優化設計與低影響開發理念在市政給排水項目中的應用

孫同謙 ，徐 崢

（1.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051；2.天津市排水管理處，天津市 300202）

0 前言

潘莊示范小城鎮試點建設項目是天津市重點發展的第四批示范小城鎮之一，位于天津市寧河縣西部，距京津城區較近，具有一定的區位優勢。該區域現狀市政基礎設施較為落后，遠期地域功能定位為居住用地，同時兼有金融、行政和配套設施的功能地塊。該區域總體設計思路是構建生態型新型小城鎮，為此，市政給排水設計融入優化設計和低影響開發的理念，打造高效、安全、節約型現代化新城鎮市政基礎設施體系。

1 優化設計與低影響開發應用概述

優化設計理論最初應用于軍事及機械設計中，隨著數學理論和電子計算機技術的發展，優化設計理念逐漸應用于其他行業。在市政給排水工程項目設計中，所有設計內容可視為一組參數，其中項目設計條件、現狀情況及設計規范是已給定參數，需要確定的給排水管道埋深、檢查井位置等即為設計變量，綜合考慮功能性、可行性、經濟型、時間性等因素找到一組最合適的設計變量就是優化設計所需要解決的問題[1]。優化設計步驟包括以下 5 項：建立數學模型、選擇最優化算法、程序設計、制定目標要求、篩選最優方案[2]。在市政給排水工程項目的優化設計中同樣也分為 5 個步驟：根據不同類型管道建立水力模型、根據項目特點選擇適用于本項目的設計方法、以規范等條件為依據進行給排水設計、確定供水要求或排水出路等目標要求、選定最佳方案。

低影響開發（Low Impact Development，LID）是指基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念實現雨洪控制與利用的一種雨水管理方法[3]。LID 作為改進型措施，能夠降低區域內徑流量、污染負荷并改善其對受納水體的影響，與傳統方法相比，LID 還能降低項目開發的費用[4]。基于低影響開發理論，源頭控制理念已被廣泛應用于國內外市政給排水項目中，通過低影響開發措施，不僅能夠有效控制和利用雨洪，還能降低項目開發對自然的沖擊負荷，實現可持續發展。

2 優化設計在項目中的應用

2.1 設計周期的優化

在市政工程項目設計中，由于設計周期普遍較短，設計人往往會根據以往設計經驗，倉促完成設計任務，為控制工程工期，很快進入施工階段，施工階段產生問題后再通過設計變更彌補設計不足。由于在設計階段缺乏對項目本身特點及條件的調研，沒有考慮和預測后期施工階段所遇到的情況，設計變更往往造成的是“硬性變更”，即變更本身只能“就事論事”地解決“問題的一點”，此時很難再考慮該變更對整個項目其他方面的影響，已完成施工的部分就很難與該點上發生的變更完全匹配，不僅會造成設計的缺憾，也會增加項目中不必要的成本浪費。

市政工程項目的設計周期分配通常是方案階段、初步設計階段和施工圖階段所占時間平均分配，根據項目復雜程度，部分項目會將時間分配為：施工圖階段＞初步設計階段＞方案階段。這種傳統的設計周期分配有時會造成以下問題：已經進入初步設計階段或施工圖設計階段，由于前期方案設計時間倉促，沒有完全將可能發生的問題暴露，所以不得不重新進行方案設計，耽誤設計周期的同時還重復勞動，造成資源浪費。

在潘莊示范小城鎮市政工程設計中，為避免設計周期對設計質量的影響，在不改變整體設計周期的條件下，在設計周期的分配上倒置傳統設計周期，即時間分配為：方案階段＞初步設計階段＞施工圖階段。在設計深度的要求上加深每個階段的設計深度，即方案階段盡可能按初步設計深度進行設計、初步設計階段盡可能以施工圖標準要求出圖。采用該種設計周期分配方法，方案設計階段通過方案比較和論證完全確定了雨水系統劃分、給水和污水管網的分布，盡管整個設計任務在方案階段停留時間較長，但能夠保證后期設計完全可以在前期設計的基礎上開展，避免重復設計。

2.2 地塊內外市政聯動設計

地塊內外市政設計常被稱作大市政和小市政設計，大小市政設計范圍以市政道路紅線為分界，地塊內為小市政設計范圍，地塊外為大市政設計范圍。通常大市政由政府投資建設，小市政由開發商自行設計并投資開發。潘莊示范小城鎮試點建設項目是由政府委托開發商組織實施，所以該項目的大小市政皆由同一單位開發建設，這就為地塊內外市政聯動設計提供便利條件。在一般區域市政設計中，大市政建設是先于小市政建設，所以在小市政設計時，既有的大市政設計成果作為小市政的設計條件，如果在小市政與大市政對接過程中出現管線“繞道”或“排水管道上游標高低于下游標高”等問題，就會使整個設計處于很不利的狀態。

地塊內外聯動設計的關鍵節點在于內外銜接處的設計，為優化整個設計方案，聯動設計進行了一系列方案優化：

（1）重新核算徑流系數。在方案設計階段，根據區域規劃資料所提供的設計條件能夠計算不同地塊的徑流系數，進而了解整個區域的徑流情況。在實際地塊內設計時各種建筑面積與規劃不盡相同，所有會導致區域徑流系數有所出入。一方面需要根據實際地塊內設計重新核算市政雨水管道能否滿足變化后的徑流情況，另一方面還需要為小市政設計提供徑流系數方面的設計條件，倘若地塊內徑流系數過大，應采取滲透、調蓄等措施控制徑流系數，使大市政設計的雨水管道滿足排水要求。圖1為該項目某地塊規劃階段和設計階段建筑面積有所差異。重新核算后，該地塊的徑流系數過大，以現有徑流系數設計大市政雨水管道會造成本段雨水管道管徑增大一級，所以該地塊內需采取雨水調蓄池等源頭滯洪方式控制徑流系數。

圖1 規劃階段與設計階段不同類型建筑面積分布

（2）排水預埋支管根據實際情況確定參數。在市政設計中，排水干管應根據情況為兩側地塊預埋收水支管，支管位置及標高根據設計條件及資料確定。在優化設計前，設計人根據設計經驗初步確定污水干管起始覆土 1.8 m，雨水干管起始覆土1.5 m，為道路兩側地塊預埋給排水支管間隔100～120 m。在與地塊內設計相結合后，優化設計中設計人重新確定了設計參數：排水管道起始標高根據地塊內設計埋深進行確定；給排水預埋支管位置完全根據地塊內設計進行調整。優化設計前后污水管道系統見圖2。將地塊內污水管道排出位置設計在距離污水干管更近的位置，在其他條件不變的情況下，一方面可以縮短大市政污水干管敷設長度，另一方面無需根據經驗布設收水支管及收水井，只需在地塊內污水排出位置附近設置收水井和收水支管即可。雨水管道優化設計原則與污水管道相似，也可以根據地塊內設計調整，在地塊內雨水排出位置附近設置收水井和收水支管；與污水管道優化設計不同的是，雨水管道設計無法縮短管道敷設長度，在無地塊內雨水匯入的管道部分只收集路面雨水即可，所以雨水管道優化設計可以減小起始管段的管徑。

3 低影響開發在項目中的應用

3.1 河道設計

圖2 污水管道的優化設計

潘莊示范小城鎮現狀河道、水渠較豐富，多為灌溉水渠，河流水面面積約 4.5 hm2。設計區域水系功能定位包括以下四項：削減洪峰，防止內澇，保護城鎮安全；發揮儲水功能，作為綠化和道路澆灑的部分水源；削減污染負荷，提供良好的生物生息環境，保障水體水質；景觀功能。對于河道的設計遵循以下幾個原則：確保排澇能力，正常情況下在低水河槽流動，暴雨時河水水位上漲，河道泄洪、調蓄能力增強；盡量營造多樣化的河流流態，避免直線化、樣板化斷面，最大限度地利用河流的自塑能力；創造連續環境條件，上下游貫通，與區域外水系連通，保持環境與生態的連續性；確保水循環及生物自由移動，保持陸水暢通，避免下滲阻斷。河道復合型斷面設計見圖3。非暴雨季節，河道處于常水位，兩側緩坡帶可以作為綠地、運動場、停車場等加以利用；當發生大暴雨時，可以利用常水位和最高水位之間的空間調蓄暴雨量，減少洪峰對周邊及下游的影響；待暴雨過后，通過下滲、蒸發、排放等措施可以恢復至正常水位。

圖3 河道復合型斷面設計

3.2 滲透性鋪裝設計

逕流系數減小，硬化面積的增加會導致封閉性區域雨水表面匯集，增大雨水徑流系數，間接導致雨水管道設計管徑增加，提高工程投資。利用滲透性鋪裝可以有效降低不透水面積，增加雨水滲透，在潘莊示范小城鎮項目中路面采用滲透性材料代替傳統不透水混凝土或瀝青，在地塊內人行道和停車場設計中采用多孔瀝青、多孔混凝土和草皮磚。通過上述鋪裝方式使路面保持良好的透水性，不僅可以控制區域內徑流系數，還能滯留污染物，增加生物降解效率。

3.3 下凹形綠化帶設計

下凹型綠地又被稱作植被淺溝或低勢綠地，通過植草溝滯留、過濾及滲透等作用，一方面能夠降低徑流流量，調蓄峰流量，另一方面還能有效去除雨水徑流中的多數懸浮顆粒污染物和部分溶解態污染物[5]。在潘莊示范小城鎮項目設計中，道路兩側綠化帶采用下凹型設計，綠化帶間隔一定距離設置排出口。雨水以自流方式進入綠地后大部分通過下滲、截流等方式處理，另一部分難以處理的雨水由下凹處的盲管收集后通過排出口排入道路兩側預留的雨水收水井，通過收水支管匯入雨水干管，最終排出綠地，避免綠地積水過多。

4 結語

在市政給排水項目設計中，方案比選、可行性研究中離不開優化設計，不同類型的項目也會有不同針對點、不同側重點的優化設計，所有的優化設計都是基于對項目的合理化實施，從項目的發展、運行和管理角度看，優化設計的確起著重要的作用。低影響開發理念在市政給排水項目中的應用并不少見，也有少數項目完全遵循 LID 真正實現，但由于市政項目所涉及的專業、部門較多，在實施過程中也會受造價投資、運行維護是否方便、整體設計是否美觀等因素制約，所以 LID 很難完全推廣應用。在市政給排水項目設計中，合理利用部分 LID 理念或通過改善使其與項目有機結合，通過優化設計能夠突破項目瓶頸，推動設計合理化、高效化。

[1] 李明.市政工程項目優化方案的合理性分析[J].中國市政工程,2007(3):60-62.

[2] 邵陸壽.優化設計方案[M].北京:中國農業出版社,2007.

[3] USEPA.Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development（LID）Strategies and Practices[EB/OL].http：//www.epa.gov/nps/lid,2007.

[4] 王建龍,車伍,易紅星.基于低影響開發的城市雨洪控制與利用方法[J].中國給水排水,2009,24(14):6-9.

[5] 張煒,車伍,李俊奇,等.植被淺溝在城市雨水利用系統中的應用[J].給水排水,2008,32(8):33-37.