摘要 ：本文分析了市政排水管網的現狀， 指出了排水管網優化設計規劃中存在的問題，并提出改進方案， 系統闡明排水設計過程中存在的明顯問題， 并提出各種排水管網優化設計的方法， 最后通過各種排水管網設計方法的對比進行探討。

　　關鍵詞 ： 排水管網； 規劃；優化設計

　　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

　　隨著我國國民經濟的持續快速發展,市政建設的規模也在不斷擴大。近年出現了許多新型管材, 新型管材與傳統管材相比，在運輸、施工安裝等方面有著無可比擬的優越性。如何合理布置管道，確定管徑，正確選擇排水管材,對確保工程質量、縮短工程工期、降低整個工程造價、保證整個工程順利進行等都具有十分重要的意義。

　　1 市政排水管網現狀

　　市政排水工程規劃涵蓋在城市總體規劃、控制過程規劃和修建規劃中， 其作用是要指導下一層次的排水專業規劃或排水工程設計。市政排水工程規劃的根本任務是： 分析區域現有排水系統情況； 確定排水體制和劃分排水區域； 確定排水量預測方法和指標； 進行排水量預測； 進行排水系統布局； 確定排水處理設施種類、數量、位置和用地； 布置排水管道及進行相關計算等。

　　1.1 市政排水沒有以城市的可持續性發展作為其規劃的依據， 缺乏超前性

　　市政排水管網修建完成后， 短的要服務十幾二十年， 長則達到三四十年。在這個期限內， 城市居民用水、城鎮人口密度、工業用水量標準、土地服務范圍等指標都是應該充分考慮和在規劃中有所體現的。很多城鎮排水工程規劃中的排水量預測都缺乏"超前量"， 在初步規劃時， 只考慮了當時的需要， 但不久后便發現規劃有其發展局限性。好的排水規劃是指導排水工程設計的， 應及時進行編制或修編，同時應注意其時效性。

　　1.2 市政排水體制不能"與時俱進"

　　排水系統的體制一般分為合流制、分流制以及混合制。改革開放以來， 城鎮建設日異月新， 但很多老城區的居民生活污水、工礦生產廢水和雨水大部分還是直接排入附近江河， 給生態環境造成嚴重污染。改進方法有： （a）應在舊城區采用截流式合流制系統， 在兩河岸邊建造一條截污管（截流干管）， 同時在截流干管處設置溢流井， 并設置氧化溝和污水廠， 污水經過處理后再排入江河；（b）在新城鎮區域或開發區， 一開始規劃時就應采用完全分流制系統， 將雨水、污水完全分開來設置管道， 雨水排入鄰近河流， 污水則進入污水處理廠處理后再排入河流。但是在普遍提倡分流制排水系統的今天， 也不能盲目規劃、設計、施工， 否則不但會導致工程造價攀高， 也會給日后的維修和養護工作帶來難度。必須要結合當地實際情況， 靈活選擇最經濟可行、同時也滿足城市發展需要的排水體制。

　　1.3 市政排水管網規劃未做到統籌兼顧

　　市政排水工程規劃是動態的， 在排水體制、排水量標準、排水主干管的定線工作完成以后， 可以根據實際情況進行局部調整， 以便工程的具體實施。應做到使排水管網規劃同城鎮發展總體規劃相一致和協調， 同建筑規劃、城市路網規劃、地上和地下基礎設施規劃等相配合， 且規劃服務年限稍長時， 排水體制、排水量標準預測都應留出富余之地。

　　2 市政排水管網優化設計的方法

　　市政排水管網的優化設計主要是解決在已定平面布置方案下， 排水管徑、埋深及提升泵站的優化設計以及排水管網平面布置方案的優化研究。

　　2.1 已定平面布置下的管道系統優化設計

　　排水管道優化設計主要是指： 對于某一設計管段, 當設計流量確定后， 在滿足設計規范要求的管徑和坡度的多種組合中， 取得管材費用與敷設費用的平衡。在排水管線平面布置已定情況下， 對于管段管徑-埋深的優化設計, 國內外做了大量研究工作。

　　2.1.1 線性規劃法和非線性規劃法

　�。�1）線性規劃法，是針對排水管網設計計算中的約束條件和目標函數的非線性， 分別用其一級泰勒公式展開式代替， 用線性規劃的解作為問題的近似解， 反復迭代， 使迭代序列逼近非線性規劃的最優解。缺點是把管徑當作連續變量來處理， 存在計算管徑與市售管徑不一致的矛盾， 且前期準備工作量大。以后發展的整數規劃法， 雖然在一定程度上解決了線性規劃的缺點， 但是其整型變量比較多， 難以求解。

　�。�2）非線性規劃法，適應了計算模型中目標函數和變量的非線性特征， 可以優化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數和約束條件的形式。

　　2.1.2 動態規劃法

　　動態規劃法是目前國內外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設計看作一個多階段的過程，通過對設計過程進行階段劃分來對管道進行優化設計。其應用主要分為兩方面：

　�。�1）以節點埋深為狀態變量， 通過坡度決策進行全方位搜索。其優點是直接采用標準管徑， 結果與初始管徑無關， 且能控制計算深度， 但要求狀態點之間的埋深間隔很小， 使存儲量和時間間隔大為增加。因此在此基礎上引入了擬差動態規劃法， 在動態規劃法的基礎上引入了縮小范圍的迭代過程， 但應用有一定的局限性。

　　（2）以管徑為狀態變量， 通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數目有限， 因此在計算速度和存儲量上都有很大優勢。以后又發展出了可行管徑法。此法使優化計算精度得以提高， 并顯著減少了計算工作量和計算機存儲量。盡管動態規劃法是解決多階段決策問題的一種有效方法， 但在排水管道系統設計計算時， 前一段的設計結果將直接影響到后續管段設計參數的選用， 因此利用動態規劃法求出的污水管道優化設計方案也并不一定是真正的最優方案。

　　2.1.3 直接優化法

　　直接優化法是直接對各種方案或可調參數的選擇設計計算和比較來得到最優解， 具有直觀和容易驗證的優點。主要方法有：

　　（1）電子表格法是一種啟發式的費用估算方法， 允許用戶尋找最小費用設計， 能得出比動態規劃法要好的結果而且更符合設計規范的要求。

　�。�2）兩相優化法是設計流量確定后， 在滿足約束條件的前提下， 選取最經濟流速和最大充滿度進而得到最優管徑和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深。直接優化法的算法與人工算法基本相同， 但受設計人員的能力所限， 所得結果不盡相同， 所以所求結果不一定是最優解。

　　2.1.4 遺傳算法

　　遺傳算法是進化算法一個分支， 是模擬生物學中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統優化設計問題時可以求得最優設計方案，但解決大型管道系統問題時， 只能求得趨近于最優解的設計方案。在排水管道系統優化設計中， 不論采用何種方法， 都以設計規范為基本要求， 同時使費用達到最小。

　　2.2 管線的平面優化布置

　　排水管網的布置原則是既要使工程量最小， 又要使水流暢通、節省能量。正確的定線是合理經濟的設計管網的先決條件。定線的基本原則是： 干管支管的設計盡量采用直線布局， 不要拐彎； 定線應盡量利用地勢， 使污水在重力作用下流入污水廠； 設計時應盡量減少管道埋深； 在管道的中途盡量減少提升泵站的設置。在早期的研究中， 設計方法為假定每一段管徑相同， 以挖方費用為優選依據， 選擇一初始布置方案， 然后通過仔細的驗算，逐步進行調整。后來又引入了排水線的概念， 將排水區域內與最終出水口節點相距同樣可行管數的節點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉化為最短路問題， 可用動態規劃法求解。但此方法把尋優的范圍被限制， 使人們在設計過程中很容易把最優方案排除。后來， 人們把城市排水系統排水布置抽象為由點和線構成的決策圖， 從圖論中尋找方法。1986年發展到利用三種權值來解決問題。三種權值是各管段地面坡度的倒數； 各管段的管長； 各管段在滿足最小覆土條件下， 按最小坡度設計時的挖方量。分別對這三種權值運用最短路生成樹算法求管線平面布置方案, 再進行管徑、埋深和提升泵站的優化設計,最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優設計方案。

　　3 排水管網優化設計方法的對比（如表1）

　　合理的排水規劃、設計能盡快地將雨水、生活、工業污水排除， 減少水資源的污染， 保護環境， 美化城市， 對城市的可持續發展和和諧社會的建設都是大有裨益的。城市排水工程應遵循的一般規劃、設計的原則和方法如表1所示。

　　結束語

　　綜上所述,市政排水管網優化設計是一個實踐經驗與能動性相結合的過程。在滿足規范要求、注意設計控制要點的同時,要根據實際情況, 因地制宜、因時制宜, 選擇最好的方法，并優先選用新型管材,盡量做到既質量優良, 又經濟合理、施工方便。

　　參考文獻

　　[1] 譚靜文. 論市政排水規劃與設計的若干問題[J].沿海企業與科技,2009

　　[2] 伊學農， 劉遂慶，周琪. 用遺傳算法實現污水管網的優化設計[J].中國給水排水,2005

　　[3] 黃廷林，馬學尼.水文學［M］.北京：中國建筑工業出版社,2006

　　[4] 曾濱， 謝文軍. 市政排水管網規劃和優化設計探討[J].山西建筑,2009

　　[5] 張淑賢. 市政排水管道設計時需注意的問題[J].科技資訊,2009