城市污水管网系统优化之我见

桑源

（吉林省松原市市政工程管理局，吉林 松原 138000）

引言

城市排水管网是现代化城市不可缺少的重要基础设施，其在市政与环境工程建设中所占总投资的比例很大，也是水污染防治和排涝减灾的骨干工程。人们通常把给水管网称为城市“动脉”，而把排水管网就是城市的“静脉”。城市污水管网作为“静脉”的一支发挥着巨大的作用。很难想想，现代文明城市能够离开排水管网而独立存在。排水管网设施建设的好坏将直接关系着城市的发展水平，影响着城市景观和环境卫生，影响着城市品位和投资环境，甚至关系到城市的安全。然而，由于历史的原因，我国城市污水管网系统建设存在着自身的一些问题，加之使用后的老化问题，是的我国城市污水管网建设亟待改进。

1 城市污水管网设计与优化的意义

在传统的污水管网优化设计程序中，设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，先根据管道定线和系统布置的原则，再凭经验确定出一种较为合理的管网系统布置图，然后计算各管段的设计流量，并以有关的设计规定作为控制条件，从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋深。计算中，一般只是凭经验对管径和坡度进行适当的调整，以求达到经济合理的目的，但其合理程度受到设计人员个人能力的限制，另一方面大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行，工作效率低，时间长，不利于设计方案的优化。且用这种传统的优化设计方法很可能遗漏最优设计方案，导致排水管网投资出现不必要的浪费，同样还会给管道施工和以后的维护管理带来困难。

随着计算机及其相关学科的发展，各行各业对工程设计的要求越来越高，从初步利用计算机绘图和简单的计算，到利用计算机进行优化设计和科学调度，均说明了计算机在各个领域所起到的作用以及带来的经济效益。系统分析方法、最优化理论以及计算机技术的发展和广泛应用，为排水管网优化研究提供了必要的理论基础和实现手段，逐渐使排水管网的优化设计工作向着智能化方向发展，以提高设计效率，降低工程造价。

随着国民经济的不断发展，城市化的不断推进，城市建设日新月异，对环境保护日益加强，这就要求国家大量投资建设污水管网。根据统计，我国城市污水管网设施的投资渠道主要来自国家拨款和地方财政，限于政府财力的制约，不可能满足各方面对投资的需求，许多城市的污水管网建设临着建设资金严重不足的困境。因此，对污水管网进行优化设计，寻求满足各种技术条件又能使整个系统建设和运营费用最低的设计方案，不仅具有重要的理论和应用价值，而且具有明显的经济和社会效益。

2 城市排水管网建设的现状分析

我国幅员辽阔，城市众多。政府在城市排水工程的投资额度很大，而生活住宅区和工矿企业的排水管网投资一般占整个排水系统工程总投资的70%左右。然而，由于历史的原因，我国城市污水管网系统建设存在着自身的一些问题，加之使用后的老化问题，是的我国城市污水管网建设亟待改进。据统计，我国目前的城市污水管网普及率与工业发达国家比差距较大。而随着城市化的推进，农村人口向城镇大量转移，城市人口迅速增加。与此同时，城市中的工矿企业如雨后春笋般涌现，使得城市污水排放量急剧增长。这些压力使得现有的城市排水管网己经不堪重负，我国各地需要新建和改造城市排水管网的需求量越来越大，国家每年投入大量的资金进行排水管网的维护和建设。

从我国污水管网建设的基本步骤来看，在设计阶段就基本确定了工程投资的规模大小。这就是说，城市污水管网的规划设计将直接影响工程总投资和社会效益。虽然污水管网的规划设计不涉及很复杂的计算理论，但是由于排水管网系统布置和水力参数计算都有众多可行的设计方案，需要进行多次的选择和计算，再加上各管段之间的连接以和众多的约束条件使得排水管网设计的工作量大而繁杂。

3 城市污水管网系统优化的几点建议

3.1 雨水口位置的设置。城市排水系统的安全性无疑是最重要的。在城市排水系统运行过程中，最常发生的是很多路段地面积水严重，一部分是由于车辆超载致使路面损毁、坑洼不平造成的积水。主要是因为设计人员雨水口设置的随意性，教条的根据规范20至40米设置一个雨水口，并没有充分考虑到雨水口的收水功能，造成沿街单位、居住小区出入口、道路交汇处积水现象严重。解决方法：雨水口宜于设置在汇水点和截水点上，如道路汇水点、街道的最底处、十字路口处应根据道路坡向设置在低处，雨水口不宜设置在地势高的地方、道路转弯曲线段、建筑物门口等。雨水口的合理设置对城市防洪排涝有着积极作用。

3.2 雨水出处。雨水从整体来说是比较干净的，无需处理，主要是就近排入自然水体中。雨水系统由于管径大，从而造价高，如果能缩短雨水管线距离、减小汇水面积的小区域排放可以极大缩减雨水系统造价，这就要求有受水区域，如果城市新建区能增加人工受水区域如：人工湖，或保留原有较大的自然水体，这样既美化了市区又将极大节省雨水管网的投资。

3.3 最优化方法。广义而言，所谓“最优化设计”就是从完成某一任务的所有可行方案中按某一标准找出最好的方案。因此对于各种事物，只要存在不同的解决办法，就存在最优化问题。排水管网的优化设计就是先通过建立抽象或简化的管网模型，以最优化方法为理论基础，以经济因素为目标函数，以水力要素为约束条件，寻求技术可行、经济合理的排水管网设计方案。

最优化方法一般分为两种：间接优化法和直接优化法。间接优化法也称解析最优化,它是在建立最优化数学模型的基础上,通过最优化计算求出最优解；而直接最优化方法是根据性能指标的变化，通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，来得到相对最优解或满意解。

在排水管道优化设计中，人们更倾向于直接优化法。虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单，但是不能任意选择管径，也就是说管径尺寸是不可能连续变化的，最大充满度又受约束于管径。所以关于最小设计流速、流速变化及其与管径之间关系的约束条件等都不能用数学公式来描述。因此，很难建立一个数学模型来用间接最优化方法求解。相对而言，用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、容易验证的优点。

4 结束语

城市污水管网优化不仅是单纯理论上的将工程造价值降到最低，其最主要的问题还是得保证排水的安全、稳定性，保证城市不被污染、不发生内涝。所以在设计阶段就要总结老城区排水中存在的问题，在源头上解决后患，在此基础上将造价降低才是正真意义上的排水优化。

[1]顾国维.水污染治理技术研究[M].上海:同济大学出版社，1997.

[2]周玉文，赵洪宾.排水管网理论与计算[M].北京:中国建筑工业出版社，2000.

[3]李树平，刘遂庆.城市排水管道系统设计计算的进展[J].给水排水，1999.