探討市政管網(wǎng)優(yōu)化排水設(shè)計方法

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摘要：市政排水管網(wǎng)是城市建設(shè)的重要設(shè)施，其投資份額占整個排水系統(tǒng)總投資的比例很高，因而優(yōu)化設(shè)計方案并減少投資是排水管網(wǎng)的必然之選。本文討論了排水管網(wǎng)設(shè)計的一般流程和局限性，討論了各種優(yōu)化方案的特點和適應(yīng)性，提出了選擇和使用優(yōu)化方案的策略和方法。 

關(guān)鍵詞：市政管網(wǎng) 排水設(shè)計 優(yōu)化方法  中圖分類號：s276文獻標(biāo)識碼： a 文章編號：  市政排水管網(wǎng)工程是城市建設(shè)的重要設(shè)施，并且也是控制水污染、改善和保護環(huán)境的重要措施[1]。排水管網(wǎng)的投資占到整個排水系統(tǒng)總投資的50%～80%[2,3]，可見排水管網(wǎng)的設(shè)計對整個排水系統(tǒng)的投資效益影響很大，做好這部分的工作可以有效地控制總投資額。通過排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計減少資金投入，是各種優(yōu)化方案的主要目標(biāo)，然而針對具體的工程選擇什么樣的優(yōu)化方案并非容易的事情，因為沒有一種方案是完美無缺的，本文借此討論一下市政排水管網(wǎng)各種優(yōu)化方案的特點和適應(yīng)性，探討如何選擇和使用優(yōu)化方案。  1市政排水管網(wǎng)設(shè)計的流程和局限性  1.1 排水體制的選擇[1,4]  排水體制有合流制和分流制兩種形式。合流制是用同一管渠系統(tǒng)收集和輸送污水和雨水的方式；分流制是用不同管渠系統(tǒng)分別收集和輸送污水和雨水的方式。  合流制又可分為直排式合流制和截流式合流制。直排式合流制是將雨水和污水直接用同一管渠系統(tǒng)排放到河流；截流式合流制是在進河流前設(shè)置截流干管，雨量小時雨水和污水通過截流干管全部進入污水處理廠，而雨量大時，超出管道負(fù)荷的雨水通過溢流管溢入河流中排走。直排式合流制一般是早期建設(shè)的排水系統(tǒng)，污水不經(jīng)處理，污染嚴(yán)重；截流式合流制多是舊城改造采用的排水系統(tǒng)，投資較省，并能大量降低污染物質(zhì)。  分流制排水系統(tǒng)又可分為完全分流制、不完全分流制和半分流制三種形式。完全分流制是污水系統(tǒng)和雨水系統(tǒng)截然分開，污水系統(tǒng)經(jīng)污水處理廠處理后排放，雨水經(jīng)雨水系統(tǒng)直排入水體；不完全分流制的污水系統(tǒng)同完全分流制，但沒有專門的雨水系統(tǒng)，雨水由地面漫流到溝渠或小河，再匯流到較大的水體中；半分流制的污水系統(tǒng)同完全分流制，雨水系統(tǒng)在雨水干管上設(shè)雨水跳越井用于截留初期雨水和街道地面沖洗污水并入污水管道，當(dāng)雨水入流干管的流量超過截留量時，雨水越過跳越井隔墻流入雨水出流干管直接排入水體。完全分流制投資較高，環(huán)保效果較好，但有初期雨水污染問題，適合新建城市；不完全分流制適合分期建設(shè)，節(jié)省初期雨水系統(tǒng)投資；半分流制解決了雨水初期污染問題，但要建溢流井，投資較大，適合新建城市。  1.2排水管道系統(tǒng)定線[1]  排水管道系統(tǒng)的定線就是在地形平面圖上確定管線的位置和走向。定線的流程是：⑴按照管道規(guī)劃設(shè)計原則、地形地質(zhì)條件和污水廠位置，依次確定主干管、干管和支管的走向和位置；⑵劃分干管和支管的服務(wù)面積，進行編號并計算服務(wù)面積的大??；⑶確定干管和支管的檢查井位置和編號，并計算設(shè)計管段長度和管渠總長度。  1.3排水管道系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計[5]  排水管道系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計包括排水管道設(shè)計流量設(shè)計以及基于排水管道設(shè)計流量的管道管徑、坡度等參數(shù)設(shè)計兩個方面。  1.4現(xiàn)行排水管網(wǎng)設(shè)計的局限性[5]  ⒈現(xiàn)行排水管網(wǎng)的設(shè)計是基于排水管網(wǎng)系統(tǒng)各個組件相對獨立設(shè)計的，各個組件之間欠缺協(xié)同作用，因而對整體功能的發(fā)揮考慮不夠。  ⒉現(xiàn)行設(shè)計模式缺乏協(xié)調(diào)排水管網(wǎng)內(nèi)部不同排水管道及其附屬構(gòu)筑物等組件功能關(guān)系的內(nèi)容。  ⒊現(xiàn)行設(shè)計體制注重生成排水管道系統(tǒng)設(shè)計方案，只是一種合乎規(guī)范要求的可行的方案，缺乏對方案建模、仿真、評價部分。  ⒋現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范缺乏優(yōu)化方法或內(nèi)容的說明，優(yōu)化是基于設(shè)計人員個體行為，由于缺少方案建模、仿真、評價部分，不能提供設(shè)計方案的風(fēng)險信息，因此方案有很大不確定性。  2 市政排水管網(wǎng)設(shè)計的優(yōu)化策略和方法  2.1 市政排水管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的研究方向[2,3]  市政排水管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的研究主要有兩個方向：一是已定平面布置方案下，排水管徑、埋深及提升泵站的優(yōu)化設(shè)計；二是排水管網(wǎng)平面布置方案的優(yōu)化研究。目前已定平面布置方案的優(yōu)化研究較多，而排水管網(wǎng)平面布置優(yōu)化研究相對不足。  已定平面布置方案的優(yōu)化有兩種方法：直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法。直接最優(yōu)化方法是根據(jù)性能指標(biāo)的變化通過直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇、計算和比較，得到最優(yōu)解或滿意解；間接優(yōu)化法也稱解析最優(yōu)化，是在建立最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過最優(yōu)化計算求出最優(yōu)解。  排水管網(wǎng)平面布置優(yōu)化的原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通節(jié)省能量。  2.2 市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的一般方法[1,6]  市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的主要目標(biāo)是減少工程費用，以降低工程費用的優(yōu)化方法是：  ⒈確定工程費用函數(shù)為優(yōu)化模型。排水管網(wǎng)的費用函數(shù)是系統(tǒng)投資償還期內(nèi)的基建費用和經(jīng)營費用。它是管道單價和管段長度相關(guān)的函數(shù)。管道單價模型有很多種類型，但都與管徑、管道埋深有關(guān)，還與地方系數(shù)和地方指數(shù)有關(guān)系。如： ，其中c是管道單價，d是管徑，h是管道埋深，kj是地方系數(shù)和地方指數(shù)。最小費用函數(shù)可以表達為 ，m是管段數(shù)，l是管段長。  ⒉通過數(shù)學(xué)的方法求解目標(biāo)函數(shù)，使minf最小即達到優(yōu)化目標(biāo)。minf是非線性函數(shù)，借助計算機在數(shù)學(xué)上求解該函數(shù)并不是很困難，但由于參數(shù)眾多，邊界條件復(fù)雜，現(xiàn)有的各種方法得到的結(jié)果并不一定是最優(yōu)解，只能說是接近最優(yōu)解。  2.3 市政排水管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化方法的比較及選用原則[3]  前面已經(jīng)介紹了市政排水管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化的兩個方向，已定平面布置方案的優(yōu)化技術(shù)較為成熟，研究開發(fā)了較多的方法，排水管網(wǎng)平面布置的優(yōu)化方法也有研究，表1列出了各種方法的原理、優(yōu)缺點和選用原則。  表1 市政排水管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化方法的原理、優(yōu)缺點和選用原則[3,7-9]  序號 優(yōu)化  方向 優(yōu)化方法 從屬優(yōu)化法 優(yōu)化原理 優(yōu)缺點 選用  原則 備注  1 已定  平面  布置的  優(yōu)化法 線性規(guī)劃 — 設(shè)定約束條件和使目標(biāo)函數(shù)線性化處理，通過反復(fù)迭代求解。 方法容易實現(xiàn)；管徑連續(xù)化處理，與實際不符 適合不很精確的優(yōu)化 可采用整數(shù)法規(guī)劃，但求解困難  2 非線性  規(guī)劃 — 采用非線性化的方式建立數(shù)學(xué)模型求解。 可同時優(yōu)化管徑和埋深；限制了約束條件 適合簡單約束下優(yōu)化坡度和管徑  3 動態(tài)  規(guī)劃法 節(jié)點  埋深法 以節(jié)點埋深為狀態(tài)變量，通過坡度決策進行全方位搜索。 可采用標(biāo)準(zhǔn)管徑；存儲量大，計算慢 適合快速，但不很精確的優(yōu)化 可采用擬差法，但應(yīng)用有局限  4 管徑法 以管徑為狀態(tài)變量，通過流速和充滿度決策。 存儲量小，計算快；精確性稍差 可行管徑法提高精度  5 直接  優(yōu)化法 電子表格法 啟發(fā)式的費用估算方法。 允許用戶尋找最小費用設(shè)計，但受限于設(shè)計人員經(jīng)驗和能力 適合有經(jīng)驗的設(shè)計人員采用  6 兩相  優(yōu)化法 確定設(shè)計流量后，在約束條件下，選取最經(jīng)濟流速和最大充滿度得到最優(yōu)管徑和最小坡度，最大限度地降低管道埋深。  7 遺傳算法 — 借鑒生物學(xué)中的自然遺傳變異機制演化的隨機搜索優(yōu)化算法。 系統(tǒng)規(guī)模小時容易得到最優(yōu)解；系統(tǒng)規(guī)模大時只能得到近似最優(yōu)解 一般適合中小管網(wǎng)精確優(yōu)化 與節(jié)點遞歸算法相結(jié)合，可用于大中型污水管網(wǎng)  8 蟻群算法 — 借鑒蟻群利用信息素傳遞食物信息的方法而形成的管網(wǎng)尋優(yōu)方法。 收斂速度比遺傳算法快，占用計算機資源小 適合中小管網(wǎng)快速精確優(yōu)化