城市污水管网优化设计及其决策系统浅析

王胤淇　黎明　魏一伟

摘要：随着我国社会经济的快速发展，城市化进程进一步加快，导致污水排放量进一步增加，作为民生工程，对污水进行管网优化成为其他企业稳定运行的重要保障。文章对城市污水管网优化设计的意义进行了分析，阐述了设计优化时需要注意的问题，希望对提高我国城市污水管网优化设计提供参考。

关键词：城市建设；污水管网；优化设计；决策系统；生活污水；工业污水 文献标识码：A

中图分类号：TU992 文章编号：1009-2374（2015）31-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.045

随着生活水平的提高，人们对环境的要求越来越高，城市污水管网工作的投入资金在整个市政环境工程建设资金投入中的比例较大。城市污水管网不仅要对居民生活污水和工业污水进行收集，还要对雨水进行收集，是重要的民生基础工程之一。城市污水管网工程质量直接决定了城市的发展状况，对城市的生态环境和投资环境也有着巨大的影响，因此相关部门必须做好城市污水管网的优化设计工作。

1 城市污水管网优化设计的意义

传统的污水管道设计采用的是计算器对水力进行计算，既浪费时间，工作人员的压力也比较大，其结果也不能给出最优设计方案。在对方案进行比较时，往往容易忽视掉优秀方案。随着科技的不断进步，计算机网络系统被逐渐应用到各种行业中，在各行各业都发挥了巨大的作用，计算机在城市污水管网的使用，不仅提高了工作效率，而且增加了数据的准确性，计算机污水管道系统为城市污水管网优化设计提供了重要的理论基础，是污水管网优化设计实现的重要保障，在优化设计过程中，各种理论与技术相整合，污水管网设计方案趋于最优，为投资节省了5%～15%的资金。随着系统规模逐渐扩大，其复杂程度也就越高，优化设计的作用也更加明显，降低了工程造价，逐渐减少甚至避免资源的浪费。在对城市污水管网进行优化设计时，要遵循科学合理的原则，以充分实现经济效益、社会效益和使用效益为目标。

2 城市污水管网优化设计的内容

2.1 污水管线平面布局

优化设计时平面布线的前提，在进行城市污水管网优化设计工作前，需要进行正确的定线。在定线时，要设计多种定线方案，通过多种方案的对比，从中选取实用价值最高的方案，在确定方案之后，对其进行优化，优化要遵循管线最短、管道工程量最小、水流畅通且节省能量的原则。

2.2 管道参数优化设计

管道参数优化设计是指通过对已经确定的污水管网优化设计进行坡度、埋深、管径以及其他参数的计算，达到参数优化的目的。在确定了污水管道的流量后，符合管径和埋深以及其他要求的方案很多，这时就需要对管道参数进行优化设计，从中选择工程投资成本最小的组合。对管道参数的最优设计组合选择主要有直接优化法和间接优化法，直接优化法是最简单的一种方法，只需要对性能指标的变化进行记录，对其中的影响参数进行计算，对多种设计中的参数进行比较，选择最符合的优化设计即可，虽然该方法比较简单，但是在计算过程中，计算数据非常庞大，即使经验丰富的工作人员，在对参数进行计算时，也有可能造成疏忽，影响结果。间接优化法是在数学模型的基础上建立的，与工程实际紧紧结合，通过数学模型进行内部优化，能够得出最优设计组合。

3 城市污水管网优化设计需注意的问题

3.1 流速设计

污水管道的埋深对工程造价、施工和工期均有一定的影响，埋深越大，意味着投入的资金就要增加，施工难度也随之增加，必然会导致工期延长。如果在一定条件下，尽可能减少埋深深度，可以大大减少工程造价和工程难度，而直接作用于污水管道埋深的关键因素是管道坡度，我们知道，如果污水的流速减小时，管径的半径才会增大，也就是说，减小污水流速才能实现坡度和埋深的减小，但是在实际工作中，对于坡度的大小并没有做具体规定，只是单单对最小管径的管底坡度做了规定，所以凭借坡度作为决策变量是无法实现的，在对流速设计时，有明确的条件对其进行约束，在以约束条件为基础的前提下，要选择尽可能小的流速设计方案，为整个城市污水管网优化设计提供基础。

3.2 充满度设计

在优化设计的前提下，选择尽可能小的管径，也是减少工程造价的重要部分，但是对管径没有约束，而对充满度有严格的制约规定，所以无法选择最优管径。如果对流量和流速有了充分的掌握，选择接近最大充满度的管径，该管径就是该条件下可以选择的最小管径。用这种方法对充满度进行选择不仅减少了工程造价，而且对于减小管底坡度和埋深也有一定的作用。

3.3 污水管网布置形式

根据地形的不同，管网的布置形式也不同，平行式和交叉式是两种最基本的形式：在地形起伏较大的地区采用平行式的方法，在铺设过程中，污水干管与等高线平行，主干管与等高线垂直，该方法对管内的流速起到控制作用。交叉式适用于地形相对平坦的地区，铺设时，污水干管与地形等高线垂直相交，主干管与等高线平行。在实际施工过程中，地形往往较为复杂，需要将两种方法进行结合，才能实现污水管网的综合布置。

3.4 管材优化选择

传统的钢筋混凝土管制造方便、可塑性强，可以根据不同的抗压要求制成相应的钢筋混凝土管，得到了普遍的应用，然而随着科学技术的快速发展，污水管网的管材也有了新的发展，HDPE作为一种内壁平滑的新型材料，具有耐腐蚀、使用寿命长、方便搬运等优点，能够大大减少工程造价，并缩短工期。

4 城市污水管网优化设计决策系统

4.1 目标确定

只有对目标进行确定，才能为污水管网优化设计提供参考依据，不仅要对每个分目标进行确定，还要对综合目标进行确定，建立各关键因素目标的变量与各目标函数关系，将其转化成数学模型。

4.2 数学模型

4.2.1 设计变量。在设计过程中，有些参数是事先给定的，不需要进行计算，除此之外，有的参数在设计过程中，受到其他参数的影响而产生一定的变化，这部分的参数也就是所谓的变量。离散型设计变量和连续型设计变量是设计变量的两种方法，然而在实际工作过程中，离散型设计变量对于工作人员来说难度系数非常大，计算起来较为麻烦，浪费时间。因此，在实际工作中，主要采用的还是连续型设计变量方法。

4.2.2 约束条件。在优化设计过程中，变量并不是刻意随意变化的，必须要给变量的取值设置一个限制，也就是所谓的约束条件。

4.2.3 目标函数。完成设计变量的选择后，用变量函数来表示设计需要达到的指标，也就是目标函数，其表现形式为：G（x）=G（x1，x2，……，xn）。经过优化的目标函数有两种表述方式：用G（x）→MAX表示函数的极大化；用G（x）→MIN表示函数的极小化。

4.3 对优化模型进行求解与检验

通常情况下，将工程造价作为评价目标，因此有很多方案可供选择，最优设计方法充分体现了其价值。如果评价目标仅为一个，且供选择的方案不多，则可以选用分别计算的方式对结果进行比较，从而选择最优设计方案；如果出现了多个评价目标且评价目标之间有冲突，这时就需要采用多目标最优化方法，在各个目标函数之中进行比较与权衡，最终选择最优方案。

5 结语

城市污水管网工程建设作为重要的民生工程，得到了国家财政资金的大力扶持，污水管网系统也逐步得到了完善，为提高居民的生活环境和生活质量提供了重要保障。

参考文献

[1] 吴杰.污水管网优化设计研究[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（19）.

作者简介：王胤淇（1988-），男，河南信阳人，中国水利水电第三工程局有限公司助理工程师，研究方向：污水管道设计。

（责任编辑：秦逊玉）endprint