城市污水管網優化設計及其決策系統淺析

王胤淇　黎明　魏一偉

摘要：隨著我國社會經濟的快速發展，城市化進程進一步加快，導致污水排放量進一步增加，作為民生工程，對污水進行管網優化成為其他企業穩定運行的重要保障。文章對城市污水管網優化設計的意義進行了分析，闡述了設計優化時需要注意的問題，希望對提高我國城市污水管網優化設計提供參考。

關鍵詞：城市建設；污水管網；優化設計；決策系統；生活污水；工業污水 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU992 文章編號：1009-2374（2015）31-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.045

隨著生活水平的提高，人們對環境的要求越來越高，城市污水管網工作的投入資金在整個市政環境工程建設資金投入中的比例較大。城市污水管網不僅要對居民生活污水和工業污水進行收集，還要對雨水進行收集，是重要的民生基礎工程之一。城市污水管網工程質量直接決定了城市的發展狀況，對城市的生態環境和投資環境也有著巨大的影響，因此相關部門必須做好城市污水管網的優化設計工作。

1 城市污水管網優化設計的意義

傳統的污水管道設計采用的是計算器對水力進行計算，既浪費時間，工作人員的壓力也比較大，其結果也不能給出最優設計方案。在對方案進行比較時，往往容易忽視掉優秀方案。隨著科技的不斷進步，計算機網絡系統被逐漸應用到各種行業中，在各行各業都發揮了巨大的作用，計算機在城市污水管網的使用，不僅提高了工作效率，而且增加了數據的準確性，計算機污水管道系統為城市污水管網優化設計提供了重要的理論基礎，是污水管網優化設計實現的重要保障，在優化設計過程中，各種理論與技術相整合，污水管網設計方案趨于最優，為投資節省了5%～15%的資金。隨著系統規模逐漸擴大，其復雜程度也就越高，優化設計的作用也更加明顯，降低了工程造價，逐漸減少甚至避免資源的浪費。在對城市污水管網進行優化設計時，要遵循科學合理的原則，以充分實現經濟效益、社會效益和使用效益為目標。

2 城市污水管網優化設計的內容

2.1 污水管線平面布局

優化設計時平面布線的前提，在進行城市污水管網優化設計工作前，需要進行正確的定線。在定線時，要設計多種定線方案，通過多種方案的對比，從中選取實用價值最高的方案，在確定方案之后，對其進行優化，優化要遵循管線最短、管道工程量最小、水流暢通且節省能量的原則。

2.2 管道參數優化設計

管道參數優化設計是指通過對已經確定的污水管網優化設計進行坡度、埋深、管徑以及其他參數的計算，達到參數優化的目的。在確定了污水管道的流量后，符合管徑和埋深以及其他要求的方案很多，這時就需要對管道參數進行優化設計，從中選擇工程投資成本最小的組合。對管道參數的最優設計組合選擇主要有直接優化法和間接優化法，直接優化法是最簡單的一種方法，只需要對性能指標的變化進行記錄，對其中的影響參數進行計算，對多種設計中的參數進行比較，選擇最符合的優化設計即可，雖然該方法比較簡單，但是在計算過程中，計算數據非常龐大，即使經驗豐富的工作人員，在對參數進行計算時，也有可能造成疏忽，影響結果。間接優化法是在數學模型的基礎上建立的，與工程實際緊緊結合，通過數學模型進行內部優化，能夠得出最優設計組合。

3 城市污水管網優化設計需注意的問題

3.1 流速設計

污水管道的埋深對工程造價、施工和工期均有一定的影響，埋深越大，意味著投入的資金就要增加，施工難度也隨之增加，必然會導致工期延長。如果在一定條件下，盡可能減少埋深深度，可以大大減少工程造價和工程難度，而直接作用于污水管道埋深的關鍵因素是管道坡度，我們知道，如果污水的流速減小時，管徑的半徑才會增大，也就是說，減小污水流速才能實現坡度和埋深的減小，但是在實際工作中，對于坡度的大小并沒有做具體規定，只是單單對最小管徑的管底坡度做了規定，所以憑借坡度作為決策變量是無法實現的，在對流速設計時，有明確的條件對其進行約束，在以約束條件為基礎的前提下，要選擇盡可能小的流速設計方案，為整個城市污水管網優化設計提供基礎。

3.2 充滿度設計

在優化設計的前提下，選擇盡可能小的管徑，也是減少工程造價的重要部分，但是對管徑沒有約束，而對充滿度有嚴格的制約規定，所以無法選擇最優管徑。如果對流量和流速有了充分的掌握，選擇接近最大充滿度的管徑，該管徑就是該條件下可以選擇的最小管徑。用這種方法對充滿度進行選擇不僅減少了工程造價，而且對于減小管底坡度和埋深也有一定的作用。

3.3 污水管網布置形式

根據地形的不同，管網的布置形式也不同，平行式和交叉式是兩種最基本的形式：在地形起伏較大的地區采用平行式的方法，在鋪設過程中，污水干管與等高線平行，主干管與等高線垂直，該方法對管內的流速起到控制作用。交叉式適用于地形相對平坦的地區，鋪設時，污水干管與地形等高線垂直相交，主干管與等高線平行。在實際施工過程中，地形往往較為復雜，需要將兩種方法進行結合，才能實現污水管網的綜合布置。

3.4 管材優化選擇

傳統的鋼筋混凝土管制造方便、可塑性強，可以根據不同的抗壓要求制成相應的鋼筋混凝土管，得到了普遍的應用，然而隨著科學技術的快速發展，污水管網的管材也有了新的發展，HDPE作為一種內壁平滑的新型材料，具有耐腐蝕、使用壽命長、方便搬運等優點，能夠大大減少工程造價，并縮短工期。

4 城市污水管網優化設計決策系統

4.1 目標確定

只有對目標進行確定，才能為污水管網優化設計提供參考依據，不僅要對每個分目標進行確定，還要對綜合目標進行確定，建立各關鍵因素目標的變量與各目標函數關系，將其轉化成數學模型。

4.2 數學模型

4.2.1 設計變量。在設計過程中，有些參數是事先給定的，不需要進行計算，除此之外，有的參數在設計過程中，受到其他參數的影響而產生一定的變化，這部分的參數也就是所謂的變量。離散型設計變量和連續型設計變量是設計變量的兩種方法，然而在實際工作過程中，離散型設計變量對于工作人員來說難度系數非常大，計算起來較為麻煩，浪費時間。因此，在實際工作中，主要采用的還是連續型設計變量方法。

4.2.2 約束條件。在優化設計過程中，變量并不是刻意隨意變化的，必須要給變量的取值設置一個限制，也就是所謂的約束條件。

4.2.3 目標函數。完成設計變量的選擇后，用變量函數來表示設計需要達到的指標，也就是目標函數，其表現形式為：G（x）=G（x1，x2，……，xn）。經過優化的目標函數有兩種表述方式：用G（x）→MAX表示函數的極大化；用G（x）→MIN表示函數的極小化。

4.3 對優化模型進行求解與檢驗

通常情況下，將工程造價作為評價目標，因此有很多方案可供選擇，最優設計方法充分體現了其價值。如果評價目標僅為一個，且供選擇的方案不多，則可以選用分別計算的方式對結果進行比較，從而選擇最優設計方案；如果出現了多個評價目標且評價目標之間有沖突，這時就需要采用多目標最優化方法，在各個目標函數之中進行比較與權衡，最終選擇最優方案。

5 結語

城市污水管網工程建設作為重要的民生工程，得到了國家財政資金的大力扶持，污水管網系統也逐步得到了完善，為提高居民的生活環境和生活質量提供了重要保障。

參考文獻

[1] 吳杰.污水管網優化設計研究[J].城市建設理論研究（電子版），2013，（19）.

作者簡介：王胤淇（1988-），男，河南信陽人，中國水利水電第三工程局有限公司助理工程師，研究方向：污水管道設計。

（責任編輯：秦遜玉）endprint