浅谈城市污水管网优化设计

浅谈城市污水管网优化设计

摘要城市污水管网设计在整个工程造价中起着决定性的作用，如何做好城市污水管网的优化设计至关重要。论文首先分析了污水管网优化设计的内容，并从管径优化的选择、管材优化选择和管道衔接方式优化三方面选择提出了最优敷设方式，达到全局优化的目的，使工程投资最小。

关键词污水管网；优化设计；两相优化法

城市污水管网所占总投资的比例很大，在城市污水管网的规划设计过程中，合理的系统布置形式是管网最优化的前提和基础，污水管网系统布局优化所节省的施工费用可能比只给定管网布局设计要大的多。对污水管网进行优化设计，寻求满足各种技术条件，且能使整个系统的敷设或运营费用最低的方案，不仅具有丰富优化设计理论和拓展优化设计方法的价值，而且具有明显的经济和社会效益。

1污水管网优化设计的内容

污水管网的优化设计包括两个方面的内容：一是管线平面布置的优化选择；二是在管线平面布置已定的情况下进行管道参数即管段管径及埋深的优化设计。近几年来，我国的科研人员对污水管网系统的优化设计研究进行了大量的工作，取得了不菲的成果。

1）平面布局的优化设计。污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流通畅且节省能量。正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平面布置方案管径一坡度（埋深）优化设计计算结果，因此己定管线下的优化设计计算是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与己定管线下的优化设计计算是密不可分的。

2）管道参数的优化设计。管道参数的优化设计是指已定管线下污水管道系统优化设计计算，主要是管径和埋深（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，当流量确定后，满足设计规范要求的管径与埋深有多种组合。在这些组合中，如果选择的管径较大，则坡度较小，管道埋深较小，施工费用低而管材费用高；反之，如果选择的管径较小，坡度较大，管道埋深较大，施工费用高而管材费用低。因此，对于一段管段而言，总存在一组管径和埋深的组合，使其投资最小。但对于一段比较长的大型污水管网而言，选择较大的管径和较小的坡度是有利的，这样能有效地降低污水管网的造价。因为随着埋深的增加，埋深造价将大大高于管径造价。例如，某地管径600mm的管道，其埋深5米时的工程造价是埋深3米时的3倍。

2基于两相优化法的污水管网设计

2.1设计流速

污水管道的埋深对工程造价有具有重要的影响。总的来说，管道埋深越大，造价越高，施工越困难，施工期越长。而且埋深对造价的影响比管径对埋深的影响要大，当埋深较大时，埋深造价是管径造价的好几倍。此外，由于管道连接和埋设的连续性，可以说，在一般情况下某一管段的埋深增加了0.5米，该条管道上的下游所有管段（甚至其下游的若干条管道）都将增大埋深0.5米。如果每个管段都尽可能地减小埋深，那么对于减小整个管网的工程造价来说具有很大的意义。在一定条件下，决定管道埋深大小的关键因素是管道坡度。我们知道，当流速减小时，水力半径R增大，当R增大时，I减小，即减小流速能有效地减小管底坡度和埋深。但是，在污水管道约束条件中除了对最小管径的管底坡度以外，没有关于管底坡度大小的具体规定，因而无法以管底坡度作为优化选择的决策变量. 而对于设计流速却有明确的约束条件，在满足设计流速约束条件的前提下，选择一个尽可能小的设计流速是对设计参数进行优化选择的重要内容。

2.2最大充满度

在污水管道设计中，减小管径也能减少管材与工程造价。由此可见，尽可能选择一个较小的管径也是十分重要的。但是，在根据污水管道设计的约束条件，除了最小管径，也没有对管径大小作出具体的要求，而对设计充满度却有严格的规定，因而无法直接选取一个最优管径来满足有关约束条件。如果在己知设计流量并初步确定了流速的情况下，选择一个尽可能接近最大充满度的管径，那么这个管径就是该条件下可以选择的最小管径。更有意义的是，这种优化选择接近最大设计充满度的方法，不仅可以减少管材等工程造价，而且可以在一定程度上减小管底坡度和埋深。首先确定了一个尽可能小的设计流速v后，n为常数，水力半径R越大，管底坡度I越小。根据水力学中水力半径和充满度之间的关系可知，充满度为0.81左右以下时，水力半径随充满度增大而增大。由于各种管径的最大充满度都不大于0.75，所以，选择尽可能大的设计充满度也就是选择了尽可能大的水力半径其结果是减小了管道坡度和埋深。

2.3两相优化算法的实现

1）管径优化选择。根据最优流速确定各管段管径，采用就近圆整规则进行管径圆整。用圆整后的管径值进行管网水力和管道埋深分析，得到的管线流速如果超过平均经济流速允许范围，要对管段管径进行修正，保证所有管段流速均落在平均经济流速范围内。一个管网的最优流速不同于另一个管网的最优流速；管网在一个时段内的最优流速不同于另一个时段内的最优流速.要从理论上精确计算最优流速甚至比作管径优化还要困难。通过对己有的大量的污水管网的经济分析，可以得到污水管网的平均经济流速。

2）管材优化选择。如今污水管网材料的选择很多，如钢筋混凝土管，塑料管等。钢筋混凝土管制造方便，而且可根据不同的抗压要求制成无压管、低压管、预应力管等，随着新材料的开发与推广应用，越来越多的城市排水系统应用了HDPE管等新型材料，高密度聚乙烯塑料管是一种具有环状波纹结构外壁和平滑

内壁的新型塑料管材。由于其具有连接可靠、耐腐蚀、韧性高、弹性好、使用寿命长、施工方便等优点，在市政给排水工程中得到了较为广泛的应用，排水工程管材比选设计的目的是为了选用“安全经济、合理”的管材，应该注意根据工程的实际情况，建立边界条件，进行动态的经济分析，同时从全局优化角度综合考虑各种管材的其他力学性能和施工、维护方便程度，进行全面比较，从而寻找出最合理管材组合方案。

3）管道衔接方式优化。在以两相优化法优化管道参数的同时，检查井的衔接也是污水管网优化的一个重要内容，检查井内管段衔接时尽可能减小下游管段埋深。即在满足管段在检查井内衔接的约束条件的前提下，根据相衔接两管段的管径与管段中的污水深度等具体情况，来选择水面平接、管顶平接和管底平接等3种不同的衔接方式，以便尽可能减小下游管段的埋深。水面平接。当下游管段的污水深度大于或等于上游管段中的污水深度时，采用水面平接。管顶平接，当下游管段的管径比上游管段的管径大时，采用管顶平接。管底平接。当遇到陡坡情况下产生的下游管段管径反而比上游管段的管径小时，采用管底平接。

3结语

总之，城市污水管网设计可根据工程实际情况因地制宜地采取一些处理措施，如加强管材强度、回填土以提高地面标高等，以便减小控制点管道的埋深，降低工程投资。论文按上述的两相优化法对管道参数来进行优化设计，尽可能减小所优化管段的坡度、埋深和管径，这样不仅能减少该管段的工程造价，而且还对减小下游各管段的坡度和埋深具有重要意义。

参考文献

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