城市給水排水工程的優化設計研究

(中鐵二十一局集團第二工程有限公司 甘肅 蘭州 730000)

一、研究背景

城市給排水系統主要包括水源系統、用水系統、給水系統、排水系統、回用系統和雨水系統等。但現階段由于缺乏城市給排水系統的整體規劃和設計，從而導致現有水資源消耗過大，規劃中出現的一些問題已經嚴重威脅了城市給排水系統，乃至城市系統的可持續發展。這要求我們在新的歷史條件下做好城市市政給排水規劃設計，認真思考與解決現存的問題[1]，尋求城市水資源的合理利用。

在城市經濟建設發展的過程中，居民生活對于城市給排水系統以及工業生產對于給排水的需求是不可缺少的，一個良好的城市給排水系統能夠促進城市經濟建設與社會環境的可持續發展，相反，則必然會導致一切生活、生產的秩序混亂。目前，隨著城市化率的提高，城市給排水工程滯后，給水不足、排水不暢還阻礙著許多城市的發展以及城市功能的發揮。因此，對于城市給排水管網的優化配置、新建，包括對現有設施的改建、擴建及完善的要求已日益迫切[2]。

二、研究意義

在城市的給排水系統工程的建設過程中，建設者希望從用戶自身的角度考慮，增加他們的舒適性和安全性的體驗。因此，在城市的給排水工程的建設中要盡量兼顧社會效益和經濟效益，促進城市的健康可持續發展。然而在整個工程實施的過程中，還是不能滿足預期的效果，城市的給排水系統出現嚴重的問題，甚至有時與設計優化的理想效果相差很遠。導致這種結果的原因，主要還是設計者的經驗理念以及對優化方法的掌握程度欠缺。設計者的從業經驗也是在不斷地實踐中積累的，也是實現工程優化設計的必備條件，但由于個人思想和技術的局限性[3]，在處理給排水系統工程的過程中，面對復雜綜合性問題時，只是依靠個人的經驗和技術還是難以實現的，所以我們要采用一系列優化設計方案。目前對給排水系統的優化設計研究還主要集中于對某一個子系統的數學模型[4]的研究，通過優化設計理念的研究，以及這些理念在實際操作上的具體實施，從而達到理想的實際效果。

(一)給水排水工程優化設計的發展概況

隨著給水排水工程的不斷發展，設計者不斷追求更完美、更合理的給排水系統[5]，一些外國學者對給水排水系統的優化設計研究得比較早，在研究過程中也積累了實驗數據和豐富的經驗。在國際學者總結的經驗和實驗數據分析的基礎上，不斷完善和建立起了各種給水排水工程系統或實驗過程的數學模式。隨著科學系統的分析方法、計算機技術和手段的不斷發展，對于各種類型的給排水系統，開展了最優化的研究和實踐，在城市給排水管道和污水處理等系統工程方面取得了各種研究成果[6]。

(二)給水排水系統優化設計的特點

在城市給排水系統工程的優化設計過程中，是運用排水系統科學分析原理和最優化技術標準設計出能量消耗小，可靠舒適的給排水系統，在城市的排水系統中包含兩個方面需要優化的內容，其一是設計者和客戶滿意的排水系統結構，其二是對于設計者而言滿意的系統參數[7]。針對排水系統參數，國內許多學者進行了大量的優化方案研究，并且總結了過去的一些經驗性數據，從而簡化了設計過程，提高了效率。通過理論與實踐知識相結合，對系統的優化結構進行整體把握，分析系統結構[8]。

圖2-1 給水排水系統設計的三維結構圖

(三)給水排水系統設計優化的一般步驟

排水系統工程主要針對的是系統的優化，設計者在建立或改造一個系統時，人們總希望它在給定的條件下達到最優的效果。在霍爾研究的邏輯結構中，總結了系統工作過程的開展一般分為七個步驟，但是討論到一個給排水系統設計及優化的過程中，有些工作階段的劃分不是非常明確，甚至有些工作過程是同時進行的，對于給排水系統的設計優化工作需要按照正常的步驟進行。因此，從一個給排水系統優化設計要求的提出到優化的整個步驟完成，一般需要經歷如圖2-2所示的程序[9]。

圖2-2 給水排水系統設計優化的一般步驟

(四)最優化方法的概述

給排水系統的最優化方法就是把最優化問題表示成數學模型，根據數學模型找到最優解的數學研究方法。最早處理此類最優化問題的數學方法有古典的微分法和變分法[10]。所研究的問題多為非線性和多變量的，但是用最古典的方法并不能使問題最優化，繼而便產生了線性規劃、非線性規劃、動態規劃等新的優化設計方法。隨著最優化方法的出現，給排水系統優化設計進入了一個快速發展的新時代。現在又出現了遺傳算法、人工神經網絡算法等一系列新的優化方法，其主要是解決優化比較復雜的問題。下表列出了一些主要的最優化方法的特點、條件要求及應用算法[11]。

表2-1最優化方法的主要算法及特點

(五)建筑給排水系統模塊

城市建筑給水排水是給水排水系統中不可缺的組成部分，與城鎮給水排水系統、工業給水排水系統一起組成完整的給水排水體系。同時，建筑給水排水工程又是建筑物的重要組成部分，它和建筑學、建筑結構、建筑供暖與通風、建筑電氣、建筑燃氣等工程共同構成可供使用的建筑物體。在滿足人們舒適的生活條件下，促進生產的正常運行和保障人們生命財產的安全方面，建筑給水排水工程起著十分重要的作用，建筑給水排水的完善程度，是建筑標準等級的重要標志之一[12]。

圖3-1 建筑給水排水系統模塊關系圖

在城市中建筑給排水發展迅速，所涉及的領域比較廣泛，涵蓋的系統也非常復雜。城鎮建筑給水排水工程系統相當于一個由多個子系統用有用的連接裝置連接起來的完整系統。各子系統協調配合工作，并與所處的外部系統合理對接。因此在城市的道路交通，污水處理，雨天積水的處理等方面都要充分考慮系統的優化設計問題，爭取創造一個和諧優美的城市環境和生活圈。

(六)建筑給排水系統環境分析

在大自然中，環境與系統有相互依存與不可分割的關系。了解給排水系統工程所處的環境是解決排水問題優化設計的關鍵步驟，問題解決方案的優化程度依靠對系統環境的了解。設計者如果對環境不熟悉，將導致解決問題的方案無法更好的優化。通過在實際工程當中在介紹建筑給排水系統模塊時，如圖3-1中清楚表示了建筑給水排水系統所處的系統環境。在給排水系統中全部環境因素可分為三大類：(1)物理和技術方面的因素；(2)經濟和經營管理中的環境；(3)人際社會交往中的因素。對于城市建筑給排水系統中的這三大類因素對應的在實際的建筑系統當中所表現出來的環境影響因子等各方面的特征可以見如表3-2所示。

表3-2建筑給水排水系統環境因素分析

(七)給水系統設計優化

城市給水系統功能是通過地下管道及一些輔助排水設備。考慮到用戶的生產、生活以及消防的組織等，將市政用水安全地輸送到居民用戶的用水點。簡單地說就是每一個用水點都能保證舒適度比較高的、充足、安全的供水。根據城市給水系統功能，結合建筑給排水優化設計指標[13]，可以給出給水系統的優化目標：可以達到技術先進，經濟效益好，管理使用維護方便，節能環保、節水、節材、節地及可持續發展戰略的設計要求。實現給水系統優化目標的方法手段很多，但最關鍵部分在于給水系統的選擇以及給水方式的確定。

表3-3建筑給水排水系統設計目標

三、總結

由于城市建筑給水排水工程系統的優化研究涉及到工程系統的各個方面，也包含在設計的各個階段和領域中，需要對建筑給水排水系統進行全面深入的分析和研究，才能找到滿意的結果。本文對于設計理論及優化設計的研究不多，通過運用系統工程的理論，對給水排水系統的優化進行一般性探討，并主要了討論在目前經濟技術水平下，如何進行建筑給水排水系統的設計優化。文中運用系統理論知識分析給水排水系統，清晰地給出關于給水排水系統的三維結構圖[14]，并詳細地介紹給水排水優化設計的整個步驟。此外，文中還給出了系統工程狹義上的最優化方法，并列出了目前常用的給水、排水系統的最優化方法。