李 敏

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山西太原 030001)

1 概述

2012年8 月某城市發(fā)生了百年一遇的洪災，如此大的洪災居然沒有淹沒城市，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)該城市市政排水做得相當?shù)轿唬行枭⒘藘疵偷暮樗?。在城市建設中排水管網(wǎng)是市政工程重要組成部分，所耗費資金幾乎占據(jù)著排水系統(tǒng)的80%。所以，對市政的排水管網(wǎng)優(yōu)化設計具有現(xiàn)實意義。

2 優(yōu)化城市排水管網(wǎng)的必要性

從我國城市基礎建設來看依然薄弱，尤其是城市中排水管網(wǎng)更加欠缺，如今其普及率僅僅占據(jù)65%。因此探究優(yōu)化管網(wǎng)的設計十分必要，總體來說其必要性體現(xiàn)在如下幾個方面:1)優(yōu)化管網(wǎng)設計能夠有效緩解快速增加的污水量，能夠緩解排水系統(tǒng)的建設和所需之間的脫節(jié)。從現(xiàn)實來看，現(xiàn)實中所排水系統(tǒng)的需求是遠遠超出了排水系統(tǒng)的建設。2)優(yōu)化管網(wǎng)設計有效降低了排水系統(tǒng)建設的投資成本，成為了決定管網(wǎng)系統(tǒng)投資建設能不能夠成功的關鍵因素之一。3)因為我國的基礎建設比較薄弱，投資到城市基礎建設中的資金十分有限，優(yōu)化了管網(wǎng)設計直接讓所投資金獲得最佳投資效益。從各個方面分析來看，對市政排水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計有效解決了所存在的問題，不僅僅在理論上具有重要價值，還能有效解決管網(wǎng)的實際問題，因此在應用中具有廣闊前景。

3 案例分析

某城市位于東南沿海，處于亞熱帶的季風氣候區(qū)，城市中地勢比較平坦，而且具有四季分明、降雨充沛、光照充足、空氣濕潤等各種特征，在該城市中主要的氣候災害之一就是暴雨，從相關統(tǒng)計可知，該城市每一年平均降暴雨天數(shù)是5.7 d。而且該城市交通便利、地勢平坦，因此成為了良好投資環(huán)境，經(jīng)過幾年大力發(fā)展逐漸成為了集貿(mào)易、文化、產(chǎn)業(yè)以及居住等等全職能綜合區(qū)。而且該城市人口數(shù)量在快速增長，現(xiàn)有的排水管網(wǎng)已經(jīng)體現(xiàn)出嚴重的不適，許多居民家中排水管道都具有嚴重滲水現(xiàn)象。

3.1 排水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析

要對管網(wǎng)的設計進行優(yōu)化，就必須要從其現(xiàn)狀中分析存在的問題，進而在該問題基礎上結合實況進行優(yōu)化才具有真正價值?？傮w來看，案例中的城市排水管網(wǎng)具有如下一些不足:1)排水的體制不合理?，F(xiàn)在很多城市所用排水工程是分流制的排水體制，事實上這種排水措施存在不足，就是一些地方較為盲目應用分流制，這種做法與當?shù)貙崨r不相符而嚴重脫節(jié)，因此降低了排水系統(tǒng)的可行性。2)設計不合理。一些排水管設計和該區(qū)域排水系統(tǒng)之間并沒有有機結合，坡度與管徑設計都不大，導致根本不能夠連接到其他路段中的排水管，在設計排水管網(wǎng)中十分重要的參數(shù)就是排水設施設計的降雨重現(xiàn)期。本文所選案例中因城市降雨量比較大，所以必須要將降雨重現(xiàn)期設計稍微偏大，但是事實上設計卻稍微偏小，因此根本不能夠滿足發(fā)生強降雨后的行洪能力。3)排水設施相對滯后。案例中的城市一個重要問題就是市政排水各種設施滯后，致使處理不達標或者污水沒有經(jīng)過處理就排入到河道，而對水體造成污染，其中比較嚴重的問題有幾個方面:a.設計合流制存在問題。在擴建舊城區(qū)時，雨水與污水進行合流，造成污水處理廠把旱天的污水引入進來。一旦到了雨季，那么雨水和污水的混合水就極易超過截留量倒灌進城市的水體中而污染。因此優(yōu)化設計不僅要考慮到雨水初期出現(xiàn)的截留量，還應該研究溢流點被溢流之后對水的污染情況。b.設計雨水管問題。對于一個城市而言，其水文環(huán)境并不會對城市建設造成多大影響，隨著城市化后埔徑流不斷增大，但是城市發(fā)展縮減了徑流匯流時間，敷設雨水管也沒有充分考慮到城市水文環(huán)境變化，比較常見就是應用雨水量的計算方法，導致實況和所產(chǎn)生結果間不相符，致使城市的排水不達標。

3.2 優(yōu)化管網(wǎng)設計

從前面分析可知該城市的排水管網(wǎng)中還存在各種不足，對正常所需造成一定影響，因此必須結合該城市實況采取合理的優(yōu)化措施。事實上，對排水管網(wǎng)優(yōu)化設計就是針對某設計管段，確定好了設計流量之后，滿足了設計規(guī)范要求管徑與坡度多種組合時，就要平衡管材費用和敷設費用。并且定下平面布置情況下，優(yōu)化設計管徑的埋深。

圖1 優(yōu)化給水設計

1)優(yōu)化給水管網(wǎng)的設計。對于排水管網(wǎng)優(yōu)化設計中的給水管網(wǎng)，就是通過在已經(jīng)定線基礎上去探查管徑和水力參數(shù)間最優(yōu)化的組合解，這樣就是為了有效減小管網(wǎng)的年費用折算值。對于城市的輸配水系統(tǒng)中必須要合理設計與改建，或者運行及擴建，不但能夠節(jié)約投資還能夠節(jié)省電能。現(xiàn)在合理改造、調(diào)度、改建輸配水系統(tǒng)逐漸被重視，對于已經(jīng)定下來的管網(wǎng)就應該對管網(wǎng)中的流量進行合理分配，也可以在分配流量基礎上應用優(yōu)化算法，本案例中就是通過管網(wǎng)計算系統(tǒng)進行優(yōu)化計算(見圖1)，包含了水量預測、阻力系統(tǒng)以及平差計算等等，優(yōu)化管道所設計的尺寸，同樣還應該依據(jù)城市的地形特征，合理分布供水的區(qū)域，使用不同的壓力范圍進行供水，有效降低管網(wǎng)系統(tǒng)運行費用。已經(jīng)投入使用的管網(wǎng)要合理進行調(diào)度，確保用戶使用水的基礎上讓供水的壓力能夠滿足較小的服務水頭，確保具備較低的運行費用。

圖2 管網(wǎng)優(yōu)化設計步驟

2)優(yōu)化排水管網(wǎng)的設計。對排水管網(wǎng)優(yōu)化設計上，基本上就是優(yōu)化已經(jīng)定下來的平面布置和定線下的管網(wǎng)參數(shù)即可?，F(xiàn)在優(yōu)化排水管網(wǎng)的設計大多數(shù)是定線下管網(wǎng)的參數(shù)，而且?guī)缀醵际羌性诮鉀Q管徑與埋深，及不同的管段間優(yōu)化設計參數(shù)上。在設計某一管段，一旦確定了流量之后，能夠滿足設計中所要求管徑和其他的水力參數(shù)之間存在多種組合，其中總有一組管徑與其他水力參數(shù)形成組合的投資比較小。如果排水管網(wǎng)中是由許多根管段組成，所計算上游管段設計結構必定會對下游管段設計參數(shù)造成影響，因此系統(tǒng)之中每一個管段都實現(xiàn)設計最優(yōu)組合，同樣也不能夠確保整個系統(tǒng)就屬于設計最優(yōu)。所以要確保整個排水工程系統(tǒng)的設計最優(yōu)，就應該從整個排水系統(tǒng)出發(fā)，從全局著手實施優(yōu)化設計。對排水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計時，計算配水管的水力所用計算公式并不難，但因為管徑能夠選擇尺寸并非連續(xù)變化，選擇管徑上必定存在難度。因此最大的限制就是和管徑大小相關，而最小設計流速及流速變化以及和管徑間的關系等都比較復雜，根本不能夠使用數(shù)學公式進行描述。所以要建立出一個比較完整最優(yōu)求解的數(shù)學模型難度較多，大多是采用間接化的方法求解。采用直接優(yōu)化法能夠解決的問題，大多具有直觀、直接以及容易驗證等各種特征。本文案例優(yōu)化設計的步驟見圖2。

4 結語

只有正確意識到排水管網(wǎng)在整個市政工程中的作用，才會努力研究對排水管網(wǎng)的優(yōu)化設計。加之國民經(jīng)濟不斷發(fā)展，給城市的排水系統(tǒng)提出了新要求與新任務，所以必須要結合城市市政工程實況，有效優(yōu)化排水管網(wǎng)設計，只有這樣才能夠達到優(yōu)化的真正目標，才能夠發(fā)揮排水管網(wǎng)系統(tǒng)的真正作用。

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