市政排水管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)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?jié)摿Φ闹匾w現(xiàn)。本文結(jié)合當(dāng)前我國(guó)市政排水管網(wǎng)建設(shè)實(shí)踐中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析,提出了在城市建設(shè)中優(yōu)化排水管網(wǎng)的 有關(guān)方法和措施，以達(dá)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(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)方法

 

城市市政建設(shè)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(shè)投資比例 占整個(gè)排水系統(tǒng)的一大半。因此要對(duì)城市污水進(jìn)行收集和集中處理，需要耗費(fèi)大 量的財(cái)力，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能減少工程的 投資，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。對(duì)市政排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)是在對(duì)已定平 面布置方案的基礎(chǔ)上，對(duì)埋深、提升泵站、管徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng) 平面布置的優(yōu)化。 

 

1、我國(guó)市政排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀 

 

1.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)問(wèn)題 

 

當(dāng)前排水規(guī)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(guī)劃設(shè)計(jì)，要與城市整體規(guī)劃相協(xié)調(diào)，而管網(wǎng)建設(shè)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(kuò)大、人口的增多、排污量的增加，都對(duì)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(yīng)城市發(fā)展的需求，迫切的需要重新規(guī) 劃設(shè)計(jì)。 

 

1.2排水體制問(wèn)題 

 

排水體制主要分為兩大類：合流制與分流制,當(dāng)然混合制在城市中也是常見(jiàn) 的管網(wǎng)系統(tǒng)之一，是在合流制排水管網(wǎng)的城市需要擴(kuò)大及優(yōu)化排水系統(tǒng)的情況下 出現(xiàn)的。而在規(guī)模較大的城市中，由于各區(qū)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(qū)發(fā)展的排水體制。在老城區(qū)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(shè)一條截流干管，并在各雨污水混排 口處設(shè)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，但溢流的雨污混合水 對(duì)河水造成一定程度的污染。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)老城區(qū)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(tǒng)對(duì)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(duì)雨水和污水各自設(shè)置獨(dú)立的管網(wǎng) 系統(tǒng)，雨水直接排放到河流之中，而污水直接進(jìn)入污水處理廠進(jìn)行處理。排水體 制的設(shè)置，要根據(jù)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(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

排水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)的主要是某一管段的設(shè)計(jì), 在設(shè)計(jì)流量得到確定 后，還要滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求坡度與管徑等多種因素的融合，得到管材與鋪設(shè)管材 費(fèi)用的平衡值。排水管線平面在布置已定的時(shí)候，對(duì)管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)和埋深等問(wèn) 題國(guó)內(nèi)外都已經(jīng)做了大量的研究工作。主要可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 

 

2.1線性規(guī)劃法與非線性規(guī)劃法 

 

2.1.1線性規(guī)劃法 

 

所謂的線性規(guī)劃法是對(duì)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，其目標(biāo)函數(shù)與制約條件的 非線性，用泰勒公式的展開(kāi)式來(lái)替代，然后把線性規(guī)劃的解作為問(wèn)題的近似解， 如此反復(fù)迭代后與非線性規(guī)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(xù)的變量進(jìn)行處理， 造成實(shí)際管徑與計(jì)算管徑出現(xiàn)偏差的問(wèn)題，而且需要大量的前期準(zhǔn)備。繼線性規(guī) 劃法之后出現(xiàn)的整數(shù)規(guī)劃法，彌補(bǔ)了線性規(guī)劃的缺陷，其整型變量較多的原因， 也導(dǎo)致求解的過(guò)程較為復(fù)雜。 2.1.2非線性規(guī)劃法 所謂的非線性規(guī)劃法主要是適應(yīng)計(jì)算模型中目標(biāo)函數(shù)與變量的非線性特點(diǎn)， 對(duì)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(biāo)函數(shù)的 形式。 

 

2.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法 

 

目前國(guó)內(nèi)外用的較為廣泛的方法叫做動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，是指把排水管道設(shè)計(jì)當(dāng)作 一個(gè)多階段的過(guò)程來(lái)看待的思想方法，設(shè)計(jì)過(guò)程的階段性劃分的手段成為管道優(yōu) 化設(shè)計(jì)的又一方法。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中有兩方面需要注意的問(wèn)題：其一，狀 態(tài)變量設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的埋深，全方位搜索坡度的范圍。其主要的優(yōu)勢(shì)在于采用的是 標(biāo)準(zhǔn)管徑，結(jié)果與初始管徑?jīng)]有聯(lián)系，而且可以對(duì)計(jì)算的深度進(jìn)行控制，不足的 是對(duì)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(chǔ)量大為增加。 所以在這個(gè)前提下采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，然后在動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的前提下又對(duì)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(shè)置為 管徑，通過(guò)對(duì)流速和充滿度進(jìn)行決策。原因在于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)管徑使用的數(shù)目是一定的， 因此在計(jì)算速度和存儲(chǔ)量上方便很多，隨后又產(chǎn)生了可行管徑法。這種方法使計(jì) 算的精度大為提高，并且使計(jì)算的存儲(chǔ)量和計(jì)算的工作量大大減少。雖然動(dòng)態(tài)規(guī) 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(shè)計(jì)中，第一階 段的設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)對(duì)后續(xù)階段的設(shè)計(jì)參數(shù)有直接的影響，所以，用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)污 水管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)還是存在一定的缺陷。 

 

2.3 直接優(yōu)化法

 

對(duì)可調(diào)參數(shù)與各種方案的選擇進(jìn)行比較和計(jì)算，得到最優(yōu)解的方法，稱之為 直接優(yōu)化法，直接優(yōu)化法最大的特點(diǎn)在于容易驗(yàn)證和比較直觀。主要操作分為： 第一，兩相優(yōu)化法。在設(shè)計(jì)流量確定之后，選取最大充滿度和最經(jīng)濟(jì)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。這種算類似于人工算法，但 受設(shè)計(jì)者個(gè)人素質(zhì)和能力的限制，算得的結(jié)果會(huì)出現(xiàn)偏差，因此，該算法所得的 結(jié)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(jì) 算，用電子表格作為估算費(fèi)用的方法，可以使用戶對(duì)最低費(fèi)用的設(shè)計(jì)便捷的尋找 出來(lái)，得到比動(dòng)態(tài)規(guī)劃法更好的結(jié)果，這就更加符合設(shè)計(jì)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(xiàn)的原理是對(duì)自然遺傳變異 機(jī)制的模擬而產(chǎn)生的隨機(jī)優(yōu)化算法。遺傳算法解決了中小型管道的設(shè)計(jì)優(yōu)化難 題，可以得到最佳的設(shè)計(jì)方案，但是其缺點(diǎn)在于無(wú)法對(duì)大型管道進(jìn)行最優(yōu)計(jì)算， 在計(jì)算時(shí)，只能得到與最優(yōu)解的設(shè)計(jì)方案接近的結(jié)果，在排水管道設(shè)計(jì)優(yōu)化中， 采用何種算法要根據(jù)具體情況而定，但相同的一點(diǎn)在于一定要以規(guī)范設(shè)計(jì)作為基 本要求，并且把費(fèi)用控制在最低程度。 

 

3、管線的平面優(yōu)化布置 

 

排水管網(wǎng)在布置時(shí)，首先要考慮水流暢通、節(jié)省能量，還要考慮工程量的大 小。所以正確的定線是合理控制投資的首要條件。定線原則：盡量采用直線對(duì)干 管支管進(jìn)行設(shè)計(jì)布局，少拐彎；根據(jù)地勢(shì)進(jìn)行定線，污水可以在重力作用下自流 到污水處理廠；管道中途盡量取消或減少提升泵站的設(shè)置；盡量減少管道埋深。 在早期的研究中，設(shè)計(jì)方法為假定每一段管徑相同，以挖方費(fèi)用為優(yōu)選依據(jù)，選 擇一初始布置方案，然后通過(guò)算法逐步進(jìn)行調(diào)整，后來(lái)又引人了排水線的概念， 將排水區(qū)域內(nèi)與最終出水口節(jié)點(diǎn)相距同樣可行管數(shù)的節(jié)點(diǎn)用一根排水線連接起 來(lái)，這樣把問(wèn)題轉(zhuǎn)化為最短路問(wèn)題，可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解，但此方法把尋優(yōu)的范 圍被限制，使人們?cè)谠O(shè)計(jì)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(quán)值來(lái)解決問(wèn)題，通過(guò)地面坡度倒數(shù)、各管段管長(zhǎng)及各管段滿 足的最小覆土條件，從而找出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 

 

結(jié)束語(yǔ) 

 

綜上所述，市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與能動(dòng)性相結(jié)合的過(guò)程， 在具體實(shí)踐操作中，應(yīng)對(duì)具體問(wèn)題具體分析，采用科學(xué)合理的方法，對(duì)市政排水管網(wǎng)進(jìn)行各方面統(tǒng)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。