城市排水管道系統設計計算的進展

吉林省磐石市供水公司 王曉川

城市排水管道系統設計計算的進展

吉林省磐石市供水公司 王曉川

排水系統是現代化城市不可缺少的重要基礎設施,也是城市水污染防治和城市排漬防澇、防洪的骨干工程。其中,生活住宅區和工礦企業的雨水和污水管道系統投資一般占整個排水系統的投資70%左右。因此,設計時如何在滿足規定的各種技術條件下,盡量降低管道系統的基建費用是設計工作中的一個重要課題。排水管道系統是一個龐大而復雜的系統,從已有的研究成果來看,其設計計算主要涉及到3方面的內容:(1)在管線平面布置已定情況下進行管段管徑2埋深的優化設計;(2)管線平面布置的優化選擇;(3)雨水徑流模型的建立。合流制排水管道系統通常具備溢流設施,用以限制輸送至當地污水處理廠的水量。由于溢流出來的雨水也就近排入河道,因此從水量角度而言,合流制排水系統對于排水區域的影響與分流制雨水系統實際上是相同的。

一、已定管線下的管道系統優化設計

對于在管線平面布置已定情況下進行管段管徑2埋深的優化設計問題,國內外做了大量開拓性工作,取得了豐碩成果。最優化方法一般分為兩種:間接優化法和直接優化法。間接優化法也稱解析最優化,它是在建立最優化數學模型的基礎上,通過最優化計算求出最優解;而直接最優化方法是根據性能指標的變化,通過直接對各種方案或可調參數的選擇、計算和比較,來得到最優解或滿意解。(1)直接優化法。在排水管道優化設計中,應用直接優化方法者認為:雖然排水管道計算采用的水力計算公式很簡單,但是由于管徑的可選擇尺寸不是連續變化的,不能任意選擇管徑;最大充滿度的限制又與管徑大小有關;關于最小設計流速、流速變化(隨設計流量增加而增大)及其與管徑之間關系的約束條件等都很復雜,也不能用數學公式來描述。因此,很難建立一個完整的求解最優化問題的數學模型來用間接最優化方法求解。相對而言,用直接最優化方法來解決這個問題具有直接、直觀和容易驗證等優點。(2)間接優化法。應用間接優化方法者認為:隨著優化技術的發展,盡管排水管道系統設計計算中存在著關系錯綜復雜的約束條件,只要對其中的某些條件適當取舍,合理地應用數學工具,就可以把它簡化、抽象為容易解決的數學模型,通過計算得出最優解。總之,在排水管道系統優化設計技術的發展過程中,間接優化法和直接優化法同時在應用著,都在不斷地改進和完善。以達到費用最小為目標。

二、管線的平面優化布置

研究人員在解決已定管線下的排水管道系統優化問題的同時就已經指出,對不同定線方案的優化選擇更具有適用價值。但由于已定管線下的設計是管線平面布置的基礎,加上目前已定管線下的優化設計計算并不成熟,造成了系統平面優化布置的進展甚微。

隨著時間的推移,研究人員發現,城市排水系統平面布置能夠抽象為由點和線構成的決策圖,于是轉向從圖論中尋找平面優化布置的方法。1986年,S.Tekel和H.Belkaya又應用了3種權值來解決:(1)各管段地面坡度的倒數;(2)各管段的管長;(3)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3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方案作為最優設計方案。

對于排水管道系統所有可行的管線敷設路徑構成的圖,各管段的實際權值只有在方案確定以后才能計算出來,因此屬于圖論中的變權問題,可是到目前為止,圖論中的變權問題尚無有效的解決方法。在國內,李貴義(1986)提出了簡約梯度法,陳森發(1988)提出了遞階優化設計法,這些方法也得不到令人滿意的結果。最近,遺傳算法的出現為排水管道系統平面優化布置提供了可能條件,因為遺傳算法的運算機制對目標函數和約束條件沒有特殊要求。G.A.Walters已經應用遺傳算法在城市給水排水、農田灌溉、電纜和煤氣管線方面進行研究。

三、雨水徑流模型方面的研究

我國雨水管渠的設計一直沿用推理公式法,1974年試行、1987年修訂的室外排水設計規范都是如此規定。推理公式法的計算方法是假定管渠中水流為均勻流,求得水流在管道中的流行時間;再假定雨水在地面的水流流速等于管渠中的水流流速,降雨歷時等于地面集水時間,由暴雨公式求得下一管段的最大設計流量。選擇一可行管徑作為設計管徑,由水力公式求得所需的水力坡度(或選擇一可行的水力坡度,來求出所需的可行管徑)。推理公式法應用明渠均勻流公式進行水力計算,其最大優點是簡單迅速。由于使用了歷史最大降雨資料,能夠得到偏于安全的設計。但是,已有的許多研究表明,推理公式法中基于推導公式的假定不盡合理,存在一些不夠完善的地方,主要表現在以下幾個方面:(1)沒有考慮降雨的空間變化。由于實際暴雨強度在受雨面積上的分布不均勻,當匯水面積較大時,所取的降雨歷時較長,按公式計算得出的下游管段的設計流量會出現較大的偏差。(2)理論上作了過分簡單的假設,使用者可能會不經檢驗地就借用其它地區公布的參數和常數,以便節省時間。設計因缺乏充分的實例資料,存在一定的盲目性。(3)只能計算洪峰流量,無法推求完整的徑流過程,對雨水調節池設計、合流制排水管道溢流流量計算無法適應要求。

近20年來,隨著城市徑流污染問題的日益突出,各種精度較高的城市水文、水力計算模型的建立顯得越來越重要。我國對城市徑流模型的研究起步較晚,目前已有一些結合我國實際的研究成果問世。如對雨水管網模擬的擴散波簡化和運動波簡化,對地表徑流系統的模擬技術包括:等流時線法、瞬時單位線法和改進推理法。

四、結束語

無論國內還是國外,在排水管道系統設計的理論計算和工程應用上均已取得很大的成果,也仍然存在著許多期待解決的問題。

[1]顧國維.水污染治理技術研究.上海:同濟大學出版社,1997

[2]傅國偉.給水排水系統優化導論(一).中國給水排水,1987,3(4):45～50

[3]MJ霍爾[英]著,詹道江等譯.城市水文學.南京:河海大學出版社,1989

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