杨方方
河南科嘉园林建设有限公司 河南 安阳 456550
摘要：市政排水管网存在很多问题 ,如污水直接排人河道造成水体污染；排水体制的不确定导致雨污水合流,使污水得不到有效处理；规划设计与发展建设不协调导致污水技术条件差,满足不了使用要求；排水管网建设与污水处理厂建设不配合,导致二次污染等。这些问题均制约了城市排水设施的发展。市政排水管网的优化设计主要是解决在已定平面布置方案下,排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水管网平面布置方案的优化研究 。本文对市政排水管网优化设计的方法进行了探讨。
关键词：市政；排水管网；优化设计；
引言：近几年，随着城市化的迅猛发展，城市基础建设也在不断的发展起来，由于市民生活的需要，作为市政基础设施的排水管网也随之被不断密集和延伸。但是，由于规划欠长远、设计不合理、施工质量差、维护跟不上等种种原因，导致我国多数城市的排水管网并未发挥出预期的最大功效，这些也是近年来类似于北京7.12水灾等重大城市内涝灾害层出不穷的主要原因。
1当前我国城市市政排水管网存在的问题
市政排水工程设计过程中，经常会遇到的情况，就是对于用地的规划不是科学合理，城市用地规划、竖向规划与防洪规划不一致,对地块高程控制做不到有效的保证，这样也就在不同程度上，使排水工程设计达不到城市防洪的要求。用地规划方面的不科学，没有考虑排水的出路，导致雨污水不能沿道路坡度顺坡排水，需采用逆坡排水，不仅造成管道埋深加大，投资增大，而且雨污水管线水力条件不好，从而容易造成了雨污水的淤积，局部高差较大地段甚至需加设雨水泵站通过提升才能使得雨水得以顺利排出，从而造成了能量的浪费，也增加了运行管理费用，无法做到经济合理。
市政排水工程设计过程中，排水工程出水口位置在相关的道路及局部地块的建设中不能随意更改规划和控制进行设计和施工。因为在城市排水工程总体规划中设计的出水口位置都是按照管网系统的布置及城市地形、水体等综合分析确定，如果后续分段在施工过程中，随意的改动和变故，那么必然会给城市中的排水设计带来一定的影响。某经济开发区就发生过此类的事件，因为要援建学校，要使用经济开发区的规划建设用地，建设学校的业主单位，要求更改原有的规划设计排水的线路，而在原有的规划设计中此用地是城市排水管线的主干管所在地，而且非常接近雨水受纳水体，临时的更改规划设计方案，导致现有设计与规划设计不相符，雨污水管线边线，严重时甚至使得雨污水无法排除，对将来排水工程的设计和施工及投资带来极大的影响。
市政排水设计过程中，不确定因素非常的多，最常出现的现象就是在城市建设过程中，排水管线等基础设施的建设与道路的建设不同步，造成排水工程等基础设施的建设过程中出现了反复开挖的情况，造成成本浪费，同时施工时对交通和周边环境都产生了较大的影响。排水管线工程设计过程中，由于未能充分考虑电力电信燃气等管线系统的避让问题，造成了后续管线施工过程中管线难以避让，造成资源浪费严重，且日常运行维护也比较麻烦。
2市政排水管网优化设计
2.1管线的平面优化布置。
排水管网的布置原则是既要使工程量最小，又要使水流畅通、节省能量。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的基本原则是：干管支管的设计尽量采用直线布局，不要拐弯；定线应尽量利用地势，使污水在重力作用下流入污水厂；设计时应尽量减少管道埋深；在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。即把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图，从图论中综合考虑各管段地面坡度的倒数；各管段的管长；各管段在满足最小覆土条件下，按最小坡度设计时的挖方量这三种权值并运用最短路生成树算法求管线平面布置方案，再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面布置方案作为最优设计方案。
2.2已定平面布置下的管道系统优化设计方法。
排水管道优化设计主要是指：对于某一设计管段，当设计流量确定后，在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中，取得管材费用与敷设费用的平衡。在排水管线平面布置已定情况下，对于管段管径，埋深的优化设计，主要方法有：
（1）线性规划法和非线性规划法
a线性规划法。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆线性规划法是解决多变量最优决策的方法，是在各种相互关联的多变量约束条件下，解决或规划一个对象的线性目标函数最优的问题，即给与一定数量的人力、物力和资源，如何应用而能得到最大经济效益。具体运用到排水管网设计计算时，在约束条件和目标函数的非线性情况下，分别用其一级泰勒公式展开式代替，用线性规划的解作为问题的近似解，反复迭代，使迭代序列逼近非线性规划的最优解。这种方法的缺点是把管径当作连续变量来处理，存在计算管径与市售管径不一致的问题，且前期的准备工作量大，后面改进的整数规划法，虽然在一定程度上解决了线性规划的这些缺点，但是其整型变量比较多，导致求解非常复杂、困难。
b非线性规划法。为了适应排水管道系统优化设计中目标函数和约束条件的非线性特征，1972年Dajani和Gemmell建立了非线性规划模型。该方法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。它可以处理市售规格管径，但当无法证明排水管道费用函数是一个单峰值函数时，得到的计算结果可能是局部最优解，而非全局最优解。
（2）动态规划法
动态规划法是目前国内外比较常用的一种方法，基本思想是把排水管道设计看作一个多阶段的过程，通过对设计过程进行阶段划分来对管道进行优化设计。其应用主要分为两方面：
a以节点埋深为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索。其优点是直接采用标准管径，结果与初始管径无关，且能控制计算深度，但要求状态点之间的埋深间隔很小，使存储量和时间间隔大为增加。因此在此基础上引入了拟差动态规划法，在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，但应用有一定的局限性.。
b以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索。由于可使用的标准管径数目有限，因此在计算速度和存储量上都有很大优势。以后又发展出了可行管径法。此法使优化计算精度得以提高，并显著减少了计算工作量和计算机存储量。
尽管动态规划法是解决多阶段决策问题的一种有效方法，但在排水管道系统设计计算时，前一段的设计结果将直接影响到后续管段设计参数的选用，因此利用动态规划法求出的污水管道优化设计方案也并不一定是真正的最优方案。
（3）直接优化法
直接优化法是直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解，具有直观和容易验证的优点。主要的方法有：
a电子表格法。电子表格法是一种启发式的费用估算方法,允许用户寻找最小费用设计，对比动态规划法而言，能得出更好的结果而且更符合设计规范的要求。
b两相优化法。两相优化法是在设计流量确定后，在满足约束条件的前提下，选取最经济流速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度，最大限度地降低管道埋深的方法。
直接优化法的算法与人工算法基本相同，但由于受设计人员的能力所限，所得结果不尽相同，所以所求得结果不一定是最优解。
（4）遗传算法
遗传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术，它是模拟生物学中的自然遗传机制而提出的随机优化算法。它仍采用规格管径作为状态变量，可以同时搜索可行解空间内的许多点，通过选择、杂交和变异等迭代操作因子，最终求得满意解。在解决中小型管道系统优化设计时，一般可以求得最优设计方案；尽管搜索方法具有一定的随机性，当解决大型管道系统问题时，遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案。
结束语：
综上所述，市政给排水管网设计是一项复杂的工程，市政排水工程是市政工程建设的重要组成部分，因此，在市政排水管网规划设计中应及时的、并且善于发现设计存在的问题，并采取有效的措施处理好问题，不断优化排水管网设计，打造良好的市政配套设施，为人们提供一个便捷工作生活环境。
参考文献:
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[2]王运良.试析市政排水管网优化设计方案[J].科技与企业，2014，（1）.
[3]李敏.优化市政排水管网设计探讨[J].山西建筑，2013，（36）.
论文作者:杨方方
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/26
标签：管网论文; 市政论文; 最优论文; 管线论文; 污水论文; 管径论文; 优化设计论文; 《防护工程》2018年第15期论文;