成都城市排水管道系统设计

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城市排水管道系统设计

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城市排水管道系统设计计算的进展

摘要：在市政建设和环境治理工程建设中，雨水和污水管道系统常占有较大的投资比例。因此如何在满足规定的各种技术条件下，合理设计城市排水管道系统是设计中的一个重要课题。从已定管线下的优化设计、管线的平面优化布置和雨水径流模型的研究3方面论述了排水管道系统设计计算发展中出现的方法及需要解决的问题。从中可以看出，今后仍需投入大量精力来研究和完善其设计计算方法。

关键词：排水管道系统优化设计平面布置径流模型

0 引言

排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程。其中，生活住宅区和工矿企业的雨水和污水管道系统投资一般占整个排水系统的投资70%左右［1］。因此，设计时如何在满足规定的各种技术条件下，尽量降低管道系统的基建费用是设计工作中的一个重要课题。

传统排水管道系统的设计计算方法是：设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，按照管道定线和平面布置的原则，确定出一种较为合理的污水管道平面布置图。然后计算出各设计管段的设计流量，以水力计算图或水力计算表及有关的设计规定作为控制条件，从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。计算中，一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整，以求达到经济合理的目的，但其合理程度受到设计人员个人能力的限制；另一方面，大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行，工作效率低，时间长，不利于设计方案的优化。

自20世纪60年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐步建立起了各种给水排水工程系统或过程的数学模型，从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程“合理设计和管理”的阶段。与此同时，对于各种类型的给水排水系统，开展了最优化的研究和实践［2］。为了探求排水管道系统的最优设计计算方法，国内外许多科研、设计、教学单位和个人进行了不少的工作，发表了大量的文章。从研究成果来看，应用计算机进行排水管道的设计计算，不仅把设计人员从查阅图表的繁重劳动中解脱出来，加快了设计进度，而且整个排水管道系统得到了优化，提高了设计质量。所确定的最优方案与传统方法相比，可降低10%以上的工程造价［3］。

排水管道系统是一个庞大而复杂的系统，从已有的研究成果来看，其设计计算主要涉及到3方面的内容：(1)在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计；(2)管线平面布置的优化选择；(3)雨水径流模型的建立。合流制排水管道系统通常具备溢流设施，用以限制输送至当地污水处理厂的水量。由于溢流出来的雨水也就近排入河道，因此从水量角度而言，合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的［4］。

1 已定管线下的管道系统优化设计

对于在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计问题，国内

外做了大量开拓性工作，取得了丰硕成果。最优化方法一般分为两种：间接优化法和直接优化法。间接优化法也称解析最优化，它是在建立最优化数学模型的基础上，通过最优化计算求出最优解；而直接最优化方法是根据性能指标的变化，通过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［5］。

1.1直接优化法

在排水管道优化设计中，应用直接优化方法者认为［6～8］：虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单，但是由于管径的可选择尺寸不是连续变化的，不能任意选择管径；最大充满度的限制又与管径大小有关；关于最小设计流速、流速变化(随设计流量增加而增大)及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂，也不能用数学公式来描述。因此，很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。相对而言，用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、直观和容易验证等优点。

1.2间接优化法

应用间接优化方法者认为：随着优化技术的发展，尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件，只要对其中的某些条件适当取舍，合理地应用数学工具，就可以把它简化、抽象为容易解决的数学模型，通过计算得出最优解。根据出现的时间和使用的数学方法，间接优化方法主要分以下几类：

1.2.1 线性规划法

线性规划法是最优化方法中最常用的一种算法，它可以解决排水管道设计中的许多问题，同时也可对已建成的排水管道进行敏感性分析。它的缺点是把管径当作连续变量来处理，这就存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题［9］。而且将所有目标函数和约束条件均化为线性函数，其预处理工作量大，精度难以得到保证。

1.2.2 非线性规划法

为了适应排水管道系统优化设计中目标函数和约束条件的非线性特征，1972年Dajani和Gemmell建立了非线性规划模型［10］。该方法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。它可以处理市售规格管径，但当无法证明排水管道费用函数是一个单峰值函数时，得到的计算结果可能是局部最优解，而非全局最优解。

1.2.3 动态规划法

1975年，由Mays和Yen首先把动态规划法引入到排水管道系统优化设计中［11］，目前该方法在国内外仍得到广泛的应用。它在应用中分为两支：一支是以各节点埋深作为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索，其优点是直接利用标准管径，优化约束与初始解无关，却能控制计算精度，但要求状态点的埋深间隔很小，使存储量和计算时间大为增加［12］。为了节省运算时间，1976年由Mays 和Yen引入了拟差动态规划法。拟差动态规划法是在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，可以显著地减少计算时间和存储量，但在迭代过程中有可能遗漏最优解，而且在复杂地形条件下处理跌水、缓坡情况时受到限制［13～14］。