城市污水管網系統優化之我見

桑源

（吉林省松原市市政工程管理局，吉林 松原 138000）

引言

城市排水管網是現代化城市不可缺少的重要基礎設施，其在市政與環境工程建設中所占總投資的比例很大，也是水污染防治和排澇減災的骨干工程。人們通常把給水管網稱為城市“動脈”，而把排水管網就是城市的“靜脈”。城市污水管網作為“靜脈”的一支發揮著巨大的作用。很難想想，現代文明城市能夠離開排水管網而獨立存在。排水管網設施建設的好壞將直接關系著城市的發展水平，影響著城市景觀和環境衛生，影響著城市品位和投資環境，甚至關系到城市的安全。然而，由于歷史的原因，我國城市污水管網系統建設存在著自身的一些問題，加之使用后的老化問題，是的我國城市污水管網建設亟待改進。

1 城市污水管網設計與優化的意義

在傳統的污水管網優化設計程序中，設計人員在掌握了較為完整可靠的設計基礎資料后，先根據管道定線和系統布置的原則，再憑經驗確定出一種較為合理的管網系統布置圖，然后計算各管段的設計流量，并以有關的設計規定作為控制條件，從上游到下游依次進行各設計管段的水力計算，求出各管段的管徑、坡度以及在檢查井處的管底標高和埋深。計算中，一般只是憑經驗對管徑和坡度進行適當的調整，以求達到經濟合理的目的，但其合理程度受到設計人員個人能力的限制，另一方面大多數計算采用反復查閱圖和表的方法進行，工作效率低，時間長，不利于設計方案的優化。且用這種傳統的優化設計方法很可能遺漏最優設計方案，導致排水管網投資出現不必要的浪費，同樣還會給管道施工和以后的維護管理帶來困難。

隨著計算機及其相關學科的發展，各行各業對工程設計的要求越來越高，從初步利用計算機繪圖和簡單的計算，到利用計算機進行優化設計和科學調度，均說明了計算機在各個領域所起到的作用以及帶來的經濟效益。系統分析方法、最優化理論以及計算機技術的發展和廣泛應用，為排水管網優化研究提供了必要的理論基礎和實現手段，逐漸使排水管網的優化設計工作向著智能化方向發展，以提高設計效率，降低工程造價。

隨著國民經濟的不斷發展，城市化的不斷推進，城市建設日新月異，對環境保護日益加強，這就要求國家大量投資建設污水管網。根據統計，我國城市污水管網設施的投資渠道主要來自國家撥款和地方財政，限于政府財力的制約，不可能滿足各方面對投資的需求，許多城市的污水管網建設臨著建設資金嚴重不足的困境。因此，對污水管網進行優化設計，尋求滿足各種技術條件又能使整個系統建設和運營費用最低的設計方案，不僅具有重要的理論和應用價值，而且具有明顯的經濟和社會效益。

2 城市排水管網建設的現狀分析

我國幅員遼闊，城市眾多。政府在城市排水工程的投資額度很大，而生活住宅區和工礦企業的排水管網投資一般占整個排水系統工程總投資的70%左右。然而，由于歷史的原因，我國城市污水管網系統建設存在著自身的一些問題，加之使用后的老化問題，是的我國城市污水管網建設亟待改進。據統計，我國目前的城市污水管網普及率與工業發達國家比差距較大。而隨著城市化的推進，農村人口向城鎮大量轉移，城市人口迅速增加。與此同時，城市中的工礦企業如雨后春筍般涌現，使得城市污水排放量急劇增長。這些壓力使得現有的城市排水管網己經不堪重負，我國各地需要新建和改造城市排水管網的需求量越來越大，國家每年投入大量的資金進行排水管網的維護和建設。

從我國污水管網建設的基本步驟來看，在設計階段就基本確定了工程投資的規模大小。這就是說，城市污水管網的規劃設計將直接影響工程總投資和社會效益。雖然污水管網的規劃設計不涉及很復雜的計算理論，但是由于排水管網系統布置和水力參數計算都有眾多可行的設計方案，需要進行多次的選擇和計算，再加上各管段之間的連接以和眾多的約束條件使得排水管網設計的工作量大而繁雜。

3 城市污水管網系統優化的幾點建議

3.1 雨水口位置的設置。城市排水系統的安全性無疑是最重要的。在城市排水系統運行過程中，最常發生的是很多路段地面積水嚴重，一部分是由于車輛超載致使路面損毀、坑洼不平造成的積水。主要是因為設計人員雨水口設置的隨意性，教條的根據規范20至40米設置一個雨水口，并沒有充分考慮到雨水口的收水功能，造成沿街單位、居住小區出入口、道路交匯處積水現象嚴重。解決方法：雨水口宜于設置在匯水點和截水點上，如道路匯水點、街道的最底處、十字路口處應根據道路坡向設置在低處，雨水口不宜設置在地勢高的地方、道路轉彎曲線段、建筑物門口等。雨水口的合理設置對城市防洪排澇有著積極作用。

3.2 雨水出處。雨水從整體來說是比較干凈的，無需處理，主要是就近排入自然水體中。雨水系統由于管徑大，從而造價高，如果能縮短雨水管線距離、減小匯水面積的小區域排放可以極大縮減雨水系統造價，這就要求有受水區域，如果城市新建區能增加人工受水區域如：人工湖，或保留原有較大的自然水體，這樣既美化了市區又將極大節省雨水管網的投資。

3.3 最優化方法。廣義而言，所謂“最優化設計”就是從完成某一任務的所有可行方案中按某一標準找出最好的方案。因此對于各種事物，只要存在不同的解決辦法，就存在最優化問題。排水管網的優化設計就是先通過建立抽象或簡化的管網模型，以最優化方法為理論基礎，以經濟因素為目標函數，以水力要素為約束條件，尋求技術可行、經濟合理的排水管網設計方案。

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，來得到相對最優解或滿意解。

在排水管道優化設計中，人們更傾向于直接優化法。雖然排水管道計算采用的水力計算公式很簡單，但是不能任意選擇管徑，也就是說管徑尺寸是不可能連續變化的，最大充滿度又受約束于管徑。所以關于最小設計流速、流速變化及其與管徑之間關系的約束條件等都不能用數學公式來描述。因此，很難建立一個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、容易驗證的優點。

4 結束語

城市污水管網優化不僅是單純理論上的將工程造價值降到最低，其最主要的問題還是得保證排水的安全、穩定性，保證城市不被污染、不發生內澇。所以在設計階段就要總結老城區排水中存在的問題，在源頭上解決后患，在此基礎上將造價降低才是正真意義上的排水優化。

[1]顧國維.水污染治理技術研究[M].上海:同濟大學出版社，1997.

[2]周玉文，趙洪賓.排水管網理論與計算[M].北京:中國建筑工業出版社，2000.

[3]李樹平，劉遂慶.城市排水管道系統設計計算的進展[J].給水排水，1999.