城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化之我見

桑源

（吉林省松原市市政工程管理局，吉林 松原 138000）

引言

城市排水管網(wǎng)是現(xiàn)代化城市不可缺少的重要基礎設施，其在市政與環(huán)境工程建設中所占總投資的比例很大，也是水污染防治和排澇減災的骨干工程。人們通常把給水管網(wǎng)稱為城市“動脈”，而把排水管網(wǎng)就是城市的“靜脈”。城市污水管網(wǎng)作為“靜脈”的一支發(fā)揮著巨大的作用。很難想想，現(xiàn)代文明城市能夠離開排水管網(wǎng)而獨立存在。排水管網(wǎng)設施建設的好壞將直接關系著城市的發(fā)展水平，影響著城市景觀和環(huán)境衛(wèi)生，影響著城市品位和投資環(huán)境，甚至關系到城市的安全。然而，由于歷史的原因，我國城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)建設存在著自身的一些問題，加之使用后的老化問題，是的我國城市污水管網(wǎng)建設亟待改進。

1 城市污水管網(wǎng)設計與優(yōu)化的意義

在傳統(tǒng)的污水管網(wǎng)優(yōu)化設計程序中，設計人員在掌握了較為完整可靠的設計基礎資料后，先根據(jù)管道定線和系統(tǒng)布置的原則，再憑經(jīng)驗確定出一種較為合理的管網(wǎng)系統(tǒng)布置圖，然后計算各管段的設計流量，并以有關的設計規(guī)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深。計算中，一般只是憑經(jīng)驗對管徑和坡度進行適當?shù)恼{(diào)整，以求達到經(jīng)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(shù)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(yōu)化。且用這種傳統(tǒng)的優(yōu)化設計方法很可能遺漏最優(yōu)設計方案，導致排水管網(wǎng)投資出現(xiàn)不必要的浪費，同樣還會給管道施工和以后的維護管理帶來困難。

隨著計算機及其相關學科的發(fā)展，各行各業(yè)對工程設計的要求越來越高，從初步利用計算機繪圖和簡單的計算，到利用計算機進行優(yōu)化設計和科學調(diào)度，均說明了計算機在各個領域所起到的作用以及帶來的經(jīng)濟效益。系統(tǒng)分析方法、最優(yōu)化理論以及計算機技術的發(fā)展和廣泛應用，為排水管網(wǎng)優(yōu)化研究提供了必要的理論基礎和實現(xiàn)手段，逐漸使排水管網(wǎng)的優(yōu)化設計工作向著智能化方向發(fā)展，以提高設計效率，降低工程造價。

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化的不斷推進，城市建設日新月異，對環(huán)境保護日益加強，這就要求國家大量投資建設污水管網(wǎng)。根據(jù)統(tǒng)計，我國城市污水管網(wǎng)設施的投資渠道主要來自國家撥款和地方財政，限于政府財力的制約，不可能滿足各方面對投資的需求，許多城市的污水管網(wǎng)建設臨著建設資金嚴重不足的困境。因此，對污水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計，尋求滿足各種技術條件又能使整個系統(tǒng)建設和運營費用最低的設計方案，不僅具有重要的理論和應用價值，而且具有明顯的經(jīng)濟和社會效益。

2 城市排水管網(wǎng)建設的現(xiàn)狀分析

我國幅員遼闊，城市眾多。政府在城市排水工程的投資額度很大，而生活住宅區(qū)和工礦企業(yè)的排水管網(wǎng)投資一般占整個排水系統(tǒng)工程總投資的70%左右。然而，由于歷史的原因，我國城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)建設存在著自身的一些問題，加之使用后的老化問題，是的我國城市污水管網(wǎng)建設亟待改進。據(jù)統(tǒng)計，我國目前的城市污水管網(wǎng)普及率與工業(yè)發(fā)達國家比差距較大。而隨著城市化的推進，農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)大量轉(zhuǎn)移，城市人口迅速增加。與此同時，城市中的工礦企業(yè)如雨后春筍般涌現(xiàn)，使得城市污水排放量急劇增長。這些壓力使得現(xiàn)有的城市排水管網(wǎng)己經(jīng)不堪重負，我國各地需要新建和改造城市排水管網(wǎng)的需求量越來越大，國家每年投入大量的資金進行排水管網(wǎng)的維護和建設。

從我國污水管網(wǎng)建設的基本步驟來看，在設計階段就基本確定了工程投資的規(guī)模大小。這就是說，城市污水管網(wǎng)的規(guī)劃設計將直接影響工程總投資和社會效益。雖然污水管網(wǎng)的規(guī)劃設計不涉及很復雜的計算理論，但是由于排水管網(wǎng)系統(tǒng)布置和水力參數(shù)計算都有眾多可行的設計方案，需要進行多次的選擇和計算，再加上各管段之間的連接以和眾多的約束條件使得排水管網(wǎng)設計的工作量大而繁雜。

3 城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的幾點建議

3.1 雨水口位置的設置。城市排水系統(tǒng)的安全性無疑是最重要的。在城市排水系統(tǒng)運行過程中，最常發(fā)生的是很多路段地面積水嚴重，一部分是由于車輛超載致使路面損毀、坑洼不平造成的積水。主要是因為設計人員雨水口設置的隨意性，教條的根據(jù)規(guī)范20至40米設置一個雨水口，并沒有充分考慮到雨水口的收水功能，造成沿街單位、居住小區(qū)出入口、道路交匯處積水現(xiàn)象嚴重。解決方法：雨水口宜于設置在匯水點和截水點上，如道路匯水點、街道的最底處、十字路口處應根據(jù)道路坡向設置在低處，雨水口不宜設置在地勢高的地方、道路轉(zhuǎn)彎曲線段、建筑物門口等。雨水口的合理設置對城市防洪排澇有著積極作用。

3.2 雨水出處。雨水從整體來說是比較干凈的，無需處理，主要是就近排入自然水體中。雨水系統(tǒng)由于管徑大，從而造價高，如果能縮短雨水管線距離、減小匯水面積的小區(qū)域排放可以極大縮減雨水系統(tǒng)造價，這就要求有受水區(qū)域，如果城市新建區(qū)能增加人工受水區(qū)域如：人工湖，或保留原有較大的自然水體，這樣既美化了市區(qū)又將極大節(jié)省雨水管網(wǎng)的投資。

3.3 最優(yōu)化方法。廣義而言，所謂“最優(yōu)化設計”就是從完成某一任務的所有可行方案中按某一標準找出最好的方案。因此對于各種事物，只要存在不同的解決辦法，就存在最優(yōu)化問題。排水管網(wǎng)的優(yōu)化設計就是先通過建立抽象或簡化的管網(wǎng)模型，以最優(yōu)化方法為理論基礎，以經(jīng)濟因素為目標函數(shù)，以水力要素為約束條件，尋求技術可行、經(jīng)濟合理的排水管網(wǎng)設計方案。

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)學模型的基礎上,通過最優(yōu)化計算求出最優(yōu)解；而直接最優(yōu)化方法是根據(jù)性能指標的變化，通過直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇、計算和比較，來得到相對最優(yōu)解或滿意解。

在排水管道優(yōu)化設計中，人們更傾向于直接優(yōu)化法。雖然排水管道計算采用的水力計算公式很簡單，但是不能任意選擇管徑，也就是說管徑尺寸是不可能連續(xù)變化的，最大充滿度又受約束于管徑。所以關于最小設計流速、流速變化及其與管徑之間關系的約束條件等都不能用數(shù)學公式來描述。因此，很難建立一個數(shù)學模型來用間接最優(yōu)化方法求解。相對而言，用直接最優(yōu)化方法來解決這個問題具有直接、容易驗證的優(yōu)點。

4 結(jié)束語

城市污水管網(wǎng)優(yōu)化不僅是單純理論上的將工程造價值降到最低，其最主要的問題還是得保證排水的安全、穩(wěn)定性，保證城市不被污染、不發(fā)生內(nèi)澇。所以在設計階段就要總結(jié)老城區(qū)排水中存在的問題，在源頭上解決后患，在此基礎上將造價降低才是正真意義上的排水優(yōu)化。

[1]顧國維.水污染治理技術研究[M].上海:同濟大學出版社，1997.

[2]周玉文，趙洪賓.排水管網(wǎng)理論與計算[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2000.

[3]李樹平，劉遂慶.城市排水管道系統(tǒng)設計計算的進展[J].給水排水，1999.