城市给排水管网的现状及优化

城市给排水管网的现状及优化

摘要：作为市政工程建设项目的基础组成部分，城市给排水管网的设计与施工

建设，不仅体现着一个城市的现代化发展水平，更影响着未来城市建设的发展与

城市区域的划分，因此加强对城市给排水管网的设计与施工工作将直接作用于城

市本身，和该城市居民的生产生活活动的开展。下面本文将以城市给水排水管网

优化方案为重点，进行全文的展开。

关键词：城市基础设施；给排水；管网；优化

0导语

目前，随着我国城市化建设规模和建设水平的不断提升，以及城区布局环境

调整和老城区改造项目的不断推进，不仅对城市基础设施的建设水平和建设步伐

提出了严峻考验，更在很大的程度上体现着未来的城市发展规划和延展空间。在

这一过程中，作为城市基础设施建设项目的给排水管道网的规划设计问题便被摆

在了首要的位置之上。下面本文将从现阶段我国给水排水管网现状和给水排水管

网优化措施两方面对此进行全面的论述。

1给水排水管网现状

1.1规划设计问题。给排水管道网的规划要以城市建设发展布局规划为主，其规划目标不仅需要满足现阶段的实际需要，更要适应于未来城市改造建设需求，

因此在实际的规划过程中需要将各项设计标准进行综合性的全面考虑。

1.2排水体制问题。合流制和分流制作为目前我国排水系统中的的两个主要体制，都具有其各自独特的特征性。混合制常出现于城市排水系统中，在需要扩建

的合流制的城市排水系统时常出现的。在中小城市中，因各区域的自然条什以及

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。

2给水排水管网优化措施

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，取得管材费用与数设

费用的甲衡。当然这仅为在设计流量时的优化，但是在整个给水排水管网中，其

优化设计措施必须是多层次、多角度的。

2.1 Dijkstra算法改进优化设计。给水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。考虑到在给水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，因此采用无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）

进行给水排水管网优化分析。改进Dijkstra算法考虑了最小生成树生长过程中权

值的变化，在多约束条什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。给水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。止确的定线是合理经济的设计管网的先决条什。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人污水厂：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

来又引人了排水线的概念，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什下，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

伞工作，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伞使用的因

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妻有4kN/mZ、

skN/mZ两种规格。结合以往施工及设计经验，笔者建议在设计塑料埋地排水管时尽量选择较高的环刚度，直径在500mm以下塑料埋地排水管：一般选择环刚度skN/mZ，只有在地质条什好又没有运输车辆负载的采用环刚度4kN／m2；直径在500-1200mm的塑料埋地排水管：尽量选择环刚度skN／mZ，如果选择环刚度

skN/mZ以下的要经过结构设计计算（变形验算，压屈失稳计算）并严格控制铺设施工的质量（管道基础、回填材料、分层夯实等）；直径800mm以上的塑料埋

地排水管：重要工程推荐使用环刚度较高（环刚度skN/mZ以上的）的金属增强

复合缠绕管和玻璃钢夹砂管。如果使用环刚度较低（环刚度s kN／mZ以下）的

热塑性塑料管，务必要经过结构设计计算（变形验算，压屈失稳计算）并严格控

制铺设施工的质量（管道基础、回填材料、分层夯实等）。

3结语

给水排水管网的优化设计，是当前工程关注的重点，在当前形势下，要充分

利用排水体制，在管网上进行优化设计，合理应用新型材料，才能使给水排水管

网更上一层楼。

参考文献：

[1] 葛琳，许仕荣；基于遗传算法的给水管网优化设计[J]；湖南大学学报（自

然科学版）；2003年S1期