優(yōu)化市政排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)探討

李 敏

(山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001)

1 概述

2012年8 月某城市發(fā)生了百年一遇的洪災(zāi)，如此大的洪災(zāi)居然沒(méi)有淹沒(méi)城市，事后調(diào)查發(fā)現(xiàn)該城市市政排水做得相當(dāng)?shù)轿?，有效疏散了兇猛的洪水。在城市建設(shè)中排水管網(wǎng)是市政工程重要組成部分，所耗費(fèi)資金幾乎占據(jù)著排水系統(tǒng)的80%。所以，對(duì)市政的排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 優(yōu)化城市排水管網(wǎng)的必要性

從我國(guó)城市基礎(chǔ)建設(shè)來(lái)看依然薄弱，尤其是城市中排水管網(wǎng)更加欠缺，如今其普及率僅僅占據(jù)65%。因此探究?jī)?yōu)化管網(wǎng)的設(shè)計(jì)十分必要，總體來(lái)說(shuō)其必要性體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面:1)優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)能夠有效緩解快速增加的污水量，能夠緩解排水系統(tǒng)的建設(shè)和所需之間的脫節(jié)。從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，現(xiàn)實(shí)中所排水系統(tǒng)的需求是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了排水系統(tǒng)的建設(shè)。2)優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)有效降低了排水系統(tǒng)建設(shè)的投資成本，成為了決定管網(wǎng)系統(tǒng)投資建設(shè)能不能夠成功的關(guān)鍵因素之一。3)因?yàn)槲覈?guó)的基礎(chǔ)建設(shè)比較薄弱，投資到城市基礎(chǔ)建設(shè)中的資金十分有限，優(yōu)化了管網(wǎng)設(shè)計(jì)直接讓所投資金獲得最佳投資效益。從各個(gè)方面分析來(lái)看，對(duì)市政排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)有效解決了所存在的問(wèn)題，不僅僅在理論上具有重要價(jià)值，還能有效解決管網(wǎng)的實(shí)際問(wèn)題，因此在應(yīng)用中具有廣闊前景。

3 案例分析

某城市位于東南沿海，處于亞熱帶的季風(fēng)氣候區(qū)，城市中地勢(shì)比較平坦，而且具有四季分明、降雨充沛、光照充足、空氣濕潤(rùn)等各種特征，在該城市中主要的氣候?yàn)?zāi)害之一就是暴雨，從相關(guān)統(tǒng)計(jì)可知，該城市每一年平均降暴雨天數(shù)是5.7 d。而且該城市交通便利、地勢(shì)平坦，因此成為了良好投資環(huán)境，經(jīng)過(guò)幾年大力發(fā)展逐漸成為了集貿(mào)易、文化、產(chǎn)業(yè)以及居住等等全職能綜合區(qū)。而且該城市人口數(shù)量在快速增長(zhǎng)，現(xiàn)有的排水管網(wǎng)已經(jīng)體現(xiàn)出嚴(yán)重的不適，許多居民家中排水管道都具有嚴(yán)重滲水現(xiàn)象。

3.1 排水管網(wǎng)現(xiàn)狀分析

要對(duì)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，就必須要從其現(xiàn)狀中分析存在的問(wèn)題，進(jìn)而在該問(wèn)題基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)況進(jìn)行優(yōu)化才具有真正價(jià)值?？傮w來(lái)看，案例中的城市排水管網(wǎng)具有如下一些不足:1)排水的體制不合理?，F(xiàn)在很多城市所用排水工程是分流制的排水體制，事實(shí)上這種排水措施存在不足，就是一些地方較為盲目應(yīng)用分流制，這種做法與當(dāng)?shù)貙?shí)況不相符而嚴(yán)重脫節(jié)，因此降低了排水系統(tǒng)的可行性。2)設(shè)計(jì)不合理。一些排水管設(shè)計(jì)和該區(qū)域排水系統(tǒng)之間并沒(méi)有有機(jī)結(jié)合，坡度與管徑設(shè)計(jì)都不大，導(dǎo)致根本不能夠連接到其他路段中的排水管，在設(shè)計(jì)排水管網(wǎng)中十分重要的參數(shù)就是排水設(shè)施設(shè)計(jì)的降雨重現(xiàn)期。本文所選案例中因城市降雨量比較大，所以必須要將降雨重現(xiàn)期設(shè)計(jì)稍微偏大，但是事實(shí)上設(shè)計(jì)卻稍微偏小，因此根本不能夠滿足發(fā)生強(qiáng)降雨后的行洪能力。3)排水設(shè)施相對(duì)滯后。案例中的城市一個(gè)重要問(wèn)題就是市政排水各種設(shè)施滯后，致使處理不達(dá)標(biāo)或者污水沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理就排入到河道，而對(duì)水體造成污染，其中比較嚴(yán)重的問(wèn)題有幾個(gè)方面:a.設(shè)計(jì)合流制存在問(wèn)題。在擴(kuò)建舊城區(qū)時(shí)，雨水與污水進(jìn)行合流，造成污水處理廠把旱天的污水引入進(jìn)來(lái)。一旦到了雨季，那么雨水和污水的混合水就極易超過(guò)截留量倒灌進(jìn)城市的水體中而污染。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅要考慮到雨水初期出現(xiàn)的截留量，還應(yīng)該研究溢流點(diǎn)被溢流之后對(duì)水的污染情況。b.設(shè)計(jì)雨水管問(wèn)題。對(duì)于一個(gè)城市而言，其水文環(huán)境并不會(huì)對(duì)城市建設(shè)造成多大影響，隨著城市化后埔徑流不斷增大，但是城市發(fā)展縮減了徑流匯流時(shí)間，敷設(shè)雨水管也沒(méi)有充分考慮到城市水文環(huán)境變化，比較常見(jiàn)就是應(yīng)用雨水量的計(jì)算方法，導(dǎo)致實(shí)況和所產(chǎn)生結(jié)果間不相符，致使城市的排水不達(dá)標(biāo)。

3.2 優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)

從前面分析可知該城市的排水管網(wǎng)中還存在各種不足，對(duì)正常所需造成一定影響，因此必須結(jié)合該城市實(shí)況采取合理的優(yōu)化措施。事實(shí)上，對(duì)排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)就是針對(duì)某設(shè)計(jì)管段，確定好了設(shè)計(jì)流量之后，滿足了設(shè)計(jì)規(guī)范要求管徑與坡度多種組合時(shí)，就要平衡管材費(fèi)用和敷設(shè)費(fèi)用。并且定下平面布置情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)管徑的埋深。

圖1 優(yōu)化給水設(shè)計(jì)

1)優(yōu)化給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。對(duì)于排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的給水管網(wǎng)，就是通過(guò)在已經(jīng)定線基礎(chǔ)上去探查管徑和水力參數(shù)間最優(yōu)化的組合解，這樣就是為了有效減小管網(wǎng)的年費(fèi)用折算值。對(duì)于城市的輸配水系統(tǒng)中必須要合理設(shè)計(jì)與改建，或者運(yùn)行及擴(kuò)建，不但能夠節(jié)約投資還能夠節(jié)省電能?，F(xiàn)在合理改造、調(diào)度、改建輸配水系統(tǒng)逐漸被重視，對(duì)于已經(jīng)定下來(lái)的管網(wǎng)就應(yīng)該對(duì)管網(wǎng)中的流量進(jìn)行合理分配，也可以在分配流量基礎(chǔ)上應(yīng)用優(yōu)化算法，本案例中就是通過(guò)管網(wǎng)計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算(見(jiàn)圖1)，包含了水量預(yù)測(cè)、阻力系統(tǒng)以及平差計(jì)算等等，優(yōu)化管道所設(shè)計(jì)的尺寸，同樣還應(yīng)該依據(jù)城市的地形特征，合理分布供水的區(qū)域，使用不同的壓力范圍進(jìn)行供水，有效降低管網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用。已經(jīng)投入使用的管網(wǎng)要合理進(jìn)行調(diào)度，確保用戶使用水的基礎(chǔ)上讓供水的壓力能夠滿足較小的服務(wù)水頭，確保具備較低的運(yùn)行費(fèi)用。

圖2 管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

2)優(yōu)化排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)。對(duì)排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，基本上就是優(yōu)化已經(jīng)定下來(lái)的平面布置和定線下的管網(wǎng)參數(shù)即可?，F(xiàn)在優(yōu)化排水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)大多數(shù)是定線下管網(wǎng)的參數(shù)，而且?guī)缀醵际羌性诮鉀Q管徑與埋深，及不同的管段間優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)上。在設(shè)計(jì)某一管段，一旦確定了流量之后，能夠滿足設(shè)計(jì)中所要求管徑和其他的水力參數(shù)之間存在多種組合，其中總有一組管徑與其他水力參數(shù)形成組合的投資比較小。如果排水管網(wǎng)中是由許多根管段組成，所計(jì)算上游管段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)必定會(huì)對(duì)下游管段設(shè)計(jì)參數(shù)造成影響，因此系統(tǒng)之中每一個(gè)管段都實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)最優(yōu)組合，同樣也不能夠確保整個(gè)系統(tǒng)就屬于設(shè)計(jì)最優(yōu)。所以要確保整個(gè)排水工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最優(yōu)，就應(yīng)該從整個(gè)排水系統(tǒng)出發(fā)，從全局著手實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)排水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算配水管的水力所用計(jì)算公式并不難，但因?yàn)楣軓侥軌蜻x擇尺寸并非連續(xù)變化，選擇管徑上必定存在難度。因此最大的限制就是和管徑大小相關(guān)，而最小設(shè)計(jì)流速及流速變化以及和管徑間的關(guān)系等都比較復(fù)雜，根本不能夠使用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行描述。所以要建立出一個(gè)比較完整最優(yōu)求解的數(shù)學(xué)模型難度較多，大多是采用間接化的方法求解。采用直接優(yōu)化法能夠解決的問(wèn)題，大多具有直觀、直接以及容易驗(yàn)證等各種特征。本文案例優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟見(jiàn)圖2。

4 結(jié)語(yǔ)

只有正確意識(shí)到排水管網(wǎng)在整個(gè)市政工程中的作用，才會(huì)努力研究對(duì)排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。加之國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，給城市的排水系統(tǒng)提出了新要求與新任務(wù)，所以必須要結(jié)合城市市政工程實(shí)況，有效優(yōu)化排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，只有這樣才能夠達(dá)到優(yōu)化的真正目標(biāo)，才能夠發(fā)揮排水管網(wǎng)系統(tǒng)的真正作用。

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