优化市政排水管网设计探讨

李 敏

(山西省城乡规划设计研究院，山西太原 030001)

1 概述

2012年8 月某城市发生了百年一遇的洪灾，如此大的洪灾居然没有淹没城市，事后调查发现该城市市政排水做得相当到位，有效疏散了凶猛的洪水。在城市建设中排水管网是市政工程重要组成部分，所耗费资金几乎占据着排水系统的80%。所以，对市政的排水管网优化设计具有现实意义。

2 优化城市排水管网的必要性

从我国城市基础建设来看依然薄弱，尤其是城市中排水管网更加欠缺，如今其普及率仅仅占据65%。因此探究优化管网的设计十分必要，总体来说其必要性体现在如下几个方面:1)优化管网设计能够有效缓解快速增加的污水量，能够缓解排水系统的建设和所需之间的脱节。从现实来看，现实中所排水系统的需求是远远超出了排水系统的建设。2)优化管网设计有效降低了排水系统建设的投资成本，成为了决定管网系统投资建设能不能够成功的关键因素之一。3)因为我国的基础建设比较薄弱，投资到城市基础建设中的资金十分有限，优化了管网设计直接让所投资金获得最佳投资效益。从各个方面分析来看，对市政排水管网进行优化设计有效解决了所存在的问题，不仅仅在理论上具有重要价值，还能有效解决管网的实际问题，因此在应用中具有广阔前景。

3 案例分析

某城市位于东南沿海，处于亚热带的季风气候区，城市中地势比较平坦，而且具有四季分明、降雨充沛、光照充足、空气湿润等各种特征，在该城市中主要的气候灾害之一就是暴雨，从相关统计可知，该城市每一年平均降暴雨天数是5.7 d。而且该城市交通便利、地势平坦，因此成为了良好投资环境，经过几年大力发展逐渐成为了集贸易、文化、产业以及居住等等全职能综合区。而且该城市人口数量在快速增长，现有的排水管网已经体现出严重的不适，许多居民家中排水管道都具有严重渗水现象。

3.1 排水管网现状分析

要对管网的设计进行优化，就必须要从其现状中分析存在的问题，进而在该问题基础上结合实况进行优化才具有真正价值。总体来看，案例中的城市排水管网具有如下一些不足:1)排水的体制不合理。现在很多城市所用排水工程是分流制的排水体制，事实上这种排水措施存在不足，就是一些地方较为盲目应用分流制，这种做法与当地实况不相符而严重脱节，因此降低了排水系统的可行性。2)设计不合理。一些排水管设计和该区域排水系统之间并没有有机结合，坡度与管径设计都不大，导致根本不能够连接到其他路段中的排水管，在设计排水管网中十分重要的参数就是排水设施设计的降雨重现期。本文所选案例中因城市降雨量比较大，所以必须要将降雨重现期设计稍微偏大，但是事实上设计却稍微偏小，因此根本不能够满足发生强降雨后的行洪能力。3)排水设施相对滞后。案例中的城市一个重要问题就是市政排水各种设施滞后，致使处理不达标或者污水没有经过处理就排入到河道，而对水体造成污染，其中比较严重的问题有几个方面:a.设计合流制存在问题。在扩建旧城区时，雨水与污水进行合流，造成污水处理厂把旱天的污水引入进来。一旦到了雨季，那么雨水和污水的混合水就极易超过截留量倒灌进城市的水体中而污染。因此优化设计不仅要考虑到雨水初期出现的截留量，还应该研究溢流点被溢流之后对水的污染情况。b.设计雨水管问题。对于一个城市而言，其水文环境并不会对城市建设造成多大影响，随着城市化后埔径流不断增大，但是城市发展缩减了径流汇流时间，敷设雨水管也没有充分考虑到城市水文环境变化，比较常见就是应用雨水量的计算方法，导致实况和所产生结果间不相符，致使城市的排水不达标。

3.2 优化管网设计

从前面分析可知该城市的排水管网中还存在各种不足，对正常所需造成一定影响，因此必须结合该城市实况采取合理的优化措施。事实上，对排水管网优化设计就是针对某设计管段，确定好了设计流量之后，满足了设计规范要求管径与坡度多种组合时，就要平衡管材费用和敷设费用。并且定下平面布置情况下，优化设计管径的埋深。

图1 优化给水设计

1)优化给水管网的设计。对于排水管网优化设计中的给水管网，就是通过在已经定线基础上去探查管径和水力参数间最优化的组合解，这样就是为了有效减小管网的年费用折算值。对于城市的输配水系统中必须要合理设计与改建，或者运行及扩建，不但能够节约投资还能够节省电能。现在合理改造、调度、改建输配水系统逐渐被重视，对于已经定下来的管网就应该对管网中的流量进行合理分配，也可以在分配流量基础上应用优化算法，本案例中就是通过管网计算系统进行优化计算(见图1)，包含了水量预测、阻力系统以及平差计算等等，优化管道所设计的尺寸，同样还应该依据城市的地形特征，合理分布供水的区域，使用不同的压力范围进行供水，有效降低管网系统运行费用。已经投入使用的管网要合理进行调度，确保用户使用水的基础上让供水的压力能够满足较小的服务水头，确保具备较低的运行费用。

图2 管网优化设计步骤

2)优化排水管网的设计。对排水管网优化设计上，基本上就是优化已经定下来的平面布置和定线下的管网参数即可。现在优化排水管网的设计大多数是定线下管网的参数，而且几乎都是集中在解决管径与埋深，及不同的管段间优化设计参数上。在设计某一管段，一旦确定了流量之后，能够满足设计中所要求管径和其他的水力参数之间存在多种组合，其中总有一组管径与其他水力参数形成组合的投资比较小。如果排水管网中是由许多根管段组成，所计算上游管段设计结构必定会对下游管段设计参数造成影响，因此系统之中每一个管段都实现设计最优组合，同样也不能够确保整个系统就属于设计最优。所以要确保整个排水工程系统的设计最优，就应该从整个排水系统出发，从全局着手实施优化设计。对排水管网进行优化设计时，计算配水管的水力所用计算公式并不难，但因为管径能够选择尺寸并非连续变化，选择管径上必定存在难度。因此最大的限制就是和管径大小相关，而最小设计流速及流速变化以及和管径间的关系等都比较复杂，根本不能够使用数学公式进行描述。所以要建立出一个比较完整最优求解的数学模型难度较多，大多是采用间接化的方法求解。采用直接优化法能够解决的问题，大多具有直观、直接以及容易验证等各种特征。本文案例优化设计的步骤见图2。

4 结语

只有正确意识到排水管网在整个市政工程中的作用，才会努力研究对排水管网的优化设计。加之国民经济不断发展，给城市的排水系统提出了新要求与新任务，所以必须要结合城市市政工程实况，有效优化排水管网设计，只有这样才能够达到优化的真正目标，才能够发挥排水管网系统的真正作用。

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