时间：2013-11-29 分类：建筑设计
摘要 ：本文分析了市政排水管网的现状， 指出了排水管网优化设计规划中存在的问题，并提出改进方案， 系统阐明排水设计过程中存在的明显问题， 并提出各种排水管网优化设计的方法， 最后通过各种排水管网设计方法的对比进行探讨。
关键词 ： 排水管网； 规划；优化设计
Abstract: the paper analyses the present situation of the municipal drainage pipe network, and points out that the drainage pipelines optimization design planning in the existing problems, and put forward the improvement scheme, system clarifies the drainage design of the existence of the obvious problems and puts forward all kinds of drainage pipe network optimization design method, the last through the various drainage pipelines design contrasts of the methods are discussed.
Keywords: drainage pipelines; Planning; Optimization design
引言
随着我国国民经济的持续快速发展,市政建设的规模也在不断扩大。近年出现了许多新型管材, 新型管材与传统管材相比，在运输、施工安装等方面有着无可比拟的优越性。如何合理布置管道，确定管径，正确选择排水管材,对确保工程质量、缩短工程工期、降低整个工程造价、保证整个工程顺利进行等都具有十分重要的意义。
1 市政排水管网现状
市政排水工程规划涵盖在城市总体规划、控制过程规划和修建规划中， 其作用是要指导下一层次的排水专业规划或排水工程设计。市政排水工程规划的根本任务是： 分析区域现有排水系统情况； 确定排水体制和划分排水区域； 确定排水量预测方法和指标； 进行排水量预测； 进行排水系统布局； 确定排水处理设施种类、数量、位置和用地； 布置排水管道及进行相关计算等。
1.1 市政排水没有以城市的可持续性发展作为其规划的依据， 缺乏超前性
市政排水管网修建完成后， 短的要服务十几二十年， 长则达到三四十年。在这个期限内， 城市居民用水、城镇人口密度、工业用水量标准、土地服务范围等指标都是应该充分考虑和在规划中有所体现的。很多城镇排水工程规划中的排水量预测都缺乏"超前量"， 在初步规划时， 只考虑了当时的需要， 但不久后便发现规划有其发展局限性。好的排水规划是指导排水工程设计的， 应及时进行编制或修编，同时应注意其时效性。
1.2 市政排水体制不能"与时俱进"
排水系统的体制一般分为合流制、分流制以及混合制。改革开放以来， 城镇建设日异月新， 但很多老城区的居民生活污水、工矿生产废水和雨水大部分还是直接排入附近江河， 给生态环境造成严重污染。改进方法有： （a）应在旧城区采用截流式合流制系统， 在两河岸边建造一条截污管（截流干管）， 同时在截流干管处设置溢流井， 并设置氧化沟和污水厂， 污水经过处理后再排入江河；（b）在新城镇区域或开发区， 一开始规划时就应采用完全分流制系统， 将雨水、污水完全分开来设置管道， 雨水排入邻近河流， 污水则进入污水处理厂处理后再排入河流。但是在普遍提倡分流制排水系统的今天， 也不能盲目规划、设计、施工， 否则不但会导致工程造价攀高， 也会给日后的维修和养护工作带来难度。必须要结合当地实际情况， 灵活选择最经济可行、同时也满足城市发展需要的排水体制。
1.3 市政排水管网规划未做到统筹兼顾
市政排水工程规划是动态的， 在排水体制、排水量标准、排水主干管的定线工作完成以后， 可以根据实际情况进行局部调整， 以便工程的具体实施。应做到使排水管网规划同城镇发展总体规划相一致和协调， 同建筑规划、城市路网规划、地上和地下基础设施规划等相配合， 且规划服务年限稍长时， 排水体制、排水量标准预测都应留出富余之地。
2 市政排水管网优化设计的方法
市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下， 排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究。
2.1 已定平面布置下的管道系统优化设计
排水管道优化设计主要是指： 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， 取得管材费用与敷设费用的平衡。在排水管线平面布置已定情况下， 对于管段管径-埋深的优化设计, 国内外做了大量研究工作。
2.1.1 线性规划法和非线性规划法
（1）线性规划法，是针对排水管网设计计算中的约束条件和目标函数的非线性， 分别用其一级泰勒公式展开式代替， 用线性规划的解作为问题的近似解， 反复迭代， 使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理， 存在计算管径与市售管径不一致的矛盾， 且前期准备工作量大。以后发展的整数规划法， 虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点， 但是其整型变量比较多， 难以求解。
（2）非线性规划法，适应了计算模型中目标函数和变量的非线性特征， 可以优化选择管道的直径和埋深，但极大限制了目标函数和约束条件的形式。
2.1.2 动态规划法
#p#分页标题#e#动态规划法是目前国内外比较常用的一种方法，基本思想是把排水管道设计看作一个多阶段的过程，通过对设计过程进行阶段划分来对管道进行优化设计。其应用主要分为两方面：
（1）以节点埋深为状态变量， 通过坡度决策进行全方位搜索。其优点是直接采用标准管径， 结果与初始管径无关， 且能控制计算深度， 但要求状态点之间的埋深间隔很小， 使存储量和时间间隔大为增加。因此在此基础上引入了拟差动态规划法， 在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程， 但应用有一定的局限性。
（2）以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。由于可使用的标准管径数目有限， 因此在计算速度和存储量上都有很大优势。以后又发展出了可行管径法。此法使优化计算精度得以提高， 并显著减少了计算工作量和计算机存储量。尽管动态规划法是解决多阶段决策问题的一种有效方法， 但在排水管道系统设计计算时， 前一段的设计结果将直接影响到后续管段设计参数的选用， 因此利用动态规划法求出的污水管道优化设计方案也并不一定是真正的最优方案。
2.1.3 直接优化法
直接优化法是直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解， 具有直观和容易验证的优点。主要方法有：
（1）电子表格法是一种启发式的费用估算方法， 允许用户寻找最小费用设计， 能得出比动态规划法要好的结果而且更符合设计规范的要求。
（2）两相优化法是设计流量确定后， 在满足约束条件的前提下， 选取最经济流速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深。直接优化法的算法与人工算法基本相同， 但受设计人员的能力所限， 所得结果不尽相同， 所以所求结果不一定是最优解。
2.1.4 遗传算法
遗传算法是进化算法一个分支， 是模拟生物学中的自然遗传变异机制而提出的随机优化算法。遗传算法在解决中小型管道系统优化设计问题时可以求得最优设计方案，但解决大型管道系统问题时， 只能求得趋近于最优解的设计方案。在排水管道系统优化设计中， 不论采用何种方法， 都以设计规范为基本要求， 同时使费用达到最小。
2.2 管线的平面优化布置
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。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。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入污水厂； 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， 然后通过仔细的验算，逐步进行调整。后来又引入了排水线的概念， 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件下， 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。
3 排水管网优化设计方法的对比（如表1）
合理的排水规划、设计能尽快地将雨水、生活、工业污水排除， 减少水资源的污染， 保护环境， 美化城市， 对城市的可持续发展和和谐社会的建设都是大有裨益的。城市排水工程应遵循的一般规划、设计的原则和方法如表1所示。
结束语
综上所述,市政排水管网优化设计是一个实践经验与能动性相结合的过程。在满足规范要求、注意设计控制要点的同时,要根据实际情况, 因地制宜、因时制宜, 选择最好的方法，并优先选用新型管材,尽量做到既质量优良, 又经济合理、施工方便。
参考文献
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