市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法探究

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城市人口快速增加，城市居民生活污水排放與工業(yè)廢水的排放與日俱增，用于污水管理和處理的費(fèi)用也不斷增加。市政排水管網(wǎng)建設(shè)不當(dāng)或者設(shè)施不完善已經(jīng)引起了很多問題，這些問題也影響到居民的生活及環(huán)境的質(zhì)量。污水會對環(huán)境造成污染，排水體系的不健全造成雨污合流，導(dǎo)致治理污水的成本加大，治理效果卻不如人意。本文主要對排水網(wǎng)管建設(shè)的優(yōu)化設(shè)計中幾個主要問題進(jìn)行分析，希望能對排水網(wǎng)管的建設(shè)提出一些建議。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計；設(shè)計方法

城市市政建設(shè)中一個重要的組成部分就是排水管網(wǎng)，排水管網(wǎng)建設(shè)投資比例占整個排水系統(tǒng)的一大半。因此要對城市污水進(jìn)行集中處理，需要耗費(fèi)大量的財力，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須對排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，才能減少工程的投資，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。對市政排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，重點(diǎn)在于對已定平面布置方案的基礎(chǔ)上，對埋深、提升泵站、管徑的優(yōu)化設(shè)計，從而實(shí)現(xiàn)排水管網(wǎng)的平面布置的優(yōu)化。

1、我國市政排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀

1.1 規(guī)劃設(shè)計問題

當(dāng)前排水規(guī)劃整體而言， 存在不合理的狀況十分常見。排水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計，要與城市整體規(guī)劃相協(xié)調(diào)，而管網(wǎng)建設(shè)有其自自己的特點(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)展不可能五十年不年，幾乎的天天再變，城市的擴(kuò)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，排水管網(wǎng)的的使用情況已經(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。

1.2排水體制問題

排水系統(tǒng)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的逛網(wǎng)系統(tǒng)之一，是在合流制的管網(wǎng)設(shè)計城市要擴(kuò)大排水系統(tǒng)的情況下會出現(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。而在老城區(qū)的管網(wǎng)體制中，一般采用截流式的合流制體制，需要在兩河岸邊建筑一條截流干管，并在此處設(shè)置一個溢流井，污水廠的位置也就設(shè)立在此處。天氣晴好的時候，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，而遇到雨天的時候，隨著雨量的增加，可以允許部分污水進(jìn)入到河道中。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對老城區(qū)的改造工程日益增多，隨著改造的不斷深入，這種污水處理的方法也就逐漸失去效用，因?yàn)槠湮廴粳F(xiàn)狀自然得到消除。其次就是雨水和污水完全分流的體質(zhì)，也就是對雨水和污水各自設(shè)置獨(dú)立的管道，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)際的情況來確定。

2、已定平面布置下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

排水管道的優(yōu)化設(shè)計針對的主要是對某一管段的設(shè)計， 在設(shè)計流量得到確定后，還要滿足設(shè)計規(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)管材的費(fèi)用的平衡值。排水管線平面在布置已定的時候，對管道的優(yōu)化設(shè)計和埋深等問題國內(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)劃法是對排水管網(wǎng)設(shè)計計算過程中，其目標(biāo)函數(shù)與制約條件的非線性，用泰勒公式的展開式來替代，然后把線性規(guī)劃的解作為問題的近似解，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)際管徑與計算管徑出現(xiàn)偏差的問題，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)計算模型中目標(biāo)函數(shù)與變量的非線性特點(diǎn)，對管道的深埋與直徑進(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 動態(tài)規(guī)劃法

目前國內(nèi)外用的較為廣泛的方法叫做動態(tài)規(guī)劃法，是指把排水管道設(shè)計當(dāng)作一個多階段的過程來看待的思想方法，設(shè)計過程的階段性劃分的手段成為管道優(yōu)化設(shè)計的又一方法。這種方法在實(shí)際應(yīng)用中有兩方面需要注意的的問題：其一，狀態(tài)變量設(shè)置為節(jié)點(diǎn)的埋深設(shè)計，全方位搜索坡度的范圍。其主要的優(yōu)勢在于采用的是標(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，使時間間隔與存儲量大為增加。所以在這個前提下采用動態(tài)規(guī)劃法，然后在動態(tài)規(guī)劃法的前提下又對迭代過程不斷把范圍縮小，但是實(shí)際操作中還是會有一些不足之處。其二，狀態(tài)變量設(shè)置為管徑，通過對流速和充滿度進(jìn)行決策。原因在于對標(biāo)準(zhǔn)管徑使用的數(shù)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。雖然動態(tài)規(guī)劃法是有效解決多階段決策問題的較好的方法，但是在排水管網(wǎng)設(shè)計中，第一階段的設(shè)計結(jié)果會對后續(xù)階段的設(shè)計參數(shù)有直接的影響，所以，用動態(tài)規(guī)劃法對污水管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計還是存在一定的缺陷。

2.3 直接優(yōu)化法

對可調(diào)參數(shù)與各種方案的選擇盡心比較和計算，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。主要操作主要分為：第一，兩相優(yōu)化法。在設(shè)計流量確定之后，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)計者個人素質(zhì)和能力的限制，算得的結(jié)果會出現(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、便于計算，用電子表格作為估算費(fèi)用的方法，可以使用戶對最低費(fèi)用的設(shè)計便捷的尋找出來，得到比動態(tài)規(guī)劃法更好的結(jié)果，這就更加更符合設(shè)計的要求。

2.4 遺傳算法

作為進(jìn)化算法的一個分支的遺傳算法，其方法出現(xiàn)的原理是對自然遺傳變異機(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)計優(yōu)化難題，可以得到最佳的設(shè)計方案，但是其缺點(diǎn)在于無法對大型管道進(jìn)行最優(yōu)計算，在計算時，只能得到與最優(yōu)解的設(shè)計方案接近的結(jié)果，在排水管道設(shè)計優(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)在與一定要以規(guī)范設(shè)計作為基本要求，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，首先要考慮水流暢通、節(jié)省能量，還要考慮工程量的大小小。所以正確的定線是合理控制經(jīng)濟(jì)的首要條件。定線原則：盡量采用直線對支管干管進(jìn)行設(shè)計布局，少拐彎；根據(jù)地勢進(jìn)行定線，污水可以在重力作用下自動流到污水處理廠；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。過去的研究中，設(shè)計方法都是把每一段管徑看作一樣的，用挖方費(fèi)用為優(yōu)選的條件，找初始布置方案，然后通過算法進(jìn)行調(diào)整。在排水概念引入后了，出水口節(jié)點(diǎn)距離與排水區(qū)域內(nèi)相距相同可行管數(shù)的節(jié)點(diǎn)，采用一根排水線相連接，問題就轉(zhuǎn)變?yōu)樽疃搪返膯栴}，再用動態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行求解，此法不足在于尋優(yōu)的范圍受到限制，設(shè)計中無意就把最優(yōu)方案排除掉，之后城市排水系統(tǒng)排水布置被抽象成點(diǎn)與線構(gòu)成的圖，根據(jù)圖紙尋找方法。再到1986年有了更大的發(fā)展，利用三種權(quán)值來解決問題，通過地面坡度倒數(shù)、各管段管長及各管斷滿足的最小覆土條件，從而找出最優(yōu)的設(shè)計方案。小結(jié)市政排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計， 是現(xiàn)在市政工程的重點(diǎn)工程， 要充分利用排水體制， 并在管網(wǎng)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計， 選擇新型材料，排水管網(wǎng)設(shè)計才更好。

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