探讨市政管网优化排水设计方法

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 探讨市政管网优化排水设计方法 摘要：市政排水管网是城市建 设的重要设施，其投资份额占整个排水 系统总投资的比例很高，因而优化设计 方案并减少投资是排水管网的必然之选。 本文讨论了排水管网设计的一般流程和 局限性，讨论了各种优化方案的特点和 适应性，提出了选择和使用优化方案的 策略和方法。 中国论文网 /2/view-12834557.htm 关键词：市政管网 排水设计 优 化方法 中图分类号：S276 文献标识码： A 文章编号： 市政排水管网工程是城市建设的 重要设施，并且也是控制水污染、改善 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 和保护环境的重要措施1。排水管网的 投资占到整个排水系统总投资的 50% 80%2,3，可见排水管网的设计 对整个排水系统的投资效益影响很大， 做好这部分的工作可以有效地控制总投 资额。通过排水管网的优化设计减少资 金投入，是各种优化方案的主要目标， 然而针对具体的工程选择什么样的优化 方案并非容易的事情，因为没有一种方 案是完美无缺的，本文借此讨论一下市 政排水管网各种优化方案的特点和适应 性，探讨如何选择和使用优化方案。 1 市政排水管网设计的流程和局 限性 1.1 排水体制的选择1,4 排水体制有合流制和分流制两种 形式。合流制是用同一管渠系统收集和 输送污水和雨水的方式；分流制是用不 同管渠系统分别收集和输送污水和雨水 的方式。 合流制又可分为直排式合流制和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 截流式合流制。直排式合流制是将雨水 和污水直接用同一管渠系统排放到河流； 截流式合流制是在进河流前设置截流干 管，雨量小时雨水和污水通过截流干管 全部进入污水处理厂，而雨量大时，超 出管道负荷的雨水通过溢流管溢入河流 中排走。直排式合流制一般是早期建设 的排水系统，污水不经处理，污染严重； 截流式合流制多是旧城改造采用的排水 系统，投资较省，并能大量降低污染物 质。 分流制排水系统又可分为完全分 流制、不完全分流制和半分流制三种形 式。完全分流制是污水系统和雨水系统 截然分开，污水系统经污水处理厂处理 后排放，雨水经雨水系统直排入水体； 不完全分流制的污水系统同完全分流制， 但没有专门的雨水系统，雨水由地面漫 流到沟渠或小河，再汇流到较大的水体 中；半分流制的污水系统同完全分流制， 雨水系统在雨水干管上设雨水跳越井用 于截留初期雨水和街道地面冲洗污水并 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 入污水管道，当雨水入流干管的流量超 过截留量时，雨水越过跳越井隔墙流入 雨水出流干管直接排入水体。完全分流 制投资较高，环保效果较好，但有初期 雨水污染问题，适合新建城市；不完全 分流制适合分期建设，节省初期雨水系 统投资；半分流制解决了雨水初期污染 问题，但要建溢流井，投资较大，适合 新建城市。 1.2 排水管道系统定线1 排水管道系统的定线就是在地形 平面图上确定管线的位置和走向。定线 的流程是：按照管道规划设计原则、 地形地质条件和污水厂位置，依次确定 主干管、干管和支管的走向和位置； 划分干管和支管的服务面积，进行编号 并计算服务面积的大小；确定干管和 支管的检查井位置和编号，并计算设计 管段长度和管渠总长度。 1.3 排水管道系统参数设计5 排水管道系统参数设计包括排水 管道设计流量设计以及基于排水管道设 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 计流量的管道管径、坡度等参数设计两 个方面。 1.4 现行排水管网设计的局限性 5 现行排水管网的设计是基于排 水管网系统各个组件相对独立设计的， 各个组件之间欠缺协同作用，因而对整 体功能的发挥考虑不够。 现行设计模式缺乏协调排水管 网内部不同排水管道及其附属构筑物等 组件功能关系的内容。 现行设计体制注重生成排水管 道系统设计方案，只是一种合乎规范要 求的可行的方案，缺乏对方案建模、仿 真、评价部分。 现行设计规范缺乏优化方法或 内容的说明，优化是基于设计人员个体 行为，由于缺少方案建模、仿真、评价 部分，不能提供设计方案的风险信息， 因此方案有很大不确定性。 2 市政排水管网设计的优化策略 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 和方法 2.1 市政排水管网设计优化的研 究方向2,3 市政排水管网设计优化的研究主 要有两个方向：一是已定平面布置方案 下，排水管径、埋深及提升泵站的优化 设计；二是排水管网平面布置方案的优 化研究。目前已定平面布置方案的优化 研究较多，而排水管网平面布置优化研 究相对不足。 已定平面布置方案的优化有两种 方法：直接优化法和间接优化法。直接 最优化方法是根据性能指标的变化通过 直接对各种方案或可调参数的选择、计 算和比较，得到最优解或满意解；间接 优化法也称解析最优化，是在建立最优 化数学模型的基础上，通过最优化计算 求出最优解。 排水管网平面布置优化的原则是 既要使工程量最小，又要使水流畅通节 省能量。 2.2 市政排水管网优化设计的一 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 般方法1,6 市政排水管网优化设计的主要目 标是减少工程费用，以降低工程费用的 优化方法是： 确定工程费用函数为优化模型。 排水管网的费用函数是系统投资偿还期 内的基建费用和经营费用。它是管道单 价和管段长度相关的函数。管道单价模 型有很多种类型，但都与管径、管道埋 深有关，还与地方系数和地方指数有关 系。如： ，其中 c 是管道单价， D 是 管径，H 是管道埋深，kj 是地方系数和 地方指数。最小费用函数可以表达为 ，m 是管段数，l 是管段长。 通过数学的方法求解目标函数， 使 minF 最小即达到优化目标。minF 是 非线性函数，借助计算机在数学上求解 该函数并不是很困难，但由于参数众多， 边界条件复杂，现有的各种方法得到的 结果并不一定是最优解，只能说是接近 最优解。 2.3 市政排水管网设计优化方法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 的比较及选用原则3 前面已经介绍了市政排水管网设 计优化的两个方向，已定平面布置方案 的优化技术较为成熟，研究开发了较多 的方法，排水管网平面布置的优化方法 也有研究，表 1 列出了各种方法的原理、 优缺点和选用原则。 表 1 市政排水管网设计优化方法 的原理、优缺点和选用原则3,7-9 序号 优化 方向 优化方法 从属优化法 优 化原理 优缺点 选用 原则 备注 1 已定 平面 布置的 优化法 线性规划 设定约束 条件和使目标函数线性化处理，通过反 复迭代求解。 方法容易实现；管径连 续化处理，与实际不符 适合不很精确 的优化 可采用整数法规划，但求解困 难 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 2 非线性 规划 采用非线性化的方式建 立数学模型求解。 可同时优化管径和 埋深；限制了约束条件 适合简单约束 下优化坡度和管径 3 动态 规划法 节点 埋深法 以节点埋深为状态变量， 通过坡度决策进行全方位搜索。 可采 用标准管径；存储量大，计算慢 适合 快速，但不很精确的优化 可采用拟差 法，但应用有局限 4 管径法 以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。 存储量小， 计算快；精确性稍差 可行管径法提高 精度 5 直接 优化法 电子表格法 启发式的费 用估算方法。 允许用户寻找最小费用 设计，但受限于设计人员经验和能力 适合有经验的设计人员采用 6 两相 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 优化法 确定设计流量后，在约 束条件下，选取最经济流速和最大充满 度得到最优管径和最小坡度，最大限度 地降低管道埋深。 7 遗传算法 借鉴生物学中的 自然遗传变异机制演化的随机搜索优化 算法。 系统规模小时容易得到最优解； 系统规模大时只能得到近似最优解 一 般适合中小管网精确优化 与节点递归 算法相结合，可用于大中型污水管网 8 蚁群算法 借鉴蚁群利用信 息素传递食物信息的方法而形成的管网 寻优方法。 收敛速度比遗传算法快， 占用计算机资源小 适合中小管网快速 精确优化 9 平面 布置 优化法 改进 Dijkstra 算法 通过求解两点间最优路 径的方法，找到管网平面布置的最优方 案。 对单因素、单极值很有效；多约 束、多极值时出现多峰、盆地和平顶问 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 题 适合平面管网定线优化 引入多步寻 优算法可避免陷入局部最小的问题 2.4 市政排水管网优化设计方法 的改进及应用前景5,10 建立排水管网模型。根据国 外的经验，行业负责制定建模规范，水 务公司按照规范建模。建模使用建模 软件，在软件中建立数字化和图像化的 管网系统实体，通过分析对管网实体进 行优化管理。建模数据来源于现存数据 和勘测数据。现存数据主要是现有的数 据库、历史记录、先前模型储存的数据 等；勘测数据数据包括 CCTV 勘测、人 工现场勘测等。模型验证。通过收集 7 周的水流测定数据，包括 3 次降雨情 境和 2 次旱季情境进行模型检验。此外， 历史数据也用来检验和校准模型。对 模型现阶段的适用性作出评价，并提出 未来模型完善的方向。 利用地理信息系统(GIS)进行排 水管网设计。可以利用 GIS 进行设计的 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 12 方