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市政設計

市政管網優化排水設計方法

本站     2018-5-8 10:33:59    

市政排水管網是城市建設的重要設施,其投資份額占整個排水系統總投資的比例很高,因而優化設計方案并減少投資是排水管網的必然之選。本文討論了排水管網設計的一般流程和局限性,討論了各種優化方案的特點和適應性,提出了選擇和使用優化方案的策略和方法。 
市政排水管網工程是城市建設的重要設施,并且也是控制水污染、改善和保護環境的重要措施[1]。排水管網的投資占到整個排水系統總投資的50%~80%[2,3],可見排水管網的設計對整個排水系統的投資效益影響很大,做好這部分的工作可以有效地控制總投資額。通過排水管網的優化設計減少資金投入,是各種優化方案的主要目標,然而針對具體的工程選擇什么樣的優化方案并非容易的事情,因為沒有一種方案是完美無缺的,本文借此討論一下市政排水管網各種優化方案的特點和適應性,探討如何選擇和使用優化方案。 

 1市政排水管網設計的流程和局限性 

1.1 排水體制的選擇[1,4]  排水體制有合流制和分流制兩種形式。合流制是用同一管渠系統收集和輸送污水和雨水的方式;分流制是用不同管渠系統分別收集和輸送污水和雨水的方式。  合流制又可分為直排式合流制和截流式合流制。直排式合流制是將雨水和污水直接用同一管渠系統排放到河流;截流式合流制是在進河流前設置截流干管,雨量小時雨水和污水通過截流干管全部進入污水處理廠,而雨量大時,超出管道負荷的雨水通過溢流管溢入河流中排走。直排式合流制一般是早期建設的排水系統,污水不經處理,污染嚴重;截流式合流制多是舊城改造采用的排水系統,投資較省,并能大量降低污染物質。  分流制排水系統又可分為完全分流制、不完全分流制和半分流制三種形式。完全分流制是污水系統和雨水系統截然分開,污水系統經污水處理廠處理后排放,雨水經雨水系統直排入水體;不完全分流制的污水系統同完全分流制,但沒有專門的雨水系統,雨水由地面漫流到溝渠或小河,再匯流到較大的水體中;半分流制的污水系統同完全分流制,雨水系統在雨水干管上設雨水跳越井用于截留初期雨水和街道地面沖洗污水并入污水管道,當雨水入流干管的流量超過截留量時,雨水越過跳越井隔墻流入雨水出流干管直接排入水體。完全分流制投資較高,環保效果較好,但有初期雨水污染問題,適合新建城市;不完全分流制適合分期建設,節省初期雨水系統投資;半分流制解決了雨水初期污染問題,但要建溢流井,投資較大,適合新建城市。 

1.2排水管道系統定線[1]  排水管道系統的定線就是在地形平面圖上確定管線的位置和走向。定線的流程是:⑴按照管道規劃設計原則、地形地質條件和污水廠位置,依次確定主干管、干管和支管的走向和位置;⑵劃分干管和支管的服務面積,進行編號并計算服務面積的大;⑶確定干管和支管的檢查井位置和編號,并計算設計管段長度和管渠總長度。 

1.3排水管道系統參數設計[5]  排水管道系統參數設計包括排水管道設計流量設計以及基于排水管道設計流量的管道管徑、坡度等參數設計兩個方面。 

1.4現行排水管網設計的局限性[5] 

⒈現行排水管網的設計是基于排水管網系統各個組件相對獨立設計的,各個組件之間欠缺協同作用,因而對整體功能的發揮考慮不夠。 

⒉現行設計模式缺乏協調排水管網內部不同排水管道及其附屬構筑物等組件功能關系的內容。 

⒊現行設計體制注重生成排水管道系統設計方案,只是一種合乎規范要求的可行的方案,缺乏對方案建模、仿真、評價部分。 

⒋現行設計規范缺乏優化方法或內容的說明,優化是基于設計人員個體行為,由于缺少方案建模、仿真、評價部分,不能提供設計方案的風險信息,因此方案有很大不確定性。 

2 市政排水管網設計的優化策略和方法 

2.1 市政排水管網設計優化的研究方向[2,3]  市政排水管網設計優化的研究主要有兩個方向:一是已定平面布置方案下,排水管徑、埋深及提升泵站的優化設計;二是排水管網平面布置方案的優化研究。目前已定平面布置方案的優化研究較多,而排水管網平面布置優化研究相對不足。  已定平面布置方案的優化有兩種方法:直接優化法和間接優化法。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,得到最優解或滿意解;間接優化法也稱解析最優化,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。  排水管網平面布置優化的原則是既要使工程量最小,又要使水流暢通節省能量。 

2.2 市政排水管網優化設計的一般方法[1,6]  市政排水管網優化設計的主要目標是減少工程費用,以降低工程費用的優化方法是: 

⒈確定工程費用函數為優化模型。排水管網的費用函數是系統投資償還期內的基建費用和經營費用。它是管道單價和管段長度相關的函數。管道單價模型有很多種類型,但都與管徑、管道埋深有關,還與地方系數和地方指數有關系。如: ,其中c是管道單價,d是管徑,h是管道埋深,kj是地方系數和地方指數。最小費用函數可以表達為 ,m是管段數,l是管段長。 

⒉通過數學的方法求解目標函數,使minf最小即達到優化目標。minf是非線性函數,借助計算機在數學上求解該函數并不是很困難,但由于參數眾多,邊界條件復雜,現有的各種方法得到的結果并不一定是最優解,只能說是接近最優解。   

3 動態規劃法 節點埋深法 以節點埋深為狀態變量,通過坡度決策進行全方位搜索。 可采用標準管徑;存儲量大,計算慢 適合快速,但不很精確的優化 可采用擬差法,但應用有局限 

4 管徑法 以管徑為狀態變量,通過流速和充滿度決策。 存儲量小,計算快;精確性稍差 可行管徑法提高精度 

5 直接優化法 電子表格法 啟發式的費用估算方法。 允許用戶尋找最小費用設計,但受限于設計人員經驗和能力 適合有經驗的設計人員采用 

6 兩相優化法 確定設計流量后,在約束條件下,選取最經濟流速和最大充滿度得到最優管徑和最小坡度,最大限度地降低管道埋深。 

7 遺傳算法 — 借鑒生物學中的自然遺傳變異機制演化的隨機搜索優化算法。 系統規模小時容易得到最優解;系統規模大時只能得到近似最優解 一般適合中小管網精確優化 與節點遞歸算法相結合,可用于大中型污水管網 

8 蟻群算法 — 借鑒蟻群利用信息素傳遞食物信息的方法而形成的管網尋優方法。 收斂速度比遺傳算法快,占用計算機資源小 適合中小管網快速精確優化 

 


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