城市給排水管網優化設計研究

惠州市道路橋梁勘察設計院，廣東 惠州 516000

1 給排水管網水力計算基本理論

1.1 管網水力計算方程

（1）節點連續方程。給排水管網中每個節點的流量是相對平衡的，即對于管網中任一節點，流入流量與流出流量是相同的，計算方程為

式中：qij為第i～j管段之間的流量，m3/h，如果管網有j個節點，則存在j-1個管段；Qi為節點i的流量，m3/h，注意流入節點的流量為“+”，流出節點的流量為“-”。

（2）水頭損失方程。城市排水管網中水頭包括壓力水頭、位置水頭、流速水頭等。根據伯努利微分方程可知，管道中水流不可壓縮，且流速恒定，故排水管網中管線兩端節點斷面的水頭損失（水壓差）包括沿程水頭損失和局部水頭損失，其中前者遠大于后者，在計算時局部水頭損失可以忽略不計。目前，在計算管線沿程具體水頭損失時，計算理論較多，不同公式因為適用范圍或系數不同，計算結果也差異較大。相關研究表明，可應根據管道材料的不同選擇合適的計算公式。例如，管道材料為混凝土或鋼筋混凝土時，可采用巴甫洛夫斯基公式；管道為鑄鐵管或鋼管，可采用舍維列夫公式。

（3）能量方程。城市排水管網中的能量方程是指各管段之間的水頭損失之和為0，主要用于環狀管網計算。能量方程的個數取決于環形管網中的基環數，n個基環，就存在n個能量方程，具體計算公式如下：

式中：n為基環數量；Hij為第i～j管段的水頭損量（順時針為“+”，逆時針為“-”），m。

1.2 管網水力計算程序

城市給排水管網水力計算就是對節點連續方程、水頭損失方程、能量方程等聯力方程組進行求解，最常用的方法就是解環方程法。解環方程法的計算理念：首先擬定的初始流量要滿足節點連續方程，隨后逐步迭代計算，修正各管段間流量差以滿足能量方程，最后代入水頭損失方程進行校驗。解環方程法計算管網的具體流程見圖1[4]。

圖1 解環方程法管力計算流程

2 給排水管網的平面布置優化

（1）排水體制選擇。城市排水系統需要滿足雨水、生活或工業污水的排放需求。城市管網常見的排水體制有合流制和分流制兩種，其中合流制是利用一個管道將雨水、生活或工業污水不經處理直接排至下游水體，這種排水方式較簡單、工程造價低、施工工期短，但對水體污染嚴重，在傳統的老舊城市排水管網中應用較多。目前，隨著經濟水平的快速發展和設計理念的進步，分流制排水在城市中的應用日益廣泛。分流制排水管網可劃分為完全分流和不完全分流，兩者之間的區別在于是否布設雨水排放系統，即完全分流制布設了多條工業廢水、生活污水、雨水排放管道，不完全分流制沒有布設雨水排放管道，雨水往往是沿著天然地面、舊水渠等排除。在確定排水管網體制時應當按照城市規劃、環境保護要求、氣象條件等因素綜合考慮。即使在同一城市，排水管網體制也不是固定不變的，也可能因各區域的外部環境差異，使分流制和合流制排水體制同時存在。

（2）管網平面布局方式確定。城市給排水管網的平面布局指的是給水管道、排水管道等的總體走向和布置形狀，與沿線用地性質、地形地貌、施工技術等密切相關。給排水管網平面布局有垂直布置和平行布置兩種方式。相關學者的研究表明，在管溝底寬和坡比不變的條件下，增加管溝的開挖深度，管溝的開挖斷面積和土方量會不斷增加（見圖2），垂直布置使得各種給排水管道相互交叉垂直穿過，從而使管溝開挖深度大，施工技術要求高，增加了工程造價，同時在很大程度上影響了后期的城市規劃建設。平行布置給排水管道是城市管網規劃的常用方法，主要有魚刺式、木梳式、篦子式，其中魚刺式是雙向平行布管，適用于道路兩側匯水面積相差不大的平坦地區；木梳式有單側布管和雙側布管兩種方式，單側布管的布局簡單，適用于道路橫向坡度較大的單側匯水區域，在丘陵地區較為常見。雙側布管管線交叉少，無主干管，設計施工方便；篦子式是雙側布管，適用于道路橫向坡度較小的平原地形。

圖2 管溝深與開挖斷面積擬合工公式

（3）管網豎向布局方式確定。①管道縱斷面布局。在城市給排水管網設計期間，由于地形地貌、服務功能、地下管線等因素的干擾，管道縱斷面設計較復雜，變化也較多。設計原則不同，管道縱斷面的適用范圍也各有差異，見表1。②管道縱向交叉方式。城市給排水管道之間的接口方法有管頂平接、管中接、管底平接等。當給排水管道和其他市政管線相遇時，可采用上跨和下穿兩種交叉方式。如果采用上跨式，給排水管道開挖深度小，施工簡單，工程造價低，但可能導致檢查井高度不符合規范要求；如果采用下穿式，給排水管道埋深大，施工技術要求高，使檢查井高度容易滿足規范要求，但局部管道應頂管施工。

表1 管道縱斷面設計原則及適用情況

3 給排水管網優化設計實現

3.1 優化設計參數選擇

城市給排水管網一般包括若干管道，每個管道并不是孤立存在的，上游管道水力計算參數往往會對下游管道優化設計產生一定程度的干擾。要實現整個給排水管網效率最大化，不能只分析某一個管道參數，應當確保各初始流速、管徑、跌水等達到最優組合，具體原則如下：第一，坡度和流速平方呈正相關關系，流速大一定會引起坡度增加，從而導致管道埋深大，增加管網造價，故設計較小流速；第二，在符合給排水能力與流速的情況下，要對大管徑和小管徑進行技術性和經濟性比選；第三，對于給排水管道埋置深度小于規范要求的最小埋深地段或地形陡峭地段，應設計跌水。

3.2 優化設計模型

城市給排水管網優化設計一般以經濟性為目標函數，即在工程造價最小的前提下，盡可能提高城市各區域的給水、排水能力。給排水管網優化的經濟性目標函數可以年費用折算值計算：

式中：Wmin為年費用折算；C為管網總建設費用；T為投資回收期；Y1為折舊費；Y2為燃油動力費。

4 結論

（1）水力計算是城市給排水管網優化設計的基礎，是在節點連續方程、水頭損失方程、能量方程等基礎上，對管網的流速、管徑及水頭損失等參數進行量化。（2）給排水管網平面布置的基本原則是管線施工簡單、工程量小、造價低等，可從排水體制的選擇、管網平面布局方式、管網豎向布局方式等方面著手。（3）城市排水管網平面布局有垂直布置和平行布置兩種方式，管道之間的接口方法有管頂平接、管中接、管底平接等。當給排水管道和其他市政管線相遇時，可采用上跨和下穿兩種交叉方式。（4）城市給排水管網的若干管道并不是孤立存在的，要實現整個給排水管網效率最大化，應確保各初始流速、管徑、跌水等達到最優組合。