探讨市政管网优化排水设计方法

市政排水管网工程是城市建设的重要设施，并且也是控制水污染、改善和保护环境的重要措施[1]。排水管网的投资占到整个排水系统总投资的50%～80%[2,3]，可见排水管网的设计对整个排水系统的投资效益影响很大，做好这部分的工作可以有效地控制总投资额。通过排水管网的优化设计减少资金投入，是各种优化方案的主要目标，然而针对具体的工程选择什么样的优化方案并非容易的事情，因为没有一种方案是完美无缺的，本文借此讨论一下市政排水管网各种优化方案的特点和适应性，探讨如何选择和使用优化方案。
1市政排水管网设计的流程和局限性
1.1 排水体制的选择[1,4]
排水体制有合流制和分流制两种形式。合流制是用同一管渠系统收集和输送污水和雨水的方式；分流制是用不同管渠系统分别收集和输送污水和雨水的方式。
合流制又可分为直排式合流制和截流式合流制。直排式合流制是将雨水和污水直接用同一管渠系统排放到河流；截流式合流制是在进河流前设置截流干管，雨量小时雨水和污水通过截流干管全部进入污水处理厂，而雨量大时，超出管道负荷的雨水通过溢流管溢入河流中排走。直排式合流制一般是早期建设的排水系统，污水不经处理，污染严重；截流式合流制多是旧城改造采用的排水系统，投资较省，并能大量降低污染物质。
分流制排水系统又可分为完全分流制、不完全分流制和半分流制三种形式。完全分流制是污水系统和雨水系统截然分开，污水系统经污水处理厂处理后排放，雨水经雨水系统直排入水体；不完全分流制的污水系统同完全分流制，但没有专门的雨水系统，雨水由地面漫流到沟渠或小河，再汇流到较大的水体中；半分流制的污水系统同完全分流制，雨水系统在雨水干管上设雨水跳越井用于截留初期雨水和街道地面冲洗污水并入污水管道，当雨水入流干管的流量超过截留量时，雨水越过跳越井隔墙流入雨水出流干管直接排入水体。完全分流制投资较高，环保效果较好，但有初期雨水污染问题，适合新建城市；不完全分流制适合分期建设，节省初期雨水系统投资；半分流制解决了雨水初期污染问题，但要建溢流井，投资较大，适合新建城市。
1.2排水管道系统定线[1]
排水管道系统的定线就是在地形平面图上确定管线的位置和走向。定线的流程是：⑴按照管道规划设计原则、地形地质条件和污水厂位置，依次确定主干管、干管和支管的走向和位置；⑵划分干管和支管的服务面积，进行编号并计算服务面积的大小；⑶确定干管和支管的检查井位置和编号，并计算设计管段长度和管渠总长度。
1.3排水管道系统参数设计[5]
排水管道系统参数设计包括排水管道设计流量设计以及基于排水管道设计流量的管道管径、坡度等参数设计两个方面。
1.4现行排水管网设计的局限性[5]
⒈现行排水管网的设计是基于排水管网系统各个组件相对独立设计的，各个组件之间欠缺协同作用，因而对整体功能的发挥考虑不够。
⒉现行设计模式缺乏协调排水管网内部不同排水管道及其附属构筑物等组件功能关系的内容。
⒊现行设计体制注重生成排水管道系统设计方案，只是一种合乎规范要求的可行的方案，缺乏对方案建模、仿真、评价部分。
⒋现行设计规范缺乏优化方法或内容的说明，优化是基于设计人员个体行为，由于缺少方案建模、仿真、评价部分，不能提供设计方案的风险信息，因此方案有很大不确定性。
2 市政排水管网设计的优化策略和方法
2.1 市政排水管网设计优化的研究方向[2,3]
市政排水管网设计优化的研究主要有两个方向：一是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；二是排水管网平面布置方案的优化研究。目前已定平面布置方案的优化研究较多，而排水管网平面布置优化研究相对不足。
已定平面布置方案的优化有两种方法：直接优化法和间接优化法。直接最优化方法是根据性能指标的变化通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，得到最优解或满意解；间接优化法也称解析最优化，是在建立最优化数学模型的基础上，通过最优化计算求出最优解。
排水管网平面布置优化的原则是既要使工程量最小，又要使水流畅通节省能量。
2.2 市政排水管网优化设计的一般方法[1,6]
市政排水管网优化设计的主要目标是减少工程费用，以降低工程费用的优化方法是：
⒈确定工程费用函数为优化模型。排水管网的费用函数是系统投资偿还期内的基建费用和经营费用。它是管道单价和管段长度相关的函数。管道单价模型有很多种类型，但都与管径、管道埋深有关，还与地方系数和地方指数有关系。如： ，其中c是管道单价，d是管径，h是管道埋深，kj是地方系数和地方指数。最小费用函数可以表达为 ，m是管段数，l是管段长。
⒉通过数学的方法求解目标函数，使minf最小即达到优化目标。minf是非线性函数，借助计算机在数学上求解该函数并不是很困难，但由于参数众多，边界条件复杂，现有的各种方法得到的结果并不一定是最优解，只能说是接近最优解。
2.3 市政排水管网设计优化方法的比较及选用原则[3]
前面已经介绍了市政排水管网设计优化的两个方向，已定平面布置方案的优化技术较为成熟，研究开发了较多的方法，排水管网平面布置的优化方法也有研究，表1列出了各种方法的原理、优缺点和选用原则。
表1 市政排水管网设计优化方法的原理、优缺点和选用原则[3,7-9]
序号 优化
方向 优化方法 从属优化法 优化原理 优缺点 选用
原则 备注
1 已定
平面
布置的
优化法 线性规划 — 设定约束条件和使目标函数线性化处理，通过反复迭代求解。 方法容易实现；管径连续化处理，与实际不符 适合不很精确的优化 可采用整数法规划，但求解困难
2 非线性
规划 — 采用非线性化的方式建立数学模型求解。 可同时优化管径和埋深；限制了约束条件 适合简单约束下优化坡度和管径
3 动态
规划法 节点
埋深法 以节点埋深为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索。 可采用标准管径；存储量大，计算慢 适合快速，但不很精确的优化 可采用拟差法，但应用有局限
4 管径法 以管径为状态变量，通过流速和充满度决策。 存储量小，计算快；精确性稍差 可行管径法提高精度
5 直接
优化法 电子表格法 启发式的费用估算方法。 允许用户寻找最小费用设计，但受限于设计人员经验和能力 适合有经验的设计人员采用
6 两相
优化法 确定设计流量后，在约束条件下，选取最经济流速和最大充满度得到最优管径和最小坡度，最大限度地降低管道埋深。
7 遗传算法 — 借鉴生物学中的自然遗传变异机制演化的随机搜索优化算法。 系统规模小时容易得到最优解；系统规模大时只能得到近似最优解 一般适合中小管网精确优化 与节点递归算法相结合，可用于大中型污水管网
8 蚁群算法 — 借鉴蚁群利用信息素传递食物信息的方法而形成的管网寻优方法。 收敛速度比遗传算法快，占用计算机资源小 适合中小管网快速精确优化