污水管网系统优化设计

污水管网系统优化设计
一、污水管网系统优化的意义
污水管网是由污水管道以及污水检查井等组成的管网系统，其主要承载在及时收集，安全输送污水到设定的污水处理设施当中，避免污水对自然环境造成污染，保护人民正常的生活而后健康的任务;待污水经过一定的净化处理之后再次利用，保障人民日常生活和工业所需。

科学有效完善的污水管理是衡量一个城市管理能力的重要因素之一，更是现代化城市的重要标志之一。

污水管图
当期我国城市化进程加快，城市人口不断增加考验着城市的承载能力的同时也对城市的污水管网提出严峻考验，而实际中我国多数城市污水管网普遍存在不完善的情况，诸如随意排放污水，借道街道以及河道进行排水的现象比比皆是;即使铺设有污水管道的城市却也存在排水能力弱，污水易泄露的问题;污水管网设计不科学，施工不合理，造价高，效果差也是当前需要加强解决的难题。

这些问题汇聚在一起，对城市现代化的发展造成了极大的影响，基础设施建设不完善，对人民的生活、生产带来很大的影响。

虽然不少城市在污水管网建设上加大了资金的投入，提升了污水管理系统，但与欧美等发达国家相比不仅在处理能力存在着巨大差距，而且在资金的投入上以及后期的维护上也是难以望其项背。

因而，如何设计出既能满足于城市污水收集和排放的需求，又能降低施工成本的科学高效的污水管网，缩小我国和发达国家的差距，为城市的发展提供完善的基础设施，这正是优化污水管网的意义所在。

二、污水管网系统的主要组成部分
(一)室内污水管道系统及设备：
室内污水管道系统和设备的作用是收集生活污水并在安全状态下排放到室内污水管道之中，承担着部分环保的功效。

在民用住宅以及公共建筑内，污水管道系统即使人们污水收集和处理的容器，也是人们用水的容器，生活污水经过污水管道的输送到室外污水处理系统是污水管网的重要组成部分和施工中的必不可少的环节。

(二)室外污水管道系统
室外污水管道系统是室内污水管道系统的延伸，更是城市污水管网设计和施工中的重要环节，在设计和施工不仅要考虑地形和建筑物的限制更要综合考虑成本因素。

通常室污水管道系统修建在地面以下依托于重力流的作用将污水运输到污水处理或污水处理厂等进行污水的净化处理。

一般分为：街道管理系统以及小区管道系统，两者既有相同之处也有着彼此区别。

首先都是建立在居住区附近;其次，前者是铺设在街道之下，用以运输小区管理输送而来的污水，而后者则是铺设在居民小区内，承担的是收集和运输小区范围内的污水，再经过街道管道运输到污水处理地。

(三)污水泵站及压力管道
污水泵是污水运输和处理系统中重要组成部分，由于生活污水中夹杂有其他物质容易造成污水泵的堵塞甚至是导致污水泵电机的烧毁，因此污水泵站就承担着维护和及时调换污水泵确保污水及时安全的运输的重任。

污水泵站通常有两种类型：其一，设置于污水管道系统中用于提升污水的高程;其二，设置于污水处理厂用于提升污水的污水泵站后续污水处理工艺提供水流动力。

(四)污水处理厂
污水处理厂是污水收集和运输的最终环节也是污水净化后再利用的起点之处。

污水厂是污水管网设计中最重要的组成部分之一，尤其是工业污水只有经过污水处理厂的处理之后达到国家规定的标准才能允许排放。

当前我国工业处于发展期，在污水处理上还需要不断加强技术研究和资金的投入以确保污水得到有效治理。

处理污水、污泥的一系列构筑物及附属构筑物的综合体称污水处理厂。

(五)出水口及事故排除口
出水口及事故排除口是污水管网中终点设备，是城市污水排放的出口地更是污水收集或处理中紧急情况或事故的必不可少的辅助设备，是确保污水安全排放的重要设施，更是污水管网系统优化设计中重要环节。

三、污水管网系统优化的步骤
(一)明确目标
在污水管网系统的优化中首先就是要确定优化的目标，包括预算指标、功能指标、使用年限指标等。

根据实际情况科学合理的预测优化过程中可能会遇到的困难，并建立目标基本变量变化的函数关系，综合现有物力、财力、人力等综合因素，寻求最优以、最经济、最科学的优化方案。

(二)细化构成要件
由于污水管网系统从设计到施工设计到众多环节，面临着众多的多变量、多目标、多层次的复杂系统，因此在污水管网系统的优化设计中就需要对其中各个构成要件进行细化、组合、简化。

也即把一个较为复杂的排水系统，通过细化构成要件使之成为既能有效的反映出污水管网的关键要素又能定量表达和模拟优化的替代系统。

(三)确立数学模型
随着计算机技术发展，污水管网的设计优化可以通过在计算机软件来模拟现实，通过抽象化的数学形式反映出设计中存在的问题以达到前期优化的目的。

数学模型的建立需要综合考量设计变量、目标函数、约束条件，使三者相互作用，达到一个理想的状态。

其一、在设计变量中参数的选取应根据实际中的工艺以及使用要求进行设定;其二、在确定设计变量之后，就可以通过一定的公式形成设计变量的函数，即F(X)=F(X，，X2AA)以指导后期工程优化设计;其三、设定约束条件，由于所有设计方案并不是工程实际都能接受的。

因此.在优化设计中.必须根据实际设计要求.对设计变量的取值加以种种的限制。

设计约束一般表达为设计变量的不等式约束函数和等式约束函数。

(四)模型的检验和优化
确立模型之后需要对其进行检验和在优化以达到最终实际施工的最优的目的。

在检验中可运用多目标最优化方法进而作出相应的程序设计，并通过现代计算机技术分析和计算出最优值。

当前结合实际问题进行分析时，还难以达到十分理想的状态，对污水管网系统的优化还处于“满意解”的程度，“最优解”还属于未来探索阶段。

因此，在模型的检验和优化过程中在确定影响求解的关键要素和参数的基础上找到一个较为合乎理想的满意解。

四、污水管网系统的方法
(一)直接优化得出满意解
直接优化法即通过收集排水管道各项性能指标的变化，直接进行方案和参数的修改，以达到最优解或者满意解，但从实际优化情况中可以得出直接优化法取得的大都是满意解。

具体是运用“电子表格”统计数据和分析数据的功能进行污水管网优化的，由于不需要设计到过于复杂的运算可以快捷的得出最小费用的设计。

(二)合理利用线性规划
线性规划法是污水管网优化设计中最为常用的方法之一，通过一级泰勒展开式代替，使迭代点序列逼近非线性规划的最优解。

虽然可以接近非线性规划的最优解但是线性规划依旧存在着计算管径与市售规格管径相矛盾的问题，因此当前推出了混合整数规划法，很好的解决了线性规划的部分缺点。

(三)科学运用非线性规划
它可以优化选择排水管道的直径和埋深，以及中途泵站的位置。

其假定管径是离散的，易于对目标函数和约束条件进行敏感性分析。

但是该方法极大地限制了目标函数和约束条件的形式。

罚函数离散优化法将排水工程的特点与罚函数离散思想相联系，可以排除不合理的设计方案，以管系末端管底标高为全局控制因素，建立与目标甬数的可行解对应关系。

并通过同时进行整体控制与局部控制的水力计算方法。

遍历目标函数的可行解及局部最优解，从而得到管系的全局最优设计方案。