流速法在缓坡度污水管网优化中的应用研究.docx

1、流速法在缓坡度污水管网优化中的应用研究张领怀，张永丽（四川大学建筑与环境学院，四川成都610065）【摘要】污水管网优化在实际工程中有着非常重要的作用。通过优化，可以戒小管役或者埋深，节省投资。但在优化设计中，不同的方法带来不同的效果。文章姑合具体的工程，通过传统坡度法和流速法的计算成果进行对比，结果显示，在缓坡度的污水管网优化当中，使用流速法进行涔水管网优化，更具优势。在开挖填理的总价上，流速法的计算投资为451663元，相比传统坡度法的575496元，节约挖方填埋成本123833元，约21.5%。【关键词污水管网；优化；水力计算；坡度法；流速法【中图分类号】TU992.021污水管网优化的

2、目的本文所述污水管网的优化主要针对已定管线下污水管道系统优化设计计算，即管径和埋深（坡度）以及不同管段间的设计参数优化问题。对于某一设计管段，当流钺确定后，满足设计规范要求的管径与埋深有多种组合。在参数的选择过程当中，如果选择的管径较小，管材费用低，但管道损失较大，管道埋深较大,施工费用高；反之，如果选择的管径较大，则管道损失较小,管道埋深较小，施工费用低，但管材费用高。因此，对于一段缓坡度管段而言，总存在一组管径和埋深的组合，使其投资最小。而这一最优组合的获得，主要是通过传统坡度法或流速法实现的。其实这些方法的实质为水力计算。目前国内污水管网的水力计算一般采用均匀流基本公式按非满流进行计算，

3、涉及设计流址。、设计流速u、水力半径/?、过水断面4、水力坡度I和管壁粗糙系数n等6个参数，其中水力半径&、过水断面4可表示成管径D和设计充满度A/D的函数。当污水管网系统布置完成之后，各设计管段的流域Q是可以确定的，管壁粗糙系数n跟选用的管材有关，那么管径、充满度HD、流速v和水力坡度/就是设计所要确定的设计变鼠。2溶水管网优化及计算方法简介现代观点认为，污水管道系统的最优化设计较常规设计可节省投资5%-15%,系统规模越大，复杂性越高，通过优化设计后可节省的费用就越多。当今社会，随着计算机技术的发展，计算机已渗透到人们生活和工作的各个方面。利用计算机，通过编制程序和软件来对工程进行设计和优

4、化，己被人们广泛应用。宜接最优化法是根据性能指标的变化，通过计算机直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较来得到最优解或满意解。传统坡度法和流速都属于直接优化法，它们都必须根据各管段的流屋、地形、约束条件和上下游管段的情况先假定其中的任意2个参数，再由水力计算公式求解另外2个参数。当所求出的参数不能满足设计要求时，应调整先前确定的参数，重新计算。下面分别对这两种优化方法进行介绍。【文献标志码】A2.1传统坡度法污水管网的优化设计一般以费用形式作为优化求解的目标函数，设计管径。和管段埋深h是决定污水管道造价的直接因素。传统坡度法将设计坡度/作为一个优化约束条件，控制管网末端埋深并引入了管段平均

5、坡度七的概念,再以平均坡度为基准，或将某一选定的坡度为基准坡度，通过增大管径或减少充满度，让管道的设计坡度小于该基准坡度的某一变化值。为避免在地形较陡地区仍然采用较小的设计坡度而增加造价，可引入管网计算的最小控制坡度1听，该坡度可人工设定或系统按当前管道I的终端保证最小覆土厚度的要求来设定。此外，可根据工程情况拟订不同Hko值,并求出不同的烦下的管网系统的管径、坡度、埋深及总造价的优化组合,最后选出最优者为设计方案，其计算步骤如图1所示。2.2流速法从污水管道计算所采用均匀流基本公式来看，当水力半径不变，管道坡度与流速的平方成正比，即减小流速能更大幅度地减小管底坡度和埋深。流速法主要考虑将设计

6、流速作为一个优化约束条件,控制上下游管段的流速增最，以避免因整个系统上游的某一管段流速增加过快，而导致下游管段为满足流速递增要求而增加过大,从而增加整个系统管道的埋深。此法中的速度是个可控输入变量,所以使设计者能够应付复杂多变的工程要求；也能够构造以“最低T程造价”为目标函数的数学规划模型。流速法非常适用于缓坡度污水管网的计算，计算步骤如图2所示。2.3对比分析在排水区域地形较陡地区,传统的坡度法能充分利用地形坡度，根据地形坡度来取相对较大的坡度（或流速）作为设计坡度或设计流速，以减小管径，降低造价，同时能保证管段中良好的水力条件。但对于一段缓坡度污水管网而言,选择较大的管径和较定稿日期201

7、3-11-21图1传统坡度法计算步舞图2流速法计算步旗图3D馆污水管网倘设示意小的坡度是更为有利的，这样能有效地降低污水管网的造价。因为埋深在一定程度上比管径对工程造价的影响要大。且由于管道连接和埋设的连续性，某一管段的埋深增加将可能造成其下游所有管段埋深增加，随着埋深的增加,埋深造价将大大高于管径造价,特别是相对较长的管网更为明显。因此，如何控制管道坡度，尽可能地减小管段埋深，对于降低整个管网的工程造价具有很大的实际意义，也是进行优化程序的设计时需要着重考虑的间题。在排水区域地形较为平缓（包括平也、逆坡）地区，流速法通过控制设计流速选用较小水力坡度，虽然有可能增大管径,但是减少了整个污水管网

8、的埋深和造价。对于坡度法，可以采用调整最大埋深值和坡度变化系数的办法来设置基准坡度，从而控制设计坡度和埋深。3实例验证根据以上的分析，本文进行一个实例分析,采用统一造价函数进行对比。D镇面积60.40km2,处于丘陵与平原交界处。但该镇场镇地势相对平坦，平均坡度七为8务。现该镇场镇需要进行污水管网的铺设。具体情况见图3。管网共计18.39km,全为钢筋混泥土管道，其中编号到为污水管网主干管，共计4.47km,考虑到是污水管网，并且铺设于主干道下面，型土厚度考虑为最少为2m0采用传统坡度法和流水法进行水力计算，其结果详见表1和表2。表1用传统坡度法进行污水主干管水力计算管段编号管道长度L（m）设

9、计流量。心）管径D(mm)坡度/流速v(m/s)充满度地面标高（m）埋设深度（m）h/Dh(m)上端下端上端下端121390.683000.0040.270.080.024742741.42.42.362-31640.853000.0050.320.080.024741.4741.192.362.973-42103.173000.0050.470.150.045741.19740.32.973.134-56193.923000.0120.680.140.042740.3733.23.133.46561134.453000.010.680.150.045733.2732.943.464.3367

10、82110.534000.0080.760.170.068732.94725.84.433.787-824512.155000.0080.770.130.065725.8724.63.884.548939114.645000.0060.780.150.075724.67234.545.309-1050135.706000.0091.080.190.114723718.435.405.2710-1162450.766000.0091.200.210.126718.43712.415.274.88111264652.366000.011.260.200.12712.41705.914.884.83

11、表1的计算过程中，将预测埋深xo进行预设，并通过高定，再通过计算机进行坡度和流速的计算与调整。详细计算程差计算出、为8务，之后进行每一段最小管径2硕的确步骤见图lo下面用流速法进行水力计算，详见表2。表2用流速法进行污水主干管水力计算管段编号管道长度Z（m）设计流故。（3管径D(mm)坡度1流速。（m/s）充满度地面标高（m）埋设深度（m）h/D机m)上端下端上端下端121390.683000.0040.270.080.024742741.43.23.16231640.853000.0040.290.090.027741.4741.193.163.613-42103.173000.0040.4

12、30.160.048741.19740.33.613.554-56193.923000.0110.660.140.042740.3733.23.553.25561134.453000.010.660.150.045733.2732.943.254.136-782110.534000.0070.730.170.068732.94725.84.232.767824512.155000.0070.740.140.07725.8724.62.863.278-939114.645000.0060.740.160.08724.67233.274706000.0070.990.19

13、0.114723718.434.133.01101162450.766000.011.250.200.12718.43712.413.013.2311-1264652.366000.011.260.200.12712.41705.913.233.19表2的计算过程中，首先预设一个Df,会得到一个0川,再通过计算机进行埋设坡度/和充满度的计算,根据最小埋深，反过去调整各个埋深。详细计算步骤见图2。从以上两个表对比可以看出，虽然采用的是不同算法进行计算，但所选用的管径都可调配为一样，影响成本的要素就变成了埋设深度这一项。下面以当地每1m330x/m3的挖方填埋单价进行对比计算，考虑到地形和采用的管

14、道都一样，故可简化计算方式，用以下式（1）的计算结果进行对比。I（上端埋深+下端埋深）x管道长度/2x30（1）计算结果如表3。表3两种方法开挖填埋价格对比管段编号管道长度（m）传统坡度法埋设深度（m）开挖填埋价格流速法埋设深度（m）开挖填埋价格上端下端上端下端1-21393.23.1613252.262.42.369916.26231643.163.6116639.442.362.9713092.123-42103.63.5522522.52.973.1319215456193.543.2563110.153.133.4661113.875-61133.264.1312512.493.464

15、.3313197.276-78214.152.7685035.074.433.78101093.87-82452.763.2722163.923.884.5430928.8893913.284.0342884.884.555.2957699.879-105014.063.0053078.445.395.2780109.910-116243.013.2358331.525.284.8895097.611126463.233.1962132.284.874.8394031.76合计4473451663575496由表3可以看出，在开挖填埋的总价上，流速法的计算投资为451663元，相比传统坡度法的

16、575496元，节约挖方填埋成本123833元，节约率21.5%。根据以上实例验证，虽然传统坡度法是一种很常用的方法,适用性非常强,适合多种情况的地势，由于是从平均坡度心入手，计算方法统一完整，调整起来较为方便;但在缓坡度地势的管网优化中，运用流速法，从实际结果来看，相对传统坡度法，确实能够进一步减少整体埋深，同时有可能不改变管径大小，从而节约成本。但需要注明的是,运用流速法进行污水管网优化，是选定最小管径，主要将设计流速作为一个优化约束条件，进行其它各个参数的计算，通过计算结果，再进行所有参数的回调，因此计算步骤更为复杂。4结论（1）针对不同地形的污水管网优化，可以有不同的水力计算方法。（2

17、）流速法有可能在不改变管径的前提下，减少管网整体埋深，从而进行污水管网优化，节约成本;但计算步骤更为复杂。（3）虽然大部分污水管网的优化是根据地形起伏来采用传统坡度法进行计算，但不是所有的情况，传统坡度法都是最优选择;针对缓坡度的污水管网优化，流速法一定程度h（下转第225页）包括绿色施工方案设计、绿色施工技术设计、绿色施工控制要点以及现场施工过程等(见图2)。动态控制的过程就是将这些粗细程度不同的目标依次在相邻层次之间进行比较的过程。图2绿色施工日标控制(3) 动态控制的具体方法是在施工过程中对项目目标进行跟踪和控制。收集各个绿色施工控制要点的实测数据，定期将实测数据与目标值进行比较。当发现

18、实施过程中的实际情况与计划目标发生偏离时，应分析偏离的原因，确定纠正措施，采取纠正行动。在工程建设项目实施中如此循环,直至目标实现为止。项目目标控制的纠偏措施主要有组织措施、管理措施、经济措施和技术措施等。(4) 整体目标控制可以用信息化技术作为协助实施手段。目前建设项目的信息化应用越来越普遍，已开发出进度管理、质量控制、材料消耗、成本管理等信息化模块。在项目的信息化平台上开发绿色施工管理模块，对项目绿色施工实施情况进行的监督、控制和评价等工作起到了积极的辅助作用。1.3.2施工现场管理建设项目产生的对环境的污染和资源能源的节约主要发生在施工现场,因此施工现场管理是能否实现整体绿色施工目标控制

19、的关键。施工企业现场绿色施工管理的好坏，决定了绿色施工思想执行的程度。绿色施工现场管理应当包含的内容有：(1) 明确与现场管理有关的绿色施工控制要点，熟悉现场管理过程中必须遵循的有关法律法规,了解项目场地周围情况及项目整体概况，并将这些内容编制成专项管理文件。(2) 建立现场绿色施I：管理组织结构、制定管理计划。由现场经理起到监督执行的作用，明确现场组织机构中各人员的绿色施工责任。同时明确现场人员相互间、现场与外界(项目业主、设计、政府等)间的交流渠道与方式。(3) 针对绿色施工控制要点制定专门的管理措施，包括人员培训、专用设备的使用、建造专门的临时设施等。(4) 监督实施。为评价拟采取的施工措施，可以通过监督掌握制定的措施是否可行。施工现场绿色施工目标管理的监控与现场其它目标管理的监控可以合并,对现场管理过程中发现的问题进行及时、详细的记录，分析未能达标的原因，并提出改正及预防措施.在下一阶段或下一工程中逐步实现。1.4绿色施工评价管理最后，绿色施工管理体系中还应该有自评估体系。根据编制的绿色施工管理方案,结合工程特点，对绿色施工的效果及采用的新技术、新设备、新材料与新工艺,进行自评估。自评估应该由专门的专家评估