，輸入到Excel電子表格中，制成表2形式。表2雨水管道的水力計算表[3]Tab.2Thehydrauliccalculationtableofstormdrains管段編號管道長度總匯水面積

(haa)管內(nèi)雨水流行時間徑流系數(shù)單位面

積徑流量LL/(s·1104m2)設計流量Q(L//s)管徑Ｄ（mm）坡度I流速V管道輸水能力Q′′

(L/S)坡降∑l/v(min)l/v(min)公式計算優(yōu)選1～23301.4850.005.730.62120.70179.23487.565000.00250.96188.500.8222～31807.4255.732.380.6283.19617.70790.068000.00231.26633.350.4133～418013.3658.112.780.6273.94988.251079.3811000.00111.081026.360.1984～518019.30510.892.830.6265.571265.911233.1212500.00091.061300.820.1615～633023.7613.724.700.6258.891399.191233.9612500.00111.171435.810.3606～733047.5218.423.960.6250.492399.291482.4815000.00121.392456.330.3987～833071.2822.383.290.6245.163219.351566.6816000.00161.673357.730.5288～933095.0425.673.370.6241.563950.231756.6018000.00131.634147.840.4309～10400118.829.043.580.6238.464568.661768.4518000.00171.864733.120.678雨水管道水力優(yōu)化計算與污水管道水力優(yōu)化計算相似，首先，根據(jù)設計流量和最小流速0.75m/s，求算管徑D；再對管徑D取整；最后，按取整后的D值，增加最小流速，并使實際輸水能力略大于設計流量，求得的管道坡度I即為優(yōu)化計算值。可見，雨水管道水力計算比污水管道水力計算簡單，同樣，借助Excel軟件輔助設計計算，也避免了查水力計算圖的煩瑣。4結(jié)語盡管排水管網(wǎng)的設計計算不涉及復雜的數(shù)學理論，但其計算的重復性及參數(shù)調(diào)整的頻繁性給人工計算帶來了諸多的不便，因此，推導出正確的數(shù)學公式，制作出科學的Excel電子計算表格，有利于提高工程設計的效率和準確度。利用Excel軟件進行排水管道水力計算，無需編寫和調(diào)試復雜的程序，甚至可不查任何圖表即可完成整個排水管道的水力計算。給排水專業(yè)工程設計中，計算無處不有，諸如各種水量、流量計算，給排水管線水力計算，水箱、水池容積計算，管網(wǎng)平差計算，水文計算等，這些計算往往獨立于繪圖工作之外，而使用諸如Excel電子表格軟件來編制一些給排水計算程序，可以在給排水設計計算工作中實現(xiàn)智能化輔助設計[9]，從而大大提高工程設計計算的效率和質(zhì)量。參考文獻[1]彭永臻，崔福義．給水排