城市给排水管网问题及优化设计

城市给排水管网问题及优化设计摘要：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。引言市政管网主要包括给排水、供气、供暖等市政管道系统。给排水管网系统是市政管网的重要组成部分，是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀、沉淀池等多种设施构成的输送水系统。从管线方案、使用材料、更新换代、设备配置等方面都从属于这个系统凝结水排放到其他住户的阳台等位置，影响其他住户的生活。一、当前城市市政给排水管网存在的问题1、管网突发事故给排水系统面临的突发事件主要有三大类，即爆管、污染、泄洪。1.1工程资料数据不全提高了爆管的可能性譬如，由于不明确地下管线情况，工程施工、道路轭压等导致给排水的爆管。以成都市为例，保守估计，每年因对地下管网家底不清造成的直接经济损失达200万元，而问接损失则高达400万元。爆管后，大多数管道系统还仅仅是根据排水量的大量变化才得以在系统中反映，而此时，外界的反馈往往更先于企业得知爆管情况，既浪费了水资源，也妨碍了正常的生产生活。1.2管网的污染问题很多水厂特别是南方的水厂，在排涝期间水源水极度恶化，水质指标比平时高出几倍。如水源附近被污染，需要关闭供水范围时，目前还只能大面积停水，管网子系统功能还不发达。1.3泄洪问题由于近年来极端天气的出现，夏天突然降水，而排水系统不畅使得一些城市街道大范围积水，严重的危及人民生命财产安全。2、规划管理问题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。二、城市排水管网优化方法排水管网的优化内容主要包括管线平面布局以及管道参数（包括管径及埋深）的优化设计。两方面优化的目的，采用的方法也不同。1、平面布局的优化设计排水管网平面布局的优化以管线短、管道工程量小、水流通畅且节省能量为目的。正确的定线是经济合理设计排水管网的基础。定线要尽可能利用地势，干管支管要尽可能走直线，设计时要减少管道埋深，中途要减少提升泵站的设置。具体到某种排水管道的平面布置方案是否最优，取决于定线埋深优化设计计算的结果。目前，排水管网的平面优化方法主要有决策图法、优化树法以及简约梯度法，每种方法都能够有效提高排水管网的科学性。以决策图法为例，决策图是一种常用于系统优化的数学方法,它将方案决策问题用决策图加以解决，以最短路算法来简化计算，这样，方案决策的问题实际上就是求从A到B的最短路问题。在市政排水管网平面布局的优化设计中，采用决策图法建立决策图模型就是假定所有流量都汇集于规定的若干节点，用决策网络表示排水管网的方案集，寻找节点流量导入出水口的最短路而找出最经济的管道布置方案。采用这种方法，可以提高设计的经济性，并且采用决策图网络模型，考虑了水力因素以及地形因素，简化了计算工程，减少了优化设计的工作量。2、管道参数的优化设计当管道的平面布局优化之后，为了使得排水管道进一步优化，还需要对管道的管径、埋深以及不同管段之间的设计参数等进行进一步的优化。通常，管径与管材费用成正比、与坡度及埋深成反比。因此，尽管在流量确定的情况下，管径与埋深之间有多种组合，最终选择投资最小、效果最好的最优组合。因此，对管径及埋深等管道参数进行优化，就非常重要。就目前来说，管道参数的优化方法主要有直接优化法和间接优化法两类。2.1直接优化法由于管径的可选尺寸不是连续变化的，最大充满度的限制又与管径大小相关，而设计流速以及流速的变化与管径大小之间的关系又非常复杂，不能用数学公式来描述，这就导致建立完整的求解最优化问题的数学模型往往并不现实、有效，因此需要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。直接优化法具有直观和容易验证的优点，其主要方法有电子表格法及两相优化法，以两相优化法为例，它是确定设计流量后，在满足约束条件的前提下，选取最经济流速和最大充满度，得到最优管径和最小坡度，从而降低管道埋深。由于直接优化法与人工算法基本相同，因此，这种方法受设计人员主观因素影响较大，因此，其所求出的结果不一定是最优解。2.2间接优化法尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件,但其中的某些条件起着关键的制约作用，因此找出这些关键条件，合理运用数学工具，可以将排水管道系统简化为容易解决的数学模型。就目前来说，间接优化法的具体方法主要有线性规划法、非线性规划法、动态规划法以及遗传算法等多种方法。每一种方法各有优劣，如线性规划法计算相对简单、直观的优点，但是这种方式是纯粹的理论计算方式，计算管径与市场上的规格管径相差甚远，并且把非线性函数转化为线性函数，前期准备工作量大，计算精度难以保证。在这些方法中，笔者认为，动态规划法相对来说更适合于管道参数的优化设计，在实际工程中应用较广泛。其基本思想是认为排水管道是一个多阶段的决策过程，通过对研究课题划分阶段，寻求最优路线来进行优化设计。3、确定合理的排水系统污水排水系统包括污水管网和污水处理设施。污水管网是收集和输送城市污水的工程设施，污水处理设施是净化城市污水的工程系统。合理地设计这一系统可以保证城市必要的生存环境和可持续发展。雨水和合流制排水系统设计都与流域特性有关。如：流量过程线、土壤接类型和覆盖、气候(降雨和蒸发部分)、可接受的风险和洪水的影响等。径流过程的调节使降雨和径流之间的关系变得十分复杂；在进行排水系统设计时，还应考虑以下因素：与邻近区域内的污水与污泥处理和处理协调的问题；与邻近区域及区域内的给水系统、洪水和雨水的排除系统相协调的问题；适当改造原有排水工程设施，充分发挥其工程效能的问题和对接入城市排水管网的工业废水水质的限制。4、选定排水系统的体制合理地选择排水系统的体制，是排水工程师在规划和设计时要面对的重要问题。排水系统体制的选择应满足环境保护的需要，根据当地条件、运过技术经济比较来确定；环境保护和保证城市可持续发展则是选择排水体制时所要考虑的主要问题。目前，国际上对这一部分污水的水质、水量控制和处理途径的研究十分活跃。实践证明，采用截流式合流制的城市，随着建设的发展，河流的污染日益严重，甚至达到不能容忍的程度。分流制可以将城市污水全部送至污水厂进行处理．但初降雨水径流未加处理直接排入水体，这是它的缺点。近年来，国内外对雨水径流的水质调查发现，雨水径流特别是初降雨水径流对水体的污染相当严重。分流制虽然具有这一缺点，但它比较灵活，比较容易适应社会发展的需要，一般又能符合城市卫生的要求，所以是城市排水系统体制发展的方向。结束语市政排水系统是一个复杂的工程，是城市道路设计的重要组成部分，市政道路排水工程规划与设计与设计占有重要的地位。在规划与设计城市排水时要善于发现问题，并妥善处理好城市发展中可能面临的水资源、水环境、水灾害问题。高质量地编制好城市排水规划，不仅是排水工程规划与设计自身的需要，而且是城市面向未来，走上可持续发展之路的保障。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（11）：87.[2]周琦;禹华谦;;改进的“两相优化法”在排水管网优化设计中的应用[J];工业安全与环保，2006（03）：128.[3]陈建欣.城市给排水管道网技术设计方法分析[J].城市建设，2010（2）：59.