第四章-計算機在排水管網(wǎng)中最優(yōu)化應用課件

第四章計算機在排水工程中的應用2023/7/191污水管道中污水流動的特點水力計算的基本公式污水管道水力計算的設計數(shù)據(jù)污水管道的埋設深度污水管道水力計算的方法污水管道的設計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。在大多數(shù)情況，管道內部是不承受壓力的，即靠重力流動。污水的流動按照一般液體流動的規(guī)律，并假定管道內水流是均勻流。

污水管道中污水流動的特點

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

水力計算的基本公式

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

污水管道水力計算的設計數(shù)據(jù)

2023/7/196管徑（D）或暗渠高（H）（mm）最大設計充滿度（h/D或h/H）200-3500.55350-4500.65500-9000.70≥10000.752023/7/1972、設計流速和設計流量、設計充滿度相應的水流平均速度叫做設計流速。最小設計流速是保證管道內不致發(fā)生淤積的流速。設計充滿度下的最小設計流速為0.6m/s。管徑為500、600-1000、1100-1400和大于等于1500mm的最小設計流速分別為0.7、0.8、0.9和1.0m/s；最大設計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，通常，金屬管道最大設計流速為10m/s，非金屬管道的最大設計流速為5m/s。2023/7/1983、最小管徑一般在污水管道系統(tǒng)上游部分，設計污水流量很小，若根據(jù)流量計算，則管徑會很小，管徑過小極易堵塞，采用較大的管徑，可選用較小的坡度，使管道埋深減小。不計算管段——若設計管段服務的排水面積小于（根據(jù)最小管徑在最小設計流速和最大充滿度情況下能通過的最大流量值，進一步估算出的設計管段的排水面積），即直接采用最小管徑和相應的最小坡度而不再進行水力計算。2023/7/1994、最小設計坡度在污水管道系統(tǒng)設計時，通常使管道埋設坡度與設計地區(qū)的地面坡度基本一致，但管道坡度造成的流速應等于或大于最小設計流速，以防止管道內產(chǎn)生沉淀。最小設計坡度——相應于管內流速為最小設計流速時的管道坡度。2023/7/1910管徑200mm的最小設計坡度0.004；管徑300mm的最小設計坡度0.003。2023/7/1911覆土厚度——指管道外壁頂部到地面的距離；埋設深度——指管道內壁底到地面的距離。1、必須防止管道內污水冰凍和因土壤凍脹而損壞管道無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

污水管道的埋設深度

2023/7/1912已知設計流量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。有五個未知數(shù)，因此須假定3個求其他2個，為簡化計算，常采用水力計算圖（將流量、管徑、坡度、流速、充滿度、粗糙系數(shù)各水力因素之間關系繪制起來的圖形）。

污水管道水力計算的方法

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、支管順序依次進行，應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、控制點的確定和泵站的設置地點

污水管道的設計

2023/7/19144、設計管段及設計流量的確定設計管段——兩個檢查井之間的管段采用的設計流量不變，且采用同樣的管徑和坡度。每一設計管段的污水設計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的污水量；B．轉輸流量q2——是從上游管段和旁側管段流來的污水量；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的污水量。2023/7/1915初步設計時，只計算干管和主干管的流量。技術設計時，應計算全部管道的流量。2023/7/19165、污水管道的銜接管道銜接時應遵循的兩個原則：A．盡可能提高下游管段的高程，以減少管道埋深，降低造價；B．避免上游管段中形成回水而造成淤積。2023/7/1917水面平接——指的是在水力計算中，使上游管段終端和下游管段起端在指定的設計充滿度下的水面標平，即上游管段終端與下游管段起端的水面標高相同。管頂平接——指的是在水力計算中，使上游管段終端和下游管段起端的管頂標高相同。跌水連接——當管道敷設地區(qū)的地面坡度很大時，為了調整管內流速所采用的管底坡度將會小于地面坡度。不管采用哪種銜接方法，下游管段起端的水面和管底標高都不得高于上游管段終端的水面和管底標高。2023/7/19181、在小區(qū)平面圖上布置污水管道；2、街區(qū)編號并計算面積；3、劃分設計管段、計算設計流量（只計算主干管和干管）；本段流量利用q0比流量與面積的乘積求出。集中流量轉輸流量

污水管道設計計算流程

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

F．計算各管段上端、下端的水面、管底標高及其埋設深度；由管段長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，可知道初始埋深；由前面幾點和管段在檢查井內銜接方式確定設計管段上、下端的管內底標高，水面標高及埋設深度；2023/7/1921G．需注意的問題a．必須細致研究管道系統(tǒng)的控制點；b．必須細致研究管道敷設坡度與管線經(jīng)過地段的地面坡度之間的關系；c．水力計算自上游依次向下游管段進行，流量應逐段增加，流速也相應增加。只有在管道坡度由大驟然變小的情況下，設計流速才允許減小；d．地面坡度太大的地區(qū)，為了減小管內水流速度，防止管壁被沖刷，管道坡度往往需要小于地面坡度?？稍谶m當點設置跌水井，管段之間采用跌水連接；e．水流通過檢查井時，常引起局部水頭損失，一般可不考慮局部損失；f．旁側管與干管的連接處時，要考慮干管的已定埋深是否允許旁側接入，可能需要用到跌水井。2023/7/1922排水管網(wǎng)計算（水力與高程的設計計算）特點：1、污水在非滿流的管道中靠重力流動，采用均勻流基本公式計算；2、每一管段設計計算采用同一公式與相同計算方法概述每一個管段的計算均需要對v、D、h/D、I多次選擇與計算，并需要考慮管段之間連接及各約束條件計算工作重復計算機編程（PSG19源程序）2023/7/1923PSG19源程序特點：1、目標：降低工程造價；2、計算方法與人工計算基本相同，按照污水流動方向，先計算支管后計算干管和主干管，從上游至下游一次計算；3、計算過程中，滿足設計規(guī)范等約束條件的同時對設計參數(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)設計計算；5、人機對話功能（如地面坡度較大，跌水or增大I）；6、運算時只輸入必要原始數(shù)據(jù)，其它如比流量等能計算出來；7、從計算結果中優(yōu)選最佳方案。2023/7/1924P221污水管道水力計算的設計數(shù)據(jù)污水管道的埋設深度污水管道水力計算的方法（水力計算圖）排水管網(wǎng)設計計算的約束條件設計充滿度、設計流速、最小管徑、最小設計坡度已知設計流量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1、設計流速2、設計充滿度3、檢查井內管段銜接4、全局優(yōu)化思想選擇設計參數(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、管底平接人機對話2023/7/1926人工計算方法：水力計算圖計算機：引入新的參數(shù)θ（管道過水斷面夾角）求出管道設計中的未知參數(shù)計算方法已知設計流量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，請利用C語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，請利用C語言編程求解污水管道斷面θ值；要求如下：（1）采用函數(shù)調用（2個子函數(shù)，1個主函數(shù)）；（2）并請給出詳細的程序清單（對程序中語句注釋說明）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高分別不得高于上游管段末端的水面和管底標高的約束條件下，在檢查井內管道銜接時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，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；2023/7/1930參數(shù)說明：N——設計管段與檢查井標號；D(N)——第N管段直徑；HH(N)——第N管段內污水水深；HS(N,1)——第N-1管段末端水面標高；HG(N,1)——第N-1管段末端管底標高；HM(N,2)——第N管段始端管底埋深；H(N)——第N號檢查井地面標高；I(N)——第N管段管底坡度；L(N)——第N管段管長；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)：