合流管渠水力计算-城镇给排水技术

合流制管渠系统是用同一管渠排除生活污水、工业废水及雨水的排水方式。由于历史的原因，在国内外许多城市的旧排水管道系统中仍然采用这种排水体制。根据混合污水的处理和排放的方式，有直泄式和截流式合流制两种。由于直泄式合流制严重污染水体，因此对于新建排水系统不易采用。故本情境只介绍截流式合流制排水系统。

3.5.3.1 截流式合流制排水系统的工作情况与特点

截流式合流制排水系统是沿水体平行设置截流管道，以汇集各支管、干管流来的污水。在截流干管的适当位置上设置溢流井。在晴天时，截流干管是以非满流方式将生活污水和工业废水送往污水处理厂。雨天时，随着雨水量的增加，截流干管是以满流方式将混合污水（雨水、生活污水、工业废水）送往污水处理厂。若设城市混合污水的流量为Q，而设截流干管的输水能力为Q′，当Q≤Q′时，全部混合污水输送到污水处理厂进行处理；当Q＞Q′时，有（Q=Q′）的混合污水送往污水处理厂，而（Q-Q′）的混合污水则通过溢流井排入水体。随着降雨历时继续延长，由于暴雨强度的减弱，溢流井处的溢流流量逐渐减小。最后混合污水量又重新等于或小于截流干管的设计输水能力，溢流停止，全部混合污水又都流向污水处理厂。

从上述管渠系统的工作情况可知，截流式合流制排水系统，是在同一管渠内排除三种混合污水，集中到污水处理厂处理，从而消除了晴天时城镇污水及初期雨水对水体的污染，在一定程度上满足环境保护方面的要求。另外还具有管线单一，管渠的总长度减小等优点。因此在节省投资、管道施工方面较为有利。

但在暴雨期间，则有部分的混合污水通过溢流井溢入水体，将造成水体周期性污染。另外，由于截流式合流制排水管渠的过水断面很大，而在晴天时流量很小，流速低，往往在管底形成淤积，降雨时雨水将沉积在管底的大量污物冲刷起来带入水体形成严重的污染。

另外，截流管、提升泵站以及污水处理厂的设计规模都比分流制排水系统大，截流管的埋深也比单设雨水管渠的埋深大。

图3.25　截流式合流制组成示意图

①—合流管道；②—截流管道；③—溢流井；④—出水口；⑤—污水处理厂

因此，在选择排水体制时，首先满足环境保护的要求，即保证水体所受的污染程度在允许的范围内。另外还要根据水体综合利用情况、地形条件以及城市发展远景，通过经济、技术比较后综合考虑确定。图3.25为截流式合流制组成示意图。

3.5.3.2 截流式合流制排水系统的使用条件

在下列情形下可考虑采用截流式合流制排水系统：

（1）排水区域内有充沛的水体，并且具有较大的流量和流速，一定量的混合污水溢入水体后，对水体造成的污染危害程度在允许的范围内。

（2）街坊、街道的建设比较完善，必须采用暗管排除雨水时，而街道的横断面又较窄，管渠的设置位置受到限制时，可考虑选用截流式合流制。

（3）地面有一定的坡度倾向水体，当水体高水位时，岸边不受淹没。

（4）排水管渠能以自流方式排入水体时，在中途不需要泵站提升。

（5）降雨量小的地区。

（6）水体卫生要求特别高的地区，污、雨水均需要处理。

3.5.3.3 截流式合流制排水系统布置

采用截流式合流制排水管渠系统时，其布置特点及要求如下：

（1）排水管渠的布置应使排水面积上生活污水、工业废水和雨水都能合理地排入管渠，管渠尽可能以最短的距离坡向水体。

（2）在上游排水区域内，如果雨水可以沿道路边沟排泄，这时可只设污水管道，只有当雨水不宜沿地面径流时，才布置合流管渠，截流干管尽可能沿河岸敷设，以便于截流和溢流。

（3）沿水体岸边布置与水体平行的截流干管，在截流干管的适当位置上设置溢流井，以保证超过截流干管的设计输水能力的那部分混合污水，能顺利地通过溢流井就近排入水体。

（4）在截流干管上，必须合理地确定溢流井的位置及数目，以便尽可能减少对水体的污染，减小截流干管的断面尺寸和缩短排放渠道的长度。

从对水体保护方面看，合流制管渠中的初降雨水能被截流处理，但溢流的混合污水仍会使水体受到污染。为改善水体环境卫生，需要将混合污水对排入水体的污染程度降至最低，则溢流井设置数目少一些好，其位置应尽可能设置在水体的下游。从经济方面讲，溢流井的数目多一些好，这样可使混合污水及早溢入水体，减少截流干管的尺寸，降低截流干管下游的设计流量。但是，溢流井过多，会增加溢流井和排放渠道的造价，特别在溢流井离水体较远，施工条件困难时更是如此。当溢流井的溢流堰口标高低于水体最高水位时，需要在排水渠道上设置防潮门、闸门或排涝泵站。为降低泵站造价和便于管理，溢流井应适当集中，不宜设置过多。通常溢流井设置在合流干管与截流干管的交会处。但为降低工程造价以及减少对水体的污染，并不是在每个交会点上都要设置。

溢流井的数目及具体位置，要根据设计地区的实际情况，结合管渠系统的布置，考虑上述因素，通过经济技术比较确定。

（5）在汛期，因自然水体的水位增高，造成截流干管上的溢流井，不能按重力流方式通过溢流管渠向水体排放时，应考虑在溢流管渠上设置闸门，防止洪水倒灌，还要考虑设排水泵站提升排放，这时宜将溢流井适当集中，利于排水泵站集中抽升。

（6）为了彻底解决溢流混合污水对水体的污染问题，又能充分利用截流干管的输水能力及污水处理厂的处理能力，可考虑在溢流出水口附近设置混合污水储水池，在降雨时，可利用储水池积蓄溢流的混合污水，待雨后将储存的混合污水再送往污水处理厂处理。此外，储水池还可以起到沉淀池作用，可改善溢流污水的水质。但一般所需储水池容积较大，另外，蓄积的混合污水需设泵站提升至截流管。

目前，在我国许多城市的旧市区多采用截流式合流制，而在新建城区及工矿区则多采用分流制，特别是当生产污水中含有毒物质，其浓度又超过允许的卫生标准时，必须预先对这种污水进行单独处理达到排放的水质标准后，才能排入合流制管渠系统。

3.5.3.4 合流制排水管渠的水力计算

1.完全合流制排水管渠设计流量确定

完全合流制排水管渠系统按下式计算管渠的设计流量

式中 Qu——完全合流制管渠的设计流量，L/s；

Qs——生活污水设计流量，L/s；

Qg——工业废水设计流量，L/s；

Qh——晴天时城市污水量（生活污水量和工业废水量之和），即为旱流流量，L/s；

Qy——雨水设计流量，L/s。

2.截流式合流制排水管渠设计流量确定

由于截流式合流制在截流干管上设置了溢流井后，对截流干管的水流状况产生的影响很大。不从溢流井溢出的雨水量，通常按旱流污水量Qh的指定倍数计算，该指定倍数称为截流倍数，用n0表示。其意义为通过溢流井转输到下游干管的雨水量与晴天时旱流污水量之比。如果流入溢流井的雨水量超过了n0Qh，则超过的雨水量由溢流井溢出，经排放渠道排入水体。所以，溢流井下游管渠（图3.25中的2～3管段）的雨水设计流量为

溢流井下游管渠的设计流量，是上述雨水设计流量与生活污水平均量及工业废水最大班的平均流量之和，即

上二式中 Qh——溢流井下游汇水面积上流入的旱流流量，L/s；

Qy——溢流井下游汇水面积上流入的雨水设计流量，按相当于此汇水面积的集水时间求得，L/s。

3.从溢流井溢出的混合污水设计流量的确定

当溢流井上游合流污水的流量超过溢流井下游管段的截流能力时，就有一部分的混合污水经溢流井处溢流，并通过排放渠道排入水体。其溢流的混合污水设计流量按下式计算，即

3.5.3.5 截流式合流制管渠的水力计算要点

截流式合流制排水管渠一般按满流设计。水力计算方法，水力计算数据包括设计流速、最小坡度、最小管径、覆土厚度以及雨水口布置要求与分流制中雨水管道的设计基本相同。但合流制管渠雨水口设计时应考虑防臭、防蚊蝇等措施。

合流制排水管渠水力计算内容包括下面几方面。

1.溢流井上游合流管渠计算

溢流井上游合流管渠的计算与雨水管渠计算基本相同，只是它的设计流量包括设计污水和工业废水以及设计雨水量。

2.合流管渠的雨水设计重现期

可适当高于同一情况下的雨水管道的设计重现期的10%～25%。因为合流管渠一旦溢出，溢出混合污水比雨水管道溢出的雨水所造成的危害更为严重，所以为防止出现这种情况，应从严掌握合流管渠的设计重现期和允许的积水程度。

3.截流干管和溢流井的计算

主要是合理地确定所采用的截流倍数n0值。根据所采用的n0值可按式（3.12）确定截流干管的设计流量，然后即可进行截流干管和溢流井的水力计算。从保护环境、减少水体受污染方面考虑，应采用较大的截流倍数，但从经济方面考虑，若截流倍数过大，会大大增加截流干管、提升泵站以及污水处理厂的设计规模和造价。同时，会造成进入污水处理厂的水质、水量在晴天和雨天差别很大，这给污水处理厂的运行管理带来极大不便。所以，为使整个合流排水管渠系统造价合理，又便于运行管理，不宜采用过大的截流倍数。

截流倍数n0应根据旱流污水的水质、水量、总变化系数，水体的卫生要求及水文气象等因素经计算确定。经工程实践证明，截流倍数n0值采用2.6～4.5是比较经济合理的。

《室外排水设计规范》（GB50014—2006）规定截流倍数按不同排放采用1～5。经多年工程实践，我国多数城市一般采用截流倍数n0=3。而美国、日本及西欧等国家多采用n0=3～5。

溢流井是在井中设置截流槽，槽顶与截流干管的管顶相平，其构造如图3.26所示。

截流槽式溢流井的溢流是设在溢流井的底部，而溢流槽流槽上顶低于合流干管与排放管道的管底，略高于截流干管的上顶。当合流干管混合污水量小于截流干管的设计流量时，混合污水由合流干管跌入溢流井内，并由溢流井流向截流干管的下游。当合流干管的流量大于截流干管的设计流量时，就会有多余的混合污水，由截流槽的上顶溢出，经溢流井下游的排放管渠排入自然水体。此外，也可采用溢流堰式和跳越堰式。其构造分别如图3.27和图3.28所示。

图3.26　溢流井示意图

1—溢流井；2—堰；3—上游合流管道；4—溢流管；5—上游截流管道；6—下游截流管道

在溢流堰式溢流井中，堰流堰的一侧是合流干管与截流干管衔接的流槽，另一侧是溢流井的排放管渠，当合流干管的流量小于截流干管的设计流量时，混合污水直接进入截流干管，当混合污水由合流干管直接排入截流干管的流量超过截流干管的实际流量时，混合污水便溢过溢流堰，经过溢流井下游的排放管渠排入水体。

图3.27　溢流堰式溢流井

1—合流干管；2—截流干管；3—溢流管；4—溢流堰

图3.28　跳越堰式溢流井

1—雨水入流干管；2—雨水出流干管；3—初期雨水截流干管；4—隔墙

当溢流堰的堰顶线与截流干管中心线平行时，可采用下列公式计算：

式中 Q——溢流堰出水量，m3/s；

l——堰长，m；

h——溢流堰末端堰顶以上水层高度，m；(www.xing528.com)

M——溢流堰流量系数，薄壁堰一般采用2.2。

关于其他型式溢流井的计算可参阅《给水排水设计手册》第五册。

4.晴天旱流流量的校核

关于晴天旱流流量的校核，应使旱流时的流速能满足污水管渠最小流速的要求，一般不宜小于0.35～0.5m/s，当不能满足时，可修改设计管渠断面尺寸和坡度。值得注意的是，由于合流管渠中旱流流量相对较小，特别是上游管段，旱流校核时往往满足不了最小流速的要求，这时可在管渠底部设置缩小断面的流槽，以保证旱流时的流速，或者加强养护管理，利用雨天流量冲洗管渠，以防发生淤塞。

3.5.3.6 截流式合流制管渠水力计算实例

【案例3.3】 图3.29为某市一个区域的截流式合流干管的计算平面布置图，已知该市暴雨强度公式为q=10020（1+0.56）/（t+56），设计重现期P=1a，地面集水时间t1=10min，平均径流系数ψ=0.45，设计地区人口密度ρ=280人/hm2，生活污水量定额n=100L/（人·d），Kz=1.0，截流倍数n0=3，管道起点埋深为1.75m，该区域内有5个工业企业，其工业废水量见表3.12，试进行管渠的水力计算。

图3.29　某市一区域截流式合流管渠计算平面示意图

①—溢流井；②—出水口

表3.12　工业废水量

【解】 计算及步骤如下：

（1）划分并计算各设计管段及汇水面积，见表3.13。

表3.13　设计管段长度、汇水面积计算表

（2）确定出各检查井处的地面标高，见表3.14。

（3）计算生活污水比流量qs。

qs=nρ/86400=100×280/86400=0.324[L/（s·hm2）]

表3.14　检查井处的标高

则生活污水设计流量为

Qs=qsFKz=0.324FKz（L/s）

（4）确定单位面积径流量q0并计算雨水设计流量。

单位面积流量为

则雨水设计流量为

（5）根据上述，列表计算各设计管段的设计流量。

如设计管段1～2的设计流量为

因为1～2管段是起始管段，所以t2=0，则

（6）根据设计管段设计流量，当n=0.013时，查满流水力计算表，确定出设计管段的管径、坡度、流速及管内底标高和埋设深度。

其计算结果见表3.15中第13～16、20、21和23项。

表3.15　截流式合流干管计算表

续表

注 1～2，2～3管段因流量太小，未进行校核，应加强维护管理。

（7）进行旱流流量校核。计算结果见表3.15中第24～26项。下面将其部分计算说明如下：

1）表中第17项设计管道输水能力是指设计管径在设计坡度条件下的实际输水能力，此值应接近或略大于第12项的设计总流量。

2）1～2管段因旱流流量太小，未进行旱流校核，应加强养护管理或采取适当措施防止淤塞。

3）对于5～6管段，由于在5点处设置了溢流井，因此5～6管段可看作一个截流干管，它的截流能力为（n0+1）Qh=（3+1）×91.94=367.76（L/s），将此值列入表中第11项。

4）5～6管段的旱流流量为4～5管段的旱流流量和5～6管段本段的旱流之和。即

91.94+35+0.69=127.63（L/s）

5）5～6管段的本段旱流流量和雨水设计流量均按起始管段进行计算。

（8）溢流井的计算。

经溢流井溢流的混合污水量为

565.45-367.76=197.69（L/s）=0.20（m3/s）

选用溢流堰式溢流井，溢流堰顶线与截流干管的中心线平行，则

因薄壁堰M=2.2，则设堰长l=1.5m，有。

解得h=0.16m，即溢流堰末段堰顶以上水层高度为0.16m。该水面高度为溢流井下游管段（截流干管）起点的管顶标高。该管顶标高为17.520+0.8=18.320（m）。

溢流堰末段堰顶标高为18.320-0.16=18.160（m）。此值高于平均水位标高，故河水不会倒流。

3.5.3.7 城市旧合流制排水管渠系统的改造

城市排水管渠系统是随着城市的发展而相应地发展，在城市建设的初期，是采用合流明渠排除雨水和少量污水，并将它们直接排入附近水体。

随着城市工业的发展和人口增加与集中，城市的污水和工业废水量也相应增加，其污水的成分也更加复杂。为改善城市的卫生条件，保证市区的环境卫生，虽然将明渠改为暗流，但污水仍是直接排入附近的水体，并没有改变城市污水对自然水体的污染。

根据有关资料介绍日本有70%左右、英国有67%左右的城市采用完全合流制排水系统。我国绝大多数城市也采用这种排水系统，随着城市和工业的进一步发展，污水水量将迅速增加，势必造成水体的严重污染。为此，为保护自然环境、保护水体，就必须对城市已建的旧合流制排水管渠系统进行改造。

目前，对城市旧合流制排水系统的改造，通常有以下几种途径。

1.改原有的合流制为分流制

将合流制改为分流制可彻底解决城市污水对水体的污染，此方法由于雨水、污水分流，需要处理的污水量将相对减少，进入污水处理厂的水质、水量变化也相对较小，所以有利于污水处理厂的运行管理。通常，在具有以下条件时，可考虑将合流制改造为分流制：

（1）住房内部有完善的卫生设备，便于生活污水与雨水分流。

（2）工厂内部可清浊分流，便于将符合要求的生产污水直接排入城市管道系统，将清洁的工业废水排入雨水管渠系统，或将其循环、循序使用。

（3）城市街道的横断面有足够的位置，允许设置由于改建成分流制而需增建的污水或雨水管道，并且在施工中不对城市的交通造成很大的影响。

（4）旧排水管渠输水能力基本上已不能满足需要，或管渠损坏渗漏已十分严重，需要彻底改建而设置新管渠。

在一般情况下，住房内部的卫生设备目前已日趋完善，将生活污水与雨水分流比较容易做到。但是工厂内部的清浊分流，由于已建车间内工艺设备的平面位置和竖向布置比较固定，不太容易做到。由于旧城市的街道比较窄，而城市交通量较大，地下管线又较多，使改建工程不仅耗资巨大，而且影响面广，工期相当长，在某种程度上甚至比新建的排水工程更为复杂，难度更大。

2.保留合流制，改造为截流式合流制管渠

将合流制改为分流制可以完全控制混合污水对水体的污染，但是由于投资大、施工困难等原因而较难在短期内做到。目前旧合流制的改造多采用保留合流制，修建截流干管即改造成截流式合流制排水系统。从这种系统的运行情况看，截流式合流制排水系统并没有杜绝污水对水体的污染，而溢流的混合污水中不仅含有部分旱流污水，同时也来带有晴天沉积在管底的污物。

3.对溢流混合污水进行适当处理

随着城市建设的发展和人口的增长，从截流式合流制排水管渠中溢流的混合污水，将造成对自然水体的严重污染。所以，为保护水体，在规划设计时需要从以下几方面考虑：

（1）截流倍数的选用要适当提高，我国现用的截流倍数是以平均污水量为标准的，它实质上只有国外常用最大时污水量为标准值的50%～60%。《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）建议采用的截流倍数1～5倍只相当于国外的0.5～3倍。根据国外经验及我国江河污染的严重情况看，所用n0值应根据不同地区的水体稀释能力和自净能力做不同程度的提高。

（2）对溢流的混合污水进行适当的处理。处理措施包括细筛滤、沉淀以及其他必要的措施。

4.对溢流的混合污水量采取有效的控制措施

为减少溢流混合污水对水体的污染，可利用公园、湖泊、小河及池塘等，作为限制暴雨进入管渠的临时蓄水池等蓄水措施，消减高峰径流量，达到减少混合污水的排放量。根据美国的研究结果，采用透水性路面或没有细集料的沥青混合路面，可消减高峰径流量的83%。这种做法是利用设计地区土壤有足够的透水性，而且地下水位较低的地区，采用提高地表持水能力和地表渗流能力的措施减少暴雨径流，降低溢流的混合污水量。若采用此种措施时，应定时清理路面防止阻塞。

城市旧合流制排水渠系统的改造是一项很复杂的工作，必须根据当地的具体情况，与城市规划相结合，在确保水体免受污染的条件下，充分发挥原有管渠系统的作用，使改造方案既有利保护环境，经济合理又切实可行。