探討市政管網(wǎng)優(yōu)化排水設(shè)計(jì)方法

1、探討市政管網(wǎng)優(yōu)化排水設(shè)計(jì)方法摘要：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(jì)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(jì)的一般流程和局限性，討論了各種優(yōu)化方案的特點(diǎn)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(jì) 優(yōu)化方法 中圖分類號： S276 文獻(xiàn)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(hù)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(jì)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

2、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(jì)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?yàn)闆]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(diǎn)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(jì)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(jìn)河流前設(shè)置截

3、流干管，雨量小時雨水和污 水通過截流干管全部進(jìn)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

4、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：按照管道規(guī)劃設(shè)計(jì)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；劃分干管和支管的服務(wù)面積，進(jìn)行編號并計(jì) 算服務(wù)面積的大?。淮_定干管和

5、支管的檢查井位置和編 號，并計(jì)算設(shè)計(jì)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(jì) 5 排水管道系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)包括排水管道設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)以 及基于排水管道設(shè)計(jì)流量的管道管徑、坡度等參數(shù)設(shè)計(jì)兩個 方面。1.4 現(xiàn)行排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的局限性 5 現(xiàn)行排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)是基于排水管網(wǎng)系統(tǒng)各個組件 相對獨(dú)立設(shè)計(jì)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。現(xiàn)行設(shè)計(jì)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?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)體制注重生成排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)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。現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范缺乏優(yōu)化方法或內(nèi)容的說明，優(yōu)化是基

6、于設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的優(yōu)化策略和方法2.1 市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究方向 2,3 市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)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(jì)； 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(jì)算和比較，得到最優(yōu)解或 滿意解；間接優(yōu)化法也稱

7、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(jì)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(jì)的一般方法 1,6 市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是減少工程費(fèi)用，以 降低工程費(fèi)用的優(yōu)化方法是：確定工程費(fèi)用函數(shù)為優(yōu)化模型。排水管網(wǎng)的費(fèi)用函數(shù)是系統(tǒng)投資償還期內(nèi)的基建費(fèi)用和經(jīng)營費(fèi)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(fèi)用函數(shù)可以表達(dá)為，m 是管

8、段數(shù)， l 是管段長。通過數(shù)學(xué)的方法求解目標(biāo)函數(shù)，使 minF 最小即達(dá)到 優(yōu)化目標(biāo)。 minF 是非線性函數(shù)， 借助計(jì)算機(jī)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(jì)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(jì)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(diǎn)和選用原則。表 1 市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的原理、 優(yōu)缺點(diǎn)和選用 原則 3,7-9序號 優(yōu)化方向 優(yōu)化方法

9、從屬優(yōu)化法 優(yōu)化原理 優(yōu)缺點(diǎn) 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(shí)現(xiàn)；管徑連續(xù)化 處理，與實(shí)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(diǎn)埋深法 以節(jié)點(diǎn)埋深為狀態(tài)變量，通過坡度決策進(jìn)行全 方位搜索。 可采用標(biāo)準(zhǔn)管徑； 存儲量大， 計(jì)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(jì)算

10、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(fèi)用估算方法。 允許用 戶尋找最小費(fèi)用設(shè)計(jì)，但受限于設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)和能力 適合 有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員采用6 兩相優(yōu)化法 確定設(shè)計(jì)流量后，在約束條件下，選取最經(jīng)濟(jì) 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(jī)制演 化的隨機(jī)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(diǎn)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

11、計(jì)算機(jī)資源小 適合中小管網(wǎng)快速精確優(yōu)化9 平面布置優(yōu)化法 改進(jìn) Dijkstra算法 通過求解兩點(diǎn)間最優(yōu)路徑的方法，找到管網(wǎng)平 面布置的最優(yōu)方案。 對單因素、單極值很有效；多約束、 多極值時出現(xiàn)多峰、盆地和平頂問題 適合平面管網(wǎng)定線優(yōu) 化 引入多步尋優(yōu)算法可避免陷入局部最小的問題2.4 市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)及應(yīng)用前景5,10建立排水管網(wǎng)模型。根據(jù)國外的經(jīng)驗(yàn)，行業(yè)負(fù)責(zé)制 定建模規(guī)范， 水務(wù)公司按照規(guī)范建模。 建模使用建模軟件， 在軟件中建立數(shù)字化和圖像化的管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)體，通過分析對 管網(wǎng)實(shí)體進(jìn)行優(yōu)化管理。建模數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)存數(shù)據(jù)和勘測數(shù) 據(jù)?，F(xiàn)存數(shù)據(jù)主要是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫、歷史記錄、先前模型儲

12、 存的數(shù)據(jù)等；勘測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包括 CCTV 勘測、人工現(xiàn)場勘測 等。模型驗(yàn)證。通過收集 7 周的水流測定數(shù)據(jù)，包括 3 次 降雨情境和 2 次旱季情境進(jìn)行模型檢驗(yàn)。此外，歷史數(shù)據(jù)也 用來檢驗(yàn)和校準(zhǔn)模型。對模型現(xiàn)階段的適用性作出評價， 并提出未來模型完善的方向。利用地理信息系統(tǒng) (GIS) 進(jìn)行排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)。 可以利用 GIS 進(jìn)行設(shè)計(jì)的方面有：將 GIS 與重力流排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)程 序結(jié)合，進(jìn)行管網(wǎng)定線。確定檢查井的理想位置。生成 禁止敷設(shè)管道的緩沖區(qū)。生成排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)草圖，等等。3 結(jié)語 通過前面對市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的討論可知，我國與 國外發(fā)達(dá)地區(qū)在這方面的差距還是較大，因此有必要呼吁重 視這方

13、面的工作，尤其利用系統(tǒng)工程的原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 在使用排水管網(wǎng)模型建模、建設(shè)數(shù)據(jù)庫、利用 GIS 進(jìn)行管網(wǎng) 設(shè)計(jì)等方面有很大的改進(jìn)和提高空間。參考文獻(xiàn)：1 南國英等 . 給水排水工程專業(yè)工藝設(shè)計(jì) M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2004.2 陳勝兵等 . 排水管網(wǎng)平面布置的優(yōu)化 J. 工業(yè)用水 與廢水， 2005,36(6).3 劉海濤等 . 市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法研討 J. 西南給排水， 2009(4).4 GB50014-2006. 室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范 S. 北京：中國計(jì) 劃出版社， 2006.5 劉興坡 . 城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)模式系統(tǒng)觀 J. 給水排 水， 2008,34(5).6 李樹平 . 排水管網(wǎng)費(fèi)用函數(shù)概述 J. 中國市政工程， 2001(3).7 伊學(xué)農(nóng)等 . 用