市政排水管网优化设计的方法探究
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作者: 刘源
摘要：随着经济的发展，城市化进程的加快，城市人口快速增加，城市居民生活污水排放与工业废水的排放与日俱增，用于污水管理和处理的费用也不断增加。市政排水管网建设不当或者设施不完善已经引起了很多问题，这些问题也影响到居民的生活及环境的质量。污水会对环境造成污染，排水体系的不健全造成雨污合流，导致治理污水的成本加大，治理效果却不如人意。本文主要对排水网管建设的优化设计中几个主要问题进行分析，希望能对排水网管的建设提出一些建议。
关键词：排水管网；优化设计；设计方法
城市市政建设中一个重要的组成部分就是排水管网，排水管网建设投资比例占整个排水系统的一大半。因此要对城市污水进行集中处理，需要耗费大量的财力，为了实现这一目标，必须对排水管网进行优化设计，才能减少工程的投资，具有重要的经济意义。对市政排水管网进行优化设计，重点在于对已定平面布置方案的基础上，对埋深、提升泵站、管径的优化设计，从而实现排水管网的平面布置的优化。
1、我国市政排水管网的现状
1.1 规划设计问题
当前排水规划整体而言, 存在不合理的状况十分常见。排水管网的规划设计，要与城市整体规划相协调，而管网建设有其自自己的特点，一般管网建成后的使用年限都在五十年以上，而城市的发展不可能五十年不年，几乎的天天再变，城市的扩大，人口的增多，排污量的增加，都对排水管网造成巨大的压力，因此，排水管网的的使用情况已经很难适应城市发展的需求，迫切的需要重新规划设计。
1.2排水体制问题
排水系统体制主要分为两大类：合流制与分流制,当然混合制在城市中也是常见的逛网系统之一，是在合流制的管网设计城市要扩大排水系统的情况下会出现的。而在规模较大的城市中，由于各区域的具体情况不同，存在一定的差异，所以要因地制宜的采取适合地区发展的排水体制。而在老城区的管网体制中，一般采用截流式的合流制体制，需要在两河岸边建筑一条截流干管，并在此处设置一个溢流井，污水厂的位置也就设立在此处。天气晴好的时候，所有的污水都送到污水处理厂进行处理，处理后的水直接排放到河流之中，而遇到雨天的时候，随着雨量的增加，可以允许部分污水进入到河道中。随着经济的发展，对老城区的改造工程日益增多，随着改造的不断深入，这种污水处理的方法也就逐渐失去效用，因为其污染现状自然得到消除。其次就是雨水和污水完全分流的体质，也就是对雨水和污水各自设置独立的管道，雨水直接排放到河流之中，而污水直接进入污水处理厂进行处理。排水体制的设置，要根据城市实际的情况来确定。
2、已定平面布置下的管道系统优化设计
排水管道的优化设计针对的主要是对某一管段的设计, 在设计流量得到确定后，还要满足设计规范要求坡度与管径等多种因素的融合，得到管材与铺设管材的费用的平衡值。排水管线平面在布置已定的时候，对管道的优化设计和埋深等问题国内外都已经做了大量的研究工作。主要可以体现在以下几个方面：
2.1线性规划法与非线性规划法
2.1.1线性规划法
所谓的线性规划法是对排水管网设计计算过程中，其目标函数与制约条件的非线性，用泰勒公式的展开式来替代，然后把线性规划的解作为问题的近似解，如此反复迭代后与非线性规划的最终解越来越接近，从而找出最优解。这种算法虽然可以找出最优解，但存在不足，其缺点在于把管径作为连续的变量进行处理，造成实际管径与计算管径出现偏差的问题，而且需要大量的前期准备。继线性规划法之后出现的整数规划法，弥补了线性规划的缺陷，其整型变量较多的原因，也导致求解的过程较为复杂。
2.1.2非线性规划法
所谓的非线性规划法主要是适应计算模型中目标函数与变量的非线性特点，对管道的深埋与直径进行优化选择，不足之处在与限制了约束条件和目标函数的形式。
2.2 动态规划法
目前国内外用的较为广泛的方法叫做动态规划法，是指把排水管道设计当作一个多阶段的过程来看待的思想方法，设计过程的阶段性划分的手段成为管道优化设计的又一方法。这种方法在实际应用中有两方面需要注意的的问题：其一，状态变量设置为节点的埋深设计，全方位搜索坡度的范围。其主要的优势在于采用的是标准管径，结果与初始管径没有联系，而且可以对计算的深度进行控制，不足的是对状态点的要求很苛刻，必须埋深间隔很小，使时间间隔与存储量大为增加。所以在这个前提下采用动态规划法，然后在动态规划法的前提下又对迭代过程不断把范围缩小，但是实际操作中还是会有一些不足之处。其二，状态变量设置为管径，通过对流速和充满度进行决策。原因在于对标准管径使用的数目是一定的，因此在计算速度和存储量上方便很多，随后又产生了可行管径法。这种方法使计算的精度大为提高，并且使计算的存储量和计算的工作量大大减少。虽然动态规划法是有效解决多阶段决策问题的较好的方法，但是在排水管网设计中，第一阶段的设计结果会对后续阶段的设计参数有直接的影响，所以，用动态规划法对污水管道进行优化设计还是存在一定的缺陷。
2.3 直接优化法
对可调参数与各种方案的选择尽心比较和计算，得到最优解的方法，称之为直接优化法，直接优化法最大的特点在于容易验证和比较直观。主要操作主要分为：第一，两相优化法。在设计流量确定之后，选取最大充满度和最经济流速的最优管径和最小坡度，管道的埋深最大限度的进行降低。这种算类似于人工算法，但受设计者个人素质和能力的限制，算得的结果会出现偏差，因此，该算法所得的结果并非最优解。第二，电子表格法。电子表格最大的特点是清晰明了、便于计算，用电子表格作为估算费用的方法，可以使用户对最低费用的设计便捷的寻找出来，得到比动态规划法更好的结果，这就更加更符合设计的要求。
2.4 遗传算法
作为进化算法的一个分支的遗传算法，其方法出现的原理是对自然遗传变异机制的模拟而产生的随机优化算法。遗传算法解决了中小型管道的设计优化难题，可以得到最佳的设计方案，但是其缺点在于无法对大型管道进行最优计算，在计算时，只能得到与最优解的设计方案接近的结果，在排水管道设计优化中，采用何种算法要根据具体情况而定，但相同的一点在与一定要以规范设计作为基本要求，并且把费用控制在最低程度。
3、管线的平面优化布置
排水管网在布置时，首先要考虑水流畅通、节省能量，还要考虑工程量的大小小。所以正确的定线是合理控制经济的首要条件。定线原则：尽量采用直线对支管干管进行设计布局，少拐弯；根据地势进行定线，污水可以在重力作用下自动流到污水处理厂；管道中途尽量取消或减少提升泵站的设置；尽量减少管道埋深。过去的研究中，设计方法都是把每一段管径看作一样的，用挖方费用为优选的条件，找初始布置方案，然后通过算法进行调整。在排水概念引入后了，出水口节点距离与排水区域内相距相同可行管数的节点，采用一根排水线相连接，问题就转变为最短路的问题，再用动态规划法进行求解，此法不足在于寻优的范围受到限制，设计中无意就把最优方案排除掉，之后城市排水系统排水布置被抽象成点与线构成的图，根据图纸寻找方法。再到1986年有了更大的发展，利用三种权值来解决问题，通过地面坡度倒数、各管段管长及各管断满足的最小覆土条件，从而找出最优的设计方案。小结市政排水管网的优化设计, 是现在市政工程的重点工程, 要充分利用排水体制, 并在管网上进行优化设计, 选择新型材料，排水管网设计才更好。
参考文献
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