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市政排水管網(wǎng)設計中的存在問題分析及解決優(yōu)化方法
市政排水管網(wǎng)是城市基礎設施的重要組成部分,一個城市排水管網(wǎng)的布局與使用狀況也是這個城市發(fā)展?jié)摿Φ闹匾w現(xiàn)。本文結合當前我國市政排水管網(wǎng)建設實踐中存在的問題進行分析,提出了在城市建設中優(yōu)化排水管網(wǎng)的 有關方法和措施,以達到使市政排水管網(wǎng)布局更加合理高效的目的。
【關鍵詞】:排水管網(wǎng);優(yōu)化設計;設計方法
城市市政建設中一個重要的組成部分就是排水管網(wǎng),排水管網(wǎng)建設投資比例 占整個排水系統(tǒng)的一大半。因此要對城市污水進行收集和集中處理,需要耗費大 量的財力,為了實現(xiàn)這一目標,必須對排水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計,才能減少工程的 投資,具有重要的經(jīng)濟意義。對市政排水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計,重點是在對已定平 面布置方案的基礎上,對埋深、提升泵站、管徑的優(yōu)化設計,從而實現(xiàn)排水管網(wǎng) 平面布置的優(yōu)化。
1、我國市政排水管網(wǎng)的現(xiàn)狀
1.1 規(guī)劃設計問題
當前排水規(guī)劃整體而言, 存在不合理的狀況十分常見。排水管網(wǎng)的規(guī)劃設計,要與城市整體規(guī)劃相協(xié)調(diào),而管網(wǎng)建設有其自己的特點,一般管網(wǎng)建成后的 使用年限都在五十年以上,而城市的發(fā)展不可能五十年不變,幾乎天天在變,城 市的擴大、人口的增多、排污量的增加,都對排水管網(wǎng)造成巨大的壓力,因此, 很多地方排水管網(wǎng)的使用情況已經(jīng)很難適應城市發(fā)展的需求,迫切的需要重新規(guī) 劃設計。
1.2排水體制問題
排水體制主要分為兩大類:合流制與分流制,當然混合制在城市中也是常見 的管網(wǎng)系統(tǒng)之一,是在合流制排水管網(wǎng)的城市需要擴大及優(yōu)化排水系統(tǒng)的情況下 出現(xiàn)的。而在規(guī)模較大的城市中,由于各區(qū)域的具體情況不同,存在一定的差異, 所以要因地制宜的采取適合地區(qū)發(fā)展的排水體制。在老城區(qū)的排水管網(wǎng)中,一般 采用截流式的合流制,需要在河岸兩邊各敷設一條截流干管,并在各雨污水混排 口處設置溢流井。天氣晴好的時候,所有的污水都送到污水處理廠進行處理,處 理后的水直接排放到河流之中,而遇到雨天的時候,隨著雨量的增加,可以允許 部分雨污混合水溢流到河道中,其余水輸送到污水處理廠,但溢流的雨污混合水 對河水造成一定程度的污染。隨著經(jīng)濟的發(fā)展,對老城區(qū)的改造工程日益增多, 雨污分流改造工程的不斷深入,這種污水收集系統(tǒng)對河道的污染正逐漸減輕。分 流制就是雨水和污水完全分流的體制,也就是對雨水和污水各自設置獨立的管網(wǎng) 系統(tǒng),雨水直接排放到河流之中,而污水直接進入污水處理廠進行處理。排水體 制的設置,要根據(jù)城市實際的情況來確定。
2、已定平面布置下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設計
排水管道的優(yōu)化設計針對的主要是某一管段的設計, 在設計流量得到確定 后,還要滿足設計規(guī)范要求坡度與管徑等多種因素的融合,得到管材與鋪設管材 費用的平衡值。排水管線平面在布置已定的時候,對管道的優(yōu)化設計和埋深等問 題國內(nèi)外都已經(jīng)做了大量的研究工作。主要可以體現(xiàn)在以下幾個方面:
2.1線性規(guī)劃法與非線性規(guī)劃法
2.1.1線性規(guī)劃法
所謂的線性規(guī)劃法是對排水管網(wǎng)設計計算過程中,其目標函數(shù)與制約條件的 非線性,用泰勒公式的展開式來替代,然后把線性規(guī)劃的解作為問題的近似解, 如此反復迭代后與非線性規(guī)劃的最終解越來越接近,從而找出最優(yōu)解。這種算法 雖然可以找出最優(yōu)解,但存在不足,其缺點在于把管徑作為連續(xù)的變量進行處理, 造成實際管徑與計算管徑出現(xiàn)偏差的問題,而且需要大量的前期準備。繼線性規(guī) 劃法之后出現(xiàn)的整數(shù)規(guī)劃法,彌補了線性規(guī)劃的缺陷,其整型變量較多的原因, 也導致求解的過程較為復雜。 2.1.2非線性規(guī)劃法 所謂的非線性規(guī)劃法主要是適應計算模型中目標函數(shù)與變量的非線性特點, 對管道的埋深與直徑進行優(yōu)化選擇,不足之處在與限制了約束條件和目標函數(shù)的 形式。
2.2 動態(tài)規(guī)劃法
目前國內(nèi)外用的較為廣泛的方法叫做動態(tài)規(guī)劃法,是指把排水管道設計當作 一個多階段的過程來看待的思想方法,設計過程的階段性劃分的手段成為管道優(yōu) 化設計的又一方法。這種方法在實際應用中有兩方面需要注意的問題:其一,狀 態(tài)變量設置為節(jié)點的埋深,全方位搜索坡度的范圍。其主要的優(yōu)勢在于采用的是 標準管徑,結果與初始管徑?jīng)]有聯(lián)系,而且可以對計算的深度進行控制,不足的 是對狀態(tài)點的要求很苛刻,必須埋深間隔很小,使時間間隔與存儲量大為增加。 所以在這個前提下采用動態(tài)規(guī)劃法,然后在動態(tài)規(guī)劃法的前提下又對迭代過程不 斷把范圍縮小,但是實際操作中還是會有一些不足之處。其二,狀態(tài)變量設置為 管徑,通過對流速和充滿度進行決策。原因在于對標準管徑使用的數(shù)目是一定的, 因此在計算速度和存儲量上方便很多,隨后又產(chǎn)生了可行管徑法。這種方法使計 算的精度大為提高,并且使計算的存儲量和計算的工作量大大減少。雖然動態(tài)規(guī) 劃法是有效解決多階段決策問題的較好的方法,但是在排水管網(wǎng)設計中,第一階 段的設計結果會對后續(xù)階段的設計參數(shù)有直接的影響,所以,用動態(tài)規(guī)劃法對污 水管道進行優(yōu)化設計還是存在一定的缺陷。
2.3 直接優(yōu)化法
對可調(diào)參數(shù)與各種方案的選擇進行比較和計算,得到最優(yōu)解的方法,稱之為 直接優(yōu)化法,直接優(yōu)化法最大的特點在于容易驗證和比較直觀。主要操作分為: 第一,兩相優(yōu)化法。在設計流量確定之后,選取最大充滿度和最經(jīng)濟流速的最優(yōu) 管徑和最小坡度,管道的埋深最大限度的進行降低。這種算類似于人工算法,但 受設計者個人素質(zhì)和能力的限制,算得的結果會出現(xiàn)偏差,因此,該算法所得的 結果并非最優(yōu)解。第二,電子表格法。電子表格最大的特點是清晰明了、便于計 算,用電子表格作為估算費用的方法,可以使用戶對最低費用的設計便捷的尋找 出來,得到比動態(tài)規(guī)劃法更好的結果,這就更加符合設計的要求。
2.4 遺傳算法
作為進化算法的一個分支的遺傳算法,其方法出現(xiàn)的原理是對自然遺傳變異 機制的模擬而產(chǎn)生的隨機優(yōu)化算法。遺傳算法解決了中小型管道的設計優(yōu)化難 題,可以得到最佳的設計方案,但是其缺點在于無法對大型管道進行最優(yōu)計算, 在計算時,只能得到與最優(yōu)解的設計方案接近的結果,在排水管道設計優(yōu)化中, 采用何種算法要根據(jù)具體情況而定,但相同的一點在于一定要以規(guī)范設計作為基 本要求,并且把費用控制在最低程度。
3、管線的平面優(yōu)化布置
排水管網(wǎng)在布置時,首先要考慮水流暢通、節(jié)省能量,還要考慮工程量的大 小。所以正確的定線是合理控制投資的首要條件。定線原則:盡量采用直線對干 管支管進行設計布局,少拐彎;根據(jù)地勢進行定線,污水可以在重力作用下自流 到污水處理廠;管道中途盡量取消或減少提升泵站的設置;盡量減少管道埋深。 在早期的研究中,設計方法為假定每一段管徑相同,以挖方費用為優(yōu)選依據(jù),選 擇一初始布置方案,然后通過算法逐步進行調(diào)整,后來又引人了排水線的概念, 將排水區(qū)域內(nèi)與最終出水口節(jié)點相距同樣可行管數(shù)的節(jié)點用一根排水線連接起 來,這樣把問題轉(zhuǎn)化為最短路問題,可用動態(tài)規(guī)劃法求解,但此方法把尋優(yōu)的范 圍被限制,使人們在設計過程中很容易把最優(yōu)方案排除。再到1986年有了更大 的發(fā)展,利用三種權值來解決問題,通過地面坡度倒數(shù)、各管段管長及各管段滿 足的最小覆土條件,從而找出最優(yōu)的設計方案。
結束語
綜上所述,市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設計是一個實踐經(jīng)驗與能動性相結合的過程, 在具體實踐操作中,應對具體問題具體分析,采用科學合理的方法,對市政排水管網(wǎng)進行各方面統(tǒng)籌兼顧的優(yōu)化,才能使排水管網(wǎng)發(fā)揮出最大功能和效用。只有 這樣才能使得城市更生態(tài)宜居,沒有污染,排水順暢,逢雨不澇,提升城市的整體環(huán)境形象。
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