排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法技术

本发明专利技术所述排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法包括：将《室外排水设计规范》中规定的3种城镇类型和4种城区类型的组合及与所述城镇类型和城区类型对应的设计重现期输入；在工作表中输入降雨区域的场地特征，根据行业标准或公式填写设计区域的场地特征，或根据实测值如实填写，如城区类型：中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区、中心城区地下通道和下沉式广场等，所对应的建议综合径流系数；本发明专利技术设计完成了一整套从降雨强度到起动泥沙颗粒特性分析的过程，具有完整性和普遍适用性。

【技术实现步骤摘要】
排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法
本专利技术涉及排水管内沉积物启动计算方法，特别是泥沙颗粒起动特性计算方法。
技术介绍
排水管道内泥沙颗粒对污染物的吸附能力极强，如果将包含大量污染物的泥沙颗粒释放到自然水体中会造成严重的环境危害。限于经济发展、设计规划或地理条件等因素，中国很多城市的排水系统以合流制管道为主，普遍存在管内沉积物积累、管道被腐蚀等问题。李茂英、李海燕对北京市部分排水管道所做调研后发现，其中60％的管道存在淤积问题，而其中沉积物体积占排水管道体积15％以上的淤积量较大管道就占了15％。张伟等研究发现广州市一些典型区域的排水管道约有36.67％存在不同程度的沉积现象，其中部分淤积严重管道沉积量达到70％，排水能力只有设计能力的25％。排水管道在旱季时管道中积累大量生活污水沉积物，当雨季到来时，由暴雨形成的径流冲刷，极易形成溢流污染，将管道中的沉积物冲刷进入自然水体造成面源污染。研究显示，一些发达国家的暴雨事件中水体高达80％的污染负荷来源于管道沉积物。Gromaire等研究发现，合流制管道中的沉积物被冲刷、释放，是合流制溢流污染的重要原因。所以在降雨过程中，排水管网中泥沙颗粒的起动规律就成为研究污染物扩散的和管道堵塞问题的基础。
技术实现思路
本专利技术旨在设计一整套排水管道内泥沙颗粒起动特性的计算方案。使用降雨强度、场地特征、管道特征等一系列已知条件，最终计算得出管道内某点可能起动的泥沙沉积物颗粒起动临界特性，即起动临界中值粒径和干密度。本专利技术所述排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法包括：步骤S0，将《室外排水设计规范》中规定的3种城镇类型和4种城区类型的组合及与所述城镇类型和城区类型对应的设计重现期输入一个单独的Excel工作表并命名为“管道设计”；步骤S1，在“管道设计”工作表中输入降雨区域的场地特征，根据行业标准或公式填写设计区域的场地特征，或根据实测值如实填写，如城区类型：中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区、中心城区地下通道和下沉式广场等，所对应的建议综合径流系数；步骤S1.1，在“管道设计”工作表中输入所述降雨区域的城镇类型和城区类型；优选的是，利用Excel的有效性验证，对输入的降雨区域的城镇类型和城区类型的种类进行管理，在Excel的单元格设置通过下拉菜单选择根据《室外排水设计规范》预先设定的3中城镇类型和4种城区类型的输入值；步骤S1.2，在“管道设计”工作表中输入降雨场地的降雨特征区域；步骤S1.3，选取或自动生成步骤S1.1中所选降雨区域的排水管道的设计重现期；不同区域类别分别对应12种设计重现期，当选定降雨场地的城镇类型和城区类型，在“管道设计”工作表中自动生成该区域排水管道的设计重现期。步骤S1.4，将城镇类型与城区类型合并文本与预先输入“管道设计”工作表中的组合单元格进行比对，返回其对应的设计重现期。初步判断所选降雨区域的降雨重现期是否达到或是超过其设计重现期，在设计重现期输入单元格的临近单元格输入公式：＝"该地区设计重现期："&VLOOKUP(B2&B4,管道设计！A15:B26,2,0)利用“VLOOKUP”语句将城镇类型与城区类型合并文本与预先输入组合单元格进行比对，返回其对应的设计重现期。可以初步判断该区域降雨重现期是否达到或是超过其设计重现期。其中，管道设计！A15:B26为在“管道设计”工作表中预先输入的“城镇类型”和“城区类型”组合设计重现期数据。该部分只是对于降雨重现输入值的参考，由于设计暴雨强度除了与降雨重现期有关，还与降雨历时相关。在设计重现期内的短期降雨也可能达不到该区域排水管道的设计峰值。步骤S1.5，验证所选降雨区域的的建议综合径流系数，同样的方法使用与该区域综合径流系数的查找，输入公式：＝"建议综合径流系数："&VLOOKUP(B5,管道设计！A2:D4,4,0)管道设计！A2:D4为在“管道设计”工作表预先输入的“区域类型”综合径流系数数据。该单元格将返回所选区域的建议综合径流系数，如：步骤S2，将暴雨特征输入所述Excel表格中：对于实际降雨，将实测值输入所述Excel的单元格进行计算。对于设计降雨，通过降雨区域所对应的暴雨强度公式计算该场地汇水面积内的降雨强度，即公式(1)。其中：q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；t——设计降雨历时(min)；P——设计重现期(年)。在所述Excel的单元格中输入暴雨强度公式(1)：另外3个公式依次输入，将计算得到4种不同条件下的降雨强度值，步骤S2.1，对输入的降雨历时进行判断，自动匹配相应区域和时长的设计暴雨强度返回单元格，步骤S2.2，得到所需的设计暴雨强度；步骤S3，输入管道特征：将该恒定流流速公式输入所述“管道设计”工作表的Excel单元格中：步骤S3.1，将流量公式输入所述“管道设计”工作表的Excel单元格中：步骤S3.2，再将管径、粗糙系数、坡度角等数据输入excel后，由所述Excel自动计算出管道流速和流量。步骤S3.3，将计算出的流量与该汇水区域雨量对比，得出该管道是否为满管流：将最终管道特征输入区域，步骤S4，排水管道内流体流速的计算：步骤S4.1，情况(1)排水管道内流体为恒定流。当该排水管为满管流情况，认为排水管内流体为恒定流状态，使用恒定流公式计算得出的流速进行计算。步骤S4.2，情况(2)排水管道内流体为非恒定流情况。在实际情况中降雨强度不断变化、支线管道连接到干线管道等因素，排水管道内流体很难保持恒定。使用两种方法计算管道内某点流体流速。优选的是，所述步骤S4.2中的具体方法为建立圣维南方程组求解：已知条件参数通过“参数输入模块”导入“流速计算模块”，利用“管道设计”工作表中Excel自带的单变量求解出管道内各点流速。步骤S5，利用“管道设计”工作表中Excel求解特定流速下起动的泥沙，利用张红武、卜海磊(2011)统一泥沙起动公式(2)：将该公式(2)输入“管道设计”工作表中：E2——KS含沙量影响系数；I2——h水深(m)；J2——D粒径(m)；K2——(γs-γ)/γ颗粒水下相对容重；M2——γ'/γc'淤积物的相对干容重；N2——v水流运动黏滞性系数(m2/s)；P2——δ薄膜水厚度(m)。步骤S5.1，Excel的规划求解法利用“管道设计”工作表中Excel的规划求解，反向求解泥沙粒径，由于该公式(2)可能存在多个解，需要将所求解限定为正数、较小值范围内。步骤S6，获得泥沙颗粒特性：张红武、卜海磊(2011)统一泥沙起动公式中泥沙颗粒的主要特征为中值粒径d50和泥沙干容重。由于构成泥沙岩石成分的不同，其干容重也存在较大差距。在同等中值粒径d50条件下，不同种类的泥沙干容重也不尽相同。即便如此泥沙干容重和其中值粒径之间仍然具有一定的相关性。对中值粒径和泥沙干密度关系上包线做多项式拟合，得到拟合公式为：y＝Intercept+B1*x^1+B2*x^2，公式相关系数R＝0.9903，式中Intercept＝1730.5139；B1＝-94.92529；B2＝-111.6198；y为泥沙干密度ρ,x为中值粒径的对数坐标log10(d50)。依次执行以上步骤，得出降水条件和降水场地特征与被起动的泥沙颗粒中值粒径d50和干容重的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法，其包括；依次执行下列步骤：步骤S0，将《室外排水设计规范》中规定的3种城镇类型和4种城区类型的组合及与所述城镇类型和城区类型对应的设计重现期输入一个单独的Excel工作表并命名为“管道设计”；步骤S1，在“管道设计”工作表中输入降雨区域的场地特征，根据行业标准或公式填写设计区域的场地特征，或根据实测值如实填写，如城区类型：中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区、中心城区地下通道和下沉式广场等，所对应的建议综合径流系数；步骤S1.1，在“管道设计”工作表中输入所述降雨区域的城镇类型和城区类型；优选的是，利用Excel的有效性验证，对输入的降雨区域的城镇类型和城区类型的种类进行管理，在Excel的单元格设置通过下拉菜单选择根据《室外排水设计规范》预先设定的3中城镇类型和4种城区类型的输入值；步骤S1.2，在“管道设计”工作表中输入降雨场地的降雨特征区域；步骤S1.3，选取或自动生成步骤S1.1中所选降雨区域的排水管道的设计重现期；不同区域类别分别对应12种设计重现期，当选定降雨场地的城镇类型和城区类型，在“管道设计”工作表中自动生成该区域排水管道的设计重现期；步骤S1.4，将城镇类型与城区类型合并文本与预先输入“管道设计”工作表中的组合单元格进行比对，返回其对应的设计重现期，初步判断所选降雨区域的降雨重现期是否达到或是超过其设计重现期：步骤S1.5，验证所选降雨区域的建议综合径流系数，同样的方法使用与该区域综合径流系数的查找，输入公式：＝"建议综合径流系数："&VLOOKUP(B5,管道设计！A2:D4,4,0)该单元格将返回所选区域的建议综合径流系数，如：步骤S2，将暴雨特征输入所述“管道设计”工作表中Excel表格中：对于实际降雨，将实测值输入所述“管道设计”工作表中Excel的单元格进行计算。对于设计降雨，通过降雨区域所对应的暴雨强度公式计算该场地汇水面积内的降雨强度，即公式(1)；...

【技术特征摘要】
1.排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法，其包括；依次执行下列步骤：步骤S0，将《室外排水设计规范》中规定的3种城镇类型和4种城区类型的组合及与所述城镇类型和城区类型对应的设计重现期输入一个单独的Excel工作表并命名为“管道设计”；步骤S1，在“管道设计”工作表中输入降雨区域的场地特征，根据行业标准或公式填写设计区域的场地特征，或根据实测值如实填写，如城区类型：中心城区、非中心城区、中心城区的重要地区、中心城区地下通道和下沉式广场等，所对应的建议综合径流系数；步骤S1.1，在“管道设计”工作表中输入所述降雨区域的城镇类型和城区类型；优选的是，利用Excel的有效性验证，对输入的降雨区域的城镇类型和城区类型的种类进行管理，在Excel的单元格设置通过下拉菜单选择根据《室外排水设计规范》预先设定的3中城镇类型和4种城区类型的输入值；步骤S1.2，在“管道设计”工作表中输入降雨场地的降雨特征区域；步骤S1.3，选取或自动生成步骤S1.1中所选降雨区域的排水管道的设计重现期；不同区域类别分别对应12种设计重现期，当选定降雨场地的城镇类型和城区类型，在“管道设计”工作表中自动生成该区域排水管道的设计重现期；步骤S1.4，将城镇类型与城区类型合并文本与预先输入“管道设计”工作表中的组合单元格进行比对，返回其对应的设计重现期，初步判断所选降雨区域的降雨重现期是否达到或是超过其设计重现期：步骤S1.5，验证所选降雨区域的建议综合径流系数，同样的方法使用与该区域综合径流系数的查找，输入公式：＝"建议综合径流系数："&VLOOKUP(B5,管道设计！A2:D4,4,0)该单元格将返回所选区域的建议综合径流系数，如：步骤S2，将暴雨特征输入所述“管道设计”工作表中Excel表格中：对于实际降雨，将实测值输入所述“管道设计”工作表中Excel的单元格进行计算。对于设计降雨，通过降雨区域所对应的暴雨强度公式计算该场地汇水面积内的降雨强度，即公式(1)；其中：q——设计暴雨强度[L/(s·hm2)]；t——设计降雨历时(min)；P——设计重现期(年)；在所述“管道设计”工作表中Excel的单元格中输入暴雨强度公式(1)：另外3个公式依次输入，将计算得到4种不同条件下的降雨强度值，步骤S2.1，对输入的降雨历时进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海燕，杨志超，谭朝洪，张晓然，张紫阳，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京,11