城市排水管道系統設計計算的進展
時間：2007-03-06 來源： 作者：
2 管線的平面優化布置
研究人員在解決已定管線下的排水管道系統優化問題的同時就已經指出，對不同定線方案的優化選擇更具有適用價值。但由于已定管線下的設計是管線平面布置的基礎，加上目前已定管線下的優化設計計算并不成熟，造成了系統平面優化布置的進展甚微。
最早著手這方面研究的是J.C.Liebman(1976)。在他的研究中，撇開水力因素，假定每一管段管徑相同，以挖方費用為優選依據，選擇一初始布置方案，然后用試算法逐步進行調整。此后Argaman(1973)和Mays(1976)在平面布置方案中引入排水線(Drainage
Line)的概念，將排水區域內與最終出水口節點(即檢查井)相距同樣可行管段數的節點用一根排水線連接起來。對任一排水線，上游的流量在該排水線流向下游［19］。這樣，管線平面布置方案的優選問題轉化為最短路問題，可用動態規劃法求解。此模型已經考慮到水力因素，但由于排水線的引入，尋優過程的搜索范圍被限制在平面布置方案可行域中的很小一部分，即使是具有豐富設計經驗的人員亦有可能把最優的方案排除在外。再加上其所需存儲最大和計算時間長的特點，此法仍是無法實現。1982年，Walters對該方法進行了改進，曾應用于公路排水系統的設計。
隨著時間的推移，研究人員發現，城市排水系統平面布置能夠抽象為由點和線構成的決策圖，于是轉向從圖論中尋找平面優化布置的方法。1983年，P.R.Bhave和J.F.Borlow將網絡圖論中的最小生成數算法應用于排水管道系統平面布置方案的優選。假定系統中的每一管段具有相同的權重(Weight)，避開水力因素，用定權方法來求解。1986年，S.Tekel和H.Belkaya又應用了3種權值來解決：(1)各管段地面坡度的倒數；(2)各管段的管長；(3)各管段在滿足最小覆土條件下，按最小坡度設計時的挖方量。分別對這3種權值運用最短路生成樹算法求管線平面布置方案，再進行管徑、埋深和提升泵站的優化設計，最后取投資費用最小的平面方案作為最優設計方案。
對于排水管道系統所有可行的管線敷設路徑構成的圖，各管段的實際權值只有在方案確定以后才能計算出來，因此屬于圖論中的變權問題，可是到目前為止，圖論中的變權問題尚無有效的解決方法。在國內，李貴義(1986)提出了簡約梯度法，陳森發(1988)提出了遞階優化設計法［20］，這些方法也得不到令人滿意的結果。
最近，遺傳算法的出現為排水管道系統平面優化布置提供了可能條件，因為遺傳算法的運算機制對目標函數和約束條件沒有特殊要求。G.A.Walters已經應用遺傳算法在城市給水排水、農田灌溉、電纜和煤氣管線方面進行研究［21］。
3 雨水徑流模型方面的研究
我國雨水管渠的設計一直沿用推理公式法，1974年試行、1987年修訂的室外排水設計規范都是如此規定。推理公式法的計算方法是假定管渠中水流為均勻流，求得水流在管道中的流行時間；再假定雨水在地面的水流流速等于管渠中的水流流速，降雨歷時等于地面集水時間，由暴雨公式求得下一管段的最大設計流量。選擇一可行管徑作為設計管徑，由水力公式求得所需的水力坡度(或選擇一可行的水力坡度，來求出所需的可行管徑)。
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