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基于模糊综合评判的小区污水管网方案优选研究 摘要 小区污水管网建设方案优劣的影响因素众多，从理论和实践上看，可将这 些影响因素归纳为经济、安全、施工、维护管理等四类这些因素之间相互联 系，相互制约，共同作用于污水管网的建设。论文将影响污水管网建设方案优 劣的四类因素进一步分为七个具体指标，以便全面准确地刻画方案的属性，据 此构建了评价指标体系。 由于污水管网建设中的许多影响因素普遍存在模糊性，论文采用模糊综合 评判进行污水管网方案的优选。对于定量指标采用相对隶属度公式计算隶属度 值，对于定性指标依据工程经验采用专家打分法确定其隶属度值。依据最大隶 属度准则确定最优的污水管网建设方案，应用表明，模型具有可行性和应用性， 可为工程设计提供决策支持。 关键词：模糊综合评判；隶属度；污水管网；评价指标体系 l l i r e s e a r c ho np l o ts e w a g ep i p en e t w o r kp l a no p t i m u mb a s e do n f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n a b s t r a c t t h e r ea r em a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l o ts e w a g ep i p en e t w o r k ； f i o mt h ea s p e c to ft h e o r ya n dp r a c t i c e , t h e yg a sb ec o n c l u d e d 嬲f o u rc l a s s e s ，b e i n g e c o n o m i c 。s a f e t y , c o n s l r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e & m a n a g e m e n t t h e yg e ti nt o u c hw i t h e a c ho t h e ra n dr e s t r a i n tm u t u a l l y , a c to nt h ec o m t m c t i o no ft h ep l o ts e w a g ep i p en e t w o r k t o g e t h e r t h ed i s s e r t a t i o nc l a s s i f i e st h ef a c t o r si n t os e v e nm a t e r i a li n d e x e s ，s od e p i c t st h e p l a n s p r o p e r t i e s ，a n db m l d se v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m c o n s i d e r i n gt h a tt h e r e 撒m a n yf u z z yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h ep l a t s e w a g ep i p e n e t w o r kp l a n , t h ed i s s e r t a t i o n a p p l i e sf u z z ym u l t i - l e v e lc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nt oi t u s e sr e l a t i v eg r a d ea t t a c h m e n te x p r e s s i o n st of o r m u l a t ef o rt h eq u a n t i t a t i v e f a c t o r s ，a n du s e sd e l p h im e t h o dt od e t e r m i n ef o rt h eq u a l i t a t i v eo n e st h r o u g hp r o j e e t e x p e d a n c e s u s e sf i l z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nt od e t e r m i n et h em o s to p t i m u mb l u e p d n to f t h es e w a g ep i p en e t w o r k , a c c o r d i n gt ot h em a x i m u mg r a d ea t t a c h m e n tr u l e s ，t h e a p p l i c a t i o ns h o w st h a tt h em o d e li sf e a s i b l ea n da p p l i c a b l ef o r t h ed e c i s i o ns u p p o r to ft h e p r o j e c td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n k e yw o r d ：f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ；g r a d ea t t a c h m e n t ；s e w a g ep i p en e t w o r k e v a l u a t i o ni n d e xs y s t e m 插表清单 表2 一l 住宅最高日生活用水定额及小时变化系数 表2 2 排水管渠粗糙系数 表3 一l 最大设计充满度 表3 2 评判指标体系 表4 1 污水管网一、二级评价指标权重 续表4 - - 1 污水管一、二级评价指标权重 表5 - - 1 方案1 水力计算表 7 3 4 3 5 表5 2 方案2 水力计算表4 1 表5 3 方案3 水力计算表 表5 - - 4 管径相对于优隶属度值 4 2 4 3 续表5 4 管径相对于优隶属度值4 4 表5 5 埋深相对于优隶属度值“ 续表5 5 埋深相对于优隶属度值4 5 表5 6 二级评价指标相对于优隶属度值4 6 表5 7 各方案影响因素初级评判矩阵4 6 v l i i j 墙拼 插图清单 图1 1 论文结构图6 图3 一l 溢流井排放法示意图 图3 2 管道穿井法示意图 1 6 1 6 图4 一l 二层次模糊综合评判的过程图3 6 图5 1 桃花工业园小区污水管网平面图3 8 图5 2 桃花工业园小区污水管网示意图3 9 i x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目b 王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名： 吞茗e 签字日期：冲年，月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金世 王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 姗躲撕 签字日期：2 矿巧7 年，月f f 日 导师签名：弓i 半卵 、 签字日期冲6 月，日 黧? 脓自安黝踟瞒蝴釜登甏麓嘶7 嘶工作单位：电话：弓7 j 6 。( 7 7 通讯地址： 邮编： 致谢 首先感谢我的导师方必和副教授，在学习和完成论文期间，方老师给予我 很大的关心和帮助，从论文的选题到论文的撰写和修改无不渗透着方老师的智 慧和心血。方老师的谆谆教诲和悉心指导、渊博的知识和敏捷开阔的思维使我 在学业上受益匪浅。在此，我谨向导师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 在研究生三年的学习和生活中，我得到了众多老师和同学的关心和帮助， 在此表示感谢! 本文撰写过程中得到合肥秋实城乡规划设计研究院项怀船等各 位给排水工程师和施工单位多名工程人员大力支持，在此表示感谢l 同时也非 常感谢本文所列参考文献的作者们l 我的父母多年来一如既往的关心、理解和支持是我学习的动力，借此机会 感谢父母的养育和教诲之恩l 愿能以这篇论文送上我对大家的深深谢意l v 作者：李郑 2 0 0 7 年5 月 1 1 引文 1 1 - i 问题提出 第一章绪论 自改革开放2 0 多年以来，我国的经济飞速发展，城市化进程加快，人民的 生活水平日益提高，尤其进入2 l 世纪后，人们实际的可支配收入大幅提高，买 房已经不是一件稀罕事。 在房地产经济十分火热的背景下，全国各地的小区建设也十分的迅猛。经 过数十年的发展，小区建设的规模越来越大，功能越来越完善，设计理念也日 趋现代化。小区已经成为城镇居民主要的聚集地。生活水平的提高，人们对与 生活息息相关的污水排放问题的关注程度也日益加强。 现在新建的小区都要求雨污分流，管道建设的复杂程度较以往有较大的提 高，相应的小区污水管网建设方案选择的难度加大。主要体现在污水管网建设 方案的选择是定性与定量，确定性与不确定性同时存在的复杂决策问题。对于 可定量计算的因素，如管径、管材和埋深，基本可以找到相应的造价公式。例 如，为了能尽可能的减少污水管网工程的造价，减少埋深是一个最常用的方法。 工程设计人员基本是直接参照规范中的最小埋深进行小区污水管网设计。但是 对于定性描述的因素，我们无法进行精确的计算。由于现在小区污水管网建设 自身的特点，对于需要定性分析的因素，如安全性的高低，管理维护的方便与 否，施工的难易等等，目前还没有十分有效的计算手段。加之污水排放已从最 初的要求一一保证管网正常运行、排除污水设计流量和降低工程造价，到现在 发展为经济、安全、施工、维护管理各个方面都要做到合理安排，保证管网系 统安全经济高效的运行，所以对污水管网建设方案取舍的难度加大。尤其是埋 深这个影响因素，在一定范围内，它对经济性和安全性的作用是相对的。埋深 加大管网造价增加，经济性变差，但是同时安全性变高，可保证污水管网正常 安全运行。于是在进行多方案比较时，如何选择一个最优的方案成为设计研究 人员需要考虑的重要问题。 根据管网建设方案的选择是定性与定量，确定与不确定同时存在的系统特 性，我们决定创造性的将模糊综合评判应用到污水管网系统中，因为该方法具 有可同时对定性、定量这两者相结合的问题进行科学决策的优点，且计算结果 较为合理、全面。本文就是从理论结合实践的角度，先根据小区内房屋建筑的 布局和地形特点的实际情况设计出一套管线方案在该管线布置下选取三个方 案进行比较优选。方案1 ，以经验法设计管线，采用通用管径和坡度设计；方 案2 ，采用污水可行管径法求解经济管径和埋深；方案3 ，在方案2 基础上，在 管段局部适当调节管径和埋深，综合考虑安全和经济的关系。三个建设方案均 采用u p v c 塑料排水管，管道均采用管顶平接。整个管网依据地势向北敷设， 接入市政污水管网。 接着先进行单因素模糊评判，确定其隶属度值，然后确定经济、安全、施 工、管理四个一级评价指标和二级评价指标的权重，选取合适的小区污水管网 评价模型进行模糊综合评判，由最大隶属度原则确定最终的优选方案，为我国 小区污水管网建设多方案选择时提供一定的理论指导。 1 1 2 工程概况 本文所选工程的名称是合肥市肥西县桃花工业园小区污水管网建设。该小 区位于合肥市西部的肥西县桃花工业园内，占地面积约为5 7 4 万m 2 ，设计人 口3 5 人户，总设计人口5 0 3 7 人，其中包括设计幼儿园人数2 0 0 人，幼儿园 办公楼人数2 5 人。小区内有住宅( 六层和高层) 共2 4 幢，a 型1 9 幢，b 型5 幢，公共建筑为幼儿园一个，幼儿园办公楼一个。最高日生活给水定额选取 2 0 0 l 人d ，小时变化系数2 6 ，排水定额选取给水定额的9 0 ；幼儿园生活 给水定额选取i o o l 人d ，小时变化系数2 5 ；幼儿园办公楼2 5 人，每人每班 生活给水定额选取4 0 l 人8 小时，小时变化系数1 3 5 ；小区物业和会所各1 5 0 人，每人每班生活给水定额选取4 0 l 人8 小时，小时变化系数1 3 5 ，居住区 生活污水设计流量2 4 6 4 l s 。小区采用雨污分流排水制，污水由南向北排出最 后接入市政污水管网，接入点管底标高1 8 o o m 。地面平均坡度o 2 8 。小区地 形基本为中间高，四周低，坡向北部，在小区局部地区有陡坡和逆坡。土壤为 粘土，土壤冰冻线深度为2 0 c m 。 1 2 本文涉及内容的研究进展 1 2 1 污水管网优选研究在国内外的发展 自从人们开始采用管道将城市污水有秩序的排出城市，针对污水管网的研 究就一直没有停止过。最初的污水管网设计基本完全是由以往的工程设计使用 经验确定管网的管径和管道埋深。在这一阶段科研人员做了大量的仿真实验， 逐步确定了污水管网系统各影响因素，掌握了污水管道中污水流动的特点，即 在大多数情况下为重力流，并且可认定在流量不发生变化的直管段的管道内污 水水流为均匀流。开始进行水力学计算，确定合理的经济的管道断面尺寸、坡 度和埋深。通过实验和对工程经验的总结，确立了污水管网建设的众多影响因 素，用综合流量计算法求得最大污水量作为设计秒流量，并规定了在进行水力 学计算时的设计数据，最后制定统一了室外排水设计规范。 进入上世纪8 0 一9 0 年代，污水管网的设计在满足室外排水设计规范的同 2 时，如何降低工程造价成为广大设计工作人员经常考虑的问题。于是将动态规 划思想、图论、系统工程思想等等，应用于污水管网的优化设计，经过优化的 管网，一般可降低造价5 1 0 左右，取得了良好的经济效益和社会效益。进 入世纪交替期间，遗传算法及改进的遗传算法应用于污水管网优化也得到了迅 猛的发展。遗传算法是近几年发展起来的一种崭新的全局优化算法，它借用了 生物遗传学的观点，模拟自然界优胜劣汰的进化法则，通过自然选择、遗传、 变异等作用机制，实现各个个体的适应性的提高。将遗传算法引入污水管网的 优化，增强了污水管网设计的合理性。以管径和埋深为遗传因子对污水管网进 行优化处理，得到了较为满意的结果。以上的这些优化算法的共同特点是单一 的从经济角度考虑，以污水管网建设年折算费用作为目标函数。当求得目标函 数最小时，便认为获得管网最经济管径和埋深，以此获得最优化的污水管网建 设方案。这些方法具体的包括：城市污水管网可行管径法优化设计【1 1 ，污水管 网优化设计的流速控制法 2 1 ，城市污水管网系统设计的系统工程方法及应用 3 1 ， 基于自适应遗传算法的污水管径优化设计 4 1 ，城市污水管网递阶优化设计 5 1 等 等。 如今随着人们对生活质量要求的不断提高，要求污水管网建设不单单要解 决造价高的问题，同时还要注重安全、施工、维护管理各个方面，保证污水管 网系统在整个运行年限内保持最佳的工作状态。由于污水管网建设影响因素普 遍具有模糊性这个特点，给使用模糊数学及其应用进行污水管网优化创造了可 能。我们决定使用模糊综合评判对污水管网建设方案进行优选。 1 2 2 模糊数学及其应用在国内外的发展 概念是科学的细胞，每个概念都有它的内涵秆外延。从集合论的观点讲， 一个概念的外延就是一个集合。有些特定的场合有明确的外延，例如“人”这 个概念的外延就是世界上所有的人的组成的集合。而有些概念在某些场合不具 有明确的外延，如“年轻人”这个概念。这种外延不明确的不确定性，我们称 之为模糊性。具有模糊性外延的概念，称为模糊概念。 由于经典集合只能边线具有明确外延的概念，不能表现模糊概念，因此经 典集合论在模糊概念面前显得无能为力。于是，要定量表现模糊概念和研究具 有模糊性的对象的客观规律性，就必须将经典集合的概念进行推广为了定量 的刻画模糊概念和模糊现象，1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学计算机与控制论教 授查德( l a z a d e h ) 发表了著名的论文( f u z z ys e t s ：。文章首次提出 了模糊性问题和模糊集合的概念。其基本思想是：把经典集合中的隶属关系加 以扩充，使元素对“集合”的隶属程度由只能取0 和l 这两个值推广到可以取 单位区间 0 ，l 仲的任意一数值，从而实现了定量刻画模糊性对象。他还建立 了模糊子集的“并”、“交”、“补”的运算，并给出了模糊概念的定量表示法。 模糊数学从此以后产生了。它的形成给数学、科学、哲学提出了一系列广泛、 深刻的问题。人们认为这是数学史上继经典数学、统计数学后又一个新的理论 时期。 模糊数学既探索事物的非此即彼的明晰状态，又考察事物亦此亦彼的过渡 形态，它的诞生使得形而上学的束缚在数理领域也被清除出去，因此其适应性 比传统数学更为广泛。模糊数学是研究和处理模糊现象的数学。模糊性是客观 差异的中介过渡性所引起的划分上的一种不确定性，是概念的内涵和外延的不 分明性。概念总是在对比中形成的，概念的形成是一个划分的过程，它把差异 的一方与另一方区别开来，形成一定的范畴。划分是一种最简单、最基本的判 决过程。概念就是一种划分1 6 】。 1 9 6 7 年g o g u e n 考虑l 一模糊子集，把隶属度取值由【o ，l 】推广到一种称为 “格”( l a t t i c e ) 的代数结构的集合，并且讨论了模糊关系。1 9 6 8 年c h a n g 提 出模糊拓扑空间，1 9 7 3 年g o g u e n 又讨论l 一模糊拓扑空间。1 9 6 8 年z a d e h 讨 论了模糊时间的概率问题，1 9 6 9 年他引用了模糊语法，1 9 7 1 年他又讨论模糊系 统问题。1 9 6 9 年m a r i n o s 提出模糊逻辑分析。1 9 6 9 年c h a n g 提出在模糊环境中 进行判决的问题。 进入上世纪7 0 年代后，模糊集合的概念就渐渐被更多的人所知，这方面度 眼就迅速发展起来了。模糊数学在理论上不断完善，应用日益广泛它的应用 已涉及聚类分析、图像识别、自动控制、机械故障诊断、系统评价、数据结构、 信息检索、机器人、人工智能、逻辑等许多方面【7 1 。 我国从上世纪7 0 年代初开始，对模糊数学的理论和应用嘲，也展开了多方 面的研究，并取得了一些成果。并于1 9 8 1 年创立了模糊数学一一世界上第 二本研究模糊集合及其应用的杂志。1 9 8 3 年1 月中国模糊系统与模糊数学学会 成立。学会成立后，加强了中国同世界学术界的交流。1 9 8 4 年在美国夏威夷召 开国际模糊数学会议，我国学者的一些论文获得好评。目前，我国模糊数学理 论与应用发展迅速，应用广泛 9 - 1 7 1 。其研究水平已处于国际领先地位，如刘应明及 王国俊在模糊拓扑学方面的研究，汪培庄及王光远在模糊集论应用方面的研究，吴从 忻在模糊线性拓扑空间方面的研究，张文修在模糊测度方面的研究等等，都居于世界 领先水平。 人们认识世界从模糊发展到精确，从心中无数到心中有数，产生了经典数 学，这是一个飞跃；而今为了分析和处理模糊现象，又突破了精确数学的框架， 产生了模糊数学模糊精确模糊，这并不是学术上的倒退，而是人们 认识上的螺旋式的上升，它标志着人类认识世界的能力，又提高到了一个新的 高度。模糊数学目前正沿着理论研究和应用研究两个方向迅速发展着。理论研 究主要是经典数学概念的模糊化。由于模糊集合自身的层次结构，使得这种理 论研究更加复杂，当然也因而更具吸引力。目前已形成了模糊拓扑、模糊代数、 4 模糊分析、模糊测度及模糊计算机等模糊数学分支。应用研究主要是对模糊性 之内在规律的探讨，对模糊逻辑及模糨信息处理技术的研究模糊数学的应用 范围已遍及自然科学及社会科学的几乎所有的领域。特别是在模糊控制、模糊 识别、模糊聚类分析、系统评价、数据库、系统决策、人工智能及信息处理等 方面取得了显著的成就l n l 。 1 3 本文内容和结构 本文研究角度：研究角度定位为第三方立场或者说兼顾施工承包单位和业 主两方面利益，这样做一是便于问题的论证；二是能为工程设计单位或施工单 位提供直接帮助。 污水管网优化包含的范围甚广，下面对本文研究范围做适当界定：污水管 网是一个庞大的系统，本文将从经济、安全、施工、管理四个方面对该系统进 行详细描述。在污水管网的经济优化方面已有较多的较为成熟研究成果，此次 选择了可行管径法进行管网水力计算求得经济管径。而本文着重于根据小区污 水管网系统的特点，在求得优化的经济的管径和埋深的基础上，同时考虑安全、 施工、维护管理四个一级指标进行综合评价，求得整体最优的管网建设方案。 另外本文对模糊综合评判中的隶属度的确定做出适当的改进，在使用相对隶属 度的计算公式的基础上，结合专家打分法和采用列表法处理隶属度的数据，使 得隶属度的确定的可信度有所增加。 本文结构如图1 1 所示，各章主要内容为： 第一章，绪论：提出本文选题的目的和意义，并对研究对象和工程概况进 行介绍以及本文研究中涉及的相关内容的研究状况：国内外污水管网优化研究 的现状，模糊数学发展及其应用的研究现状等内容。 第二章，污水管网建设可行方案设计介绍三个设计方案，经验法方案， 经济优化法方案和对经济最优的改进方案。 第三章，污水管网方案综合评判体系构建。包括：小区污水管网计算的特 点分析；经济、安全、施工、管理四个一级评价指标系统分析，包括各一级评 价指标包含的因素即二级评价指标集合，并对其进行定量定性的分析，判定正 负向量。 第四章，小区污水管网建设模糊综合评判模型。确定经济、安全、施工、 管理四个一级评价指标权重以及各因素隶属度，建立模糊综合评判体系：包括 基本原理、方法和步骤，并考虑其适用性。 第五章，案例分析：评判模型在小区污水管网建设多方案优选时的应用。 先根据小区内房屋建筑的布局和地形特点的实际情况设计出一套管线方案。在 该管线布置下选取三个方案进行比较优选。方案1 ，以经验法设计管线，采用 通用管径和坡度设计；方案2 ，采用污水可行管径法求解经济管径和埋深；方 5 案3 ，在方案2 基础上，在管段局部适当调节管径和埋深，综合考虑安全和经 济的关系三个建设方案均采用u p v c 塑料排水管，管道均采用管顶平接。整 个管网依据地势向北敷设，接入市政污水管网。接着先进行单因素模糊评判， 确定其隶属度值，然后确定经济、安全、施工、管理四个一级评价指标和二级 评价指标的权重，选取合适的小区污水管网评价模型进行模糊综合评判，由最 大隶属度准则确定最终的优选方案，为我国小区污水管网建设多方案选择时提 供一定的理论指导。 第六章，全文的总结，并对污水管网优化的未来研究发展方向进行展望和 对模糊综合评判的应用理论提出一些改进意见。 第一章 问题提出、背景、工程概况； 发展概况、研究进展 l 第二章 污水管网建设可行方案设计 l 第三章 污水管网方案综合评判体系构建 l 第四章 小区污水管网建设模糊综合评判模 型 i 第五章 评判模型在小区污水管网建设多方 案优选时的应用 i 第六章 总结与展望 图i l 论文结构图 6 第二章污水管网建设可行方案设计 2 1 小区污水管网设计秒流量的确定 进行设计小区污水管网首先应确定污水管网的设计秒流量。污水管道的设 计断面是根据最大日最大时污水流量确定。根据现行室外排水规范g b 5 0 0 1 4 - - 2 0 0 6 睦9 】和建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 - - 2 0 0 3 2 0 l ，对于居住小区生 活排水系统排水定额是其相应的生活给水系统用水定额的8 5 9 5 ，应按规 范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 中3 1 9 条规定确定，详见表2 一l 住宅最高日生活用水定额 及小时变化系数。其中最为典型的是普通住宅i i ，用水定额1 3 0 3 0 0 l 人d ， 小时变化系数氲2 8 2 3 。 表2 一l 住宅最高日生活用水定额及小时变化系数 用水定额 小时变化系数 住宅类别卫生器具设置标准 ( l 人d ) 蚝 i 有大便器，洗涤盆 8 5 1 5 03 o 2 5 有大便器，洗脸盆，洗涤盆， 1 3 0 3 0 02 8 2 3 洗衣机，热水器和沐浴设备 普通住宅 有大便器，洗脸盆，洗涤盆， h i 洗衣机，集中热水供应( 或1 8 0 3 2 02 5 2 o 家用热水机组) 和沐浴设备 有大便器，洗脸盆，洗涤盆， 别墅洗衣机，洒水栓，家用热水 2 0 0 3 5 02 3 1 8 机组和沐浴设备 居住小区生活排水系统小时变化系数与其相应的生活给水系统小时变化系 数相同，应按建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 中3 1 2 条和3 1 3 条 确定。公共建筑生活排水系统排水定额和小时变化系数与公共建筑生活给水系 统用水定额和小时变化系数相同，应按建筑给水排水设计规范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 中3 1 1 0 条规定确定。居住小区生活排水的设计流量应按住宅生活排水 最大小时流量和公共建筑生活排水最大小时流量之和来确定。之所以如此规定 是考虑到建筑物排放的污水在进入水体或城市污水管网前，应进行简单的处理， 而目前一般采用的是化粪池。化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵原理去除生活 污水中悬浮有机物的最初级处理构筑物。由于化粪池的截留和暂时存储作用， 7 故接入污水管网时，设计秒流量不能采用建筑物内部排水设计秒流量，而应按 生活排水最大小时流量计算。从污水管网的首段开始逐段累加直到管网末端， 便得到最后的设计秒流量。 以下为三个可行方案设计，具体的计算结果见第五章的案例。为研究的方 便，假定三个方案管线布置相同，使用同样的管材和管道衔接方式。 2 2 经验法方案 方案1 ，以经验法设计管线，采用通用管径和通用坡度设计，管道衔接采 用管顶平接。由于小区敷设的管径选择较大，上游多为不计算管段，省去了计 算流速、充满度。以经验法设计管线，采用通用管径和坡度设计，3 0 0 r a m 管径 对应的设计坡度为3 ，4 0 0 m m 管径的设计坡度为3 。考虑管网的最小覆土 厚度、管道交叉和为管网日后发展的留有余地，一般管网的始端埋深定为2 o m ， 按管径、检查井间距和坡度依次计算各管段检查井管内底标高和管道埋深。本 文中案例从污1 号和污a 1 号检查井的初始2 0 3 m 埋深依次以管径3 0 0 m m 和坡 度3 0 向北敷设管道，在管道交汇处放大管径，到最后接入市政管网时管径达 到4 5 0 m m 。由于采用的管径较大，所以小区排水管网上游管段多为非计算管段。 该设计方案特点为计算量小，设计方便快捷，且可满足设计流量要求，为大多 数设计院设计人员普遍采用。 2 3 经济最优方案 方案2 采用经济最优化方案。目前国内外在求解污水管网经济管径方面的 研究成果已较为成熟，其中应用比较广泛的有运用动态规划思想的可行管径法， 节点递归算法，基于图论中的树形结构的理论的污水管网优化设计以及遗传算 法及改进的遗传算法等等。 本文中选择了运用动态规划思想的可行管径法【l l 作为计算经济管径和埋深 的方法。该方法较以往的以节点埋深作为状态的动态规划优化方法【2 1 】以及拟差 动态规划方法【2 2 】具有以下的优点：把管径作为决策变量，使排水管道过水能 力能够得到充分的利用；以有限的可行管径序列作为状态，所需计算机存贮 量大为减少；递推过程能权衡决策对本管段和下游各管段的总体影响，加快 了整体的收敛速度；利用污水管网的特性建立判别标准，有效减少了计算量 2 3 1 污水管道水力学计算公式 根据污水管网系统管道中污水流动的特点，即在大多数情况下为重力流， 并且可认定在流量不发生变化的直线管段的管道内污水水流为均匀流，故本文 中采用的污水管道水力学计算公式如下： 口= a r c c o s ( 1 2 h d 1 ( 2 - - 1 ) 8 么= 。2 ( 口一三s 诂2 口 ，4 = 。2 妒，4 r = d 妒，( 4 口) v = r 2 7 3 s 1 7 2 n ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) q = a v ( 2 5 ) 式中：口为管道湿周对应的半圆心角( r a d ) ；d 为管段的管径( m ) ；h 为管道 内污水水深( m ) ；彳为管道过水断面面积( m 2 ) ：为面积特征角( r a d ) ，且 = 口一s i n 2 a 2 ；r 为水力半径( m ) ：v 为流速( m - s 1 ) ；以为管材满宁粗糙系 数( 各种管渠材料的一值见表2 2 ) ；s 为水力坡度( 即水面坡度，也等于管底 坡度) ；q 为管道内污水流量( m 3 s 。1 ) 。 表2 - - 2排水管渠粗糙系数【2 3 】 管渠种类h 值管渠种类 n 值 塑料管 o 0 0 9 l 浆砌块石渠道0 0 1 7 陶土管，铸铁管0 0 1 3干砌块石渠道0 0 2 0 - - 0 0 2 5 混凝土，钢筋混凝土管，水土明渠( 包括带草皮 泥砂浆抹面渠道 0 0 l 孓m 0 1 4 o 0 2 5 o 0 3 0 的) 石棉水泥管，钢管 o 0 1 2 木槽 0 0 l 旬0 1 4 浆砌砖渠道0 0 1 5 2 3 2 已知流量和管径，确定水力坡度和充满度 为了求解满足设计规范g b 5 0 0 1 5 - - 2 0 0 3 要求的经济最小坡度，可建立如下 的管道坡度规划模型： 些1 64 1 0 m i n s = 43 胛2 q 2 d3 口3 v3( 2 6 ) 其中的约束条件为： f 0 h d o d ) 一 。4 a ( d 2 ) s 【s s 曲 式中：仿d ) 。，和分别为设计规范g b 5 0 0 1 5 - - 2 0 0 3 中规定的污水管 道的最大充满度、最小流速、最大流速和最小水力坡度。 9 在流量q 和管径d 已知的情况下，水力坡度s 将会随着充满度h d 的增大 而减小，并且根据设计规范g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 中的规定，充满度 o d ( h d ) 。 o 8 ，因此，毫法 o 。 令最大面积特征角妒。= y 勋，d ) 。】，q = d 2 。，4 帅例七。篷黼冼簏 玑 则s ：m a x 每l h d ) j s 。j ，即在b k d ) 必。j 中取较大的一个作为管道设计坡 度，至此解得所需的设计管道坡度 2 3 3 已知管段流量，确定可行管径集合 对公式( 2 - - 6 ) 进行d s d d 求导可得，当充满度0 h d s 0 5 时，d s d d 0 ； 当0 h i d o ，d ) 。时，d s i d d 0 。所以存在最大管径d l ，使得水力坡度 最小。但是d 必须满足d m a x k ，= 函瓦瓦乃j ，d 。i n 为设计规范中规定 的最小管径。 满足管段流量的最大和最小管径及其二者之间的所有的标准管径构成了该 管段的可行管径集合。当流量确定时，可行管径集合就具有确定的上下界。因 此，对应于管网中各管段的流量q ，专l ，2 ，甩，存在一组最大可行管径d 1 ( 上界) 和一组最小可行管径，( 下界) ，则介于d l 和p 町之间的全体标准 管径( b ，皿，) 7 构成了污水管网的可行管径列矩阵，与之对应的坡度和 充满度及流速矩阵则分别为： ( 墨。，岛。，。) 7 ，“厅d ) ，( h d ) 纠，( h d ) m 1 j ) 7 和( k _ ，吒，) 7 2 3 4 可行管径法优化设计数学模型的目标函数 综合考虑小区污水管网系统中的管径、埋深，以及污水设计流量和管长等 影响因素，本文确定采用的污水管网费用的数学函数如下： = ( q + 4 2 d 2 + 码日2 ) 三( 2 - - 7 ) 1 0 只= b i + b 2 q + 嚣扩矿 兄= 8 6 8 4 8 ( e q h , 蛔x z ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中：c 为管道造价( 元) ，其包括管材、检查井( 窨井) 及旅工等费用：a l ， 砚，分别为管道费用系数，该系数可借鉴类似工程的造价；d 为管道直径( m ) ： 日为管段平均埋设深度( m ) 1l 为管段长度( m ) ；只为污水泵站造价( 元) ； 6 l ，6 2 ，6 3 分别是泵站造价系数；q 为设计流量( 研3 f - 1 ) ；f 为最小污水泵站 造价( 元) ；为与f 对应的判别流量( m 3 j - 1 ) ；e 为泵站年动力费用( 元， 年) ；e 为电费( 元k w h ) ；1 7 为泵站效率；k ：为流量总变化系数；以为泵站 扬程( m ) 。 污水管网年费用折算值的目标函数可用下式1 2 4 l 来表示： w = ( 1 t + e ，) + 垂。 o r + z ，) e + e 】 ( 2 1 0 ) j = t 式中：t 为投资偿还期( 年) ；为第，管段造价( 元) ；e v ，e 分别为管道和 泵站年折旧维修系数；，为o l 变量，当。= o 时，便是无污水泵站污水管 网系统，当，= 1 时，表不污水管网中设有污水提升泵站。 将公式( 2 - - 1 0 ) 求得的污水管网年费用折算值的最小值作为可行管径法优 化设计的数学模型的目标函数，即： r a i n w = o t + e ，) + o ，【( 1 z + e ，) 只+ e 】 ( 2 一1 1 ) 卜i 以单管线上各管段某一管径构成的管径序列p = d n i ，毋：2 ，d 咖 作为状态，把 管径作为决策变量，则决策管段范围分别为k ”l k 一1 ，万l ，【l ，订】，即第l 管段为 单管线起点段，第n 管段为终点段，依次称为捍一1 ，1 阶段。第撑阶段的输入 状态为掣= 只“= d 1 ，i d 1 2 ，d l ， ，第1 阶段( 即最后阶段) 的输出状态 丑= 溉 i ，见2 ，见，j ，至此最终求得了污水管网经济最优的管径，埋深和管坡。 2 3 5 优化设计数学模型的递推函数计算过程 可设递推过程中第，阶段中的第m 步决策以哆- 1 为输入状态； 令呀1 表示用见+ l j 替换彳。1 中的第_ ，阶段的管径d 坩所处于的管线状态， 骸1 ( 七= ，+ 1 ，以) 表示用以哪来替换防中第七段管径d 雌所处于的管线状 态，则有以下表达所示的递推过程。 只。- 1 = d 1 j ，d l j - i ，d _ j ，d 矿+ l + l ，d 砖一l 。l ，d 砖j ，d 雎+ i j + l ，d 帆h ，只：、= d l ，1 ，d i 一i ，d m , jd 矿+ l “，d 砖- i j - 1 , d 止一耻，d 髓+ i i “，d m 一 + i 甜如， 当管径序列确定后，由水力学计算公式计算可得所有管段在当前状态下的 起点和终点的管底高程，如下： 毛= r a i n ( z 2 _ l ，( z 2 一i + 巩- t , i - t ( h d ) 雎1 上- l 一巩乒( 厅d ) 脯 ) ) z 2 j = m i n ( z j 一& j 丘) ，( 1 5 “一目_ 一d i ) ) h 址= z ：一z l h 2 = 磊“一z 2 以：毕 式中：z 啪z ：分别为第k 管段的起点和终点的管内底标高( m ) ；z ：，乏+ 一分别 为第k 和k - - 1 管段的起点地面高程( m ) ；风为t i , 1 , 覆土厚度( m ) ；日h 2 j ，风 分别为第七管段的起点、终点和平均管道埋深( m ) 。 由上述的计算结果可进一步求得在当前状态下的目标函数的递推函数过程 为： w ( 矽) = r a i n i w ( 尸历1 ) f 州+ l ， ( 2 1 2 ) 其中：为第，阶段的第脚步决策的输出状态；o 为1 一m 变量，选择原则为： 中。= f 。( 户疗1 ) 旷。( p ，1 ) k ；。 或a 或h 叠? 练气乙 c 2 叫3 ， i 或叫日雌h 粥。 1 2 式中：磊为管线终点水面控制高程( m ) ；蝇 = ( & u - s , j ) 丘 下面进行误差分析，证明在t 程设计上，该误差在可接受的范围内。 当彳= 弓m - i 时，由于忽略了1 1 6 k h m 。一月0 j i ，从而产生误差令礞l 。和口i 。， 咿1 从玎) 分别表示碳和可上第七l 段管径减小一级所得管线，则： 阿丁矿( 弓m t - i ) 一( 尸，m - t 1 i 。) 矿( 矿) 一矿( p r i 。) + 2 码u 。( m - i s , j a 日叫) ，互。毋 因垡堕竺：! 。o d 跣朋 ，则( 垆1 ) 一w ：、p ， - 1 舸) 4 口2 ( q 朋+ d i 洲) - 一弛瓯朋。蚤i 局厶o 灿彤m 口2 ( + & 一a d ( 呶厂蝇脾。疑 一般情况下各段管径只在 d l j ，d 3 j 上变化，且o o o o s s , 。一岛 o 0 0 1 ， o o 0 0 7 马 一岛j o 0 0 1 5 ，平均管长按l o o m 计，则厶日j 一脯0 4 0 1 m 根据工程经验，管径与下游平均埋深之比小于0 5 ，厶d = o 1 m ，故 町 ，的情况，此时宣采用较大些管径，以便尽量减小管坡，达到减小管道埋 深的目的。当由于地形或其它综合因素而招致高程极为不利的条件时，则应当 合理地确定对整个排水管网的埋深起控制作用的控制点的位置1 2 ”。 污水管两建设中的沟槽开挖费用大约占据了整个管网建设费用的一半，而 与沟槽开挖最为直接联系的就是管道埋深的大小。降低管网的埋深能有效的降 低管网造价。而对整个排水管网系统的埋深起控制作用的控制点，其起始埋深 对整个管网起到决定性作用，故排水管网的控制点通常设置子距出水口最边远 的地势低洼地区，或具有相当埋深的工厂污水排出口，或是地形逆坡处。确定 控制点的高程应当依据设计区竖向规划，保证排水管网内各处污水均能排除， 1 4 且应顾及今后的发展，并且在埋深上适当留有余地；但是也不能为了照顾个别 控制点而增加整个管网系统的埋深1 2 们。鉴于此，可视工程实际条件因地制宜地 采用一些特殊处理措旌，如加强管材强度、回填土提高地面标高等，以保证管 道的最小覆土厚度；设置泵站、加强保湿、采用地面式暗渠等提高管位，以减 小控制点管道的埋深，从而减小整个管网埋深，降低工程投资。国内某地捧水 管网工程在设计复查中。将部分排水管道埋深减少约l m ，即节省工程投资约 4 0 万元，可见埋深对工程总造价的影响非常的显著。 另外还有一些降低埋深的方法介绍如下【27 l ：设截留池法：其基本原理为 在污水排放系统中采用截留池拦截污水中容易沉淀的物质，以防止因管道坡度 减小和流速降低而引起的管道堵塞，从而适当减小排水管道最小设计流速和最 小设计坡度的取值，以达到减小排水管道埋深的目的。在具体设计时，可把普 通化粪池作为截留池，因截留池主要作用为拦截污水中的易沉淀物，不需进行 厌氧发酵净化污水，所以在容量计算时，可取污水部分的容积为正常化粪池的 1 3 ，而整个截留池的容积约为正常化粪池的1 2 。在设计污水管道时，不能减 小截留池前的管道坡度。经截留池防淤处理后的污水管道，其最小设计流速和 最小设计坡度的取值，可比规范规定的最小值减小2 0 3 0 。该方法适用于地 势平坦，且管道起点( 控制点) 离市政污水管网的接入点距离较长的住宅小区 或厂区。溢流井排放法：其基本原理为如图3 一l 所示，污水主要通过溢流井 溢流排入市政污水管网，提升泵作为辅助工具，用于排除溢流井及上游污水管 道内的积水，其流量宜按3 0 r a i n 内排尽所有积水来确定。为减少运行成本，可 在每天高峰用水前启动污水提升泵，抽干溢流井及上游管道内的积水，这样既 可避免污水在管道内长期停留，造成淤积，又使积水管段经常得冲刷，同时有 利于管道通风和管道内有害气体的排除。设计排水管道系统时，应尽量减小溢 流水位以上的排水管道的坡度，以减少积水管段的长度和排水系统内的积水量， 而溢流水位以下的排水管道的坡度不能太小，应保证管道抽空时水流对管道有 一定的冲刷强度。该方法适用于排水管道的控制点离市政排水管网的接入点较 近，采用第一种方法仍不能使小区排水管道接入市政管网且规模不大的住宅小 区或厂区，同时此方法也适用于雨水排放系统。用于雨水排放系统时，雨水均 通过溢流井溢流排放，雨水提升泵仅在每次雨后和管道需要疏通和维护管理时 开启，以排除管道内的积水。管道穿井法：其原理是排水管道在埋设时，当 遇到现状管道或雨污水管发生交叉时，采用管道穿井法，既可减小管道埋深又 不易发生堵塞。该方法的基本原理如图3 2 所示，在管道交叉处设置检查井， 让另一条管道在井内穿过，其关键是要保证井内过水面积( 图内阴