某大学市政给排水管网课程设计

关于利用Excel软件进行排水管道水力计算有关问题的探讨黄明1、2侯晓江3(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥230009；2.安徽建筑工业学院环境工程系，安徽合肥2300223.合肥学院总务处，安徽合肥230022)摘要：排水管道水力计算的理论不复杂，但其计算重复，查表频繁。本文通过建立正确的排水管道水力计算公式，利用Excel软件辅助设计，制成了科学的排水管道水力计算表格，并给出了Excel简洁的计算程序。还对“十五”国家级规划教材《给水排水管网系统》中的两个例题进行了验证，对增加的管径计算公式进行了初步讨论。水力计算结果可以满足排水管道设计要求，免去了查表的烦琐。关键词：Excel软件；排水管道；水力计算；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两大部分，污水管道多为非满流设计，雨水管道为满流设计，尽管排水管道水力计算的理论简单，但其计算重复、数据调整频繁，还要不断查图表等特点，给手工计算带来了很大的困难。目前，市场上有一些商业性的排水管网设计计算软件，鉴于其知识产权及二次开发问题，一些设计部门开始利用Excel软件来辅助排水管道的水力计算。从设计部门制作和网上下载的Excel电子表格看，体现了Excel辅助排水管道水力计算直观、快捷的优点，但还存在查表频繁、少数计算公式不正确及参数调整随意等缺点，另外，在少数文献中，也存在一些值得推敲的问题。为此，有必要对Excel辅助排水管道水力计算中出现的一些问题，作进一步的探讨，并制作出科学的Excel电子表格，以保证排水管道水力计算的规范和准确。污水管道水力计算公式的推导问题1.1水力断面面积公式推导问题图1为非满流污水管的充满度小于0.5（左图）和大于0.5（右图）两种情形，其中D为管径，D/2为污水管半径，h为水面高度，θ为建立数学模型而引入的中间变量。θhθhDθhD图1污水管道过水断面示意图Fig.1Sketchofcross-sectionofriverofsewerpipes当＜0.5时，据文献[1、2]，推导出的非满流污水管水力断面面积公式为（1）当＞0.5时，据文献[2]，非满流污水管水力断面面积为（2）公式（2）值得推敲，正确的推导如下：（3）比如，将代入公式（2），得和，前者大于后者；同样，代入公式（3），得和，前者小于后者。公式（2）表明，随着θ增大，A反而减小，显然错误，而公式（3）却相反。这说明，公式（1）和（3）在＜0.5和＞0.5两种情况下完全一致。1.2中间变量θ推求问题如设充满度，可推出<0.5时，；>0.5时，。当＜0.5时，据文献[2、3]，推导出的水力断面面积A公式为（4）当＞0.5时，据文献[2]，推导出水力断面面积A公式为（5）由于公式（5）是在公式（2）错误的基础上进行推导的，再加上中间变量θ推求出现错误，导致公式（5）出现较大的偏差。应将代入公式（3）推求，可得（6）比如，当D=350mm时，将=0.51和0.52代入公式（5）得，A=0.0469m2和0.0457m2，前者大于后者；同样，代入公式（6），得A=0.0493m2和0.0506m2，前者小于后者。显然，公式（5）又出现充满度值增大，水力断面面积A减小的错误。1.3管径D的求算问题在进行管道水力计算时，是在已知设计流量Q及管道粗糙系数n条件下，求管径D、水力半径R、充满度、管道坡度I和流速v。由于方程中有5个未知数，必须先假定3个，再求其它2个，数学计算极为复杂[4]。传统的求解方法是查水力计算图。下面通过公式推导求解管径D，并进行优化计算。根据，可推出管径计算公式：当＜0.5时，（7）当＞0.5时，（8）再根据水力计算基本公式[5]，可推导出湿周（）、水力半径（R）和水力坡度（I）公式：当＜0.5时，（9）当＞0.5时，（10）（11）将公式（1）、（3）、（4）、（6）、（7）、（8）、（9）、（10）和（11）等公式输入Excel电子表格中，其中公式（4）与（6）、（7）与（8）和（9）与（10）需要使用Excel软件中的if函数[6、7]，如表1的第4、第9及第10项可写成：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)))。再将公式（11）输入表1中，即可借助Excel软件完成污水管道的水力计算。表1污水管道的水力计算表[3]Tab.1ThehydrauliccalculationtableofsewerpipesABCDEFGHIJKL1管段编号管道长度l(m))设计流量Q(L//s)管径D(mm)充满度管道坡度I流速V(m/s))水流断面A(m2)水力半径R(m)实际流量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由于水力计算存在优化问题，因此，可按如下步骤进行优化计算：①已知设计流量，最小流速0.6m/s和最大设计充满度0.55/0.65/0.70/0.75[8]，求解管径D；②将管径D值取整，求解水流断面A和水力半径R；③已知管道粗糙系数n，水力半径R、流速v，求解管道坡度I；④增大最小流速，调整充满度，使实际输水能力略大于设计流量，求解出新的水流断面A、水力半径R和管道坡度I即为优化计算值。优化计算应遵循增大最小流速，调整充满度的原则。因为污水设计流量为各项最大值累加而得，因此，按最小设计流速计算所得的管道坡度I偏小，容易造成管道淤积。对于此点，即将颁布的新的室外排水设计规范已将最小坡度作了适当的增加。表1中流速取0.6m/s，主要是为保持与规划教材[3]数据一致而设。可见，通过上述计算，较好的避免了查水力计算图的烦琐。3雨水管道水力计算由于雨水管道按满流设计，因此只需将污水管道水力计算公式中的充满度值改为1，且不设中间变量θ，即可得到下列简化的计算公式[1]：；；；；对于管径D，可由公式推得。将上述计算公式以及根据暴雨强度公式乘以径流系数求得的单位面积径流量公式，输入到Excel电子表格中，制成表2形式。表2雨水管道的水力计算表[3]Tab.2Thehydrauliccalculationtableofstormdrains管段编号管道长度总汇水面积

(haa)管内雨水流行时间径流系数单位面

积径流量LL/(s·1104m2)设计流量Q(L//s)管径Ｄ（mm）坡度I流速V管道输水能力Q′′

(L/S)坡降∑l/v(min)l/v(min)公式计算优选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雨水管道水力优化计算与污水管道水力优化计算相似，首先，根据设计流量和最小流速0.75m/s，求算管径D；再对管径D取整；最后，按取整后的D值，增加最小流速，并使实际输水能力略大于设计流量，求得的管道坡度I即为优化计算值。可见，雨水管道水力计算比污水管道水力计算简单，同样，借助Excel软件辅助设计计算，也避免了查水力计算图的烦琐。4结语尽管排水管网的设计计算不涉及复杂的数学理论，但其计算的重复性及参数调整的频繁性给人工计算带来了诸多的不便，因此，推导出正确的数学公式，制作出科学的Excel电子计算表格，有利于提高工程设计的效率和准确度。利用Excel软件进行排水管道水力计算，无需编写和调试复杂的程序，甚至可不查任何图表即可完成整个排水管道的水力计算。给排水专业工程设计中，计算无处不有，诸如各种水量、流量计算，给排水管线水力计算，水箱、水池容积计算，管网平差计算，水文计算等，这些计算往往独立于绘图工作之外，而使用诸如Excel电子表格软件来编制一些给排水计算程序，可以在给排水设计计算工作中实现智能化辅助设计[9]，从而大大提高工程设计计算的效率和质量。参考文献[1]彭永臻，崔福义．给水排