摘要：簡述污水排水系統中的水流特征，并提出按照排水系統的水力工況如何優化排水設計的合理化建議。
　　關鍵詞：污水排水系統水塞水膜運動通氣管系統
　　污水在排水立管、橫管內流動，它既不像給水管那樣的穩定壓力流，又不像通常的重力流，而是污水和空氣的兩相流，所引起管內壓力變動與排水主管的通氣方式有較大的關系。如室內排水系統設計不善，往往會引起地漏或衛生器具水封破壞，造成排水管道中臭氣通過排水管侵入室內，甚至部分衛生器具或出現如同沸騰的開水一般冒泡和泛濫，從而污染生活環境，給住戶造成心理困擾。
　　一個完善的室內排水系統必須滿足下列四點要求：
　　（1）管道布置合理和管道最省，以及能快速排除由衛生器具或生產設備所排出的污水；
　　（2）使排水管道內的氣壓波動盡量穩定，從而防止管道系統水封被破壞，避免排水管中有毒或有害的氣體或污、廢水進入室內；
　　（3）管道及設備的安裝必須牢固，不致因建筑物或管道本身發生少許震動和變位時使管道系統漏水；
　　（4）為污水綜合利用及處理提供有利條件，盡可能做到清污分流，減少有毒或有害物質污水的排放量，以保證處理構筑物的處理效果。
　　室內排水系統主要由衛生器具或生產設備受水器、排水管系統、通氣管系統、清通設備四部分組成。由于室內排水管系統中的水流運動屬于氣液兩相流動，故排水管系統、通氣管系統的特性對室內排水系統的排水效果有相當重要的關系。
　　
　　下面就分別對排水管系統、通氣管系統加以討論。
　　一．室內排水橫、立管中水流流動特征
　　一般室內排水管系統由器具排水管、橫支管、立管、總橫干管和室外排出管等組成。
　　1．室內排水橫管中水流流動特征
　　室內排水橫管中的實際水流運動是一種比較復雜的帶有壓縮性氣體的非穩定、非均勻的流動狀態。
　　室內衛生器具污水的排放具有短歷時、高流率進行的特點，尤其在接有大便器的排水管段中此現象甚為明顯。這種水流在突然排放后在管道內形成水躍使水面壅起，并可能充滿管斷面（當流量與管道設計能力之比值較小時，也可能未充滿整個管斷面），此時流速增加動能也相應增加，因而排水能力較之相同情況下的穩定均勻流為大。這種水流有似河道或水工結構中的涌浪水流運行（亦稱之為沖激流）。沖流在管中以其高速強力的排泄，能沖刷管道沉積物，并及時將含有紙屑雜質等固體物的污水排除掉。但是，當接于立管（有水流動）的橫管中發生沖激流情況時，因水流的動能突然增加，在往前涌流的過程中可能在某時刻成為一個水塞，此水塞在某個位置充滿管道，迫使空氣不能自由流動而引起其壓縮和擴散。此種水柱運動的前端管道空間氣體受壓縮，形成正壓，在短時間將存水彎水層往上升起，此現象即稱回壓；而后端空間氣體體積由擴疏變稀形成負壓，抽吸存水彎內的水。正壓和負壓均可能破壞水封。
　　2．室內排水立管中水流流動特征
　　污水從橫支管進入立管時，其水量有個速增過程，排放末了時又有速減過程。所以，進入室內排水立管中的水流是斷續的、非均勻的，管道內并非經常充滿水。同時由于絕大部分時間是部分充滿水，因而水流必帶氣，呈氣液兩相的夾氣流。在整個水流央氣往下降落的過程中就不斷發生管內氣體壓力疏張或壓縮對立管水流運動過程的實驗研究表明，當立管中流量較小時，水流沿管壁周邊作螺旋運動，這是因為流經粗糙的管壁受到摩擦的原故；此時立管中氣流正常流通，通氣量較大，氣壓穩定。隨著水量的增加，螺旋運動開始破壞，并且當水量足夠覆蓋住管壁時，完全停止了螺旋流；水流改作附著于管壁而作水片下落的狀態，其原因是管壁的吸附力（尤其是水較污濁時）大于水的表面張力。此時管內氣體壓力仍較穩定。但是，這種狀態是過渡性的，歷時甚短，水量再稍大就轉到下一個狀態中去了。當流量增加到足夠大時，水流由空氣的阻力和管壁的摩擦作用而形成水的隔膜運動（所謂隔膜乃是具有一定厚度的水膜層）。
　　水膜運動具有兩個重要特征
　　（l）水膜運動在短時間內可能產生不穩定的水塞，即在某個較短管段形成充滿管斷面的水柱體（如同汽缸中的活塞）。但是，此時在管道內尚有足夠的空氣量足以將此不穩定水塞沖破，使其在下降一段距離后又分成幾股水流繼續作水膜運動。這種現象主要是在水流充滿立管斷面1/4一1/3時發生的。
　　（2）水膜運動開始形成后便作加速度下降，其厚度近似與下降變速運動的速度成反比。當水膜沿著具有足夠長度的立管下降而達到其重力與所受到的管壁摩擦力平衡時，水膜厚度則不再變化，一直保持恒值到立管底部。當水量更大，直到水流充滿立管斷面1/3以上時，水膜的形成更加頻繁，以致很容易地變為較穩定的水塞運動。水塞的形成引起立管內氣體壓力波動更激烈，即使立管上端開口，由其吸引入的空氣流也不能沖擊破壞水塞體的結構。這個期間內，如果立管上部的透氣管補氣不足和立管底部排氣不暢，而水塞造成了有壓沖擊流，在其運動的前端為大于大氣壓的正壓，后端為小于大氣壓的負壓，其數值之大足以造成衛生器具的存水彎的回壓和抽吸現象，破壞了整個排水系統的正常工作。
　　二．通氣管系統的作用
　　一般層數不高、衛生器具不多的建筑物，僅設置排水立管上部延伸出屋頂的通氣管；對層數較多的建筑物和衛生器具設置數較多的排水管系統，應設輔助通氣管及專用通氣管。
　　通氣管系統的作用：（l）使室內外排水管道中散發的有害氣體能排到大氣中去；（2）補給排水管系統的空氣，使水流暢通，減少排水立管內氣壓變化幅度，防止衛生器具水封破壞；（3）經常有新鮮空氣流通于管道內，可減輕管道內廢水廢氣銹蝕管道的危害。
　　三．室內排水系統設計
　　室內排水系統由于空氣阻力等因素的關系，其排水能力受到較大的影響。一般一定管徑的污水管只允許一定范圍的水量通過。污水管中水流呈氣液兩相的流動狀態，其水流運動與許多因素有關，如水量、水質、管壁粗糙度、進水入口的幾何特性、水流充滿度、立管高度等。其中最主要的因素是立管的充滿度亦即進水量的大小。
　　通過上述水流運動過程的分析，在多層建筑的地下橫管（主干管或排出管）或高層建筑的立管底部橫管中，當由立管流來的水量過大時，將產生強烈沖激流。而立管內最適宜的流量應在水膜形成的范圍內，既部分充滿管斷面l／4－l／3，因為這時既充分發揮了立管的通水能力，而其內部的壓力波動又被控制在允許的最大限度內。立管設計流量的負荷極限值（允許設計流量）應依此原則確定。
　　從以上分析可知，要改善排水橫、立管內流態，加強排水管通水能力，我們可以有三種方法：（l）增大管徑，使水流斷面占整個管道斷面的l／4以下，從而消除水塞形成的條件或沖激流形成的條件；（2）增加管道粗糙度，促使水膜形成；（3）保證管道內通氣良好，減少管內氣壓波動。由此我們在工程設計中充分考慮了上述方法，首先在減緩沖激流方面，采取一些措施，如為防止污水從底層或二層衛生器具冒泡和返溢現象，我們在設計中需嚴格執行國家標準《建筑給水排水設計規范》GB50015—2003（2009版）中4.3.12明確規定：排水立管最低排水橫支管與立管連接處距排水立管管底垂直距離不得小于表4.3.12的規定；底層污水管道或不能符合表4.3.12要求的橫管應單獨排出；在管徑一定的情況下，為了增加排水橫管的排水能力可在橫管上設置環形輔助通氣管或安全輔助通氣管；平時設計時比較容易忽視：底層衛生間（單排）橫干管，也必須經過排水流量計算，若不能滿足，也應采取設置環形通氣管等措施以避免堵塞。無通氣管的底層單獨排出排水橫管排水能力可參照《建筑給水排水設計規范》GB50015—2003（2009版）中4.4.15中表格的規定。
　　表4.3.12最低橫支管與立管連接處至立管管底的最小垂直距離
　　　

立管連接衛生器具的層數	垂直距離（米）
	僅設伸頂通氣	設通氣立管
4層及以下	0.45	按配件最小安裝 尺寸確定
5~6	0.75
7~12	1.20
13~19	3.00	0.75
20層及以上	3.00	1.20

　表4.4.15 無通氣的底層單獨排出的排水橫管最大設計排水能力

排水橫支管管徑(mm)	50	75	100	125	150
最大設計排水能力(L/s)	1.0	1.7	2.5	3.5	4.8

　　其次，在消除水塞形成的條件方面,從建筑物的本身功能要求來看，增大排立管管徑的方法，是有限的和不太可行的，最有效的方法是保證立管上下端的通氣良好，減少管內氣壓波動，從而在一定管徑之下，可以加大立管的通水能力。故當排水立管設計流量大于臨界流量值時，應設置專用通氣立管，而當排水立管設計流量小于臨界流量時，應設置伸頂通氣管。
　　筆者認為，如果增加管道粗糙度，則容易造成管道堵塞。當然有研究認為可以改變立管內壁的形狀，將內螺紋立管代替無螺紋光滑立管，利用管道內壁的螺紋來帶動流體進行螺旋運動以幫助形成穩定的水膜和通氣室來增加立管流量。
　　總之，工程設計中最簡單可行且經濟合理的方法為：保證管道內有良好通氣條件，減緩管內氣壓波動，從而不影響管道本身的通水性能。另外，必須要提出的是，即使立管的水流狀態為重力流，并且下部排水橫管按重力流考慮設計，而且管道的管徑和坡度設置較充足，也會在立管底部和排出管起端的一定距離內由于水流由陡坡向緩坡突變而發生壅水現象，因此，我們在設計中采用將與立管底部所接排出橫管的管徑放大，且轉彎處采用2只45о彎頭連接方法，這樣保證
　　了立管上下游的通水通氣能力，不致造成“瓶頸”現象。筆者認為排出橫管的管徑宜比立管所能承受的通水能力相應的管徑放大一檔最佳，但目前現有排水管材中DN125規格的管子尚不生產，因此，建議管材的生產單位可以考慮增加DN125規格管子的生產。
　　
　　參考文獻：
　　【1】GB50015-2003(2009版)建筑給水排水設計規范
　　【2】建筑給水排水設計手冊第二版（上冊）北京：中國建筑工業出版社，2008