城市排水管道系統設計計算的進展

時間：2007-03-06 來源： 作者：

0　引言
　　排水系統是現代化城市不可缺少的重要基礎設施，也是城市水污染防治和城市排漬防澇、防洪的骨干工程。其中，生活住宅區和工礦企業的雨水和污水管道系統投資一般占整個排水系統的投資70%左右［1］。因此，設計時如何在滿足規定的各種技術條件下，盡量降低管道系統的基建費用是設計工作中的一個重要課題。
　　傳統排水管道系統的設計計算方法是：設計人員在掌握了較為完整可靠的設計基礎資料后，按照管道定線和平面布置的原則，確定出一種較為合理的污水管道平面布置圖。然后計算出各設計管段的設計流量，以水力計算圖或水力計算表及有關的設計規定作為控制條件，從上游到下游依次進行各設計管段的水力計算，求出各管段的管徑、坡度以及在檢查井處的管底標高和埋設深度。計算中，一般只是憑經驗對管段的管徑和坡度等進行適當的調整，以求達到經濟合理的目的，但其合理程度受到設計人員個人能力的限制；另一方面，大多數計算采用反復查閱圖和表的方法進行，工作效率低，時間長，不利于設計方案的優化。
　　自20世紀60年代開始，國際上在經驗總結和數理分析的基礎上，逐步建立起了各種給水排水工程系統或過程的數學模型，從而發展到了以定量和半定量為標志的給水排水工程“合理設計和管理”的階段。與此同時，對于各種類型的給水排水系統，開展了最優化的研究和實踐［2］。為了探求排水管道系統的最優設計計算方法，國內外許多科研、設計、教學單位和個人進行了不少的工作，發表了大量的文章。從研究成果來看，應用計算機進行排水管道的設計計算，不僅把設計人員從查閱圖表的繁重勞動中解脫出來，加快了設計進度，而且整個排水管道系統得到了優化，提高了設計質量。所確定的最優方案與傳統方法相比，可降低10%以上的工程造價［3］。
　　排水管道系統是一個龐大而復雜的系統，從已有的研究成果來看，其設計計算主要涉及到3方面的內容：(1)在管線平面布置已定情況下進行管段管徑-埋深的優化設計；(2)管線平面布置的優化選擇；(3)雨水徑流模型的建立。合流制排水管道系統通常具備溢流設施，用以限制輸送至當地污水處理廠的水量。由于溢流出來的雨水也就近排入河道，因此從水量角度而言，合流制排水系統對于排水區域的影響與分流制雨水系統實際上是相同的［4］。
1　已定管線下的管道系統優化設計
　　對于在管線平面布置已定情況下進行管段管徑-埋深的優化設計問題，國內外做了大量開拓性工作，取得了豐碩成果。最優化方法一般分為兩種：間接優化法和直接優化法。間接優化法也稱解析最優化，它是在建立最優化數學模型的基礎上，通過最優化計算求出最優解；而直接最優化方法是根據性能指標的變化，通過直接對各種方案或可調參數的選擇、計算和比較，來得到最優解或滿意解［5］。
1.1　直接優化法
　　在排水管道優化設計中，應用直接優化方法者認為［6～8］：雖然排水管道計算采用的水力計算公式很簡單，但是由于管徑的可選擇尺寸不是連續變化的，不能任意選擇管徑；最大充滿度的限制又與管徑大小有關；關于最小設計流速、流速變化(隨設計流量增加而增大)及其與管徑之間關系的約束條件等都很復雜，也不能用數學公式來描述。因此，很難建立一個完整的求解最優化問題的數學模型來用間接最優化方法求解。相對而言，用直接最優化方法來解決這個問題具有直接、直觀和容易驗證等優點。

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