城市污水量及雨水量估算

2.3　城市污水量及雨水量估算

2.3.1　污水量估算

城市污水主要来源于城市用水。城市污水量由城市给水工程统一供水的用户和自备水源供水的用户排出的城市综合生活污水量和工业废水量组成。城市中少量的其他污水，如市政、公用设施及其他用水产生的污水等，因其数量少且排除方式的特殊性无法统计，可以忽略不计。因此，污水量定额与城市用水定额之间有一定的比例关系，该比例关系称为排放系数。

1．污水排放系数

由于水在使用过程中的蒸发、形成工业产品、分流到其他水体或以其他方式排除等原因，部分生活污水或工业废水不再被收集到排水管道，在一般情况下，生活污水和工业废水的污水量为用水量的60%～80%，在天热干旱季节有时可低于50%。但是，由于地下水和地面雨水可以通过管道接口、裂缝等处进入排水管，雨水也可能从检查井口和错误接入的管道进入污水管，还有一些未包括在城市给水系统中的自备水源的企业或其他用户的排水也可能进入排水系统，使实际污水量增大。

污水排放系数即表示城市污水量与用水量之间的比例关系。污水排放系数是在一定的计量时间(年)内的污水排放量与用水量(平均日)的比值。当规划城市供水量、排水量统计分析资料缺乏时，城市分类污水排放系数可根据城市居住、公共设施和工业用地的布局等因素，按表2－1的规定确定。

表2－1　城市分类污水排放系数

注:工业废水排放系数不含石油、天然气开采业和煤炭与其他矿采选业以及电力蒸汽热水产供业废水排放系数，其数据应按厂、矿区的气候、水文地质条件和废水利用、排放方式确定。

城市综合生活污水排放系数选择时还应考虑城市规划的居住水平、给水排水设施完善程度与城市排水设施规划普及率，以及第三产业产值在国内生产总值中的比重后综合确定。城市工业废水排放系数则需考虑城市的工业结构和生产设备、工艺先进程度及城市排水设施普及率等综合确定。在地下水位较高的地区，在计算管道和污水处理设施的流量时，应适当考虑地下水渗入管道的水量。

在计算设计污水量时还应明确，污水管网是按最高日最高时污水排放流量进行设计的，在选用污水量定额和确定变化系数时，应能计算出最高日最高时污水流量。根据我国设计规范规定，污水设计流量计算与给水用水量计算方法是有差别的，即在计算居民生活用水量或综合生活用水量时，采用最高日用水量定额和相应的时变化系数，而在计算居民生活污水量或综合生活污水量时，采用平均日污水量定额和相应的总变化系数。

2．综合生活污水量总变化系数

与给水系统用水量一样，污水的排放量也是时刻在发生变化的，同样有逐日变化和逐时变化的规律。在城市污水管道规划设计中，通常都假定在1小时内污水流量是均匀的。这样假定与实际情况比较接近，不致影响设计和运转。污水量的变化同样可以用变化系数和变化曲线来描述。

污水量日变化系数K_d指设计年限内，最高日污水量与平均日污水量的比值。

污水量时变化系数K_h指设计年限内，最高日最高时污水量与该日平均时污水量的比值。

污水量总变化系数K_z指设计年限内，最高日最高时污水量与平均日平均时污水量的比值。

污水管网在计算设计污水量时，应按最高日最高时污水排放流量进行设计。而根据用水量标准及污水排放系数推算出的污水量标准为平均日污水量，因此，在计算污水量时，采用的是平均日污水量标准和相应的总变化系数估算出最高日最高时污水量。

城市综合生活污水量的总变化系数按《室外排水设计规范》(GB50014)确定，见表2－2。工业废水量总变化系数应根据规划城市的具体情况，按行业工业废水排放规律分析确定，或参照条件相似城市的分析成果确定。

表2－2　城市综合生活污水量总变化系数

注:当污水平均日流量为中间数值时，总变化系数可用内插法求得。

3．城市污水量估算

1)居民生活污水设计流量

影响居民生活污水设计流量的主要因素有生活设施条件、设计人口和污水流量变化等。在计算生活污水设计流量时，设计人口指的是排水系统在设计使用年限终期所服务的人口数量。如果排水工程系统是分期实施的，则还应明确各个分期时段内的服务人口数，用于计算各个分期时段内的污水量。

同一城市中可能存在多个排水服务区域，其污水量标准不同，计算时要对每个区分别按照其规划目标，取用适当的污水量定额，按各区实际服务人口计算该区的生活污水设计流量。

居民生活污水设计流量Q₁用下式计算:

式中　K_z1————生活污水量的总变化系数，可由表2－2查得;

　Q_d————平均日污水流量，L/s;

　q_1i————各排水区域平均日居民生活污水量定额，L/s，可用综合生活用水量指标乘以排放系数求得，综合生活用水量指标(含公共建筑)查表1－3，排放系数参考表2－1确定;

　N_1i————各排水区域在设计使用年限终期所服务的人口数，人。

2)工业废水设计流量

工业废水设计流量Q₂可用下式计算:

式中　K_2i————各工矿企业废水量的时变化系数;

　q_2i————各工矿企业废水量定额，m³/单位产值、m³/单位产品或m³/单位生产设备;

　N_2i————各工矿企业最高日生产产值(如万元)、产品数量(如件、台、吨等)或生产设备数量(如台、套等);

　f_2i————各工矿企业生产用水重复利用率;

　T_2i————各工矿企业最高日生产小时数，h。

3)工业企业生活污水量和淋浴污水设计流量

工业企业生活污水量和淋浴污水设计流量Q₃可用下式计算:

式中　q_3ai————各工矿企业车间职工生活用水量定额，L/(人·班);

　q_3bi————各工矿企业车间职工淋浴用水量定额，L/(人·班);

　N_3ai————各工矿企业车间最高日职工生活用水总人数，人;

　N_3bi————各工矿企业车间最高日职工淋浴用水总人数，人;

　K_h3ai————各工矿企业车间最高日职工生活用弯化系数，人;

　T_3ai————各工矿企业最高日每班工作小时数，h。

4)公共建筑污水设计流量

公共建筑的污水量可与居民生活污水量合并计算，此时应选用综合生活污水量定额，也可单独计算。公共建筑排放的污水量比较集中，若有条件获得充分的调查资料，则可以分别计算这些公共建筑各自排出的生活污水量。

公共建筑污水设计流量Q₄可用下式计算:

式中　q_4i————各公共建筑最高日污水量标准，L/(用水单位·d);

　N_4i————各公共建筑在设计使用年限终期所服务的用水单位数，人;

　K_h4i————各公共建筑污水量时变化系数;

　T_4i————各公共建筑最高日排水小时数，h。

5)城市污水设计总流量

城市污水设计总流量可用下式计算:

在城市总体规划阶段城市不同性质用地污水量可按照《城市给水工程规划规范》(GB50282)中不同性质用地用水量乘以相应的分类污水排放系数确定。城市居住用地和公共设施用地污水量可按相应的用水量乘以城市综合生活污水排放系数。城市工业用地工业废水量可按相应用水量乘以工业废水排放系数。其他用地污、废水量可根据用水性质、水量和产生污、废水的数量及其出路分别确定。

【例2－1】某城镇居住小区街坊总面积50.20hm²，人口密度为350人/hm²，居民生活污水量定额为120L/(人·d);有两座公共建筑，火车站和公共浴室的污水设计流量分别为3.00L/s和4.00L/s;有两个工厂，甲工厂的生活、淋浴污水与工业废水总设计流量为25.00L/s，乙工厂的生活、淋浴污水与工业废水总设计流量为6.00L/s。全部污水统一送至污水厂处理。试计算该小区污水设计总流量。

【解】由街坊总面积50.20hm²，居住人口密度为350人/hm²，则服务总人口为

50.20×350=17570(人)

由居民生活污水量定额为120L/(人·d)，则居民平均日生活污水量为

由表2－2总变化系数可采用

K_z=1.9

居民生活污水设计流量

Q₁=K_zQ_d=1.9×24.40=46.36　(L/s)

工业企业生活、淋浴污水与工业废水设计流量已直接给出:

Q₂+Q₃=25.00+6.00=31.00　(L/s)

公共建筑生活污水设计流量也已直接给出:

Q₄=3.00+4.00=7.00　(L/s)

将各项污水设计流量直接求和，得该小区污水设计总流量

Q=Q₁+Q₂+Q₃+Q₄=46.36+31.00+7.00=84.36　(L/s)

2.3.2　雨水量估算

降雨是一种自然过程，降雨的时间和降雨量大小具有一定的随机性，同时又服从一定的统计规律。一般，越大的暴雨出现的几率越少。我国地域宽广，气候差异很大，南方多雨，北方少雨干旱。不同地区的城市排水管网的设计规模和投资具有很大差别。降雨量的计算必须根据不同地区的降雨特点和规律，对正确规划城市雨水管网特别重要。雨水管网应具有合理的和最佳的排水能力，最大限度地及时排除雨水，避免洪涝灾害，同时规模还不应超过实际需求，避免投资浪费，提高工程投资效益。

1．雨水量的计算

雨水量应按下式计算确定:

式中　Q————雨水量，L/s;

　q————暴雨强度，L/(s·hm²);

　φ————径流系数;

　F————汇水面积，hm²。

2．暴雨强度的确定

根据数理统计理论，暴雨强度q与降雨历时t和重现期p之间的关系，可用一个经验函数表示，称为暴雨强度公式。其函数形式有多种。根据不同地区的适用情况，可采用不同的公式。

城市暴雨强度计算应采用当地的城市暴雨强度公式。确定暴雨强度q的数值可在《给水排水工程设计手册》和其他有关设计手册(如《建筑工程设计资料手册》)中找到，全国许多城市的降雨强度公式，见表2－3。

表2－3　主要大城市的暴雨强度公式

在降雨量累积曲线上取某一时间段，称为降雨历时t。若该降雨历时覆盖了降雨的雨峰时间，则单位时间内的累积降雨量即为该降雨历时的暴雨强度，降雨历时区间取得越宽，计算得出的暴雨强度就越小。对雨水管网规划而言，应找出降雨量最大的那个时段内的降雨量。因此，暴雨强度的数值与所取的连续时间段t的跨度和位置有关。在城市暴雨强度公式推求中，经常采用的降雨历时为5min、10min、15min、20min、30min、45min、60min、90min、120min等9个历时数值，特大城市可以用到180min。

重现期是指在多次观测中，事件数据值大于等于某个设定值重复出现的平均间隔年数，单位为年。

重现期是从统计平均的概念引出的。某一暴雨强度的重现期等于p，并不是说大于等于暴雨强度的降雨每隔p年就会发生一次。p年重现期是指在相当长的一个时间序列(远远大于p年)中，大于等于该指标的数据平均出现的可能性为1/p，而且这种可能性对于这个时间序列中的每一年都是一样的，发生大于等于该暴雨强度的事件在时间序列中的分布也并不是均匀的。对于某一个具体的p年时间段而言，大于等于该强度的暴雨可能出现一次，也可能出现数次或根本不出现。重现期越大，降雨强度越大，如图2－11所示。

图2－11　降雨强度、降雨历时和重现期的关系

若在雨水排水管网的设计中使用较高的设计重现期，则计算的设计排水量就较大，排水管网系统设计规模相应增大，排水顺畅，但该排水系统的建设投资就比较高;反之，投资较小，但安全性差。城市雨水系统规划时，确定设计重现期的影响因素主要有城市性质、排水区域的重要性、功能、淹没后果严重性、地形特点和汇水面积的大小等。在同一排水系统中可采用同一重现期或不同重现期。在一般情况下，低洼地段采用的设计重现期大于高地，干管采用的设计重现期大于支管，工业区采用的设计重现期大于居住区，市区采用的设计重现期大于郊区。重要干道、重要地区或短期积水能引起严重后果的地区，重现期宜采用3～5年，其他地区重现期宜采用1～3年。特别重要地区和次要地区或排水条件好的地区规划重现期可酌情增减。

3．径流系数

降落在地面上的雨水在沿地面流行的过程中，一部分雨水被地面上的植物、洼地、土壤或地面缝隙截留，剩余的雨水在地面上沿地面坡度流动，称为地面径流。地面径流的流量称为雨水地面径流量。雨水管渠系统的功能就是排除雨水地面径流量。地面径流量与总降雨量的比值称为径流系数φ，径流系数小于1。

降雨刚发生时，有部分雨水会被植物截留，而且地面比较干燥，雨水渗入地面的渗水量比较大，开始时的降雨量小于地面的渗水量，雨水被地面全部吸收。随着降雨时间的增长和雨量的加大，当降雨量大于地面渗水量后，降雨量与地面渗水量的差值称为余水，在地面开始积水并产生地面径流。单位时间内的地面渗水量和余水量分别称为入渗率和余水率。在降雨强度增至最大时，相应产生的地面径流量也最大。此后，地面径流量随着降雨强度的逐渐减小而减小，当降雨强度降至与入渗率相等时，余水率为0。但这时由于有地面积水存在，故仍有地面径流，直到地面积水消失径流才终止。

地面径流系数的值与汇水面积上的地面材料性质、地形地貌、植被分布、建筑密度、降雨历时、暴雨强度及暴雨雨型有关。当地面材料透水率较小、植被较少、地形坡度大、雨水流动快的时候，径流系数较大;降雨历时较长会使地面渗透损失减少而增加径流系数;暴雨强度较大时，会使流入雨水管渠的相对水量增加而增加径流系数;对于最大强度发生在降雨前期的雨型，前期雨量大的径流系数值也大。

在城市总体规划阶段的雨水量估算中，宜采用城市综合径流系数，即按规划建筑密度将城市用地分为城市中心区、一般规划区和不同绿地等，按不同的区域，分别确定不同的径流系数。径流系数可按表2－4确定。

表2－4　径流系数

4．汇水面积

汇水面积F是指雨水管渠汇集和排除雨水的地面面积，常用单位为hm²或km²。一般的大雷雨能覆盖1～5km²的地区，有时可高达数千平方公里。一场暴雨在其整个降雨的面积上雨量分布并不均匀。但是，对于城市雨水系统，汇水面积一般较小，可以假定是均匀分布的，其最远点的集水时间往往不超过3～5h，大多数情况下，集水时间不超过60～120min。