排水工程大学教学课件

排水工程教学课件系统学习排水工程的理论与实践第一章排水工程概述排水工程的定义与重要性排水工程是指通过科学的工程手段，有效收集、输送和处理多余水量的系统工程它是城市基础设施的重要组成部分，关系到居民生活品质、城市安全和环境保护排水工程通过控制水流向，防止水浸害，保障城市正常运行，维护人民生命财产安全排水系统的组成与分类按功能分类雨水排水系统、污水排水系统、合流制系统按区域分类城市排水、农田排水、道路排水排水工程的历史与发展古代排水系统1中国古代就有较为完善的排水系统，如汉代的瓦管排水道和唐宋时期的城市排水沟渠系统近代排水技术2古罗马的下水道系统（Cloaca Maxima）是早期排水工程的代表作，至今仍有部分在使用19世纪工业革命后，城市化进程加速，促使现代排水系统的发展现代排水技术1842年，英国首次立法强制城市建设排水系统，标志着现代排水工程的开始320世纪初，混凝土管道和机械化施工技术大大提升了排水工程效率计算机模拟与优化设计的应用未来发展趋势新型管材（HDPE、GRP等）的广泛应用4污水处理与资源化技术的发展海绵城市理念的推广与应用智能监测与管理系统的普及绿色低影响开发技术的融合排水管网系统概论

（一）给水排水管网基础理论管网的功能与结构组成排水管网是城市排水系统的骨架，负责收集和输送污水与雨水科学的管网规划与设计，是保障排水系统收集系统正常运行的基础雨水口、检查井、接户管管网运行的基本原理包括•流体力学原理应用输送系统•水力坡降与流量关系•管道材料特性与选择干管、支管、截流管、压力管•负荷分配与平衡调节系统调蓄池、溢流堰、分水设施附属构筑物排水管网系统概论

（二）管网设计原则安全可靠性原则经济合理性原则确保在设计工况下系统正常运行，并具有一定的安全裕度在满足功能要求的前提下，优化投资与运行成本关键节点设置应急排放或溢流设施合理确定管径、坡度和埋深适应性原则环境友好原则满足近期需求，兼顾远期发展减少对自然环境的干扰和影响预留系统扩建和升级空间结合生态理念，实现可持续发展管网运行管理与维护要点日常管理长效维护•巡查与监测制度•CCTV管道内窥检测•检查井与管道清淤•管道修复与更新计划•泵站设备维护•数字化管理系统应用•应急预案制定与演练排水管网系统概论

（三）管网水力学基础能量方程基于能量守恒原理，描述流体在管道中的能量转换连续性方程基于质量守恒原理，描述流体在管道中的流量关系阻力损失描述流体在管道中的能量损失λ为沿程阻力系数管网流量计算方法确定性方法概率统计方法•单位面积法•时间变化系数法•人均排水量法•负荷累加法•用水量比例法•蒙特卡洛模拟法排水管网系统概论

（四）管网模型与仿真技术管网数学模型是对实际排水系统的抽象和简化，通过计算机仿真技术可以预测和分析系统在各种条件下的运行状态主要模型类型稳态水力模型分析系统在平衡状态下的流量分配和水力特性动态水力模型模拟系统在时变条件下的运行特性，如雨水峰值流量响应水质模型常用仿真软件分析污染物在系统中的迁移转化规律•SWMM StormWater ManagementModel风险评估模型•InfoWorks ICM•Mike Urban分析系统可靠性和脆弱性，评估故障风险•PCSWMM•HEC-RAS这些软件可以帮助工程师进行管网设计、优化和运行分析，提高设计效率和准确性管网优化设计案例分析第二章排水工程规划排水工程规划的目标与流程基础资料收集地形、水文、地质、气象、社会经济等相关资料现状分析与评价排水系统现状、存在问题及原因分析需求预测与目标确定排水量预测、排涝标准、环境保护目标方案制定与比选系统布局、工程措施、非工程措施方案优化与确定技术经济比较、环境影响评价、社会效益分析城市排水规划的关键因素城市排水规划需充分考虑城市发展规模、土地利用性质、地形地貌特征、降雨特性、受纳水体条件以及环境保护要求等因素特别是在海绵城市建设背景下，更要注重雨水的渗、滞、蓄、净、用、排的系统性设计农业排水规划实例给水排水管网工程规划

（一）规划中的水文与地形分析水文分析重点降雨特性分析降雨强度、频率、时空分布特征径流特性分析汇流时间、径流系数、产流规律水文地质条件地下水位、土壤渗透性、含水层特性受纳水体特性水体容量、自净能力、环境敏感性典型暴雨强度-历时-频率曲线（IDF曲线）地形分析要点•地表高程分布与坡度分析•自然排水分区与汇水范围划分•地形制约因素识别•土地利用类型与不透水面积分析排水需求预测方法人口预测用水量预测根据城市规划和人口增长模型，预测规划期内的服务人口基于人均用水定额和各类用水户数量，预测总用水量给水排水管网工程规划

（二）管网布局设计布局形式树枝状系统适用于地形起伏较大的区域，顺应自然地形，管线短，投资省平行式系统适用于地形平坦的区域，维护方便，但管线长辐射式系统适用于盆地地形，向中心汇集，外围需设置泵站混合式系统结合多种形式的优点，适应复杂地形和城市布局布局原则尽量利用自然地形，减少提升泵站设置

2.管线布置简洁明晰，便于施工和维护管理

3.充分考虑道路规划和地下管线综合

4.合理确定排水分区和排水出口位置

5.考虑城市远期发展，预留扩建空间第三章排水水力学基础水力学基本概念回顾流体基本性质•密度与比重•黏性与雷诺数•表面张力•压缩性流体静力学静水压力计算其中p为压力，ρ为密度，g为重力加速度，h为水深流体动力学基本方程伯努利方程连续性方程量纲分析与相似理论排水工程中常用的无量纲参数给水排水管网水力学基础

（一）曼宁公式及其应用曼宁公式是开放渠道和重力流管道中最常用的流速计算公式其中•v-流速m/sn-曼宁粗糙系数•R-水力半径m•S-水力坡降•A-流通面积m²•Q-流量m³/s常用材料曼宁系数管道材料曼宁系数n光滑混凝土

0.012-

0.016铸铁管

0.013-

0.017HDPE管

0.009-

0.012砖砌渠道

0.014-

0.020给水排水管网水力学基础

（二）水力模型的建立与分析水力模型分类物理模型按一定比例建造的实体模型，通过相似理论推导原型特性优点直观可见；缺点成本高，灵活性差数学模型基于水力学基本方程的数值求解模型优点成本低，灵活性高；缺点需大量参数校准混合模型结合物理模型和数学模型的优点用于复杂水力条件的分析数学模型的基本方程圣维南方程组（一维非恒定流）水力模型的应用水力模型在排水工程中的主要应用

1.管网设计与优化

2.管网运行状态评估

3.污染物迁移转化预测

4.洪涝风险分析

5.应急预案制定

6.管网改造方案评估模型应用案例上海某老城区排水管网改造中，通过SWMM模型模拟分析，识别出8处易涝点，并针对性提出了管网改造和调蓄设施布置方案，改造后该区域的防涝能力从1年一遇提升到3年一遇给水排水管网水力学基础

（三）非恒定流动与波动理论排水系统中的流量和水位常随时间变化，形成非恒定流动了解非恒定流的特性和计算方法，对于准确评估系统性能至关重要非恒定流的基本特征•流量、水位、流速随时间变化•波动传播特性•上游扰动对下游的影响•系统响应时间波动理论基础波动理论研究水波的传播规律，包括波速、波高、波形等特性在排水系统中，波动理论用于分析

1.洪峰传播与衰减

2.调蓄设施的调节作用

3.泵站启停对系统的影响

4.水锤现象与防护水锤防护措施水锤是压力管道中由于流速突变引起的压力波动现象，可能导致管道破裂主要防护措施设置缓冲装置气囊、水塔、膨胀罐等控制流速变化缓慢启停泵机、延长阀门关闭时间安装保护阀安全阀、泄压阀、止回阀给水排水管网水力学基础

（四）雨水径流与设计暴雨设计暴雨雨水径流特性设计暴雨是指在一定重现期下的降雨过程，是雨水排水系统设计的基础雨水径流是指降雨后在地表形成的流动水量，受多种因素影响暴雨强度公式芝加哥雨型公式（常用于城市排水）其中•i-降雨强度mm/min•P-重现期年•t-降雨历时min•A,b,c,n-地区参数降雨特性强度、历时、分布地表特性坡度、粗糙度、植被第四章排水管网设计设计原则与规范设计基本原则安全可靠确保系统在设计条件下安全运行，不发生溢流或倒灌经济合理在满足功能要求的前提下，尽量降低工程造价和运行成本系统协调与城市规划、道路交通、其他地下管线协调布置环境友好减少对环境的不利影响，符合可持续发展要求主要设计规范•《室外排水设计规范》GB50014•《建筑给水排水设计规范》GB50015•《海绵城市建设技术指南》•《城镇雨水调蓄工程技术规范》GB51174•各地方排水工程设计规范设计流程

1.基础资料收集与分析

2.确定设计参数（标准、流量等）

3.管网布局与排水分区划分

4.水力计算与管径确定

5.附属构筑物设计

6.方案比选与优化

7.施工图设计管径选取与材料选择给水排水管网工程设计

（一）给水管网设计流程水量计算计算各类用水户的用水量，确定设计水量考虑变化系数，确定最大小时流量压力要求根据建筑高度和设备要求，确定所需水压分析供水区域的高程差异，确定压力分区管网布局确定供水管网形式（环状、枝状或混合）布置主干管、配水管和连接管水力计算计算各管段流量、流速和水头损失检查节点压力是否满足要求设备选型水泵、阀门等设备的选择与布置确定调节设施和水池容积水力计算与管网布置水力计算方法给水管网水力计算常用方法哈森-威廉姆斯公式（压力管道）其中v为流速m/s，C为粗糙系数，R为水力半径m，S为水力坡降

1.达西-韦斯巴赫公式其中hf为沿程水头损失m，λ为沿程阻力系数，L为管长m，D为管径m，v为流速m/s给水排水管网工程设计

（二）污水管网设计要点污水量计算污水量计算方法

1.生活污水量=生活用水量×回归系数（

0.8~

0.9）

2.工业废水量根据工艺要求确定

3.需考虑管道渗入水量（一般为干管流量的10~15%）设计流量确定其中Q设为设计流量，Q平为平均流量，K总为总变化系数，Q渗为渗入水量水力计算污水管道水力计算采用曼宁公式，关键是确定合适的充满度和流速•管道最小设计流速Vmin≥

0.6m/s•最大设计流速Vmax≤

3.0m/s•管道充满度D≤400mm时，h/D≤

0.6；D400mm时，h/D≤

0.7污水管道布置原则

1.尽量利用地形坡度，减少埋深

2.管道走向力求顺直，避免急转弯

3.考虑服务范围和接入点分布

4.与其他管线的位置关系应符合规范要求

5.管道坡度应均匀，避免频繁变化

6.考虑施工和维护条件最小埋深要求污水管道最小埋深应考虑•防冻深度•接户管的接入要求•与其他管线交叉的净距要求•承受交通荷载的要求一般城市道路下最小覆土深度不小于

0.7m给水排水管网工程设计

（三）管网防渗与耐久性设计防渗漏措施管网渗漏问题严重影响系统效能和环境安全，防渗漏设计应从以下方面考虑材料选择选用防渗性能好的管材和接口材料如HDPE管、球墨铸铁管、钢筋混凝土管（内衬防腐层）接口设计采用可靠的密封方式橡胶圈密封、热熔连接、电熔连接等施工质量控制严格控制基础处理、管道安装和回填分段进行水压试验和严密性检查保护措施采取必要的外防腐和阴极保护避免管道承受过大的外部荷载耐久性设计要点给水排水管网工程设计

（四）管网水质控制与污染防治水质问题与挑战排水管网中常见的水质问题•沉积物堆积和阻塞•硫化氢腐蚀•臭气排放•污染物渗漏•初期雨水污染水质控制措施水力条件优化确保自净流速，减少沉积通风系统降低有害气体浓度化学药剂添加硝酸盐、铁盐等控制硫化物冲洗设施定期冲洗管道沉积物初期雨水污染控制初期雨水携带大量污染物，是城市面源污染的主要来源控制措施

1.截污挂篮在雨水口安装拦截装置

2.沉砂池去除雨水中的泥沙和悬浮物

3.初期雨水调蓄池收集并处理初期污染较重的雨水

4.植被滞留带利用植被过滤和净化雨水

5.透水铺装减少地表径流，增加渗透生物滞留设施通过土壤和植物净化雨水雨污分流系统设计雨污分流是现代城市排水的主要模式，分流制系统设计要点给水排水管网工程设计

（五）智能管网监测与管理技术现代排水管网越来越多地采用智能技术进行监测和管理，提高系统运行效率和可靠性主要监测内容•流量监测超声波、电磁等流量计•水位监测压力式、超声波水位计•水质监测pH值、浊度、溶解氧等•管道状态CCTV检测、声学检测•井盖状态位移、开启报警•泵站运行电流、功率、扬程等智能管理系统功能

1.数据采集与传输

2.实时监控与预警

3.数据分析与决策支持

4.运行优化与调度

5.资产管理与维护智能管网技术发展趋势物联网应用低功耗广域网络技术使大规模传感器部署成为可能，实现管网全覆盖监测人工智能AI算法用于管网异常检测、预测性维护和优化调度，提高决策效率第五章交叉排水工程交叉排水结构的定义与必要性交叉排水结构是指当排水系统（如排水渠、管道）遇到自然或人工障碍物（如河流、道路、其他水系）时，用于维持排水连续性的特殊构筑物交叉排水的必要性•保持排水系统的连续性和完整性•解决不同高程水系的交叉问题•保障排水安全，防止渍涝灾害•维护交通和其他基础设施的正常运行•减少水体污染，保护生态环境交叉排水的工程挑战

1.水力条件复杂

2.结构受力条件苛刻

3.施工条件常受限制交叉排水结构的应用场景

4.运行维护难度大

5.可靠性要求高公路与铁路工程涵洞、桥涵、渡槽等穿越交通设施的排水构筑物水利与灌溉工程渡槽、倒虹吸、涵洞等用于水系交叉的结构城市排水工程雨水和污水管道穿越障碍物的特殊结构农田排水工程田间排水系统与其他设施交叉的构筑物交叉排水工程的分类与选择原则交叉排水工程按相对位置关系分类上跨式下穿式平交式交叉排水工程类型详解渠道跨越自然排水（高架渠、虹吸渠）高架渠高架渠是指通过架空的方式使渠道跨越河流、山谷等地形障碍的水工构筑物主要组成部分•渠身输水主体结构•支墩支撑渠身的立柱•过渡段连接正常渠道与高架渠的过渡结构•防水设施确保不渗漏设计要点

1.水力计算确保渠道过水能力

2.结构计算考虑自重、水重、风荷载等

3.地基处理确保支墩稳定

4.伸缩缝处理应对温度变化防冻措施寒冷地区需要虹吸渠虹吸渠利用虹吸原理，使水流通过U形管道越过障碍物主要组成部分•进口段水流进入虹吸管的入口段•下坡段水流向下流动的管段•谷底段横穿障碍物的水平管段•上坡段水流向上流动的管段•出口段水流流出虹吸管的出口段设计要点交叉排水工程设计要点水力设计参数设计流量确定交叉排水结构的设计流量确定是关键步骤，通常考虑

1.排水区域的汇水面积

2.设计重现期（通常高于普通排水设施）

3.流域特性（地形、植被、土壤等）

4.径流系数或产流模型对于重要交叉排水结构，设计重现期通常为25~100年，确保安全裕度水力计算方法根据不同结构类型，采用相应的水力计算方法•明渠流曼宁公式、谢才公式•压力流达西-韦斯巴赫公式、哈森-威廉姆斯公式•局部水头损失局部损失系数法•过渡段能量方程、动量方程关键水力参数控制流速控制明渠避免淤积和冲刷压力管控制水头损失和水锤水位控制确保上下游水位平稳过渡防止回水和溢流能量消散高速流需设置消能设施防止冲刷和空蚀交叉排水工程案例分析典型高架渠设计实例新疆某灌区高架渠工程案例该高架渠全长386米，最大高度18米，设计流量15立方米/秒，跨越一条季节性河流设计特点

1.采用预应力混凝土U形槽，减轻结构自重

2.支墩采用扩大基础，确保地基稳定

3.设置多道伸缩缝和止水带，应对温差变化

4.渠身内部采用环氧防水涂层，防止渗漏

5.沿线设置观测点，监测结构变形施工难点•高空作业安全保障•大体积混凝土浇筑温控•预应力张拉控制•精确定位与测量运行效果该高架渠建成后已安全运行15年，主要性能指标

99.5%0输水效率安全事故渗漏损失极低，保持高效输水运行期间未发生结构安全事故次次53抗震经历大修次数第六章城市排水系统设计城市排水系统组成与功能系统组成收集系统雨水口、检查井、连接管、接户管等输送系统干管、支管、截流管、压力管等调蓄系统调蓄池、雨水湿地、渗透设施等排放系统出水口、泵站、溢流堰等系统功能

1.防洪排涝保障城市安全

2.污水收集改善环境卫生

3.水资源利用实现雨水资源化

4.水环境保护减少污染排放排水系统类型

5.生态保育维持水生态平衡雨水排放与污水排放系统设计城市排水系统设计应遵循源头减排、过程控制、系统治理的理念，综合考虑水量平衡、水质保护、生态效益和经济合理性在海绵城市建设背景下，更应注重绿色基础设施与传统灰色基础设施的结合，实现排水系统的可持续发展现代城市排水系统设计强调•适度超越传统标准，适应气候变化•弹性设计，增强系统抗风险能力•智能化管理，提高运行效率•生态化设计，融入城市景观系统整体优化，提高综合效益城市排水水力学与设计暴雨雨水径流计算方法理性公式法水文学方法最常用的城市雨水流量计算方法用于复杂城市排水系统的流量计算•单位线法•时间-面积法其中•非线性水库法•Q-设计流量L/s•动力波模型•ψ-综合径流系数这些方法可以更准确地模拟雨水在城市下垫面上的运动规律，特别适用于大型复杂汇水区•i-设计降雨强度L/s•ha•F-汇水面积ha径流系数确定综合径流系数计算不同下垫面的径流系数示例地面类型径流系数ψ屋面

0.85-

0.95沥青路面

0.70-

0.90砂石路面

0.15-

0.30绿地平地

0.05-

0.15设计暴雨确定城市排水设施设计排水口设计与布置雨水口设计雨水口是收集地表径流的入口设施，设计要点

1.数量与间距根据汇水面积和道路坡度确定

2.位置布置道路低点、交叉口、人行横道前

3.类型选择平篦式、立篦式或组合式

4.进水能力应满足设计降雨条件下的收集要求

5.防堵塞措施合理的篦子间隙和沉砂设施雨水口间距经验公式其中L为间距m，K为系数30-50，i为径流强度mm/min，J为道路纵坡排放口设计排放口是排水系统的终端设施，设计考虑•位置选择避开取水口、游泳区等敏感区域•水位关系考虑受纳水体水位变化影响•防倒灌措施设置止回阀或闸门•消能防冲设施防止冲刷河床环境保护措施如雨水净化设施智能排水系统与未来趋势传感器与实时监控技术主要监测参数水位超声波、压力式、雷达式水位计流量电磁流量计、超声波流量计、多普勒流量计降雨自记雨量计、雨量传感器、气象雷达水质pH、浊度、溶解氧、电导率等在线监测传感器网络架构现代排水监测系统采用分层架构

1.感知层各类传感器和数据采集设备

2.传输层有线、无线通信网络

3.平台层数据处理和存储平台

4.应用层监控、分析、决策支持应用物联网技术的应用使大规模、低成本的传感器网络部署成为可能，实现全面感知城市排水系统的运行状态课程总结与展望排水工程核心知识回顾基础理论水力学原理、水文学基础、系统规划方法设计方法管网计算、结构设计、设施布置、系统优化工程实践施工技术、运行管理、维护更新、智能化应用发展趋势海绵城市、智能排水、绿色低影响、气候适应理论与实践结合的重要性排水工程是一门实践性强的学科，需要将理论知识与工程实践紧密结合

1.理论指导实践科学理论是解决实际问题的基础

2.实践检验理论工程实践是理论发展的动力

3.案例学习通过经典案例理解设计思路和解决方案

4.实地考察亲身体验工程实施和运行管理排水工程的未来展望

5.专业交流与行业专家互动，了解前沿动态排水工程正面临新的发展机遇和挑战海绵城市理念全面应用1将生态理念融入排水工程，实现渗、滞、蓄、净、用、排的系统设计智能化技术深度融合2人工智能、大数据、物联网等技术与排水工程的深度融合，实现智慧运营气候变化适应性增强3设计标准提升，增强系统韧性，应对极端气候事件频发的挑战资源能源高效利用4。