摘要 ：本文分析了市政排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀， 指出了排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)規(guī)劃中存在的問題，并提出改進(jìn)方案， 系統(tǒng)闡明排水設(shè)計(jì)過程中存在的明顯問題， 并提出各種排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法， 最后通過各種排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)方法的對(duì)比進(jìn)行探討。

　　關(guān)鍵詞 ： 排水管網(wǎng)； 規(guī)劃；優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　Abstract: the paper analyses the present situation of the municipal drainage pipe network, and points out that the drainage pipelines optimization design planning in the existing problems, and put forward the improvement scheme, system clarifies the drainage design of the existence of the obvious problems and puts forward all kinds of drainage pipe network optimization design method, the last through the various drainage pipelines design contrasts of the methods are discussed.

　　Keywords: drainage pipelines; Planning; Optimization design

　　引言

　　隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展,市政建設(shè)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。近年出現(xiàn)了許多新型管材, 新型管材與傳統(tǒng)管材相比，在運(yùn)輸、施工安裝等方面有著無可比擬的優(yōu)越性。如何合理布置管道，確定管徑，正確選擇排水管材,對(duì)確保工程質(zhì)量、縮短工程工期、降低整個(gè)工程造價(jià)、保證整個(gè)工程順利進(jìn)行等都具有十分重要的意義。

　　1 市政排水管網(wǎng)現(xiàn)狀

　　市政排水工程規(guī)劃涵蓋在城市總體規(guī)劃、控制過程規(guī)劃和修建規(guī)劃中， 其作用是要指導(dǎo)下一層次的排水專業(yè)規(guī)劃或排水工程設(shè)計(jì)。市政排水工程規(guī)劃的根本任務(wù)是： 分析區(qū)域現(xiàn)有排水系統(tǒng)情況； 確定排水體制和劃分排水區(qū)域； 確定排水量預(yù)測(cè)方法和指標(biāo)； 進(jìn)行排水量預(yù)測(cè)； 進(jìn)行排水系統(tǒng)布局； 確定排水處理設(shè)施種類、數(shù)量、位置和用地； 布置排水管道及進(jìn)行相關(guān)計(jì)算等。

　　1.1 市政排水沒有以城市的可持續(xù)性發(fā)展作為其規(guī)劃的依據(jù)， 缺乏超前性

　　市政排水管網(wǎng)修建完成后， 短的要服務(wù)十幾二十年， 長(zhǎng)則達(dá)到三四十年。在這個(gè)期限內(nèi)， 城市居民用水、城鎮(zhèn)人口密度、工業(yè)用水量標(biāo)準(zhǔn)、土地服務(wù)范圍等指標(biāo)都是應(yīng)該充分考慮和在規(guī)劃中有所體現(xiàn)的。很多城鎮(zhèn)排水工程規(guī)劃中的排水量預(yù)測(cè)都缺乏"超前量"， 在初步規(guī)劃時(shí)， 只考慮了當(dāng)時(shí)的需要， 但不久后便發(fā)現(xiàn)規(guī)劃有其發(fā)展局限性。好的排水規(guī)劃是指導(dǎo)排水工程設(shè)計(jì)的， 應(yīng)及時(shí)進(jìn)行編制或修編，同時(shí)應(yīng)注意其時(shí)效性。

　　1.2 市政排水體制不能"與時(shí)俱進(jìn)"

　　排水系統(tǒng)的體制一般分為合流制、分流制以及混合制。改革開放以來， 城鎮(zhèn)建設(shè)日異月新， 但很多老城區(qū)的居民生活污水、工礦生產(chǎn)廢水和雨水大部分還是直接排入附近江河， 給生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。改進(jìn)方法有： （a）應(yīng)在舊城區(qū)采用截流式合流制系統(tǒng)， 在兩河岸邊建造一條截污管（截流干管）， 同時(shí)在截流干管處設(shè)置溢流井， 并設(shè)置氧化溝和污水廠， 污水經(jīng)過處理后再排入江河；（b）在新城鎮(zhèn)區(qū)域或開發(fā)區(qū)， 一開始規(guī)劃時(shí)就應(yīng)采用完全分流制系統(tǒng)， 將雨水、污水完全分開來設(shè)置管道， 雨水排入鄰近河流， 污水則進(jìn)入污水處理廠處理后再排入河流。但是在普遍提倡分流制排水系統(tǒng)的今天， 也不能盲目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工， 否則不但會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)攀高， 也會(huì)給日后的維修和養(yǎng)護(hù)工作帶來難度。必須要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況， 靈活選擇最經(jīng)濟(jì)可行、同時(shí)也滿足城市發(fā)展需要的排水體制。

　　1.3 市政排水管網(wǎng)規(guī)劃未做到統(tǒng)籌兼顧

　　市政排水工程規(guī)劃是動(dòng)態(tài)的， 在排水體制、排水量標(biāo)準(zhǔn)、排水主干管的定線工作完成以后， 可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行局部調(diào)整， 以便工程的具體實(shí)施。應(yīng)做到使排水管網(wǎng)規(guī)劃同城鎮(zhèn)發(fā)展總體規(guī)劃相一致和協(xié)調(diào)， 同建筑規(guī)劃、城市路網(wǎng)規(guī)劃、地上和地下基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃等相配合， 且規(guī)劃服務(wù)年限稍長(zhǎng)時(shí)， 排水體制、排水量標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)都應(yīng)留出富余之地。

　　2 市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

　　市政排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是解決在已定平面布置方案下， 排水管徑、埋深及提升泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及排水管網(wǎng)平面布置方案的優(yōu)化研究。

　　2.1 已定平面布置下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　排水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是指： 對(duì)于某一設(shè)計(jì)管段, 當(dāng)設(shè)計(jì)流量確定后， 在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的管徑和坡度的多種組合中， 取得管材費(fèi)用與敷設(shè)費(fèi)用的平衡。在排水管線平面布置已定情況下， 對(duì)于管段管徑-埋深的優(yōu)化設(shè)計(jì), 國(guó)內(nèi)外做了大量研究工作。

　　2.1.1 線性規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法

　　（1）線性規(guī)劃法，是針對(duì)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)計(jì)算中的約束條件和目標(biāo)函數(shù)的非線性， 分別用其一級(jí)泰勒公式展開式代替， 用線性規(guī)劃的解作為問題的近似解， 反復(fù)迭代， 使迭代序列逼近非線性規(guī)劃的最優(yōu)解。缺點(diǎn)是把管徑當(dāng)作連續(xù)變量來處理， 存在計(jì)算管徑與市售管徑不一致的矛盾， 且前期準(zhǔn)備工作量大。以后發(fā)展的整數(shù)規(guī)劃法， 雖然在一定程度上解決了線性規(guī)劃的缺點(diǎn)， 但是其整型變量比較多， 難以求解。

　　（2）非線性規(guī)劃法，適應(yīng)了計(jì)算模型中目標(biāo)函數(shù)和變量的非線性特征， 可以優(yōu)化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標(biāo)函數(shù)和約束條件的形式。

　　2.1.2 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法

　　動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是目前國(guó)內(nèi)外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設(shè)計(jì)看作一個(gè)多階段的過程，通過對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行階段劃分來對(duì)管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其應(yīng)用主要分為兩方面：

　　（1）以節(jié)點(diǎn)埋深為狀態(tài)變量， 通過坡度決策進(jìn)行全方位搜索。其優(yōu)點(diǎn)是直接采用標(biāo)準(zhǔn)管徑， 結(jié)果與初始管徑無關(guān)， 且能控制計(jì)算深度， 但要求狀態(tài)點(diǎn)之間的埋深間隔很小， 使存儲(chǔ)量和時(shí)間間隔大為增加。因此在此基礎(chǔ)上引入了擬差動(dòng)態(tài)規(guī)劃法， 在動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的基礎(chǔ)上引入了縮小范圍的迭代過程， 但應(yīng)用有一定的局限性。

　　（2）以管徑為狀態(tài)變量， 通過流速和充滿度決策。由于可使用的標(biāo)準(zhǔn)管徑數(shù)目有限， 因此在計(jì)算速度和存儲(chǔ)量上都有很大優(yōu)勢(shì)。以后又發(fā)展出了可行管徑法。此法使優(yōu)化計(jì)算精度得以提高， 并顯著減少了計(jì)算工作量和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量。盡管動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是解決多階段決策問題的一種有效方法， 但在排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)， 前一段的設(shè)計(jì)結(jié)果將直接影響到后續(xù)管段設(shè)計(jì)參數(shù)的選用， 因此利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求出的污水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)方案也并不一定是真正的最優(yōu)方案。

　　2.1.3 直接優(yōu)化法

　　直接優(yōu)化法是直接對(duì)各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇設(shè)計(jì)計(jì)算和比較來得到最優(yōu)解， 具有直觀和容易驗(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)。主要方法有：

　　（1）電子表格法是一種啟發(fā)式的費(fèi)用估算方法， 允許用戶尋找最小費(fèi)用設(shè)計(jì)， 能得出比動(dòng)態(tài)規(guī)劃法要好的結(jié)果而且更符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

　　（2）兩相優(yōu)化法是設(shè)計(jì)流量確定后， 在滿足約束條件的前提下， 選取最經(jīng)濟(jì)流速和最大充滿度進(jìn)而得到最優(yōu)管徑和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深。直接優(yōu)化法的算法與人工算法基本相同， 但受設(shè)計(jì)人員的能力所限， 所得結(jié)果不盡相同， 所以所求結(jié)果不一定是最優(yōu)解。

　　2.1.4 遺傳算法

　　遺傳算法是進(jìn)化算法一個(gè)分支， 是模擬生物學(xué)中的自然遺傳變異機(jī)制而提出的隨機(jī)優(yōu)化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題時(shí)可以求得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，但解決大型管道系統(tǒng)問題時(shí)， 只能求得趨近于最優(yōu)解的設(shè)計(jì)方案。在排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中， 不論采用何種方法， 都以設(shè)計(jì)規(guī)范為基本要求， 同時(shí)使費(fèi)用達(dá)到最小。

　　2.2 管線的平面優(yōu)化布置

　　排水管網(wǎng)的布置原則是既要使工程量最小， 又要使水流暢通、節(jié)省能量。正確的定線是合理經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)管網(wǎng)的先決條件。定線的基本原則是： 干管支管的設(shè)計(jì)盡量采用直線布局， 不要拐彎； 定線應(yīng)盡量利用地勢(shì)， 使污水在重力作用下流入污水廠； 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少管道埋深； 在管道的中途盡量減少提升泵站的設(shè)置。在早期的研究中， 設(shè)計(jì)方法為假定每一段管徑相同， 以挖方費(fèi)用為優(yōu)選依據(jù)， 選擇一初始布置方案， 然后通過仔細(xì)的驗(yàn)算，逐步進(jìn)行調(diào)整。后來又引入了排水線的概念， 將排水區(qū)域內(nèi)與最終出水口節(jié)點(diǎn)相距同樣可行管數(shù)的節(jié)點(diǎn)用一根排水線連接起來。這樣把問題轉(zhuǎn)化為最短路問題， 可用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解。但此方法把尋優(yōu)的范圍被限制， 使人們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中很容易把最優(yōu)方案排除。后來， 人們把城市排水系統(tǒng)排水布置抽象為由點(diǎn)和線構(gòu)成的決策圖， 從圖論中尋找方法。1986年發(fā)展到利用三種權(quán)值來解決問題。三種權(quán)值是各管段地面坡度的倒數(shù)； 各管段的管長(zhǎng)； 各管段在滿足最小覆土條件下， 按最小坡度設(shè)計(jì)時(shí)的挖方量。分別對(duì)這三種權(quán)值運(yùn)用最短路生成樹算法求管線平面布置方案, 再進(jìn)行管徑、埋深和提升泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì),最后取投資費(fèi)用最小的平面布置方案作為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

　　3 排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的對(duì)比（如表1）

　　合理的排水規(guī)劃、設(shè)計(jì)能盡快地將雨水、生活、工業(yè)污水排除， 減少水資源的污染， 保護(hù)環(huán)境， 美化城市， 對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展和和諧社會(huì)的建設(shè)都是大有裨益的。城市排水工程應(yīng)遵循的一般規(guī)劃、設(shè)計(jì)的原則和方法如表1所示。

　　結(jié)束語

　　綜上所述,市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與能動(dòng)性相結(jié)合的過程。在滿足規(guī)范要求、注意設(shè)計(jì)控制要點(diǎn)的同時(shí),要根據(jù)實(shí)際情況, 因地制宜、因時(shí)制宜, 選擇最好的方法，并優(yōu)先選用新型管材,盡量做到既質(zhì)量?jī)?yōu)良, 又經(jīng)濟(jì)合理、施工方便。

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