城市發展中市政配套管網容量不足問題及優化計方法探討

【摘要】 優化市政排水管網設計的必要性和可行性作為我國城市建設過程中的關鍵構成部分，市政排水管網的投資在整個排水系統投資中占據著絕對重要地位。所以說，優化設計市政排水管網有著重大意義。

【關鍵詞】 排水管網； 市政排水； 管網設計； 管網優化

目前我國的城鎮基礎建設發展很快，排水給水系統在迅速建立、排水給水管網在迅速延伸。因此，在城鎮新區的建立、城鎮道路的修建、舊城區的改擴建過程中，越來越多地涉及到排水給水管網的科學規劃設計問題。我們必須用發展的眼光進行排水給水規劃，根據城鎮發展的實際情況選擇合理的排水給水體系，堅持排水給水管網與污水廠同時設計、同時施工、同時投產。與此同時，也要注重小區污水的處理、污水管網的維護與管理。

一、市政排水管網現狀

1、規劃設計問題

排水管網規劃的制定應符合城市總體規劃和區域規劃，它與城市其他單項工程建設要密切配合，如城市功能分區布局、建筑界限、道路規劃、地下其他設施規劃等，要從全局觀點出發合理解決，使其構成有機整體。同時，排水系統規劃設計是動態的，在排水體制、排水量標準、排水主干管的定線工作完成以后，可以根據實際情況進行局部調整，以利于工程的具體實施。另外，排水管網建設有其自身的特點，因為它建設完成后使用期限有時長達四五十年以上。因此，城市排水管網規劃設計應比城市總體規劃年限更長些，排水量的計算應從多方面預測并要留有發展余地。

2、排水體制問題

排水體制關乎整個排水設計，當前的大部分排水體制均需改制。排水系統的體制一般分為合流制和分流制，混合制也是城市中常有的系統 ，是具有合流制的城市需要擴建排水系統時出現的。在大城市中，因各區域的自然條件以及修建情況相差較大，因此要因地制宜地在各區域采用不同的排水體制， 如南方很多城區便是這樣 的混合制系統。南方很多城區內水系發達，河流縱橫交錯。原有舊城區及各鎮區 ，居民生活污水及工礦生產廢水大部分均直接排人附近河涌；所以在排水體制的選擇上因地制宜地采用了不同的體制。

二、市政排水管網優化設計

1、dijkstra算法改進優化設計。給水排水管網的優化設計實際上就是尋找一個以污水廠為根節點的最小費用生成樹，dijkstra算法是構造最小生成樹的有效方法。考慮到在給水排水管網優化過程中，生成樹的權值隨管段的流量、埋深和長度的變化而不斷變化，因此在實際應用中通常采用變權值dijkstra算法。現有管網平面布局優化常采用有向圖的方法，即在優化前指定網絡中各邊的方向（水流的方向），而管網中水流的方向在初始情況下是不確定的，生成樹生長的方向可能代表了水流的反方向，因此采用無向圖進行優化更符合管網最初水流方向不確定的情況。鑒于以上原因，基于無向圖的變權值dijkstra算法（改進dijkstra算法）進行給水排水管網優化分析。改進dijkstra算法考慮了最小生成樹生長過程中權值的變化，在多約束條件下也可以得出最優解。

2、管線的平面優化布置

排水管網的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節省能量。正確的定線是合理經濟的設計管網的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設計盡量采用直線布局，不要拐彎；定線應盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠；設計時應盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設置。在早期的研究中，設計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優選依據，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調整。 后來又引入了排水線的概念，將排水區域內與最終出水口節點相距同樣可行管數的節點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉化為最短路問題，可用動態規劃法求解。 但此方法把尋優的范圍被限制 ，使人們在設計過程中很容易把最優方案排除。三種權值是各管段地面坡度的倒數；各管段的管長；各管段在滿足最小覆土條件下，按最小坡度設計時的挖方量。

3、已定平面布置下的管道系統優化設計

排水管道優化設計主要是指：對于某一設計管段，當設計流量確定后， 在滿足設計規范要求的管徑和坡度的多種組合中， 取得管材費用與敷設費用的平衡。 在排水管線平面布置已定情況下， 對于管段管徑， 埋深的優化設計， 國內外做了大量研究工作。

（1）線性規劃法和非線性規劃法

a線性規劃法，是針對排水管網設計計算中的約束條件和目標函數的非線性，分別用其一級泰勒公式展開式代替， 用線性規劃的解作為問題的近似解， 反復迭代，使迭代序列逼近非線性規劃的最優解。缺點是把管徑當作連續變量來處理，存在計算管徑與市售管徑不一致的矛盾，且前期準備工作量大，以后發展的整數規劃法，雖然在一定程度上解決了線性規劃的缺點，但是其整型變量比較多，難以求解。

b非線性規劃法適應了計算模型中目標函數和變量的非線性特征， 可以優化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數和約束條件的形式。

（2）動態規劃法

動態規劃法是目前國內外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設計看作一個多階段的過程，

通過對設計過程進行階段劃分來對管道進行優化設計。 其應用主要分為兩方面：

a以節點埋深為狀態變量 ，通過坡度決策進行全方位搜索。其優點是直接采用標準管徑，結果與初始管徑無關，且能控制計算深度，但要求狀態點之間的埋深間隔很小，使存儲量和時間間隔大為增加。

b以管徑為狀態變量，通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數目有限，因此在計算速度和存儲量上都有很大優勢。以后又發展出了可行管徑法。 此法使優化計算精度得以提高，并顯著減少了計算工作量和計算機存儲量。

（3）直接優化法

直接優化法是直接對各種方案或可調參數的選擇設計計算和比較來得到最優解，具有直觀和容易驗證的優點。 主要方法有：

a電子表格法是一種啟發式的費用估算方法，允許用戶尋找最小費用設計，能得出比動態規劃法要好的結果而且更符合設計規范的要求.

b兩相優化法是設計流量確定后，在滿足約束條件的前提下，選取最經濟流速和最大充滿度進而得到最優管徑和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深.直接優化法的算法與人工算法基本相同，但受設計人員的能力所限 ，所得結果不盡相同，所以所求結果不一定是最優解。

（4）遺傳算法

遺傳算法是進化算法一個分支，是模擬生物學中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統優化設計問題時可以求得最優設計方案。但解決大型管道系統問題時，只能求得趨近于最優解的設計方案 ，在排水管道系統優化設計中，不論采用何種方法，都以設計規范為基本要求，同時使費用達到最小。

隨著我國國民經濟的快速發展，城市排水管網系統不斷進行完善，城市舊有的市政管網系統也需不斷改造。在排水管網的設計中，應根據已知設計參數和條件，結合實際情況，進行優化管網的設計。這是排水管網設計的關鍵問題。

參考文獻

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