市政排水管网科学性优化设计探讨等

市政排水管网科学性优化设计探讨等
市政排水管网是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例约占整个排水系统投资的80％左右。

因此，可行性优化设计市政排水管网的意义重大。

阐述了国内城市基础设施排水管网的现状和排水管网建设过程中遇到的一些问题，基于设计因素，探讨了其优化措施。

标签：市政工程；排水管网；优化；设计
城市排水管网系统的建立是随着城市发展而逐渐形成的。

随着城市的发展，经济生产的不断调整，新开发区的建立，城市道路不断修建，旧城区的改扩建等，排水系统也在迅速建立，排水管网的普及率在逐年提高。

但是还存在很多问题，如污水直接排入河道造成水体污染；排水体制的不确定导致雨污水合流，使污水得不到有效处理；规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差，满足不了使用要求；排水管网建设与污水处理厂建设不配合，导致二次污染等。

这些问题均制约了城市排水设施的发展。

市政排水管网的优化设计主要是解决在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以及排水管网平面布置方案的优化研究。

1市政排水管网现状
1.1规划设计问题
当前的排水规划一般来讲，普遍比较不合理。

排水规划设计要以总体规划为前提，但管网建设有其自身的特点，它建设完成后使用期限要长达四五十年以上，如果严格以总体规划的年限、污水量标准、居住人口密度、土地服务范围等为依据，有时很难适应城市发展的需要。

1.2排水体制问题
排水体制关乎整个排水设计，当前的大部分排水体制均需改制。

排水系统的体制一般分为合流制和分流制，混合制也是城市中常有的系统，是具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现的。

在大城市中，因各区域的自然条件以及修建情况相差较大，因此要因地制宜地在各区域采用不同的排水体制，如东莞市城区便是这样的混合制系统。

东莞市位于广东省南部。

是座历史悠久的城市，属于珠江出海口，区内水系发达，河流纵横交错。

原有旧城区及各镇区，居民生活污水及工矿生产废水大部分均直接排入附近河涌而东莞南城区及松山湖高新技术开发区为新建区，所以在排水体制的选择上园地制宜地采用了不同的体制。

在旧城区采用截流式合流制系统，在两河岸边建造一条截流干管，同时在截流干管处设置溢流井，并设置污水厂。

晴天所有污水均送入污水处理厂，处理后排入白水河。

雨天随着雨量的增加要有部分污水进入河道。

但是，随着旧城不断改建，这种污染状况会逐步消除。

南城区及松山湖高新技术开发则有条件采用完全分流制系统，即雨水、污水完全分开设置管道，雨水排入邻近河渠，污水则送人污水处理
厂。

2市政排水管网优化措施
一般来讲，排水管道优化设计主要内容为：对于某一设计管段，当设计流量确定后，在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中，取得管材费用与敷设费用的平衡。

当然这仅为在设计流量时的优化，但是在整个市政排水管网中，其优化设计措施必须是多层次、多角度的。

2.1Dijkstra算法改进优化设计
排水管网的优化设计实际上就是寻找一个以污水厂为根节点的最小费用生成树，Dijkstra算法是构造最小生成树的有效方法。

考虑到在排水管网优化过程中，生成树的权值随管段的流量、埋深和长度的变化而不断变化，因此在实际应用中通常采用变权值Dijkstra算法。

现有管网平面布局优化常采用有向图的方法，即在优化前指定网络中各边的方向(水流的方向)，而管网中水流的方向在初始情况下是不确定的，生成树生长的方向可能代表了水流的反方向，因此采用元向图进行优化更符合管网最初水流方向不确定的情况。

鉴于以上原因，基于无向图的变权值Dijkstra算法(改进Dijkstra算法)进行排水管网优化分析。

改进Dijkstra算法考虑了最小生成树生长过程中权值的变化，在多约束条件下也可以得出最优解。

该算法的实质是最小费用树的深度优先算法，又称瞎子爬山法。

该算法要处理的信息量小、速度快，对于单因素、单极值的情况非常有效。

2.2管线平面优化设计
排水管网的布置原则是既要使工程量最小，又要使水流畅通、节省能量。

正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。

定线的基本原则是：干管支管的设计尽量采用直线布局，不要拐弯：定线应尽量利用地势，使污水在重力作用下流入污水厂：设计时应尽量减少管道埋深；在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。

在早期的研究中，设计方法为假定每一段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后通过算法逐步进行调整，后来又引入了排水线的概念，将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数的节点用一根排水线连接起来，这样把问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解，但此方法把寻优的范围被限制，使人们在设计过程中很容易把最优方案排除。

后来，人们把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图，从图论中寻找方法1986年发展到利用三种权值来解决问题，三种权值是各管段地面坡度的倒数；各管段的管长：各管段在满足最小覆土条件下，按最小坡度设计时的挖方量，分别对这三种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案，再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面布置方案作为最优设计方案。

2.3环刚度的优化选择
环刚度是塑料埋地排水管(新型管材均可认为是塑料排水管)抗外压负载能力的综合参数，为了保证塑料埋地排水管在外压负载下安全工作，环刚度的选择
是设计中的关键之一。

如果管材的环刚度太小，管材可能发生过大变形或出现压屈失稳破坏。

反之，如果环刚度选择得太高，必然采用过大的截面惯性矩，将造成用材料太多，成本过高。

外压负载比较复杂，主要包括土壤重量和地面产生的静负载，以及运输车辆经过时产生的动负载。

塑料埋地排水管承受负载的机理也比较复杂，因为塑料管属于柔性管。

在外压负载下管材和周围的土壤(回填材料)产生管土共同作用。

换句话说，是管材和周围土壤(回填材料)共同来承受外压负载。

决定塑料埋地排水管铺设后能否正常工作的，负载、管材和土壤(回填)3个参数都很重要，而且相互影响。

所以环刚度的选择不仅取决于外压负载的情况还取决于铺设后管道周围土壤(回填材料)的情况。

根据世界各国的经验，塑料埋地排水管在外压负载下是否能够安全使用的因素中，铺设情况是最主要的。

如果铺设情况比较好，环刚度较低的管材也不会有很大变形；反之，如果铺设情况不好，即使用环刚度比较高的管材也可能变形过大和出现压屈失稳。

要保证铺设情况良好并不是都能做到，同时也需要成本。

根据一般生产厂家的生产规格。

塑料埋地排水管可供选择的环刚度主要有4kN／m2、8kN／。