雨水管网系统优化设计

浅析雨水管网系统的优化设计

摘要：随着计算机技术的发展，计算机己渗透到人们生活和工作的各个方面。通过编制程序和软件来对大型工程建设进行设计和优化，已经得到广泛的应用并被人们所认可。

关键词：雨水管网；管网设计；水力计算

目前，随着城市规模的不断扩大，很大一部分城市雨水管网系统设计规模己不能满足排水要求，导致城市雨水排泄不畅和涝渍灾害的发生，造成了严重的经济损失。而另一方面，因缺乏对城市雨水收集及综合利用系统的研究，缺乏系统的规划设计和工程设施，使雨季径流白白流走，而到了旱季却缺水严重，这使得许多城市不仅面临着排水的艰巨任务，同时又不得不想方设法解决水资源短缺的问题。为此，城市雨水资源化作为防洪和缓解水资源危机的一种措施被提了出来。所谓城市雨水资源化就是通过规划和设计，采取相应的工程措施，将汛期雨水蓄积起来并作为一种可用水源的过程。它不仅可以增加城市水源，在一定程度上缓解水资源的供需矛盾，同时还可以有效地减小城市径流量，延滞汇流时间，减轻城市排水设施的压力，减少雨水管网投资。

1 雨水管网系统优化设计的必要性

雨水管网系统是给水排水工程的一个重要组成部分，由于雨水管网的管径埋深相对于污水系统都比较大，在整个排水系统投资中占有的比例也很大。同时雨水管网系统又是现代化城市重要的基础设施，是城市防洪的骨干工程。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，从而为市政建设决策部门和有关人员提供科学、合理、有效的方案和数据，使政府的有限资金投入能取得最佳的投资收益。

传统的雨水管网设计计算的工作量很大，大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行，即使最有经验的工程设计人员也不可能对每个方案进行定量比较，因此很难得到最优设计方案。虽然系统分析方法、最优化理论以及计算机技术的发展应用为雨水管网优化设计向着智能化方向发展提供了必要的理论基础和实现手段，但国内外学者大都把注意力集中在高效算法或精确建模上。

2 雨水管网及其描述方法

与污水管网不同，雨水管道的平面布置应尽量利用地形坡度以最短的距离靠重力流就近排入水体，其管线相对分散。为方便雨水管网的设计计算，可将水体视为一个大的雨水收集节点(虚节点)，从而将雨水管网抽象为树状的网络结构，如图1所示。

在排水管网的设计过程中，各管段和节点之间是一个相互联系和制约的整体，其设计中涉及的大量基础数据都是按管网图的拓扑关系来组织和存取的。为自动获得和存储整个管网图的基本信息，笔者利用数组记录关联管段及其相关参数的方法来解决。对于抽象

的雨水管网，从任意管段i开始遍历管段集合，通过管段两端节点查找当前管段i的上游支管段和下游管段，分别用数组ns(i，k(i))和xs(i)记录其支管段和下游管段的编号，并分别用数组k(i)和kk(i)记录其支管段数和下游管段数，最后找出所有管段的关联管段及其编号，从而建立反映雨水管网中管段与管段、管段与节点之间的逻辑关系。

3 管网流量及水力计算

管网图的方向性表现在雨水是从始节点开始，逐级往下游管段和节点流动，直至根节点，整个管网的计算顺序也是从上游往下游逐步推进的过程。这需要对各管段的层次关系进行排序，并用顺序数组nk(k)记录管段编号，具体步骤如下:

(l)从任意管段i开始，寻找起始管段，即将当前管段i的任意一支管段ns(i，k(i))置为当前管段，直到当前管段i的支管段数k(i)为0;

(2)用nk(k)记录当前管段编号，并从当前管段i开始，寻找下游管段xs(i)，并将其置为当前管段;

(3)判断当前管段i的支管段是否已记录，若已记录，转(2)寻找下游管段;若未记录，则将未记录的支管段ns(i，k(i))置为当前管段，然后转(l)寻找起始管段。

管网系统的逻辑关系及其计算顺序确立后，其相关计算数据可通过数组索引来随机存取，整个雨水管网的流量及水力计算可以一次完成。按顺序数组nk(k)记录的管段编号i开始，程序自动寻找

管段i的上游支管汇水面积f(ns(i，k(i)))、支管内雨水累积流行时间艺处(ns(i，k(i)))及支管终端的管内底标高gz(ns(i，k(i)))等水力参数，并结合当前管段i的本段汇水面积f0(i)及起端管内底控制标高gq0(i)等比较确定当前管段i的雨水集水时间tc(i)、雨水设计暴雨强度q(i)及管段起端初始管内底标高gq(i)等，从而确定当前管段i的雨水设计流量q(i)及其相关水力参数。

在水力参数的优选过程中，着重考虑将设计坡度作为一个约束条件，控制管网末端埋深并引人管段平均坡度iav的概念，并通过增大管径让管段的设计坡度小于该平均坡度iav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，程序引入管网计算的最小控制坡度imin，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管网末端控制标高hk0值，并求出不同的hk0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。

4 算例

根据上述算法，用vb语言编写雨水管网优化计算程序，并用于图1所示某城市区域雨水管网的设计。结果表明，程序使用非常方便，各管段输人顺序可以任意，也可在数据输人过程中添加或删除支管段;程序还可自动对节点处各管段的管径衔接、流速、标高等水力参数进行处理，可一次计算完整个雨水管网(包括分散排放的雨水系统)，并使雨水管网的设计更趋合理和优化，计算结果见表1。

5 结论

管网研究涉及的领域很广，研究方法也很多。近年来，国内科研人员在雨水管网优化设计方面进行了大量的研究工作，得出了不少关于雨水管网优化设计的方法。

(l)通过管网遍历找出各管段之间的相互联系，并利用数组记录各管段的编号及其相关信息，是利用计算机完成管网基础信息的自动提取和整个管网优化设计的一种有效方法，其设计思路可推广到污水、合流制及其他管道系统。

以管段节点为研究对象，根据各关联管段及其节点的参数比较确定下游管段的初始控制参数，克服了单条管段计算和节点处人工调整，以及多次重复计算等繁琐和困难，避免了管网系统中难以确定控制点的缺点。

参考文献

【1】胡晓龙,陈森发,黄怀友.自寻优技术在雨水管网系统设计中的应用田.中国给水排水,2003·

【2】李阳.城市雨水管网系统优化设计研究.合肥工业大学学报.2010

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。