本发明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。
背景技术：
：：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。技术实现要素：本发明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。本发明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和干容重的关系。附图说明：下面参照附图通过具体实施里说明本发明，其中：图1为降雨区域特征输入区域；图2为降雨特征输入区域；图3为管道特征输入区域；图4为淤积泥沙干密度与中值粒径的关系；图5为管道内水深变化曲线；图6为管内不同点位的泥沙颗粒临界起动特征曲线；图7为泥沙颗粒临界起动特征曲线与淤积泥沙干密度与中值粒径的关系结合图；图8为点位4流速得到的泥沙颗粒临界起动特征曲线；图9为点位5流速得到的泥沙颗粒临界起动特征曲线；图10为点位7流速得到的泥沙颗粒临界起动特征曲线；图11为点位7流速得到的泥沙颗粒临界起动特征曲线(2)；图12城镇类型输入示意图；图13《室外排水设计规范》中已经规定的3种城镇类型和4种城区类型及相应的排水管道的设计重现期；图14泥沙干密度与中值粒径的关系上包线拟合曲线图15泥沙干密度与中值粒径的关系下包线拟合曲线。具体实施方式实施例1.1:排水管内泥沙颗粒起动特性计算方法，包括下列步骤：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”，该“管道设计”工作表中包含的内容是城镇类型与设计重现期的对应关系；如表1所示；城镇类型设计重现期(年)超大城市和特大城市中心城区3～5超大城市和特大城市非中心城区2～3超大城市和特大城市中心城区的重要地区5～10超大城市和特大城市中心城区地下通道和下沉式广场等30～50大城市中心城区2～5大城市非中心城区2～3大城市中心城区的重要地区5～10大城市中心城区地下通道和下沉式广场等20～30中等城市和小城市中心城区2～3中等城市和小城市非中心城区2～3中等城市和小城市中心城区的重要地区3～5中等城市和小城市中心城区地下通道和下沉式广场等10～20表1城镇类型与设计重现期步骤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，如表2。区域类型径流系数(ψ)城市建筑密集区0.60～0.70城市建筑较密集区0.45～0.60城市建筑稀疏区0.20～0.45表2区域类型与径流系数步骤s1.1，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种城镇类型和4种城区类型的输入值，如图12所示的城镇类型的输入。步骤s1.2，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，可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组合单元格进行比对，返回其对应的设计重现期，如图13所示的《室外排水设计规范》中已经规定的3种城镇类型和4种城区类型及相应的排水管道的设计重现期。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)其中，b2代表输入的“城镇类型”，b4代表输入的“城区类型”，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。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，如：p：重现期(年)3该地区设计重现期：2～3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)其中，b5为输入“区域类型”，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：可以防止输入的综合径流系数与实际情况差异过大。在设计排水管道时，最主要的使用功能就是将其负责区域内的雨水排出。汇水面积内的区域特征决定排水管道的主要设计参数，并用来初步判断一场降雨是否可能会超过其设计流量。降雨区域特征输入区域如图1。步骤s2，将暴雨特征输入所述“管道设计”工作表的excel表格中：对于实际降雨，将实测值输入所述“管道设计”工作表的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)。由于北京就拥有两种暴雨区域：ⅰ区、ⅱ区；和两种降雨时长：短时降雨、长时降雨，分别对应4种不同的暴雨强度公式，所以需要输入降雨场地的降雨特征区域，如:城市北京ⅱ区而降雨时长可根据输入的“降雨历时”自动判断。在所述“管道设计”工作表的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，如表3：表3四种公式计算得出设计暴雨强度步骤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，最终降雨特征输入区域如图2：步骤s3，输入管道特征：由恒定流流速公式：式中v——排水管道截面平均流速，m/s；n——排水管道内壁粗糙系数；r——水力半径，m；i——水力坡降。将该恒定流流速公式输入所述excel的单元格中：步骤s3.1，将流量公式输入所述excel的单元格中：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：最终管道特征输入区域，如图3所示：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：式中b——当量宽度；z——水位；q——断面流量；a——过流断面面积；h——水深；c——谢才系数；r——水力半径。已知条件参数通过“参数输入模块”导入“流速计算模块”，利用excel自带的单变量求解出管道内各点流速。步骤s5，利用excel求解特定流速下起动的泥沙张红武、卜海磊(2011)统一泥沙起动公式(2)：将该公式(2)输入excel：其中：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)。由公式中可见使用张红武、卜海磊(2011)公式时，默认泥沙颗粒的容重要大于水的容重，否则无法进行计算。泥沙颗粒容重如果小于水容重一般不会在水流动状态沉降下来。步骤s5.1，excel的规划求解法利用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，可得到拟合曲线如图14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)。由于图14横坐标系为对数分布x＝log10(d50)，得到公式：ρ'max＝1730.5139-94.92529×log10(d50)-111.6198×[log10(d50)]2式中ρ'max——同等粒径最大泥沙干密度，kg/m3；d50——中值粒径，mm。对中值粒径和泥沙干密度关系的下包线做多项式拟合，可得到拟合曲线如图15。拟合公式相关系数r＝0.99849，式中intercept＝2751.5852；b1＝1480.7939；b2＝230.97659。得到公式：ρ'min＝2751.5852+1480.7939×log10(d50)+230.97659×[log10(d50)]2式中ρ'min——同等粒径最小泥沙干密度，kg/m3；d50——中值粒径，mm。对于一个已确定中值粒径的泥沙颗粒，在一般情况下其干密度应满足ρ'∈[ρ'min,ρ'max]。本发明可利用实测值输入进行计算，也可通过设计参数输入进行计算，并且可自动判断输入值是否符合一般设计标准。本发明提供多种管道流体流速计算方案，并且提出适用建议。本发明对多种泥沙颗粒起动公式进行了比较，选择了张红武、卜海磊(2011)统一泥沙起动公式作为泥沙颗粒起动的计算公式，具有很好的稳定性和精确度。本发明对泥沙颗粒特性进行分析，拟合出中值粒径和干密度的关系范围。由于在同一流速条件下，当被冲刷的泥沙颗粒中值粒径为最大时，其干密度相对最小；当被冲刷的泥沙颗粒中值粒径为最小时，其干密度相对最大。从而最终可以求解出在已知条件下，管道内可能起动的最大中值粒径泥沙颗粒和最大干密度泥沙颗粒。将计算得到的泥沙颗粒临界起动特征曲线与张瑞瑾所著的《河流泥沙动力学》中给出的淤积泥沙干密度与中值粒径的关系图相结合，就能给出可信的泥沙颗粒起动特性区域，泥沙颗粒临界起动特征曲线之上的区域在管道内点位的相应流速不会被冲刷起动，曲线之下的泥沙颗粒可能被冲刷起动。本发明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。实施例2.1:以北京市某区域为例，使用本发明计算排水管道内某点被冲刷起动的沉积物颗粒特性。假设北京市某非中心城区，属于建筑较密集区，某条排水管道的汇水面积为2hm2。此时该区域的设计降雨强度为0.267l/(s*hm2)，降雨量为0.000241m3/s。该排水管道直径为200mm，内壁粗糙系数0.012，水力坡度0.001，假设该管道内存在平均厚度为0.02m的沉积物。已知入口处水深h0＝0.03m，恒定流量q＝0.000241m3/s，可以使用圣维南方程组计算得出排水管道内各点位的流体流速，如表4。表4管道内流速和水深table4velocityanddepthofflowinpipeline点位间隔l0＝4m，在经过11个点位的水深和流速变化后水位逐渐趋于平稳，变成恒定流流态。将这11个不同点位的水深和流速值带入张红武、卜海磊(2011)统一泥沙起动公式后，利用excel自带的规划求解可以计算得出在这些流速下，哪些中值粒径和干密度性质的泥沙颗粒可能会起动。相应的曲线可以被称之为泥沙颗粒临界起动特征曲线，线上各点所对应的泥沙颗粒，起动临界流速为管道内点位同一流速。在曲线上方区域的泥沙颗粒所对应的起动临界流速要求越大，曲线下方的泥沙颗粒起动临界流速要求越小。由此可以推论得出，在管道内对应点位相应流速下满足泥沙颗粒临界起动特征曲线上方特性的泥沙颗粒应处于静止状态，而曲线下方的泥沙颗粒有可能被冲刷起动，如图6。将图6与淤积泥沙干密度与中值粒径的关系图相结合，可以得到图7。管内点位4、点位5、点位7所对应的流速，作为3个较为典型的泥沙颗粒临界起动特征曲线，分别与淤积泥沙干密度与中值粒径的关系结合后，可得到图8、图9、图10。图8-图10中各泥沙颗粒临界起动特征曲线与泥沙颗粒性质的上包线形成的闭合区域为在该点流速下不会被冲刷起动的泥沙颗粒性质，而与下包线形成的闭合区域属于可能被冲刷起动的泥沙颗粒性质。一般认为泥沙干密度ρ'＜1000kg/m3的泥沙颗粒在有流体流动的状态时不应处于沉积层，所以不考虑其被冲刷起动的情况。从以上三种典型情况可知，泥沙颗粒临界起动特征曲线与上下包线可能相交或不相交，共有三种情况。当曲线与上包线相交时可能产生两种情况，一种是有一个交点，一种是有两个交点。由图10可知，在此流速下由于流速较大，大部分泥沙颗粒特征的取值范围为不可信区间被舍弃，如果需要得到较为精确的结果，需要对区间内范围进行再次精确计算，所得如图11。当前第1页12当前第1页12