某大學(xué)市政給排水管網(wǎng)課程設(shè)計(jì)

1、安徽省教育廳教學(xué)改革項(xiàng)目（JYXM2003140）資助關(guān)于利用Excel軟件進(jìn)行排水管道水力計(jì)算有關(guān)問題的探討黃明1、2 侯曉江3 (1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽建筑工業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程系，安徽 合肥 230022 3.合肥學(xué)院總務(wù)處，安徽 合肥 230022)摘要：排水管道水力計(jì)算的理論不復(fù)雜，但其計(jì)算重復(fù)，查表頻繁。本文通過建立正確的排水管道水力計(jì)算公式，利用Excel軟件輔助設(shè)計(jì)，制成了科學(xué)的排水管道水力計(jì)算表格，并給出了Excel簡潔的計(jì)算程序。還對(duì)“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材給水排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的兩個(gè)例題進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)增加的管徑計(jì)算公式進(jìn)行了初步討論

2、。水力計(jì)算結(jié)果可以滿足排水管道設(shè)計(jì)要求，免去了查表的煩瑣。關(guān)鍵詞：Excel軟件；排水管道；水力計(jì)算；公式Discussion on applying Excel software to aidding the hydraulic calculation of the drain-pipe HUANG Ming1、2 HOU Xiao-jiang3 (1.School of Resources and Environment Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；2. Dep. of Environme

3、nt Engineering, Anhui Institute of Architecture & Industry, Hefei 230022, China)3. Office of General Affairs, Hefei University，Hefei 230022, China)Abstract： The theory of the hydraulic calculation of the drain-pipe is not complicate, but the design calculation is repeated constantly and the various

4、tables are looked up frequently. In this paper, the formulae of the corrective hydraulic calculations of the drain-pipe have been established and by Excel software aidding the hydraulic calculation, the scientific calculation tables of the hydraulic of the drain-pipe have been completed. The shortcu

5、t programs of the calculation are also given. The two examples of the textbook in water & wastewater pipe network for 15th Country Grade，s Plan are verified and the calculation formulae of the pipe-diameter increased are discussed preliminarily. The results of hydraulic calculation can satisfy the n

6、eeds of the hydraulic calculation in the drain-pipe. It also relieves of the tedious of the tables looked up.Keywords: Excel software; drain-pipe; hydraulic calculation; 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(shè)計(jì)，雨水管道為滿流設(shè)計(jì)，盡管排水管道水力計(jì)算的理論簡單，但其計(jì)算重復(fù)、數(shù)據(jù)調(diào)整頻繁，還要不斷查圖表等特點(diǎn)，給手工計(jì)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(shè)計(jì)計(jì)算軟件，鑒于其

7、知識(shí)產(chǎn)權(quán)及二次開發(fā)問題，一些設(shè)計(jì)部門開始利用Excel軟件來輔助排水管道的水力計(jì)算。從設(shè)計(jì)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(jì)算直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但還存在查表頻繁、少數(shù)計(jì)算公式不正確及參數(shù)調(diào)整隨意等缺點(diǎn)，另外，在少數(shù)文獻(xiàn)中，也存在一些值得推敲的問題。為此，有必要對(duì)Excel輔助排水管道水力計(jì)算中出現(xiàn)的一些問題，作進(jìn)一步的探討，并制作出科學(xué)的Excel電子表格，以保證排水管道水力計(jì)算的規(guī)范和準(zhǔn)確。污水管道水力計(jì)算公式的推導(dǎo)問題1.1 水力斷面面積公式推導(dǎo)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

8、管半徑，h為水面高度，為建立數(shù)學(xué)模型而引入的中間變量。hDhD 圖1 污水管道過水?dāng)嗝媸疽鈭DFig.1 Sketch of cross-section of river of sewer pipes當(dāng)0.5時(shí)，據(jù)文獻(xiàn)1、2，推導(dǎo)出的非滿流污水管水力斷面面積公式為 （1）當(dāng)0.5時(shí)，據(jù)文獻(xiàn)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(dǎo)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，隨著增大，A反而減小，顯然錯(cuò)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

9、量推求問題如設(shè)充滿度，可推出0.5時(shí)，。當(dāng)0.5時(shí)，據(jù)文獻(xiàn)2、3，推導(dǎo)出的水力斷面面積A公式為 （4）當(dāng)0.5時(shí)，據(jù)文獻(xiàn)2，推導(dǎo)出水力斷面面積A公式為 （5）由于公式（5）是在公式（2）錯(cuò)誤的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)的，再加上中間變量推求出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致公式（5）出現(xiàn)較大的偏差。應(yīng)將代入公式（3）推求，可得 （6）比如，當(dāng)D=350mm時(shí)，將=0.51和0.52代入公式（5）得，A=0.0469 m2和0.0457m2，前者大于后者；同樣，代入公式（6），得A=0.0493 m2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(cuò)誤。1.3 管徑D的求算問題在進(jìn)行管

10、道水力計(jì)算時(shí)，是在已知設(shè)計(jì)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(gè)未知數(shù)，必須先假定3個(gè)，再求其它2個(gè)，數(shù)學(xué)計(jì)算極為復(fù)雜4 。傳統(tǒng)的求解方法是查水力計(jì)算圖。下面通過公式推導(dǎo)求解管徑D，并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)，可推出管徑計(jì)算公式：當(dāng)0.5時(shí)， （7）當(dāng)0.5時(shí)， （8）再根據(jù)水力計(jì)算基本公式5，可推導(dǎo)出濕周（）、水力半徑（R）和水力坡度（I）公式：當(dāng)0.5時(shí)， （9）當(dāng)0.5時(shí)， （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（

11、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(xiàng)可寫成：IF(E40.5,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(E40.5,POWER(4*C4*1000/H4/(ACOS(1-2*E4)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4),0.5)、IF(E40.5,(PI()-ACOS(2*E4-1)-POWER(4*E4-4*POWER(E4,2),0.5)*(1-2*E4)*POWER(

12、0.001*C4,2)/4)和IF(E40.5,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(jì)算。表1 污水管道的水力計(jì)算表3Tab.1 The hydraulic calculation table of sewer pipesABCDEFGHIJKL1管段編號(hào)管道長度l(m)設(shè)計(jì)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(shí)際流量Q/(L/s)坡降(m)2h/Dh(m)312110 25.00350 0.447 0.16 0.00201 0.60

13、0.04170.081225.000.22 423250 38.09350 0.627 0.22 0.00154 0.60 0.06350.099338.090.38 534170 39.56350 0.648 0.23 0.00151 0.60 0.06590.100739.560.26 645220 60.92450 0.610 0.27 0.00112 0.60 0.10150.125960.920.25 756240 66.92500 0.554 0.28 0.00104 0.60 0.11150.132966.920.25 867240 84.36500 0.673 0.34 0.0

14、0092 0.60 0.14060.146184.360.22 由于水力計(jì)算存在優(yōu)化問題，因此，可按如下步驟進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算：已知設(shè)計(jì)流量，最小流速0.6m/s和最大設(shè)計(jì)充滿度0.55/0.65/0.70/0.758，求解管徑D；將管徑D值取整，求解水流斷面A和水力半徑R；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；增大最小流速，調(diào)整充滿度，使實(shí)際輸水能力略大于設(shè)計(jì)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(jì)算值。優(yōu)化計(jì)算應(yīng)遵循增大最小流速，調(diào)整充滿度的原則。因?yàn)槲鬯O(shè)計(jì)流量為各項(xiàng)最大值累加而得，因此，按最小設(shè)計(jì)流速計(jì)算所得的管道坡度I偏小，容易造成管道淤積。對(duì)于此點(diǎn)，

15、即將頒布的新的室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范已將最小坡度作了適當(dāng)?shù)脑黾印１?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(shè)?？梢?，通過上述計(jì)算，較好的避免了查水力計(jì)算圖的煩瑣。3 雨水管道水力計(jì)算由于雨水管道按滿流設(shè)計(jì)，因此只需將污水管道水力計(jì)算公式中的充滿度值改為1，且不設(shè)中間變量，即可得到下列簡化的計(jì)算公式1：；對(duì)于管徑D，可由公式推得。將上述計(jì)算公式以及根據(jù)暴雨強(qiáng)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(jì)算表3Tab.2 The hydraulic calculation table of storm drains管段編號(hào)管

16、道長度總匯水面積(ha)管內(nèi)雨水流行時(shí)間徑流系數(shù)單位面積徑流量L/(s104m2)設(shè)計(jì)流量Q(L/s)管徑（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(jì)算優(yōu)選123301.4850.00 5.73 0.62 120.70 179.23 487.56 5000.0025 0.96 188.50 0.822 231807.4255.73 2.38 0.62 83.19 617.70 790.06 8000.0023 1.26 633.35 0.413 3418013.3658.11 2.78 0.62 73.94 988.25 1079.38 11000.0

17、011 1.08 1026.36 0.198 4518019.30510.89 2.83 0.62 65.57 1265.91 1233.12 12500.0009 1.06 1300.82 0.161 5633023.7613.72 4.70 0.62 58.89 1399.19 1233.96 12500.0011 1.17 1435.81 0.360 6733047.5218.42 3.96 0.62 50.49 2399.29 1482.48 15000.0012 1.39 2456.33 0.398 7833071.2822.38 3.29 0.62 45.16 3219.35 15

18、66.68 16000.0016 1.67 3357.73 0.528 8933095.0425.67 3.37 0.62 41.56 3950.23 1756.60 18000.0013 1.63 4147.84 0.430 910400118.829.04 3.58 0.62 38.46 4568.66 1768.45 18000.0017 1.86 4733.12 0.678 雨水管道水力優(yōu)化計(jì)算與污水管道水力優(yōu)化計(jì)算相似，首先，根據(jù)設(shè)計(jì)流量和最小流速0.75m/s，求算管徑D；再對(duì)管徑D取整；最后，按取整后的D值，增加最小流速，并使實(shí)際輸水能力略大于設(shè)計(jì)流量，求得的管道坡度I即為優(yōu)化計(jì)

19、算值。可見，雨水管道水力計(jì)算比污水管道水力計(jì)算簡單，同樣，借助Excel軟件輔助設(shè)計(jì)計(jì)算，也避免了查水力計(jì)算圖的煩瑣。4 結(jié)語盡管排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)理論，但其計(jì)算的重復(fù)性及參數(shù)調(diào)整的頻繁性給人工計(jì)算帶來了諸多的不便，因此，推導(dǎo)出正確的數(shù)學(xué)公式，制作出科學(xué)的Excel電子計(jì)算表格，有利于提高工程設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確度。利用Excel軟件進(jìn)行排水管道水力計(jì)算，無需編寫和調(diào)試復(fù)雜的程序，甚至可不查任何圖表即可完成整個(gè)排水管道的水力計(jì)算。給排水專業(yè)工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算無處不有，諸如各種水量、流量計(jì)算，給排水管線水力計(jì)算，水箱、水池容積計(jì)算，管網(wǎng)平差計(jì)算，水文計(jì)算等，這些計(jì)算往往獨(dú)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(jì)算程序，可以在給排水設(shè)計(jì)計(jì)算工作中實(shí)現(xiàn)智能化輔助設(shè)計(jì)9，