（环境工程专业论文）污水干管系统选线最优化决策方法研究.pdf

i e 庆人学硕+ 学位论文 中文摘要 摘要 本文首先论述了城市排水管网规划优化设计的研究意义和困内外研究现状， 并介绍了城市排水工程的概念及其面临的困境，说明了对排水管网规, 4 2 q 进行优化 设i 的必要性。接着从排水管网的网络特性分析入手，结合图论的原理和方法， 根据城市排水管网的特点将排水管网概化成一个符合地形倾斜趋势的有向图，行 给各条弧加上以管道建设费用函数为权函数的弧权，据此建立了我国排水规划的 决策图模型。在以上分析的基础上，提出对排水管网图模型进行优化计算的目标 函数以及约束条件，组成优化计算的联立方程组，并选择f w 算法为求解算法刑 方程组进行求解，形成排水管网规划优化设计的一整套解决方法，最后，以成都 1 订高新西区污水系统规划为例，验证了排水管网系统规划优化设计方法的有效一矬。 本文在把图论的原理和方法和城市排水管网规划的实际工作结合的工作上做 ，有益的尝试，提出的解决方法计算方便，经济效益明显，同时，用m a t l a b 计算 机语言编写了排水管刚规划优化没计的汁算机程序，使所提出的规划方法具有更 好的实用性。 关键词：排水管网规划，虽优化设计，图论 砸庆大学硕卜学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h i st e x td i s c u s s e dt h ec i t yd r a i np i p en e tp r o g r a m m i n gt h ee x c e l l e n tt u r n i n gt h e r e s e a r c hm e a n i n go f t h ed e s i g nf i r s tw i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hp r e s e n t c o n d i t i o n ，c o m b i n i n gt oi n t r o d u c et h ec i t yd r a i nt h ec o n c e p to f t h ee n g i n e e r i n ga n di t s t h ep r e d i c a m e n tt h a tf a c e ，e x p l a i n e dt op r o c e e dt h ee x c e l l e n tt u r n i n gt h en e c e s s i t yo ft h e d e s i g nt ot h ed r a i np i p en e tp r o g r a m m i n g c o m m e n c ef r o mt h en e t w o r kc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s o ft h ed r a i n p i p e n e t i m m e d i a t e l ya f t e r ，j o i nt o g e t h e r t h ep r i n c i p l eo ft h e d i a g r a mt h e o r yw i t ht h em e t h o d ，b e c o m ed r a i np i p en e t t oat h ep o w e ro fa r cf o r m a t c h i n gg e o g r a p h yi n c l i n a t i o nt r e n dh a v i n gd i r e c t i o nd i a g r a m ，a n dg i v i n ge a c ha r c p l u s i n gw i t hp i p i n gd e v e l o p m e n t se x p e n s e sf u n c t i o nf o rp o w e r f u n c t i o na l la c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ec i t yd r a i np i p en e t ，t h ed e c i s i o nd i a g r a mm o d e lt h a te s t a b l i s h e d t h ec a t c h m e n to u rc o u n t r yt h ep r o g r a m m i n go nt h e s eg r o u n d s o nt h ea b o v ea n a l y t i c f o u n d a t i o n ，p u tf o r w a r dt ot h ed r a i np i p en e tt h ed i a g r a m m o d e l p r o c e e d st h ee x c e l l e n t t u r n i n gt h ec a l c u l a t i n gt a r g e tt h ef u n c t i o na n dc o n t r o l st h et e r m ，c o n s t i t u t i n ge x c e l l e n t t u mt h es q u a r ed i s t a n c ei n 立i nc a l c u l a t i n gs e t 、a n dc h o o s et h ef wc a l c u l a t ew a yi s t ob e g st os o l v et h ec a l c u l a t ew a yt h eo t h e rp a r t yt h ed i s t a n c es e tp r o c e e dt ob e gt h e s o l u t i o n ，f o r m a t i o nd r a i np i p et h en e tp r o g r a m m i n gi s e x c e l l e n tt ot u r nat h ew h o l es e t o ft h em e t h o do fs o l u t i o no ft h ed e s i g n ，f i n a l l y ，w i t hd i r t yw a t e ri na r e ai nh i g ha n dn e w w e s ti nc i t ys y s t e mp r o g r a m m i n gf o ra l lu s e f u l n e s sf o r ，v e r i f y i n gd r a i np i p en e ts y s t e m p r o g r a m i n ge x c e l l e n t l yt u r n i n gd e s i g n i n gm e t h o d p r i n c i p l eo f t h i st e x ta td i a g r a mt h e o r yw i t hm e t h o dw i t ht h ew o r kt h a tt h ea c t u a l w o r kt h a tc i t yd r a i np i p en e tp r o g r a mj o i nt o g e t h e ra s c e n d sd i dt h eb e n e f i c i a lt r i a l ，t h e s o l u t i o nm e t h o dc a l c u l a t i o nt h a tp u t f o r w a r dc o n v e n i e n c e ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c e o b v i o u s ，a tt h es a m et i m e ，u s em a t l a b c a l c u l a t o rl a n g u a g ep l a i tw r i t ed r a i np i p en e t p r o g r a m m i n g e x c e l l e n t t u r nt h ec a l c u l a t o r p r o c e d u r e o ft h e d e s i g n ，m a k e a p r o g r a m m i n g f o r p u t t i n gf o r w a r dm e t h o d h a v et h eb e t t e rf u n c t i o n k e y w o r d s ：s e w e rs y s t e mp l a n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，g r a p ht h e o r y 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 1 1 1 排水工程概述 在人类的生活和生产中，使用大量的水，水在使用过程中受到各种物质不同 程度的污染，改变了水原来的物理性质和化学特性，这些受到污染的水成为污水 或废水。在城镇，从住宅、各种公共建筑和工厂中每时每刻都在不断排出大量污 水和废水。 污水含有大量的有机物质、病原微生物，甚至含有氰化物、铬、汞、铅等有 毒物质，如不加以控制，任意直接排入水体或土壤，会造成以下几个方面的危害： ( 1 ) 破坏人类的饮水水源，使得人类为获得合格的饮水付出高昂的代价；( 2 ) 污 水中的有机物质会消耗水体和土壤中的溶解氧，使正常的有氧环境转化成反常的 无氧环境，从而影响正常环境中的生物的生长和繁殖，甚至破坏整个区域的生态 平衡；( 3 ) 传播病原微生物、铬、铅、汞等有害和有毒物质，危害水生动植物、 农业，同时直接或间接的危害人类健康和牲畜的成长：( 4 ) 使水体不能满足某些 甚至多种工业生产对水质的要求，降低水资源的使用价值( 5 ) 造成水体富营养化， 甚至引起水体的退化，加剧人类的水资源短缺问题。因此，人类的生产、生活活 动中，应当有组织的处理和排除上述污水，否则污水会污染环境和破坏环境，甚 至引起公害，影响生产和生活，威胁人民的健康。 城市排水系统工程的基本任务是收集城市产生的生活污水、工业废水和降水， 将其输送到污水处理厂，妥善处理后再排入水体或再利用。系统的排除污水的一 整套工程设施称为排水系统。排水系统由排水管道系统和污水处理系统组成。 排水工程在我国国民经济活动和人民的f _ 1 常生活中有着重要的作用。 从环境保护方面讲，排水工程有保护和改善环境，消除污水危害的作用。而 消除污染，保护环境，是进行经济建设必不可少的条件，是保障人民健康和造福 二子孙后代的大事。随着现代工业的迅速发展和城市人【_ _ ：】的高度集中，污水量日益 增加，成份也日益复杂。在世界各地，因污水引起的环境污染问题时有发生，6 0 年代以来，曾发生过多起轰动i 鼓界的公害事件，例如“水俣病”、“骨痛病”等等。引 起了舆论界的关注和广大群众的强烈反对，迫使。些国家组织和成立相应的环境 保护机构，柬研究和解决这一问题。目前，我国有些地方环境污染也十分严重， 随着现代化建设的发展，必将更加突出起来。因此，必须随时注意解决发展过程 中造成的环境污染问题，在现代化建设中，应充分考虑人类的牛产、q i 活对环境 的冲击和影响，注意研究和解决好污水的治理问题，以确保环境1 i 受污染，这是 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 排水工作者的重要任务。 从卫生上讲，排水工程的兴建对保障人民的健康具有深远的意义。通常，污 水污染对人类的危害有两种形式：一种是污染后，水中含有至病微生物引起疾病 的蔓延。例如霍乱病，在历史上曾夺去千万人的生命，而现在虽然已经基本绝迹， 但如果排水工程设施不完善，水质受到污染，就会有传染的危险，1 9 7 0 年前苏联 的伏尔加河河口总镇阿斯特拉罕爆发的霍乱大流行，其主要原因就是伏尔加河水 质受到污染引起的。另一种是被污染的水中含有有毒物质，从而引起人们急性或 慢性中毒，甚至引起癌症或其他各种公害病。某些引起慢性中毒的毒物对人类的 危害甚大，因为他们常常通过食物链而在人体内富集，开始只是在人体内形成潜 在的危害，不易发现。一旦爆发，不仅危害下一代，而且影响子孙后代。兴建完 善的排水工程，将污水进行妥善处理，对于预防和控制各种传染病、癌症或“公害 病”，保护环境有着重要的作用。 从经济上讲，排水工程也具有重要意义。首先，水是非常宝贵的自然资源， 它在国民经济各部门中都是不可缺少的。由于我国水资源分布不均，水资源匮乏 和水资源日益受到严重污染，水资源利用难度大，致使我国许多城市缺水，在全 国6 0 0 多座城市中，有3 0 0 多座城市缺水，1 0 8 座城市严重缺水，日均缺水2 0 0 亿 吨。联合国已把中国列为1 3 个最缺水的国家之一。与此同时，有限的水资源还不 断受到水质恶化及水生态系统被破坏的严重威胁，我国因随意排放未经处理的城 市污水而污染的水资源量达2 3 0 0 3 0 0 0 亿吨，占我国水资源总量的8 5 1 1 1 ，已有l 3 的河段，9 0 的城市水域受到污染， 5 1 这更加剧了水资源的紧张状况， 形成水资源匮乏与污染恶性循环，迫使部分城市投入巨资建设水源工程，如上海 黄浦江上游水源工程、天津引滦济津工程、青岛引黄济青工程等等。水资源分布 不均，水资源短缺和水资源污染已成为制约我国社会经济发展的重要因素。排水 工程正是保护水体，防治公共水体水质污染，以充分发挥其经济效益的基本手段 之。同时，排水工程中有助于城市污水资源化，收集的污水经过处理厂处理后， 可重复利用于城市或工业，这是节约用水和解决水资源短缺的一种重要途径。不 青而喻，这必将产生巨大的经济效益。人们已逐渐认识到：所有缺水城市和工矿 企业，给水在次性使用后，不应该直接排放而需收集起来加以再生利用。要充 分运j j 水资源可回收利用这种独特性质，为国民经济的可持续发展服务。 其次，污水的妥善处置，以及雨雪水的及时排除，是保证工农业生产1 f 常运 行和城镇居民下常生活的必要条件之一。在世界各地，由于工业废水未经妥善处 理，造成周围环境或水域的污染，使农作物大幅度减产甚至梢死和- ： 厂被迫停产 甚至倒闭的事例曾发生过很多，给国民经济造成很人的损失；同时，污水能否妥 善处理，对工业生产新工艺的发展也有重要的影响，例如原子能工业，只有在含 重庆大学硕士学位论文1 绪论 放射性物质的废水处理技术达到一定的生产水平后，才能大规模地投入生产，充 分发挥它的经济效用。 此外，污水处理本身也能产生很大的经济效益，例如科学地利用污水灌溉农 田，能改良土壤，提高土地肥力，有助于提高作物产量，节约用水，促进农业生 产；工业废水中有价值原料的回收，不仅消除了污染，而且为国家创造了财富， 降低了产品的成本；将含有机物的污泥发酵，不仅能更好的利用污泥作肥料，而 且可得到有机化工的基本原料甲烷，进而可制造各类化工产品等等。如果说十几 年前人们还认为城市污水是肮脏的只能排放不能使用的话，那么如今通过科技攻 关示范以及专家倡导，己形成了这样的共识：污水也是一种资源，也是可供工业 利用的原料。 总之，在新世纪，排水工程作为国民经济的一个重要组成部分，对保护环境， 促进工农业生产和保障人民的健康，具有巨大的和深远的影响。 排水管网工程是整个城市排水系统工程中，工程量最大，投资最多的部分， 约占排水工程总投资的6 0 8 0 i ”。而且排水管网延伸到人们生产和生活的各 个角落，是与我们的生活、生产，与城市建设其它工程关系最为密切的工程。因 此，排水管网工程是整个城市排水系统工程中i ，分重要的部分。排水管网工程的 设计任务是：规划、设计整个收集和输送各种污水的、发施及构筑物。设计必须根 据城市建设规划，如竖向规划、建筑功能分区、道路系统等；，自然条件如地形、 水文地质、河湖分布等；环境保护要求；城建投资情况等：进行综合研究，取得 最佳的经济、环境和社会效益。 1 1 2 目前面临的问题 由于历史上的原因，我国的排水管网建设的欠帐较多，全国各大中城市的排 水管网茸点较多并且日益老化，急待完善和更新，而大部分小城镇的城市污水大 多采取就近直接排入自然水体的方式排除，排水管网的建设情况显得卜分严峻， 据统计，目前我国的排水管网普及率，按服务面积计为6 4 8 左右，排水管道总 长度1 1 万k m 多，人均占有排水管道长度o 5 5 m ，而伦敦、巴黎、莫斯科等普及 率为1 0 0 ，东京为9 7 ，人均占有排水管道长度为4 m ，【”】与他们相比，我国在 排水管网建设上的差口e - z b 常大。而随着近十年来我国经济的飞速增长，我幽的城 市化也进入迅速发展的阶段，本来就数量巨大的人口迅速向城市集中，城市人口 迅速增加，同时城市中的r 矿企业如雨后春笋般的涌现，工业用水量也迅速增加， 使得城市的用水量和污水排放量急速增长，现有的城市排水管网f i 益不堪重负， 全国符地的排水管网的建设需求越来越大，必须尽快投资新建和改造城市排水管 网系统。 与飞速发展的经济形势和不断增加的污水排放量相比，我幽的城r f - h i j 水管刚 重庆人学硕士学位论文1 绪论 的建设却陷入尴尬的境地。一方面，由于传统计划经济体制的限制，城市基础设 施的建设资金主要来自国家拨款和地方财政，限于政府财力的制约，不可能满足 各方面对投资的需求，城市基础设施的建设面临着投资渠道狭窄、建设资金严重 不足的困境。另方面，由于对这些宝贵的有限投资资金的取向、分配、规模及 管理等方面在很大程度上还缺乏系统性、科学性、合理性，有些投资项目的效果 难尽人意。因此，结合我国城市排水系统问题现状和具体特点，研究用最少的资 金投入，寻找最优的城市排水管网建设方案，以期取得最大的经济效益和社会效 益就显得格外重要。 1 1 3 研究城市排水管网规划优化问题的意义 城市排水管网服务能力的不足，已严重影响了城市入居环境的质量，阻碍了 城市作为一个经济体的发展，成为制约城市自身价值提高的瓶颈。为了克服这一 瓶颈现象，就需要加快城市排水系统的建设工作，为此必须增加对城市排水基础 设施建设的投资力度，因为城市排水基础设施发展资金的多少是影响城市排水系 统服务能力增长的诸多因素中最重要的一个。但是目前在我国，不论是特大型城 市还是广大的中小型城市，资金不足问题都是城市排水系统建设的最大障碍。有 关研究指出，在城市排水基础设施发展资余方面存在的主要问题有三点：其一是 建设资金缺口太大，但又缺乏定量的表示：其：_ _ _ ：是社会资金的流向的政策性合理 引导尚无量化依据，有待深入探讨；其三是依靠市场力量引导资金流向来改善城 市排水基础设施建设状况的具体运作方式还有待探索、试验，而且资金来源渠道 和筹集方法需要进一步拓展。 由于城市总体发展需要城市基础设施所含各项内容通盘规划、同步协调，给 水、排水、供电、交通、燃气等各项建设之间应保持合理的发展比例，因此任何 地区和城市都不可能长期将城市建设资金过多的集中于排水系统的建设。 为了解决城市排水基础设施建设资金短缺的问题为了克服城市排水系统服 务能力扩展的瓶颈障碍，必须采取积极有效的措施。一方匿要广开思路，制定相 关政策，面向社会、而向市场寻求发展契机，积极利用国家宏观调控和市场资源 配置两种力量，吸引多方面的资金流入，从而达到增加城市排水基础设施建设所 需资金数量，推动城市排水系统服务能力合理增长的目的；另方面，需要合理 分配、用好、管好这些有限的资金，在资金投入决策之前，一定要全面比较各种 投资建设方案，要注意考察定的建没资金是否产生了最大的服务能力，是否最 大程度的减少了环境污染，是否最大限度的满足了人民的q 三产和生活需要，即力 争使其发挥最佳的投资效益，使有限的资金投入产生最大的经济效益，取得最佳 的社会效益、环境效益。 因此，如何从城市总体规划布局出发，提出适当的、科学的、系统的、最佳 重庆人学硕士学位论文1 绪论 的排水系统建设方案，并希望通过这些合理的建设投资方案进一步促进城市人居 环境的改善，有利于城市各项经济活动的发展，达到排水系统建设与有限资金的 和谐统一。这是一个关系到城市长期、持续、快速、稳定而又协调发展的大问题。 城市排水管网规划优化问题研究的主要就是通过优化计算方法寻找最优的用于排 水管网新建或改造的建设投资方案，即研究如何能用最少的资金投入达到使整个 排水管网系统中某种指标最优的目的，这些指标可以是使整个排水管网的工程建 设投资最小，也可以是使整个排水管网所能服务的区域最大等等，从而为市政建 设决策部门和有关人员提供科学、系统、合理、有效的决策方案和决策数据，使 政府的有限资金投入能取得最佳的投资效益。 综上所述，可以得出研究城市排水管网规划优化问题的重要性有以下几点： ( 1 ) 从解决目前我国城市普遍存在的城市污水无序排放的角度来说，研究城市 排水管网规划优化问题是最迫切的而且是最行之有效的，从系统工程观点出发的，是 达到缓解飞速增长的污水量和捉襟见肘的排水系统建设之间矛盾的有效方法。 ( 2 ) 从城市排水管网规划的角度来说，研究城市排水管网规划优化问题可以得 出最优的城市排水管网建设投资方案，供市政规划部门和投资决策、研究人员比较、 参考，而这一一步是决定整个城市排水管网系统建设过程是否成功的相当关键的一步。 ( 3 ) 从我国的经济基础薄弱而导致的城市基础设旌建设投资的有限性来说，研 究城市排水管网规划优化问题可以使政府有限的资金投入能取得最佳的投资效益。 因此，研究城市排水管网规划优化问题不仅在理论上有着重要的价值，而且 能够用于解决实际的管网规划问题，在实际应用中有着广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 排水管网规划的优化设计般涉及三个方面的内容：( 1 ) 一个城市的最佳排 水分区数量和集水范围的确定；( 2 ) 最佳管线布置形式的确定：( 3 ) 管线布置形 式给定情况下，不同管径、坡度组合的优化。 在过去相当长的一段时间罩，对排水管网优化设计进行的研究多集中于管线 已定条件下，管径、坡度、埋深等设计参数的优化，成果比较丰富，如哈尔滨工 业大学彭永臻等于1 9 8 9 年研究出的排水管网的两相优化设计方法，并据此设计了 排水管刚设计参数的p s g l 8 计算程序i 7 i 。在实际应用中取得了很好的激果。但在 排水分区和最佳管线布置形式的确定上，却少有研究成果的报道见诸公开发表的 刊物。 近年来，对排水管嘲布线布置形式的研究j 应用h 益增多，张景国( 1 9 9 6 年) 将排水管网优化设计课题分解为管道优化设计和管道系统流量分配寻优两个子课 题，分别采_ _ j 拟差动态舰划法和简约梯度法求解 2 6 1 ；陈森发( 1 9 9 7 年) 讨论了单 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 汇出点排水管网的最优结构，从理论上证明了单汇出点排水管网的最优结构应为 枝状网，并提出了获得优化树的修正逐步生成法【”。但从现有的解决方法来看， 主要存在的问题尚有：( 1 ) 对于权函数的确定，各方有各方的确定方法，还没有 形成统一的意见；( 2 ) 已有的解决方案所采用的计算方法都存在运算速度慢，不 能保证全局最优解的问题，尚待改进。 1 3 本文的研究内容、研究方法 1 3 1 本文研究的目的 目前在排水管网规划工作中，管网的选线在很大程度上还主要依靠规划设计 人员的经验决定，这使选线的决策具有很大的主观随意性，缺乏理论根据，往往 使设计偏于保守，造成管网不必要的设置，增加了工程的建设量，从经济角度讲 是不合理的。由于管网建设投资巨大，对管网定线进行最优化决策就显得尤为必 要。本选题试图就管网选线的最优化决策的方法展开研究，并设计一种具有实用 价值的选线决策方法。若研究成功，可以为城市建设的规划工作提供一种可参考 的决策工具，有助于提高规划工作的科学性和效率。 1 3 2 本文研究的主要内容 本文主要利用图论的原理和方法研究了城市排水管网规划优化设计的问题， 在对城市排水管网的网络特性进行分析的基础上，根据图论的原理建立了城市排 水管网规划的决策图模型，并通过最优化计算方法对图模型进行优化计算，从而 得出城市排水管网规划的最优方案，以此提出城市排水管网规划的优化设计方法， 并通过对成都市高新西区的排水规划的实例进行计算，验证了本文提出的优化设 计方法的有效性。 本文的内容安排如下： 第一章：概述了城市排水工程的作用及其重要性，指出排水管网建设目莳j l 面临的困境，并阐述了对城市排水系统规划进行优化设计的必要性。 第二章：回顾了传统的排水管网的规划布置方法，分析了不同排水体制的优 缺点并提出选择排水体制的原则。 第三章：在对本文所涉及的图论基本概念进行介绍的基础上，分析了城市排 水管网的网络特性，并建立了排水管网的抽象图模型。 第四章：对建立的排水管网的图模型进行分析，给出最优化计算的目标函数 和约束条件，从而将图模型的优化计算转化为对一系列方程的求解，提出了对方 程求解的f w 算法，并设计了计算程序。 第1 f t 章：对成都市高新西区的排水管网的规划进行优化设计，验证了本文提 出的优化设计方法的有效性，充分证明本文的结论。 重庆人学硕十学位论文2 传统的布线方式 2 传统的布线方式 2 1 污水的来源 城市排水按照来源和性质可分为三类：生活污水、工业废水和降水。通常所 言的城市污水是指排入城市排水管道的生活污水和工业废水的总和。 生活污水 指人们在同常生活中所使用过的水，主要包括从住宅、机关、学校、商店及 其它公共建筑和工厂的生活间，如厕所、浴室、厨房、洗衣间、盥沈室等排出的 水。生活污水中含有较多的有机物和病原微生物等，需经过处理后才能排入水体、 灌溉农田或再利用。 工业废水 工业生产过程中所产生或使用过的水，来自车间或矿场。其水质随着工业性 质、生产过程以及生产的管理水平的不同而有很大的差异。根据污染程度的不同， 又分为生产废水和生产污水。 生产废水是在使用过程中，受到轻度污染的水，如机器冷却水，通常经过某 些简单处理后即可在生产中重复使用或直接排入水体。 生产污水是在使用过程中，受到较严重污染的水，需经过处理后方可再利用 或排放。这类水多半具有较大危害性。不同工业废水所含污染物质也不同。其中 不少工业废水含有的物质是工业原料，具有回收利用价值。 降水 指在地面上径流的雨水和冰雪融化水。其中含有淋洗大气和冲洗建筑物、地 面、废渣、垃圾等所挟带的各种污集物。般的说降水比较清洁，但初期雨水通 常比较脏，含有较多污染物。雨水时问集中，径流量大，特别是暴雨时会造成灾 害，需及时排除。另外冲洗街道水、绿化浇洒水、消防用后水，因其性质与雨水 相似，也并入降水。通常不需处理，可直接就近排入水体。 2 2 排水制度 对生活污水、工业废水和降水采用的4 i 同排除力式所形成的排水系统，称为 排水体制，又称排水制度。可分为合流制和分流制两类。 2 _ 2 1 合流制排水系统 将生活污水、t 业废水和降水水混合在一个管槊内排除的系统。 2 2 1 1 直排式合流制 管网系统的钿置就近坡柚水体，分若1 个排水口，混合的污水刁i 经处理和利 重庆大学硕士学位论文2 传统的布线方式 用直接就近排入水体。这种排水系统对水体污染严重，但管渠造价低，不设污水 处理厂，所以工程投资低。这种体制在城市建设早期多使用，不少老城区都采用 这种方式。但随着城市的发展，污水排放量逐渐增大，对污水不加处理的排放会 造成严重的污染，目前一般已不再采用( 图2 1 ，a ) 。 2 2 1 2 截流式合流制 在早期真排式合流制排水系统的基础上，临河岸边建造一条截流干管，同时， 在截流干管处设置截留井，并设污水厂。晴天和初雨时，所有污水都排送至污水 厂，经处理后排入水体。当雨量增加，混合污水的流量超过截留干管的输水能力 后，将部分混合污水经溢流井溢出直接排入水体。这种排水系统比直排式有了较 大改进。但在雨天，仍有部分混合污水不经处理直接排入水体，对水体污染较严 重。为了进步改善和解决污水厂晴、雨天水量变化较大引起的管理问题，可在 溢流并后设储水库，待雨停之后，把积蓄的混合污水送污水厂进行处理，但这样 的投资很大。截流式合流制多用于老城改建。( 图2 1 ，b ) ：多庐 # 2 ：= = 二= 多；2 2 b 截流式合流制捧水系统 a 直捧式合流制捧水系统 1 一台流干管；2 一溢流井；3 - - 截流主干管 1 一合流支管：2 一合流干管；3 一河流 4 一污承厂：s 一污水口；6 一溢流干管；7 河流 图2 1 合流制排水系统 f i g 2 1c o m b i n e dd r a i n a g es y s t e m 2 2 2 分流制排水系统 将生活污水、工业废水和雨水分别在两个和两个以上各自独立的管渠内排除 的系统。 2 2 2 1 完全分流制 分设污水和雨水两个管渠系统，前者汇集生活污水，、工业废水，送至处理厂 经处理后排放和利用；后者汇集雨水和部分较洁净的工业废水，就近排入水体。 该体制卫生条件较好，但仍有初期雨水污染问题，其投资较大。新建城市和重要 重庆人学硕士学位论文2 传统的布线方式 工矿企业，一般采用该形式。工厂的排水系统。一般采用完全分流制，甚至要清 浊分流、分质分流。有时需集中系统来分别排除不同种类的工业( 图2 2 ，a ) 。 2 2 2 2 不完全分流制 只有污水管道系统而没有完整的雨水管渠排水系统。污水经由污水管道系统 流至污水厂，经过处理利用后，排入水体；雨水通过地面漫流进入不成系统的明 沟和小河，然后进入较大的水体。该种体制投资省，主要用于有适合的地形，有 比较健全的明渠水系的地方，以便顺利排泄雨水。对于新建城市或发展中地区， 为了节省投资，常先采用明渠排雨水，待有条件后，再改建雨水暗管系统，变成 完全分流制系统。对于地势平坦，多雨易形成积水地区，不宣采用不完全分流制 ( 图2 2 ，b ) 。 a 完全分流制排水系统 一污水干管；2 一污木主干管；3 一污水厂 4 一出永【1 ：5 一雨水干管：6 一河流 b 不完全分流制排水系统 污水干管：2 污水主干管 3 一污承厂 4 出水口：5 一碉鬻或小枷；6 一河流 图2 2 分流制排水系统 f i g 2 2s e p a r a t i o nd r a i n a g es y s t e m 2 2 3 排水制度的选择 合理的选择排水系统的体制，是排水系统规划和设计的重要问题，它不仅从 根本上影响到排水系统的总投资、初期投资及维护管理费用，而且更重要的是对 城市和工业企业的规划、对环境保护有着深远的影响。因此，在选择排水系统的 体制时，应尽可能在满足环境保护要求的前提下，根据当地的具体情况，通过技 术经济比较决定。李树平曾在2 0 0 2 年中国市政工程上发表文章 7 3 ，对完全 分流制和截留式合流制排水系统的优缺点进行了比较，并列出比较表，如下： 重庆人学硕士学位论文2 传统的布线方式 表2 1 优缺点比较表 完全分流制排水系统截留式合流制排水系统 不存在溢流井，减少了对受纳水体的污较低的管线造价； 染；占据空间较小： 污水处理设施厂规模较小：建筑外捧管简单； 雨水泵站只在需要时启动；雨天时，污水固体沉积物可被冲刷； 污水和雨水管道铺设路线和位置、埋深可部分雨水被处理： 优点不相同( 例如雨水就近排入水体) ； 污水流量小，且较小流量也能保持较高的 流速； 污水流量和强度变化小； 污水管道中一般物道路沙砾； 洪水仅在雨水管道中产生： 需建设两种类型的管道，造价高；必要的溢流井决定了截留干管的尺寸 在已建成的狭窄街道内铺设，占据额外空和污水处理厂的规模； 间；可能会使水体污染严重； 房屋外接管道多，易出现管道混接：需要较大的污水处理厂； 污水管道内的沉积物得不到冲刷；泵站平时也在运行，运行费用较高： 雨水得不到处理；管线必须同时考虑雨水和污水的接入， 缺点可能有较长的支管接入： 旱季时，合流管道内的流量较小，流速 较慢，易产生固体的沉积； 雨天和晴天时，进入泵站和污水厂的流 量、强度变化大，必要时需清通沙砾： 易产生洪流，溢流井的溢流含污水成 分，带来水体污染； 本文通过三个方面进一步分析比较各种体制的优缺点。 从环境保护的角度看：完全分流制排水系统最好。完全分流制排水系统实现 了雨、污水完全分流，分开处理，卫生情况较好，基本上满足当前我国环境保护 的要求，但对于地面污染严重的地区，由于初期雨水较脏且得不到处理，直接会 排入水体；而截流式合流制排水系统在雨天，仍然有相当部分的混合污水未经处 理直接排入水体，使水体遭受较大的污染，随着经济建设的发展，河流的污染日 益严重，这种污染甚至会达到不可忍受的程度。 从工程造价方面看：合流制排水系统由于只敷设一套管道系统，故管道投资 比分流制要低，据统计可以节省造价2 0 4 0 。虽然其污水处理厂的造价比分 流制的要大，但管道部分的造价一般占排水工程总造价的7 0 左右，所以从排水 工程的总造价来说，合流制排水系统比分流制排水系统要低得多，这是合流制的 重庆大学硕士学位论文 2 传统的布线方式 主要优点：对于发展中地区，如首先采用不完全分流制排水系统。则可大大减少 工程初期的投资，待有条件后，再进一步建设雨水排水系统，变不完全分流制排 水系统为完全分流制排水系统。当然，采用这一建设方案一定要慎重，要结合城 市规划和道路建设情况，如果该城市道路一期规划即采用高级路面，就不便采用 上述方案。但合流制的截流管、提升泵站和污水厂的容量都要比分流制的增多； 合流制管道的埋深，也必须因同时排除工业废水和生活污水而要求比雨水管道的 埋深加大，这样就增加了部分施工费用。 从运行管理方面来看：分流制排水系统的管道部分由于管道中污水流量比较 稳定，管中一般不至发生沉淀，管理简单；其污水处理厂，因晴天和雨天入流的 污水水质水量变化较小，管理也较简单。合流制排水系统的管道在晴天，水力情 况不佳，容易沉淀阻堵，虽然在雨季暴雨在管中产生冲击力极强的水流，可将 管中原有的部分沉积物冲走，但根据一些城市排水管网管理的经验，合流制排水 系统的管道比分流制排水系统的管道更容易沉淀阻堵，故其管理较分流制管网复 杂。其污水厂进水的水量和水质在晴天和雨天变化较大，使污水厂运行管理复杂 处理效果容易发生波动。 总的来看：分流制排水系统比合流制排水系统灵活，比较容易适合社会发展 的需要，一般又能满足城市环境保护的要求，是城镇排水体制发展的方向，新建 的排水系统一般应采用分流制排水系统：但在附近有较大的水体。发展又受到限 制的小城镇，或在雨水稀少，在经济上可以承受全部处理污水的地区，采用合流 制排水系统，有时也是合理、可行的。而大城市因素复杂，可根据具体情况，部 分地区用分流制排水系统，部分采用合流制排水系统。 2 3 平面布置形式 2 3 1 影响因素 2 3 1 1 城市规划 一般城市的规划范围就是排水管网系统的服务范围；规划入口数影响污水管 网的设计标准；城市的铺砌程度影响雨水径流量的大小；规划的道路是管网定线 的可能路径。所以城市规划是城市排水管网系统平面布置最重要的依据，排水管 网规划必须与城市总体规划一致，并作为城市总体规划的一个重要组成部分。 2 3 1 2 地形 在一定条件下，地形是影响管道定线的主要因素。定线时应充分利用地形， 使管道的走向符合地形趋势，一般宜顺坡排水。在整个排水区域较低的地方，例 如集水线或河岸低处敷设主干管及干管 可能与地面坡度一致。在地形平坦地区 这样便于支管接入，而横支管的坡度尽 应避免小流量的横支管长距离平行等高 重庆大学硕士学位论文2 传统的布线方式 线敷设，注意让其尽早接入干管。要注意干管与等高线垂直，主干管与等高线平 行。由于主干管的管径较大，保持最小流速所需坡度小，因此与等高线平行较合 理。当地形向河道的坡度较大时，主干管与等高线垂直，干管与等高线平行。这 种布置虽然主干管的坡度较大，但设置跌水井的总数量减少，而使干管的水力条 件得到改善。有时，由于地形的原因还可以按不同的排水流域布置成几个独立的 排水系统。 2 3 1 3 污水处理厂及出水口位置 污水处理厂与出水口的位置决定了排水管网总的走向，所有管线都应向出水 口方向铺设并组成枝状管网。有一个出水口或一个污水处理厂就有一个独立的排 水管网系统。 2 3 1 4 水文地质条件 排水管网应尽量铺设在水文地质条件较好的街道下面，最好埋设在地下水位 以上。如果不能保证在地下水位以上铺管时，在施工时应注意地下水的影响和向 管内渗水的问题。 2 3 1 5 道路宽度 管道定线还需要考虑街道宽度和交通情况。排水干管一般不宜敷设在交通繁 忙而狭窄的街道下。若街道宽度超过4 0 m 时，为了减少连接支管的数目和减少其 他地下管线的交叉，可以考虑设置两条平行的排水管道。 2 3 1 6 地下管线及构筑物的位置 在现代化城市和工厂的街道下，有各种地下设施：各种管道给水管、污 水管、雨水管、煤气管、供热管等；各种电线电缆电话电缆、民用电缆、动 力电缆、有线电视电缆、电车电缆等；各种隧道人行横道、地下铁道、防空 隧道、工业隧道等。设计排水管道在街道横断面上的位置( 平面位置和垂直位置) 时，应与各种地下设旌的位置联系起来综合考虑，并符合室外排水设计规范的有 关规定要求。 由于排水管道是重力流，管道( 尤其是于管) 的埋设深度较其他种类的管道 大，并且有很多连接支管。如果位置安排不当造成与其他管道交叉，就会增加排 管上的困难，所以在管道综合时，通常是首先考虑排水管道在平面和垂直方向上 的位置。 2 3 2 定线原则 在总体规划图上确定排水管网的位置和走向，称为排水管网系统的定线。正 确的定线是合理、经济的设计排水管网的先决条件，是排水管网系统设计的重要 环节。管网定线一般按主干管、干管、支管的顺序依次进行。定线应遵循的主要 原则是：尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的雨、污水能自 重庆大学硕士学位论文 2 传统的布线方式 流排出。为了实现这一原则，在定线时通常考虑必须很好地研究各种条件，因地 制宜地利用其有利因素而避免不利因素。定线时通常考虑地几个因素是：地形和 竖向规划、排水制度和线路数目、污水厂和出水1 2 1 位置、水文地质条件、道路宽 度、地下管线及构筑物的位置、工业企业和产生大量污水的建筑物的分布情况等。 2 3 _ 3 平面布置形式 2 3 3 1 排水系统干管的布置形式( 以地形为主要考虑因素) ： ( 1 1 正交式布置 各排水流域的干管以最短的距离沿与水体垂直相交的方向布置，如图2 3 a 。 这种布置的干管长度短，管径小，排水迅速，投资最省。它适用于地势向水体适 当倾斜地区的雨水排水系统。 ( 2 ) 截流式布置 其干管的布置形式如正交式，主干管沿河岸敷设。如图2 3 ，b 。这种布置形式 具有正交式布置同样的优点，它适用于地势向水体适当倾斜地区的污水排水系统 和截流式合流制排水系统。 ( 3 ) 平行式布置 其干管沿与等高线平行方向敷设，主干管与等高线或与河道成一定的倾斜敷 设，如图2 3 ，c ，它适用于地势向水体有较大倾斜地区的排水系统。这种布置可避 免干管坡度或流速过大，使管渠受到严重冲刷或需设置过多的跌水井。 ( 4 1 分区式布置 在排水区域内按地势不同分为高地区、低地区两排水区域。高地区污水靠重 力流直接流入污水处理厂，而低地区的污水用水泵抽送到高区干管或污水厂，如 图2 3 ，d ，它适用于排水区的地势高低相差很大，低区污水不能靠重力流流至污水 厂时。 ( 5 ) 分散式布置 在排水区域内划分若干个排水流域，各排水流域具有各自的排水系统，如图 2 3 ，e 。这种布置的干管具有长度短，管径小、管道埋深浅等优点，但污水厂数量 多。它适用于排水区域内地形复杂，形成天然分区或地势平坦面积大的城市，如 上二海等城市。 ( 6 1 区域集中式 将两个或两个以上城镇地区的污水排水系统连接合并，将污水输送到一个大 型污水处理厂集中处理，如图2 3 ，f 。这种布置，可大大降低污水厂的基建和运行 费用，节约用地，而且便于区域排水管理和提高处理效果，减少对环境的污染， 对水资源的综合利用有利。但整个工程规模大，排水管道长，初期投资大，工程 建设期长：施工、运行管理难度火。所以采用时必须慎重，应根据涉及的所有城 重庆大学硕士学位论文2 传统的布线方式 市的城市规划、环境要求、自然条件、污水情况、建设投资等方面综合考虑，合 理确定排水系统布局，分期建设，还应运用系统工程理论和方法，应用现代计算 机技术，对整个区域的具体情况进行计算分析，建立数学模型，求得最优方案。 婴鸳璺， d 分区式e 分散式 1 一城市边界：2 一排水流域分界线：3 一干管：4 一主干管；5 一污水厂 埔击 f 区域集中式 6 一污水泵站；7 一 水口 图2 3 排水系统干管的布置形式 f i g 2 3t h em a i np i p el a y - o u t m o d eo f d r a i n a g es y s t e m 2 3 3 2 排水系统支管的布置形式 。 排水支管的布置取决于地形及建筑特征，并应便于用户接管排水。一般有3 种形式： ( 1 ) 低边式 。 街坊狭长或地形倾斜时采用，如图2 4 ，a ； ( 2 ) 穿坊式 街坊内部建筑规划已确定，或街坊内部管道自成体系时，支管可穿越街坊布 置，如图2 4 , b 。 ( 3 ) 围坊式 街坊地势平坦且面积较大时采用，如图2 4 ，c ； 重庆大学硕士学位论文 2 传统的布线方式 c 围坊式 图2 4 排水系统支管的布置形式 f i g 2 4t h eb r a n c hp i p el a y - o u tm o d eo f d r a i n a g es y s t e m 重庆大学硕士学位论文 3 基于图论的排水管网系统分析 3 基于图论的排水管网系统分析 3 1 图论的基本概念 3 1 1 图和有向图 3 1 1 1 图和有向图 定义：称g = ，刀是一个图，如果 ( 1 ) 矿是一个非空有限集合， ( 2 ) e 是y 中元素的无序对所组成的有限集合， 并把矿的元素叫做图的顶点，e 的元素叫做图的边。 图g = r n 助常简记为图g ，并咀吖 或v ，e f q