关于污水管网设计优化探讨

摘要：污水管网系统是居民的生命线工程，它是保证该地区其他工程设施能够正常使用的重要设施之一。本文分析了污水管网优化设计的重要意义，重点研究了污水管网优化设计的主要内容和步骤，希望可以提高和改善我国污水管网的优化设计水平。

关键词：污水管网；优化设计

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

随着城市进程的加快，城市人口不断增加，城市的污水排放量也不断上升，这给污水管网的建设带来了巨大的挑战。建立一个经济，有效的污水管网处理系统是当前城市发展的重要任务之一。一般来说，城市污水管网工程投资巨大，设计时如何在满足规定的各种约束条件下，进行优化设计，尽量降低污水管网工程投资，是摆在工程设计人员面前的一个难题。

一、污水管网优化设计的意义

对于传统的污水管网优化设计而言，首先，在设计人员掌握了系统、全面、完整的设计基础资料的前提下，遵照系统布置和管道定线的原则，凭借设计人员长期积累的设计经验，参照工程实际确定一种比较合理的管网系统布置图；其次，根据工程实际选择合适的方法，计算污水管道各管段的设计流量和水对管壁的压力，并求出各管段的坡度和管径；最后，组织多位专家及设计人员，根据他们的工作经验，对设计的管径和坡度进行检验和修正，通过不断调整设计方案使之满足设计要求。传统的污水管网优化设计存在很多问题，其一，污水管网优化方案的质量直接受限于设计人员的工作经验和个人能力；其二，传统设计方法的工作效率低，耗费时间长，不利于优化设计方案；其三，传统设计方法可能导致不必要的资金浪费，还可能对污水管道的后期管理与维护带来困难。

随着科学技术的大力发展和计算机技术的不断进步，计算机对各行各业的发展起到了巨大的推动作用，并且提高了工作效率，降低了投入成本。由于计算机技术、最优化理论以及系统分析方法的逐步成熟与完善，为污水管网优化设计研究提供了必要的理论基础，并为污水管网优化设计的实现提供了保证，逐渐使污水管网的优化设计工作向着智能化方向发展。在污水管网的优化设计过程中，通过对各种理论、技术、工具的整合与利用，在一定的条件下使污水管网趋于最优化，最大限度的降低工程造价。污水管网优化设计研究具有明显的经济效益、社会效益、实用效益和现实意义。

二、污水管网优化设计的内容

1、平面布局的优化设计

污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流通畅且节省能量。正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平面布置方案管径-坡度（埋深）优化设计计算结果，因此，已定管线下的优化设计计算是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与已定管线下的优化设计计算是密不可分的。

2、管径优化设计

管网管径常用的优化方法有线性规划方法、分段线性规划法、广义简约梯度法、二次规划法和分支定界法。但是用这些方法进行优化设计的过程比较复杂，计算值发散，且需要构造恰当的优化模型。除了将管径优化转化为分段管长优化问题得到的优化结果不需再处理外，其它经典优化方法得到的优化管径还需要使用分支定界法圆整到标准管径，而且这仅适用于小型管网。实际中所采用的圆整方法多是根据就近圆整规则进行的，这样得到的最终管径值不再是理论上的最优值。启发式优化方法是以经验构造的算法为依托，根据污水管道经济流速的范围，地形和污水管道定线确定各管段水流动向，从最起端节点开始进行节点流量向排水管段的流量累加，采用就近圆整规则进行管径圆整，在合适的计算时间和计算空间下能寻找最好的解。

3、管道材料优化设计

适用于排除雨水和污水的混凝土管有混凝土管，轻型钢筋混凝土管和重型钢筋混凝土管三种。混凝土管材抗压性强、使用年限久、技术成熟，但是重量重，运输费用较高、承插口加工精度较低，管道易渗漏，管内壁容易滋生水生物，清理困难，影响管道过水能力。随着新材料技术的发展，越来越多的城市排水系统应用了HDPE管等新型材料。常用的高密度聚乙烯（HDPE）塑料管的外壁是环状波纹结构，内壁为平滑的新型塑料管材。这种新型管材重量轻、连接可靠、抗磨损、耐腐蚀、韧性高，但是承载能力差，不宜在高强度的荷载路面下铺设。管材的选择应该注意根据工程的实际情况，综合考虑各种管材的力学性质和维护方便程度，全面对比选择。

4、管道衔接方式优化设计

管道接口是管道系统给排水的薄弱环节，管道的衔接质量检查是污水管网优化的一个重要内容。检查井内管段衔接要在满足管段在检查井内衔接的约束条件的前提下，根据相衔接两管段的管径与管段中的污水深度情况减小下游管段埋深。当下游管段的管径比上游管段的管径大时使用管顶平接；下游管段的污水深度大于或等于上游管段中的污水深度时应使用水面平接；遇到陡坡情况下产生的下游管段管径反而比上游管段的管径小时使用管底平接。

5、污水管网优化的一般程序

用数值方法解决给水排水系统优化问题，一般需经过下列程序，其基本内容是：

（1）构成问题

大多数给排水工程的实际问题，包含着很多复杂的因素，往往是一个多变量、多目标、多层次的复杂系统。如何把一个实际的给排水系统，科学地简化为一个能反映其关键要素及其基本特征，又便于进行定量表达和模拟优化的替代系统，这是优化过程首要和关键的一步，它将在很大程度上影响优化结果的合理性。构成问题的过程，也可称为“系统的概念化”，简称“系统化”。

（2）确定目标

目标的确定是给排水工程系统化的重要内容，也是系统优化的评价依据。主要是探明该系统所涉及的各种目标和综合目标；识别各目标的重要性，并表达其中值得追求目标的属性指标；建立目标随基本变量（或所考虑的关键因素）变化的函数关系。最常遇到的给排水优化问题，是在给定的技术与社会条件下，寻求系统经济性最佳时的设计、运行方案、总费用现值等。

（3）数学模型的建立

数学建模是将现实问题抽象为数学问题的过程，数学模型通过数学关系反映设计问题中各主要因素间的内在联系。数学模型有三要素，分别是设计变量、约束条件和目标函数。首先，设计变量。通常情况下用一组基本参量的数值来表示一个设计方案。在设计过程中，有些参数可以根据设计要求等预先给定，还有一部分参数需要在设计过程中进行选择，因此这部分参数都可以当作变量来处理，称为设计变量。设计变量分为离散型设计变量和连续型设计变量，但是在现实条件下，利用离散型设计变量进行优化设计难度很大，因此，大多数工程实际问题都是采用连续型设计变量进行处理；其次，约束条件。在优化设计过程中，我们必须根据实际设计要求，限制设计变量的取值。这种限制称为约束条件，约束条件一般用等式约束函数和不等式约束函数来表示；最后，目标函数。选定完设计变量后，设计所要达到的指标可以用设计变量的函数来表示，该设计函数称为目标函数，即G(x)=G(x1,x2,…，xn)。在污水管网优化设计的过程中，被优化的目标函数有两种表述方式：目标函数的极大化，即G(x）MAX；目标函数的极小化，即G(x）MIN。

（4）优化模型的求解与检验

在工程实际中求解污水管网的最优解可能有以下几种情况：首先，只有一个定量指标作为评价目标，该定量指标通常是工程造价，除此而外有很多可变的方案，这时需要通过最优设计方法求得最优解；其次，只有一个定量指标作为评价目标，并且备选方案不多，这时可以对所有方案进行模拟计算，逐一进行比较，择优选择方案；最后，有多个评价目标且评价目标之间有冲突，这时要用多目标最优化方法，通过在各目标函数之间进行协调与权衡，最终选择最优方案。

结束语

综上所述，在满足规定的各种约束条件下，通过优化设计，降低工程的造价是十分有必要的。实践证明。本文所述的优化设计方法和费用函数具有一定的适用性，改善了传统优化设计方法存在的弊端，在实际工程设计中取得了较好的指导作用，具有较高的经济效益。

参考文献

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[2]赵同宇.浅谈城市污水管网系统优化.科技致富导向,2010,(7):100-197.