对城市排水管道系统优化设计的探讨

对城市排水管道系统优化设计的探讨摘要：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。

本文介绍了实际工程设计中往往被忽视的一些环节，及经济上直接优化法对于排水管道的设计的实用意义。

关键词：排水管道系统雨水蓖设计位置直接优化法
城市给排水是市政工程中的重点，与人类生活息息相关，有效地解决预计预防水污染一直以来都是城市建设工作者面临的一个重要课题。

然而当前城市给排水管道系统通常占有工程较大的投资比。

因此如何在满足规范和其它技术要求的条件下，根据城市的具体情况，有效控制市政工程给排水管道施工质量，意义非常。

1．雨水口位置的设置
城市排水系统的安全性无疑是最重要的。

在城市排水系统运行过程中，最常发生的是很多路段地面积水严重，一部分是由于车辆超载致使路面损毁、坑洼不平造成的积水。

主要是因为设计人员雨水口设置的随意性，教条的根据规范20至40米设置一个雨水口，并没有充分考虑到雨水口的收水功能，造成沿街单位、居住小区出入口、道路交汇处积水现象严重。

解决方法：雨水口宜于设置在汇水点和截水点上，如道路汇水点、街道的最底处、十字路口处应根据道路坡向设置在低处，雨水口不宜设置在地势高的地方、道路转弯曲线段、建筑物门口等。

雨水口的合理设置对城市防洪排涝有着积极作用。

2. 雨水出处
雨水从整体来说是比较干净的，无需处理，主要是就近排入自然水体中。

雨水系统由于管径大，从而造价高，如果能缩短雨水管线距离、减小汇水面积的小区域排放可以极大缩减雨水系统造价，这就要求有受水区域，如果城市新建区能增加人工受水区域如：人工湖，或保留原有较大的自然水体，这样既美化了市区又将极大节省雨水管网的投资。

3．最优化方法
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,来得到相对最优解或满意解。

在排水管道优化设计中,人们更倾向于直接优化法。

虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单,但是不能任意选择管径，也就是说管径尺寸是不可能连续变化的,最大充满度又受约束于管径。

所以关于最小设计流速、流速变化及其与管径之间关系的约束条件等都不能用数学公式来描述。

因此,很难建立一个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、容易验证的优点。

3.1 直接优化法的设计应用
在排水管道优化设计中，应用直接优化方法者认为：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。

3.1.1污水管道的优化设计
污水管道可采用均匀流公式来计算,且应满足管径、流速、充满度、埋深、衔接方式等方面的约束条件。

污水管道的优化设计是指在满足上述约束条件的前提下,在确定排水体制及管网定线后,以充满度和流速为决策性变量,以降低工程造价为最终目标来进行管径、坡度等一系列数据的计算。

污水管网是一个工程系统,它不单单只是管线的造价，还涉到污水泵站等因素，系统中的各个因素是相互联系和相互制约的。

因此,在设计计算优化选择的程序设计中,要把握全局,以减少整体工程造价为目标。

将污水管道的费用函数作为目标函数,其函数形式如下
m =∑f(di,ii,li,ii,hi)+f (1)
式中m———污水管道总费用;
di———第i管段设计管径;
ii———第i管段设计坡度;
li———第i管段管道长度;
ii———第i管段地面坡度;
hi———第i管段起点埋深;
f———泵站建设费用;
对污水管道的优化就是求此式的最小值mmin。

3.1.2优化程序的设计思想
在进行优化程序的设计时,着重从以下几方面考虑：
（1）设计流速
由于污水管道的埋深对工程造价具有最重要的影响,在一定条件下,决定管道埋深大小的唯一直接因素是管道坡度,而从污水管道计算所采用的均匀流基本公式(2)式和(3)式来看,当水力半径不变,管底坡度与流速的平方成正比,即减小流速能更大幅度地减小管底坡度和埋深。

v =1/nr2/3i1/2(2)
q = av =1/nar2/3i1/2 (3)
式中v———设计流速,m/s;
n———管壁粗糙系数;
r———水力半径,m;
i———水力坡度,等于管底坡度,也称管道(段)坡度;
q———设计流量,m3/s;
a———过水断面面积,m2。

另一方面,在前面的约束条件中除了对最小管径的管底坡度规定以外,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。

而关于设计流速的约束条件很多,在满足所有设计流速的约束条件的前提下,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,在程序设计中也很容易实现。

（2）设计充满度
在管道设计中,减小管径也能减小管材与工程造价。

由此可见,尽可能选择一个较小的管径也是十分必要的。

但是,在约束条件下,除了最小管径外,也没有对管径大小的具体要求,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。

如果在已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设计充满度的管径,则该管径就是该条件下可以选择的最小管径。

2.3优化设计
为了满足整个工程系统为最优这个全局利益,往往要求工程系统中的某些局部利益作出一定的牺牲,例如,对于地面坡度较大、地形局部变陡或其它复杂的地形条件下,如果只对所计算管段的几个
设计参数进行优化选择,而不考虑该管段的流速和坡度对下游所有管道的影响,则有可能使下游管道的工程造价大大增加,此时需要设计者根据特殊的地形特点、整体的管网布局,对流速、坡度、埋深、是否需要跌水、是否需要设计泵站等参数进行综合平衡,以作出一个对全局极为有利的判断,程序在这种场合下的作用一是提供用户的操作界面,二是迅速对用户所作的决定进行计算,并将计算结果反馈给用户,让用户进一步判断。

结论
排水管网优化不单纯是理论上的将工程造价值降到最低，最主要的问题是保证排水的安全、稳定性，保证城市不被污染、不发生内涝。

设计阶段就要总结老城区排水中存在的问题，在源头上解决后患，在此基础上将造价降低才是正真意义上的排水优化。

参考文献
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