市政排水管網(wǎng)是城市基礎設施的重要組成部分，一個(gè)城市排水管網(wǎng)的布局與使用狀況也是這個(gè)城市發(fā)展潛力的重要體現。本文結合當前我國市政排水管網(wǎng)建設實(shí)踐中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,提出了在城市建設中優(yōu)化排水管網(wǎng)的 有關(guān)方法和措施，以達到使市政排水管網(wǎng)布局更加合理高效的目的。 

 

【關(guān)鍵詞】：排水管網(wǎng)；優(yōu)化設計；設計方法

 

城市市政建設中一個(gè)重要的組成部分就是排水管網(wǎng)，排水管網(wǎng)建設投資比例 占整個(gè)排水系統的一大半。因此要對城市污水進(jìn)行收集和集中處理，需要耗費大 量的財力，為了實(shí)現這一目標，必須對排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計，才能減少工程的 投資，具有重要的經(jīng)濟意義。對市政排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設計，重點(diǎn)是在對已定平 面布置方案的基礎上，對埋深、提升泵站、管徑的優(yōu)化設計，從而實(shí)現排水管網(wǎng) 平面布置的優(yōu)化。 

 

1、我國市政排水管網(wǎng)的現狀 

 

1.1 規劃設計問(wèn)題 

 

當前排水規劃整體而言, 存在不合理的狀況十分常見(jiàn)。排水管網(wǎng)的規劃設計，要與城市整體規劃相協(xié)調，而管網(wǎng)建設有其自己的特點(diǎn)，一般管網(wǎng)建成后的 使用年限都在五十年以上，而城市的發(fā)展不可能五十年不變，幾乎天天在變，城 市的擴大、人口的增多、排污量的增加，都對排水管網(wǎng)造成巨大的壓力，因此， 很多地方排水管網(wǎng)的使用情況已經(jīng)很難適應城市發(fā)展的需求，迫切的需要重新規 劃設計。 

 

1.2排水體制問(wèn)題 

 

排水體制主要分為兩大類(lèi)：合流制與分流制,當然混合制在城市中也是常見(jiàn) 的管網(wǎng)系統之一，是在合流制排水管網(wǎng)的城市需要擴大及優(yōu)化排水系統的情況下 出現的。而在規模較大的城市中，由于各區域的具體情況不同，存在一定的差異， 所以要因地制宜的采取適合地區發(fā)展的排水體制。在老城區的排水管網(wǎng)中，一般 采用截流式的合流制，需要在河岸兩邊各敷設一條截流干管，并在各雨污水混排 口處設置溢流井。天氣晴好的時(shí)候，所有的污水都送到污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，處 理后的水直接排放到河流之中，而遇到雨天的時(shí)候，隨著(zhù)雨量的增加，可以允許 部分雨污混合水溢流到河道中，其余水輸送到污水處理廠(chǎng)，但溢流的雨污混合水 對河水造成一定程度的污染。隨著(zhù)經(jīng)濟的發(fā)展，對老城區的改造工程日益增多， 雨污分流改造工程的不斷深入，這種污水收集系統對河道的污染正逐漸減輕。分 流制就是雨水和污水完全分流的體制，也就是對雨水和污水各自設置獨立的管網(wǎng) 系統，雨水直接排放到河流之中，而污水直接進(jìn)入污水處理廠(chǎng)進(jìn)行處理。排水體 制的設置，要根據城市實(shí)際的情況來(lái)確定。 

 

2、已定平面布置下的管道系統優(yōu)化設計

 

排水管道的優(yōu)化設計針對的主要是某一管段的設計, 在設計流量得到確定 后，還要滿(mǎn)足設計規范要求坡度與管徑等多種因素的融合，得到管材與鋪設管材 費用的平衡值。排水管線(xiàn)平面在布置已定的時(shí)候，對管道的優(yōu)化設計和埋深等問(wèn) 題國內外都已經(jīng)做了大量的研究工作。主要可以體現在以下幾個(gè)方面： 

 

2.1線(xiàn)性規劃法與非線(xiàn)性規劃法 

 

2.1.1線(xiàn)性規劃法 

 

所謂的線(xiàn)性規劃法是對排水管網(wǎng)設計計算過(guò)程中，其目標函數與制約條件的 非線(xiàn)性，用泰勒公式的展開(kāi)式來(lái)替代，然后把線(xiàn)性規劃的解作為問(wèn)題的近似解， 如此反復迭代后與非線(xiàn)性規劃的最終解越來(lái)越接近，從而找出最優(yōu)解。這種算法 雖然可以找出最優(yōu)解，但存在不足，其缺點(diǎn)在于把管徑作為連續的變量進(jìn)行處理， 造成實(shí)際管徑與計算管徑出現偏差的問(wèn)題，而且需要大量的前期準備。繼線(xiàn)性規 劃法之后出現的整數規劃法，彌補了線(xiàn)性規劃的缺陷，其整型變量較多的原因， 也導致求解的過(guò)程較為復雜。 2.1.2非線(xiàn)性規劃法 所謂的非線(xiàn)性規劃法主要是適應計算模型中目標函數與變量的非線(xiàn)性特點(diǎn)， 對管道的埋深與直徑進(jìn)行優(yōu)化選擇，不足之處在與限制了約束條件和目標函數的 形式。 

 

2.2 動(dòng)態(tài)規劃法 

 

目前國內外用的較為廣泛的方法叫做動(dòng)態(tài)規劃法，是指把排水管道設計當作 一個(gè)多階段的過(guò)程來(lái)看待的思想方法，設計過(guò)程的階段性劃分的手段成為管道優(yōu) 化設計的又一方法。這種方法在實(shí)際應用中有兩方面需要注意的問(wèn)題：其一，狀 態(tài)變量設置為節點(diǎn)的埋深，全方位搜索坡度的范圍。其主要的優(yōu)勢在于采用的是 標準管徑，結果與初始管徑?jīng)]有聯(lián)系，而且可以對計算的深度進(jìn)行控制，不足的 是對狀態(tài)點(diǎn)的要求很苛刻，必須埋深間隔很小，使時(shí)間間隔與存儲量大為增加。 所以在這個(gè)前提下采用動(dòng)態(tài)規劃法，然后在動(dòng)態(tài)規劃法的前提下又對迭代過(guò)程不 斷把范圍縮小，但是實(shí)際操作中還是會(huì )有一些不足之處。其二，狀態(tài)變量設置為 管徑，通過(guò)對流速和充滿(mǎn)度進(jìn)行決策。原因在于對標準管徑使用的數目是一定的， 因此在計算速度和存儲量上方便很多，隨后又產(chǎn)生了可行管徑法。這種方法使計 算的精度大為提高，并且使計算的存儲量和計算的工作量大大減少。雖然動(dòng)態(tài)規 劃法是有效解決多階段決策問(wèn)題的較好的方法，但是在排水管網(wǎng)設計中，第一階 段的設計結果會(huì )對后續階段的設計參數有直接的影響，所以，用動(dòng)態(tài)規劃法對污 水管道進(jìn)行優(yōu)化設計還是存在一定的缺陷。 

 

2.3 直接優(yōu)化法

 

對可調參數與各種方案的選擇進(jìn)行比較和計算，得到最優(yōu)解的方法，稱(chēng)之為 直接優(yōu)化法，直接優(yōu)化法最大的特點(diǎn)在于容易驗證和比較直觀(guān)。主要操作分為： 第一，兩相優(yōu)化法。在設計流量確定之后，選取最大充滿(mǎn)度和最經(jīng)濟流速的最優(yōu) 管徑和最小坡度，管道的埋深最大限度的進(jìn)行降低。這種算類(lèi)似于人工算法，但 受設計者個(gè)人素質(zhì)和能力的限制，算得的結果會(huì )出現偏差，因此，該算法所得的 結果并非最優(yōu)解。第二，電子表格法。電子表格最大的特點(diǎn)是清晰明了、便于計 算，用電子表格作為估算費用的方法，可以使用戶(hù)對最低費用的設計便捷的尋找 出來(lái)，得到比動(dòng)態(tài)規劃法更好的結果，這就更加符合設計的要求。 

 

2.4 遺傳算法

 

作為進(jìn)化算法的一個(gè)分支的遺傳算法，其方法出現的原理是對自然遺傳變異 機制的模擬而產(chǎn)生的隨機優(yōu)化算法。遺傳算法解決了中小型管道的設計優(yōu)化難 題，可以得到最佳的設計方案，但是其缺點(diǎn)在于無(wú)法對大型管道進(jìn)行最優(yōu)計算， 在計算時(shí)，只能得到與最優(yōu)解的設計方案接近的結果，在排水管道設計優(yōu)化中， 采用何種算法要根據具體情況而定，但相同的一點(diǎn)在于一定要以規范設計作為基 本要求，并且把費用控制在最低程度。 

 

3、管線(xiàn)的平面優(yōu)化布置 

 

排水管網(wǎng)在布置時(shí)，首先要考慮水流暢通、節省能量，還要考慮工程量的大 小。所以正確的定線(xiàn)是合理控制投資的首要條件。定線(xiàn)原則：盡量采用直線(xiàn)對干 管支管進(jìn)行設計布局，少拐彎；根據地勢進(jìn)行定線(xiàn)，污水可以在重力作用下自流 到污水處理廠(chǎng)；管道中途盡量取消或減少提升泵站的設置；盡量減少管道埋深。 在早期的研究中，設計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優(yōu)選依據，選 擇一初始布置方案，然后通過(guò)算法逐步進(jìn)行調整，后來(lái)又引人了排水線(xiàn)的概念， 將排水區域內與最終出水口節點(diǎn)相距同樣可行管數的節點(diǎn)用一根排水線(xiàn)連接起 來(lái)，這樣把問(wèn)題轉化為最短路問(wèn)題，可用動(dòng)態(tài)規劃法求解，但此方法把尋優(yōu)的范 圍被限制，使人們在設計過(guò)程中很容易把最優(yōu)方案排除。再到1986年有了更大 的發(fā)展，利用三種權值來(lái)解決問(wèn)題，通過(guò)地面坡度倒數、各管段管長(cháng)及各管段滿(mǎn) 足的最小覆土條件，從而找出最優(yōu)的設計方案。 

 

結束語(yǔ) 

 

綜上所述，市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設計是一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗與能動(dòng)性相結合的過(guò)程， 在具體實(shí)踐操作中，應對具體問(wèn)題具體分析，采用科學(xué)合理的方法，對市政排水管網(wǎng)進(jìn)行各方面統籌兼顧的優(yōu)化，才能使排水管網(wǎng)發(fā)揮出最大功能和效用。只有 這樣才能使得城市更生態(tài)宜居，沒(méi)有污染，排水順暢，逢雨不澇，提升城市的整體環(huán)境形象。