市政排水管网优化设计的方法研讨
摘 要： 市政排水管网存在很多问题 ,如污水直接排人河道造成水体污染；排水体制的不确定导致雨污水合流,使污水得不到有效处理；规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差,满足不了使用要求；排水管网建设与污水处理厂建设不配合,导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下,排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究 。本文对市政排水管网优化设计的方法进行了探讨。
关键词：市政；排水管网；现状；优化设计
中图分类号： TU821.3 文献标识码：A 文章编号：
城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐形成的。随着城市的发展,经济生产的不断调整,新开发区的建立 ,城市道路不断修建,旧城区的改扩建等,排水系统也在迅速建立 ,排水管网的普及率在逐年提高。但是还存在很多问题 ,如污水直接排人河道造成水体污染； 排水体制的不确定导致雨污水合流,使污水得不到有效处理；规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差,满足不了使用要求；排水管网建设与污水处理厂建设不配合,导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下,排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究 。
一、市政排水管网现状
1、规划设计问题
排水管网规划的制定应符合城市总体规划和区域规划，它与城市其他单项工程建设要密切配合，如城市功能分区布局、建筑界限、道路规划、地下其他设施规划等，要从全局观点出发合理解决，使其构成有机整体。同时，排水系统规划设计是动态的，在排水体制、排水量标准、排水主干管的定线工作完成以后，可以根据实际情况进行局部调整，以利于工程的具体实施。另外，排水管网建设有其自身的特点，因为它建设完成后使用期限有时长达四五十年以上。因此，城市排水管网规划设计应比城市总体规划年限更长些，排水量的计算应从多方面预测并要留有发展余地。
2、排水体制问题
排水体制关乎整个排水设计,当前的大部分排水体制均需改制。排水系统的体制一般分为合流制和分流制,混合制也是城市中常有的系统 ,是具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。在大城市中,因各区域的自然条件以及修建情况相差较大,因此要因地制宜地在各区域采用不同的排水体制, 如东莞市城区便是这样 的混合制系统。东莞市位于广东省南部,是座历史悠久的城市 ,属于珠江出海口 ,区内水系发达,河流纵横交错。原有旧城区及各镇区 ,居民生活污水及工矿生产废水大部分均直接排人附近河涌；而东莞南城区及松山湖高新技术开发区为新建区 ,所以在排水体制的选择上因地制宜地采用了不同的体制。在旧城区采用截流式合流制系统 ,在两河岸边建造一条截流干管,同时在截流干管处设置溢流井,并设置污水厂 。晴天所有污水均送人污水处理厂 ,处理后排人白水河。雨天随着雨量的增加要有部分污水进人河道。但是,随着旧城不断改建 ,这种污染状况会逐步消除。南城区及松山湖高新技术开发则有条件采用完全分流制系统 ,即雨水 、污水完全分开设置管道,雨水排人邻近河渠 ,污水则送人污水处理厂。
二、市政排水管网优化设计
1、管线的平面优化布置
排水管网的布置原则是既要使工程量最小，又要使水流畅通、节省能量。 正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的基本原则是：干管支管的设计尽量采用直线布局， 不要拐弯；定线应尽量利用地势，使污水在重力作用下流入污水厂；设计时应尽量减少管道埋深；在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。在早期的研究中，设计方法为假定每一段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后通过算法逐步进行调整。 后来又引入了排水线的概念，将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数的节点用一根排水线连接起来。这样把问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解。 但此方法把寻优的范围被限制 ，使人们在设计过程中很容易把最优方案排除。后来 ，人们把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图 ，从图论中寻找方法。1986年发展到利用三种权值来解决问题。三种权值是各管段地面坡度的倒数； 各管段的管长；各管段在满足最小覆土条件下， 按最小坡度设计时的挖方量。 分别对这三种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案， 再进行管径、 埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面布置方案作为最优设计方案。
2、已定平面布置下的管道系统优化设计
排水管道优化设计主要是指：对于某一设计管段，当设计流量确定后， 在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中， 取得管材费用与敷设费用的平衡。 在排水管线平面布置已定情况下， 对于管段管径， 埋深的优化设计， 国内外做了大量研究工作。
（1）线性规划法和非线性规划法
a线性规划法， 是针对排水管网设计计算中的约束条件和目标函数的非线性， 分别用其一级泰勒公式展开式代替， 用线性规划的解作为问题的近似解， 反复迭代， 使迭代序列逼近非线性规划的最优解。 缺点是把管径当作连续变量来处理， 存在计算管径与市售管径不一致的矛盾 ，且前期准备工作量大， 以后发展的整数规划法， 虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点， 但是其整型变量比较多， 难以求解。
b非线性规划法适应了计算模型中目标函数和变量的非线性特征， 可以优化选择管道的直径和埋深，但极大限制了目标函数和约束条件的形式。
（2）动态规划法
动态规划法是目前国内外比较常用的一种方法，
基本思想是把排水管道设计看作一个多阶段的过程，
通过对设计过程进行阶段划分来对管道进行优化设计。 其应用主要分为两方面
a以节点埋深为状态变量 ，通过坡度决策进行全方位搜索。其优点是直接采用标准管径， 结果与初始管径无关，且能控制计算深度， 但要求状态点之间的埋深间隔很小， 使存储量和时间间隔大为增加。因此在此基础上引入了拟差动态规划法，在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，但应用有一定的局限性.。
b以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。由于可使用的标准管径数目有限 ，因此在计算速度和存储量上都有很大优势。 以后又
发展出了可行管径法。 此法使优化计算精度得以提高， 并显著减少了计算工作量和计算机存储量。 尽管动态规划法是解决多阶段决策问题的一种有效方法， 但在排水管道系统设计计算时， 前一段的设计结果将直接影响到后续管段设计参数的选用，因此利用动态规划法求出的污水管道优化设计方案也并不一定是真正的最优方案。
（3）直接优化法
直接优化法是直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解， 具有直观和容易验证的优点。 主要方法有：
a电子表格法是一种启发式的费用估算方法,允许用户寻找最小费用设计，能得出比动态规划法要好的结果而且更符合设计规范的要求.
b两相优化法是设计流量确定后，在满足约束条件的前提下，选取最经济流速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深.直接优化法的算法与人工算法基本相同，但受设计人员的能力所限 ，所得结果不尽相同，所以所求结果不一定是最优解。
（4）遗传算法
遗传算法是进化算法一个分支，是模拟生物学中的自然遗传变异机制而提出的随机优化算法。遗传算法在解决中小型管道系统优化设计问题时可以求得最优设计方案。但解决大型管道系统问题时，只能求得趋近于最优解的设计方案 ，在排水管道系统优化设计中，不论采用何种方法，都以设计规范为基本要求，同时使费用达到最小。
参考文献：
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