排水管渠系统模拟与计算PDF电子书下载

第1章 城市排水 1

1.1 排水形式 1

1.2 城市排水系统的目标 1

1.2.1 保护公共健康和安全 1

1.2.2 重视职业健康和安全 2

1.2.3 保护环境 2

1.2.4 可持续发展 3

1.3 排水体制 3

1.3.1 合流制排水系统 4

1.3.2 分流制排水系统 5

1.3.3 城市排水系统各组成部分之间的相互影响 5

1.4 受纳水体影响 6

1.4.1 城市排水的排放方式 6

1.4.2 排水与受纳水体作用的过程 6

1.4.3 排水对受纳水体的影响 7

1.5 排水系统分析简史 10

1.5.1 我国排水系统早期发展简史 10

1.5.2 国外排水系统技术发展 11

1.5.3 水力学简史 16

第2章 排水管渠系统模型构建 20

2.1 模型基础 20

2.1.1 模型 20

2.1.2 稳态模型和动态模型 21

2.1.3 集总模型和分布模型 21

2.1.4 模型开发计划 21

2.2 建模过程 21

2.2.1 建模目标 22

2.2.2 建立备选方案 23

2.2.3 模型尺度 24

2.2.4 选择软件 24

2.2.5 确定数据需求 24

2.2.6 确定数据源 25

2.2.7 收集数据 26

2.2.8 评估数据 27

2.2.9 构建模型 28

2.2.10 获取欠缺数据 28

2.2.11 敏感性分析 28

2.2.12 校核模型 28

2.2.13 验证模型 28

2.2.14 运行模型 28

2.2.15 建立解决方案 29

2.2.16 记录 29

2.3 构建排水管渠系统模型 30

2.3.1 排水管渠系统一般术语 30

2.3.2 子汇水面积 30

2.3.3 管道 33

2.3.4 明渠 35

2.3.5 涵洞 36

2.3.6 边沟和雨水口 38

2.3.7 检查井 39

2.3.8 水泵 42

2.3.9 集水池 43

2.3.10 雨水调蓄池 43

2.3.11 并联管道和回路 44

2.4 其他事项 45

2.4.1 模型简化 45

2.4.2 数据处理工具 45

2.4.3 模型与CAD软件的集成 46

2.4.4 建模注意点 47

第3章 雨量分析 48

3.1 水文循环 49

3.2 降水类型 51

3.2.1 锋面降水 51

3.2.2 气旋降水 53

3.2.3 对流降水 53

3.2.4 地形降水 54

3.3 降雨基本特征 54

3.3.1 降雨深度和降雨强度 54

3.3.2 降雨时间分布 54

3.3.3 降雨空间分布 56

3.3.4 暴雨强度频率和重现期 56

3.3.5 降雨时间序列数据选样 57

3.4 降雨数据收集 58

3.4.1 点降雨测量仪器 58

3.4.2 降水量观测误差来源与控制 61

3.4.3 气象雷达测雨 63

3.5 设计降雨 64

3.5.1 降雨强度-降雨历时-重现期关系曲线 64

3.5.2 我国常用暴雨强度公式 65

3.5.3 面降雨强度的修正 66

3.6 合成雨量图 69

3.6.1 均匀降雨雨量图 70

3.6.2 芝加哥雨量图 71

3.6.3 Huff降雨分布曲线 73

3.6.4 SCS暴雨分布 75

3.6.5 历史时间序列 75

3.7 雨水管理的降雨数据需求 76

第4章 雨水径流物理模型 78

4.1 子汇水面积 78

4.2 雨水径流模拟的物理过程 79

4.3 降雨损失 81

4.3.1 植物截留 81

4.3.2 坑洼存水 82

4.3.3 下渗 84

4.4 地表漫流 95

4.4.1 基本方程组的简化 96

4.4.2 水流阻力公式 97

4.4.3 运动波方程组的解 98

4.5 边沟流 99

第5章 雨水径流集总模型 100

5.1 哈顿模型 100

5.2 有效降雨 103

5.3 综合降雨损失模型 104

5.3.1 比例损失模型 104

5.3.2 径流百分数公式 104

5.3.3 SCS模型 105

5.4 流域响应时间 110

5.4.1 集水时间 111

5.4.2 径流滞后时间 114

5.5 高峰径流量估计 114

5.5.1 推理公式法 115

5.5.2 径流系数 116

5.5.3 洪峰流量计算步骤 117

5.6 单位流量过程线 118

5.6.1 原理 118

5.6.2 Espey 10min单位流量过程线 120

5.6.3 SCS单位流量过程线 125

5.6.4 单位流量过程线方法的应用 128

5.6.5 以实测数据生成流量过程线 131

5.6.6 时间面积法 133

5.6.7 水库模型 135

5.7 基流 139

5.8 融雪 139

第6章 污水流量 141

6.1 污水收集系统中水流组成 141

6.2 流量定义与水量变化 143

6.3 生活水量 144

6.3.1 生活用水量 144

6.3.2 生活用水量与生活污水量的关系 146

6.3.3 生活污水设计流量 147

6.4 工业用水量和工业废水量 151

6.5 居住小区污水流量 152

6.6 时变流量 154

6.6.1 日变化曲线 155

6.6.2 模型表达 155

6.7 入渗入流 156

第7章 明渠恒定流 159

7.1 流体的主要物理性质 160

7.1.1 密度和重度 160

7.1.2 黏性 161

7.1.3 压缩性和膨胀性 162

7.1.4 汽化压强 163

7.2 流体水力特征 163

7.2.1 静压强 163

7.2.2 绝对压强和相对压强 165

7.2.3 流量和断面平均速度 165

7.2.4 雷诺数 166

7.3 明渠底坡与断面 166

7.3.1 明渠底坡 166

7.3.2 明渠横断面 168

7.3.3 明渠的几何要素 169

7.3.4 圆形断面 172

7.3.5 非圆形断面 173

7.4 基本原理 175

7.4.1 质量守恒 175

7.4.2 能量守恒 176

7.4.3 动量守恒 179

7.4.4 淹没构筑物受力 181

7.5 水力设计变量 182

7.6 能量和水头损失 183

7.7 曼宁粗糙系数 186

7.7.1 管道中曼宁粗糙系数的影响因素 186

7.7.2 管道曼宁粗糙系数的建议取值 188

7.7.3 明渠中曼宁粗糙系数的影响因素 188

7.8 非均质明渠与复式断面明渠 188

7.8.1 非均质明渠 188

7.8.2 复式断面明渠 190

7.9 汇接构筑物中的局部水头损失 192

7.10 切应力分析 196

7.10.1 切应力 197

7.10.2 沉积物迁移能力实验分析 197

7.10.3 坎普公式 200

7.10.4 姚氏方法 201

7.10.5 德国ATV方法 202

7.11 断面单位能量和临界流 202

7.11.1 断面单位能量 202

7.11.2 佛汝德数 203

7.11.3 缓流和急流 204

7.12 水跃 204

7.12.1 水跃现象 204

7.12.2 水跃基本方程和水跃函数 206

7.12.3 水跃水力计算 207

7.12.4 水跃发生的位置和水跃形式 212

7.13 流量控制构筑物的水力特征 212

7.13.1 孔口出流 213

7.13.2 堰流 213

7.13.3 闸孔出流 219

7.14 渐变流 220

7.14.1 棱柱体明渠水面曲线微分方程 220

7.14.2 棱柱体明渠水面曲线分区和命名 222

7.14.3 棱柱体明渠水面曲线计算 223

第8章 明渠非恒定流 227

8.1 非恒定流分析基础 227

8.2 圣维南方程组 229

8.2.1 连续性方程 230

8.2.2 动量方程 231

8.2.3 圣维南方程组及其近似形式 232

8.3 圣维南方程组求解 233

8.3.1 空间-时间域离散 233

8.3.2 数值求解方法 233

8.3.3 数值稳定性和收敛性 239

8.4 流动不稳定性 240

8.5 超载流数学模拟 241

8.5.1 控制方程组 241

8.5.2 简化方法 241

8.5.3 Preissmann槽概念 242

8.6 初始条件、边界条件和连接条件 244

8.6.1 初始条件 244

8.6.2 边界条件 244

8.6.3 连接条件 247

8.7 溢流 248

8.7.1 溢流和分流 248

8.7.2 排水管渠溢流 248

8.7.3 侧流堰分析 248

8.8 马司京干演算 250

第9章 有压管流和水泵特性 255

9.1 沿程水头损失 255

9.1.1 达西-维斯巴赫公式 256

9.1.2 柯尔勃洛克-怀特公式和莫迪图 257

9.1.3 海曾-威廉公式 258

9.1.4 斯沃米-让公式 259

9.1.5 曼宁公式 260

9.2 局部水头损失 261

9.2.1 局部水头损失产生的原因 261

9.2.2 局部水头损失公式 262

9.2.3 几种典型的局部水头损失系数 263

9.3 水泵 268

9.3.1 水泵特性曲线 268

9.3.2 管道系统特性曲线 269

9.3.3 其他水泵特性曲线 270

9.3.4 变速泵 270

9.3.5 功率和效率 271

第10章 城市路面排水 273

10.1 边沟流 273

10.1.1 设计重现期和允许漫幅 273

10.1.2 边沟水力特性 274

10.1.3 边沟内流行时间 280

10.1.4 雨水口集水时间 281

10.2 雨水口 284

10.2.1 雨水口类型和构造 284

10.2.2 泄水能力和效率 286

10.2.3 边沟平箅雨水口 287

10.2.4 侧石雨水口 288

10.2.5 联合式雨水口 291

10.2.6 槽式雨水口 291

10.2.7 低洼位置处的雨水口 291

10.2.8 雨水口堵塞 294

10.3 雨水口位置设计 295

10.3.1 雨水口的设置位置 297

10.3.2 连续坡面上雨水口间距 297

10.4 桥面排水 299

10.5 隧道排水 300

10.6 下穿道路排水 302

10.7 立交道路排水 303

10.8 广场、停车场地面排水 305

第11章 雨水管渠系统设计计算 306

11.1 雨水管渠设计流量计算公式 308

11.1.1 集水时间 308

11.1.2 设计重现期 308

11.1.3 风险计算 310

11.1.4 改进推理公式法 311

11.2 雨水管渠水力计算基本数据 313

11.3 雨水管渠水力计算方法 314

11.4 常规雨水管渠系统设计计算步骤 317

11.5 特殊情况下雨水管渠设计流量计算 319

11.5.1 不同设计暴雨重现期情况 319

11.5.2 部分面积汇流情况的最大径流量计算 320

11.6 能量损失法下的雨水管渠系统设计 327

11.6.1 超载管渠 327

11.6.2 明渠流 331

第12章 排水泵站 337

12.1 排水泵站一般特性 337

12.1.1 站址选择原则 337

12.1.2 排水泵站组成 337

12.1.3 泵房形式 339

12.1.4 闸、阀 343

12.1.5 泵站仪表 344

12.1.6 水泵系统模拟 344

12.1.7 水力瞬变 344

12.2 水泵类型和选择 345

12.2.1 水泵数量 345

12.2.2 常用排水泵 346

12.2.3 比转数 348

12.2.4 水泵系列型谱图 350

12.2.5 水泵并联 350

12.3 集水池 352

12.3.1 集水池容积 352

12.3.2 集水池水位 352

12.3.3 集水池有效容积 352

12.3.4 集水池形式及吸水管布置 354

12.4 汽蚀余量 355

12.4.1 汽蚀及其危害 355

12.4.2 叶片泵安装高度 355

12.4.3 减轻汽蚀的措施 356

12.5 压水管路 357

12.5.1 压水管路特点 357

12.5.2 设计特性 358

12.5.3 尺寸计算 358

12.6 泵站的自动控制 361

12.6.1 控制方式 361

12.6.2 排水泵站运行特点 362

12.7 雨水管渠系统预抽空模式分析 363

12.7.1 技术需求 363

12.7.2 案例分析 365

第13章 雨水滞留 369

13.1 引言 369

13.2 雨水滞留设施类型 370

13.2.1 干式塘和湿式塘 370

13.2.2 地上和地下滞留 371

13.2.3 在线和离线滞留 371

13.2.4 区域和场地滞留 372

13.2.5 串联和互联池 372

13.3 雨水滞留模拟 373

13.4 径流容积 374

13.4.1 降雨深度和径流容积 374

13.4.2 雨水水质控制容积 375

13.5 滞留设施组成 377

13.6 蓄水水位 378

13.6.1 水位与蓄水水面面积 378

13.6.2 水位与蓄水容积 379

13.6.3 水位与出流量 382

13.7 滞留池容积演算 383

13.7.1 差分方法 384

13.7.2 积分方法 388

13.8 滞留池设计计算步骤 392

第14章 明渠和涵洞设计 393

14.1 明渠设计事项 393

14.2 水力最佳断面 398

14.3 渠道断面尺寸设计 400

14.4 涵洞类型和材料 401

14.5 洞口处理 401

14.6 涵洞设计的一般原则 404

14.7 涵洞水力学 405

14.7.1 头水和尾水 405

14.7.2 流量控制 406

14.7.3 涵洞性能的图形分析 409

14.7.4 涵洞性能的水面曲线分析 415

第15章 排水系统水质模拟 421

15.1 雨水径流水质 421

15.1.1 污染源 421

15.1.2 事件平均浓度 423

15.1.3 累积与冲刷模型 426

15.1.4 初期冲刷效应 428

15.2 管渠系统内的污染物迁移模拟 430

15.2.1 移流和扩散 430

15.2.2 完全混合池模型 431

15.2.3 管渠内节点处的混合模型 432

15.2.4 沉积物的迁移 432

15.3 管渠中污染物转化的模拟 433

15.3.1 持恒污染物 434

15.3.2 简单的衰减表达式 434

15.3.3 河流模拟方法 435

15.3.4 WTP模拟方法 436

15.4 活性污泥工艺模拟基础 436

15.4.1 模拟的必要性 436

15.4.2 建模步骤 436

15.4.3 物料平衡 437

15.4.4 化学计量学 437

15.4.5 传输 438

15.4.6 矩阵表示法 439

附录 我国部分城市暴雨强度公式 443

参考文献 465