摘要：本文以管網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象,以費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)市政排水管網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了較深入的分析。文中還提到了數(shù)學(xué)模型(目標(biāo)函數(shù))在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為最優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的理論依據(jù)。對(duì)節(jié)省管網(wǎng)總投資費(fèi)用和實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

　　關(guān)鍵字：市政排水管網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

　　一、確定排水系統(tǒng)的體制

　　合理地選擇排水系統(tǒng)的體制，是城市排水管網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)要面對(duì)的重要問題。它的選擇不僅從根本上影響排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)管理，而且影響排水系統(tǒng)工程的總投資和維護(hù)管理費(fèi)。環(huán)境保護(hù)和保證城市可持續(xù)發(fā)展則是選擇排水體制時(shí)所要考慮的主要問題。

　　從環(huán)境保護(hù)方面來看，如果采用全處理式合流制，效果較好，但這要求主干管尺寸很大，污水廠容量也增加很多，建設(shè)費(fèi)用也相應(yīng)地增高。另外一種是采用截流式合流制，雨天有部分混合污水通過溢流井直接排入水體，對(duì)環(huán)境影響較大。目前國(guó)際上對(duì)這一部分污水的水質(zhì)、水量控制和處理途徑的研究十分活躍。

　　從控制和防止水體的污染來看，采用分流制可以將城市污水全部送至污水廠進(jìn)行處理，但初降雨水徑流未加處理直接排入水體，這是它的缺點(diǎn)。分流制雖然具有這一缺點(diǎn)，但它比較靈活，比較容易適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要，一般又能符合城市衛(wèi)生的要求。所以新建的排水系統(tǒng)一般應(yīng)采用分流制，它是城市排水系統(tǒng)體制發(fā)展的方向;

　　從造價(jià)方面來看，合流制排水管道的造價(jià)比完全分流制一般要低20%一40%：可是，合流制的污水廠卻比分流制的造價(jià)要高。還有一種不完全分流制，其初期只建污水排水系統(tǒng)。投資均比采用全處理合流制和完全分流制要小，因而可節(jié)省初期投資費(fèi)用，又可縮短施工期，發(fā)揮工程效益也快。

　　從維護(hù)管理方面來看，晴天時(shí)污水在合流制管道中只是部分流，雨天時(shí)可達(dá)滿管流，因而晴天時(shí)合流制管內(nèi)流速較低，易于產(chǎn)生沉淀。晴天和雨天流入污水廠的水量變化很大，增加了合流制排水系統(tǒng)污水廠運(yùn)行管理中的復(fù)雜性。而分流制系統(tǒng)可以保持管內(nèi)的流速，不致發(fā)生沉淀。同時(shí)，流入污水廠的水量和水質(zhì)比合流制變化小得多，污水的運(yùn)行易于控制。

　　二、排水管網(wǎng)的規(guī)劃與布置形式

　　城市排水管網(wǎng)的主要是指是收集和輸送雨、污水的一整套工程設(shè)施和構(gòu)筑物。排水管網(wǎng)的規(guī)劃是在區(qū)域規(guī)劃以及城市和工業(yè)企業(yè)的總體規(guī)劃基礎(chǔ)上進(jìn)行的，排水管網(wǎng)規(guī)劃與設(shè)計(jì)的有關(guān)基礎(chǔ)資料，應(yīng)以區(qū)域規(guī)劃以及城市和工業(yè)企業(yè)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)方案為依據(jù)。排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)規(guī)模、設(shè)計(jì)期限，應(yīng)根據(jù)區(qū)域規(guī)劃以及城市和工業(yè)企業(yè)規(guī)劃方案的設(shè)計(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)期限而定。

　　排水管網(wǎng)的布置應(yīng)根據(jù)地形、道路建設(shè)情況、土質(zhì)、原有和規(guī)劃的地下設(shè)施，施工條件以及城市污水處理廠的位置等因素進(jìn)行綜合考慮確定。其布置形式可分為平面布置和高程布置。

　　1.平面布置形式

　　平面布置形式又可分為：正交式排水系統(tǒng)、分區(qū)式排水系統(tǒng)、分散式排水系統(tǒng)和小區(qū)排水系統(tǒng)、平行式排水系統(tǒng)。

　　在地勢(shì)向水體適當(dāng)傾斜的地區(qū)，干管以最短距離沿與水體垂直相交的方向布置，這種布置也稱正交布置。正交布置的干管長(zhǎng)度短、管徑小，因此較為經(jīng)濟(jì)。在現(xiàn)代城市中，這種布置形式僅用于排除雨水。

　　在地勢(shì)高低相差很大的地區(qū)，當(dāng)雨、污水不能靠重力流流至污水廠或出水口時(shí)，可采用分區(qū)布置形式�？煞謩e在高地區(qū)和低地區(qū)鋪設(shè)獨(dú)立的管道系統(tǒng)。高地區(qū)的雨、污水靠重力流直接流入污水廠或出水口，而低地區(qū)的污水用水泵抽送至高地區(qū)干管或污水廠，低區(qū)雨水用泵站排入水體。這種布置只能用于個(gè)別階梯地形或起伏很大的地區(qū)，它的優(yōu)點(diǎn)是能充分利用地形排水，節(jié)省能源。

　　城市周圍有河流，或城市中央部分地勢(shì)高、地勢(shì)向周圍傾斜的地區(qū)，各排水流域的干管常采用輻射狀分散布置、各排水流域具有獨(dú)立的排水系統(tǒng)。這種布置具有干管長(zhǎng)度短、管徑小、管道埋深較淺、便于雨水排放等優(yōu)點(diǎn)，但污水廠和泵站的數(shù)量將增多。小區(qū)內(nèi)排水管網(wǎng)的平面布置形式主要與建筑物的分布和道路規(guī)劃情況有關(guān)。應(yīng)注意把管道敷設(shè)在較低的一邊，在地勢(shì)較平時(shí)可在小區(qū)四周或內(nèi)部多設(shè)管道以便能方便接管。另外管道在相接時(shí)最好能銳角接入，以保證良好的水流條件。

　　在地勢(shì)向河流方向有較大傾斜的地區(qū)，為了避免因干管坡度及管內(nèi)流速過大，使管道受到嚴(yán)重沖刷，可使干管與等高線及河道基本上平行、主干管與等高線及河道成一定斜角敷設(shè)，這種布置也稱平行式布置。其優(yōu)點(diǎn)是減少跌水井?dāng)?shù)量，降低工程總造價(jià)。

　　一個(gè)城市的地形是非常復(fù)雜的，加之城市豎向規(guī)劃的限制，在平面布置時(shí)很難只用上述某一種形式進(jìn)行布置，而必須根據(jù)實(shí)際條件靈活掌握

　　2.高程布置形式

　　排水管網(wǎng)的高程布置應(yīng)根據(jù)城市的豎向規(guī)劃，保證排水區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的雨水、污水都能夠排出，并應(yīng)留出余地以便有利于以后發(fā)展。在確定具體方案時(shí)，應(yīng)保證最小覆土厚度，減少管道的埋深，降低工程造價(jià)，并綜合考慮環(huán)境衛(wèi)生、地質(zhì)、電源和施工條件等因素。

　　三、排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)通常以建設(shè)投資費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，求解目標(biāo)函數(shù)的極小值，即用數(shù)值方法解決排水系統(tǒng)優(yōu)化問題，一般有四個(gè)步驟：

　　(1)建立數(shù)學(xué)模型多數(shù)排水工程，往往是一個(gè)多變量、多目標(biāo)、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)，它的實(shí)際問題包含著許多復(fù)雜的因素。首先把實(shí)際的排水系統(tǒng)簡(jiǎn)化，使其只包含反映基本特征的關(guān)鍵因素，然后定量表達(dá)這個(gè)排水系統(tǒng)，一套給排水優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型也就隨之建立。建立數(shù)學(xué)模型一般需要引入設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三個(gè)基本要素。

　　(2)構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)通常一個(gè)設(shè)計(jì)方案可以用一組基本參數(shù)的數(shù)值來表示。選取哪些參數(shù)，因各設(shè)計(jì)問題而定。在設(shè)計(jì)時(shí)，有些參數(shù)可以根據(jù)工藝、運(yùn)行和使用要求預(yù)先給定，而另一些則需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇，這部分參數(shù)可看作變量，稱為設(shè)計(jì)變量。這種變量是一種相互獨(dú)立的基本參數(shù)。

　　(3)確定約束條件在設(shè)計(jì)空間中，所有設(shè)計(jì)方案并不是工程實(shí)際都能接受的。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)變量的取值加以種種的限制。這種限制稱為約束條件(或約束)。

　　(4)尋求優(yōu)化算法求解數(shù)學(xué)模型時(shí)，要根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)與備選方案的多寡來選擇不同的優(yōu)化方法。實(shí)際工作中有以下幾種情況：1)評(píng)價(jià)目標(biāo)只是一個(gè)定量指標(biāo)(通常是費(fèi)用)，且可變的方案很多又無法簡(jiǎn)單一一列舉時(shí)，則要運(yùn)用最優(yōu)化方法求出其最優(yōu)解。2)評(píng)價(jià)目標(biāo)只是一個(gè)定量指標(biāo)，而備選的方案不多，對(duì)備選方案進(jìn)行模擬計(jì)算，并從中擇優(yōu)選定。3)評(píng)價(jià)目標(biāo)不只一個(gè)定量指標(biāo)，多種目標(biāo)之間彼此又有矛盾，通過各目標(biāo)之間的權(quán)衡和協(xié)調(diào)加以優(yōu)選，并做出相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)，然后利用計(jì)算機(jī)的快速分析和計(jì)算，得出最優(yōu)值。數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解，只是對(duì)所有模型來說為最優(yōu)，而對(duì)現(xiàn)實(shí)問題來說，還可能不完全合乎理想。因此，采用試算法得到一連串的解，并通過靈敏度分析來確定影響求解的關(guān)鍵要素和參數(shù)，以找到一個(gè)合乎理想的最優(yōu)解，從而確定最優(yōu)方案。

　　總結(jié)：

　　排水管網(wǎng)的規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很復(fù)雜很重要的工作。應(yīng)根據(jù)城鎮(zhèn)及工業(yè)企業(yè)的規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)的要求、污水利用情況、原有排水設(shè)施、水質(zhì)、水量、地形、氣候和水體等條件，從全局出發(fā)，綜合考慮，在滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的條件下，得出科學(xué)合理和安全實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，使排水管網(wǎng)的建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用最低。

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