城市排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的進(jìn)展

吉林省磐石市供水公司 王曉川

城市排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的進(jìn)展

吉林省磐石市供水公司 王曉川

排水系統(tǒng)是現(xiàn)代化城市不可缺少的重要基礎(chǔ)設(shè)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(qū)和工礦企業(yè)的雨水和污水管道系統(tǒng)投資一般占整個(gè)排水系統(tǒng)的投資70%左右。因此,設(shè)計(jì)時(shí)如何在滿足規(guī)定的各種技術(shù)條件下,盡量降低管道系統(tǒng)的基建費(fèi)用是設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)重要課題。排水管道系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng),從已有的研究成果來(lái)看,其設(shè)計(jì)計(jì)算主要涉及到3方面的內(nèi)容:(1)在管線平面布置已定情況下進(jìn)行管段管徑2埋深的優(yōu)化設(shè)計(jì);(2)管線平面布置的優(yōu)化選擇;(3)雨水徑流模型的建立。合流制排水管道系統(tǒng)通常具備溢流設(shè)施,用以限制輸送至當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S的水量。由于溢流出來(lái)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(tǒng)對(duì)于排水區(qū)域的影響與分流制雨水系統(tǒng)實(shí)際上是相同的。

一、已定管線下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于在管線平面布置已定情況下進(jìn)行管段管徑2埋深的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外做了大量開(kāi)拓性工作,取得了豐碩成果。最優(yōu)化方法一般分為兩種:間接優(yōu)化法和直接優(yōu)化法。間接優(yōu)化法也稱解析最優(yōu)化,它是在建立最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)最優(yōu)化計(jì)算求出最優(yōu)解;而直接最優(yōu)化方法是根據(jù)性能指標(biāo)的變化,通過(guò)直接對(duì)各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇、計(jì)算和比較,來(lái)得到最優(yōu)解或滿意解。(1)直接優(yōu)化法。在排水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)中,應(yīng)用直接優(yōu)化方法者認(rèn)為:雖然排水管道計(jì)算采用的水力計(jì)算公式很簡(jiǎn)單,但是由于管徑的可選擇尺寸不是連續(xù)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(guān);關(guān)于最小設(shè)計(jì)流速、流速變化(隨設(shè)計(jì)流量增加而增大)及其與管徑之間關(guān)系的約束條件等都很復(fù)雜,也不能用數(shù)學(xué)公式來(lái)描述。因此,很難建立一個(gè)完整的求解最優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型來(lái)用間接最優(yōu)化方法求解。相對(duì)而言,用直接最優(yōu)化方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題具有直接、直觀和容易驗(yàn)證等優(yōu)點(diǎn)。(2)間接優(yōu)化法。應(yīng)用間接優(yōu)化方法者認(rèn)為:隨著優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展,盡管排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算中存在著關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的約束條件,只要對(duì)其中的某些條件適當(dāng)取舍,合理地應(yīng)用數(shù)學(xué)工具,就可以把它簡(jiǎn)化、抽象為容易解決的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)計(jì)算得出最優(yōu)解?？傊?在排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,間接優(yōu)化法和直接優(yōu)化法同時(shí)在應(yīng)用著,都在不斷地改進(jìn)和完善。以達(dá)到費(fèi)用最小為目標(biāo)。

二、管線的平面優(yōu)化布置

研究人員在解決已定管線下的排水管道系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的同時(shí)就已經(jīng)指出,對(duì)不同定線方案的優(yōu)化選擇更具有適用價(jià)值。但由于已定管線下的設(shè)計(jì)是管線平面布置的基礎(chǔ),加上目前已定管線下的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算并不成熟,造成了系統(tǒng)平面優(yōu)化布置的進(jìn)展甚微。

隨著時(shí)間的推移,研究人員發(fā)現(xiàn),城市排水系統(tǒng)平面布置能夠抽象為由點(diǎn)和線構(gòu)成的決策圖,于是轉(zhuǎn)向從圖論中尋找平面優(yōu)化布置的方法。1986年,S.Tekel和H.Belkaya又應(yīng)用了3種權(quán)值來(lái)解決:(1)各管段地面坡度的倒數(shù);(2)各管段的管長(zhǎng);(3)各管段在滿足最小覆土條件下,按最小坡度設(shè)計(jì)時(shí)的挖方量。分別對(duì)這3種權(quán)值運(yùn)用最短路生成樹(shù)算法求管線平面布置方案,再進(jìn)行管徑、埋深和提升泵站的優(yōu)化設(shè)計(jì),最后取投資費(fèi)用最小的平面方案作為最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

對(duì)于排水管道系統(tǒng)所有可行的管線敷設(shè)路徑構(gòu)成的圖,各管段的實(shí)際權(quán)值只有在方案確定以后才能計(jì)算出來(lái),因此屬于圖論中的變權(quán)問(wèn)題,可是到目前為止,圖論中的變權(quán)問(wèn)題尚無(wú)有效的解決方法。在國(guó)內(nèi),李貴義(1986)提出了簡(jiǎn)約梯度法,陳森發(fā)(1988)提出了遞階優(yōu)化設(shè)計(jì)法,這些方法也得不到令人滿意的結(jié)果。最近,遺傳算法的出現(xiàn)為排水管道系統(tǒng)平面優(yōu)化布置提供了可能條件,因?yàn)檫z傳算法的運(yùn)算機(jī)制對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束條件沒(méi)有特殊要求。G.A.Walters已經(jīng)應(yīng)用遺傳算法在城市給水排水、農(nóng)田灌溉、電纜和煤氣管線方面進(jìn)行研究。

三、雨水徑流模型方面的研究

我國(guó)雨水管渠的設(shè)計(jì)一直沿用推理公式法,1974年試行、1987年修訂的室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范都是如此規(guī)定。推理公式法的計(jì)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(shí)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(shí)等于地面集水時(shí)間,由暴雨公式求得下一管段的最大設(shè)計(jì)流量。選擇一可行管徑作為設(shè)計(jì)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(lái)求出所需的可行管徑)。推理公式法應(yīng)用明渠均勻流公式進(jìn)行水力計(jì)算,其最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單迅速。由于使用了歷史最大降雨資料,能夠得到偏于安全的設(shè)計(jì)。但是,已有的許多研究表明,推理公式法中基于推導(dǎo)公式的假定不盡合理,存在一些不夠完善的地方,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)沒(méi)有考慮降雨的空間變化。由于實(shí)際暴雨強(qiáng)度在受雨面積上的分布不均勻,當(dāng)匯水面積較大時(shí),所取的降雨歷時(shí)較長(zhǎng),按公式計(jì)算得出的下游管段的設(shè)計(jì)流量會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。(2)理論上作了過(guò)分簡(jiǎn)單的假設(shè),使用者可能會(huì)不經(jīng)檢驗(yàn)地就借用其它地區(qū)公布的參數(shù)和常數(shù),以便節(jié)省時(shí)間。設(shè)計(jì)因缺乏充分的實(shí)例資料,存在一定的盲目性。(3)只能計(jì)算洪峰流量,無(wú)法推求完整的徑流過(guò)程,對(duì)雨水調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)、合流制排水管道溢流流量計(jì)算無(wú)法適應(yīng)要求。

近20年來(lái),隨著城市徑流污染問(wèn)題的日益突出,各種精度較高的城市水文、水力計(jì)算模型的建立顯得越來(lái)越重要。我國(guó)對(duì)城市徑流模型的研究起步較晚,目前已有一些結(jié)合我國(guó)實(shí)際的研究成果問(wèn)世。如對(duì)雨水管網(wǎng)模擬的擴(kuò)散波簡(jiǎn)化和運(yùn)動(dòng)波簡(jiǎn)化,對(duì)地表徑流系統(tǒng)的模擬技術(shù)包括:等流時(shí)線法、瞬時(shí)單位線法和改進(jìn)推理法。

四、結(jié)束語(yǔ)

無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,在排水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論計(jì)算和工程應(yīng)用上均已取得很大的成果,也仍然存在著許多期待解決的問(wèn)題。

[1]顧國(guó)維.水污染治理技術(shù)研究.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997

[2]傅國(guó)偉.給水排水系統(tǒng)優(yōu)化導(dǎo)論(一).中國(guó)給水排水,1987,3(4):45～50

[3]MJ霍爾[英]著,詹道江等譯.城市水文學(xué).南京:河海大學(xué)出版社,1989

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