试析市政排水管网优化设计方案

【摘要】市政排水管网经常会出现各种各样的问题，比如污水直接排到河道中促使水体被污染；排水体制不完善促使雨水和污水合流；规划设计和发展建设的不协调促使污水技术条件比较差，根本满足不了使用所需；排水管网建设和污水处理厂建设不能有效配合在一起，造成二次污染等。以上所说这些问题都严重制约了整个城市各项排水设施的发展。所以相关部门要对市排水管网进行优化设计，这样才能解决好已定平面布置方案中常见的排水管径和埋深等各种问题。

【关键词】市政排水；管网；优化设计

一、前言

近几年政府部门一直是整个城市市政排水工程建设、管理和服务的主角。随着城市排水事业等市政公用事业市场化改革进程的加快，城市排水管理将会面临各种问题，这些仅仅依靠政府职能进行处理根本难以达到预期目的。城市排水属于整个市政工程最为关键的基础设施，不仅关系到城市排水的有效控制，还涉及到水污染的控制、环境保护及改善等问题。加强对城市排水的管理，才能确保城市排水各项设施得以安全正常运行下去，也才可降低城市水环境污染，确保环境和经济社会的可持续发展，进而保证人民的生命健康，总的来说具有非常强大的现实意义及深远影响。然而从当前理论研究与实践改革来看，一些市政排水管网主要局限在污水处理领域，一些侧重排水管网技术性问题上，却没有形成一套完善的多元责任主体管网管理模式。所以加强对市政排水管网的优化设计非常重要，这样才能确保排水管网平面布置得以优化。

二、影响市政排水管网改造工程设计的主要因素

1、城市用地和工程专项规划

城市规划人员在设计管网时，需要收集齐关于工程所在区域的最新用地和工程专项规划资料，并且要摸清本次设计所涉及到的各类管线与片区内部的管线使用基本情况以及存在的问题，例如水源、电源、气源以及排水体制和污水出路等，另外还要熟悉掌握各种设计管线的直径、孔数以及尺寸等。

2、现状的管线资料

优化管网设计前要将本次所需设计范围里的所有现状管线资料收集齐全，对于缺少该类资料的建设单位要重新勘测一下工程所在区域的现状管线。假如设计人员对现状管线的实际情况不够了解，会直接造成管线设计本身合理性受到影响，严重时还会导致管位发生重合、管线的标高发生冲突等各种问题，进而给整个管线的施工作业造成不小的麻烦。

3、和有关管线主管部门沟通与协调

因为城市生活所需，市政管线的种类非常多，并且每种管线的主管部门也不一样，例如给水管线主要由水务部门或者自来水公司进行管理；污水和雨水管线主要由相关水务部门或者一些排水管理部门进行管理；电力管线主要由相关供电部门进行管理，所以设计市政管网时，一定要充分征求各管线的主管部门关于管线设计意见和要求，并且针对一些较为合理的意见与要求也要纳入优化设计过程中，从而达到日后管线管理与使用所需。

三、我国市政排水管网的现状分析

1、规划设计出现问题

制定排水管网规划时要结合城市的总体规划与区域规划，并且要和城市其它单项工程建设紧密配合在一起，例如城市各项功能分区的布局、建筑的界限、道路的规划以及地下其它各项设施的规划等，都要纵观全局采取合理的措施进行解决，这样才能将其构成一个有机整体。与此同时由于排水系统的规划设计属于动态的，当排水体制、排水主干管顶线以及排水量标准等方面的工作结束后，要结合实际情况对局部情况进行调整，这样才便于工程项目各个环节工作的开展。另外由于排水管网建设具有自身特点，即其建设完成后的使用期限有时候会长达四五十年以上。所以城市排水管网的规划设计要比整个城市的整体规划年限要长一些，另外计算排水量时要从多个方面进行预测并留有充足的发展余地。

2、排水体制尚不完善

排水管网设计与排水体制有着直接关系，然而当前大部分排水体制都要进行改制。排水系统体制主要有两种，一种为合流制，另一种则为分流制。当然混合制也属于城市运转中常见的系统，是很多合流制城市在扩建排水系统时常会采用的。大城市里常会受各个区域自然条件和修建情况较差的影响，所以要针对不同区域采取相应的排水体制。

四、市政排水管网的优化设计措施

1、优化布置管线平面

布置排水管网时应坚持工程量最小、水流畅通以及最大限度上节省能量的原则，准确进行定线，这也是合理设计管网的前提基础。定线基本原则主要表现在以下几个方面：设计干管支管时要采取直线布局，切忌拐弯；定线时要充分利用地理优势，促使污水能在重力作用下可以顺利流到污水厂里面；设计过程中要尽可能的减少管道的埋深；布置管道过程中要尽量少设置一些提升泵站。

2、优化已定平面布置管道系统设计

所谓优化排水管道设计主要内容为：针对某一设计管段，在确定好设计流量时，需在达到设计规范标准的管径与坡度等多种组合里，寻求管材费用和敷设费用之间的平衡。当排水管线的平面布置已经指定好后，关于管段管径以及埋深的优化设计，很多机构都作了很多研究工作，并取得了一定的成就。

（1）采取线性规划法与非线性规划法

A、线性规划法

所谓线性规划法主要指排水管网设计在计算过程中经常会受到的一些约束条件以及目标函数本身具有的非线性，通常会采取一级泰特公式及展开式进行代替，并将线性规划解当作问题近似解，通过反复迭代，促使迭代序列可以靠近非线性规划里的最优解。当然这种方法也有不足之处，即长把管径看作连续量进行处理，以致于计算管径和市场管径出现不一致冲突，并且前期准备的工作量比较大，虽然今后发展起来的整数规划法从某种程度上弥补了线性规划缺点，然而因它的整型变量非常多，所以很难求解。

B、非线性规划法

非线性规划法极大的适应了当前计算模型里目标函数以及变量本身具有的非线性特征，对于选择的管道直径与埋深也可以起到优化的作用，然而却极大的阻碍了目标函数以及约束条件形式的发展。

（2）采取直接优化法

所谓直接优化法是根据各种方案或者一些可调参数方面的选择设计进行计算与比较所获得的最优解，其直观性与便于验证便是最大优点。这种方法主要表现在以下两个方面：

A、采用电子表格法作为启发式费用估算法，使得用户可以寻找到最小的费用设计，进而可以拿出更好的结果且能满足施工设计规范标准。

B、采用两相优化法，这种方法主要用在设计流量确定好后，并以达到约束条件为前提，选择最为经济的流速与最大充满度从而获取最优管径与最小坡度，与此同时也能最大限度的把管道埋深降低。这种直接优化法本身的算法和人工算法差不多一样，然而设计人员水平有限，所能获取的结果也不同，这时获取的结果便不太可能成为最优解。

（3）采取遗传算法

所谓遗传算法属于进化算法中的一个分支，它是通过模拟生物学里面的自然遗传变异机制所提出的一种随机优化算法。这种遗传算法用于解决小型管道里的系统优化设计问题时常会获取最佳设计方案。然而在解决较大型的管道系统问题时，通常只可以获得一个接近最佳解的优化设计方案，所以优化设计排水管道过程中，不管采用怎样的方法都要将设计规范作为最基本的要求，与此同时也要把费用降到最低。

五、市政排水管网优化设计应注意问题

1、管线间距达不到规范要求

市政排水管线的改造工程经常会受到各种因素的影响，有时还会出现管线的平面净距和垂直净距以及管线和树木、建筑物等净距不能满足施工规范要求时，为了确保各类管线可以安全使用，必须采取相应的保护措施。一般会采用设置套管、对混凝土进行包封或者设置管沟进行保护。当燃气管线从路口穿越过时，也要采取必要的保护措施。例如某段拓宽路段因为燃气管道和树木的净距难以满足施工规范要求，就采套管方式进行保护。

2、管线的竖向标高发生冲突

当给水、电力、通信及燃气管道和其它管线的竖向标高发生冲突时，可以采取设置弯头、加设电力以及通信井的措施来避让，通常雨、污水管线属于重力流，管道很难弯曲，一旦因为某些因素促使竖向标高发生冲突时，便只能采取倒虹吸或者设置交汇井的方法来避让。一般情况下倒虹吸设计过程中要达到以下标准：最小管径应该为200毫米；管里的设计流速应该不小于0.9m/s；另外也要设置一些事故排出口或设置一些双管倒虹吸；进出水井里面还要设置闸槽或闸门；作为倒虹管进水井前面的检查井要设置一道沉泥槽。如果污水管的管径比雨水管的小时，就要在交汇位置设置一座交汇井，并把污水管改成生铁管使其直接从交叉井穿过，并且雨水管线需在井中断开。给水管通畅要从排水管上面穿越过去，一旦必须从排水的下方穿越过去时，就要给给水管的管材加设一道钢管或者增设钢套管，从而避免水质受到污染。

六、结语

由此可见，城市规划管理人员对市政管线的改造工程进行综合设计的目的便是防止平面与竖向空间处的各种工程管线发生冲突或者受到干扰，这对于整个市政工程排水管网的正常运行极为重要。总之综合各方面因素对管线进行综合设计才能把各类管线最好的埋设埋深确定下来，以便可以节约有限地下空间，降低工程的投资成本，从而为城市的可持续发展以及资源节约型社会奠定良好基础。