城市給排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

惠州市道路橋梁勘察設(shè)計(jì)院，廣東 惠州 516000

1 給排水管網(wǎng)水力計(jì)算基本理論

1.1 管網(wǎng)水力計(jì)算方程

（1）節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程。給排水管網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的流量是相對(duì)平衡的，即對(duì)于管網(wǎng)中任一節(jié)點(diǎn)，流入流量與流出流量是相同的，計(jì)算方程為

式中：qij為第i～j管段之間的流量，m3/h，如果管網(wǎng)有j個(gè)節(jié)點(diǎn)，則存在j-1個(gè)管段；Qi為節(jié)點(diǎn)i的流量，m3/h，注意流入節(jié)點(diǎn)的流量為“+”，流出節(jié)點(diǎn)的流量為“-”。

（2）水頭損失方程。城市排水管網(wǎng)中水頭包括壓力水頭、位置水頭、流速水頭等。根據(jù)伯努利微分方程可知，管道中水流不可壓縮，且流速恒定，故排水管網(wǎng)中管線兩端節(jié)點(diǎn)斷面的水頭損失（水壓差）包括沿程水頭損失和局部水頭損失，其中前者遠(yuǎn)大于后者，在計(jì)算時(shí)局部水頭損失可以忽略不計(jì)。目前，在計(jì)算管線沿程具體水頭損失時(shí)，計(jì)算理論較多，不同公式因?yàn)檫m用范圍或系數(shù)不同，計(jì)算結(jié)果也差異較大。相關(guān)研究表明，可應(yīng)根據(jù)管道材料的不同選擇合適的計(jì)算公式。例如，管道材料為混凝土或鋼筋混凝土?xí)r，可采用巴甫洛夫斯基公式；管道為鑄鐵管或鋼管，可采用舍維列夫公式。

（3）能量方程。城市排水管網(wǎng)中的能量方程是指各管段之間的水頭損失之和為0，主要用于環(huán)狀管網(wǎng)計(jì)算。能量方程的個(gè)數(shù)取決于環(huán)形管網(wǎng)中的基環(huán)數(shù)，n個(gè)基環(huán)，就存在n個(gè)能量方程，具體計(jì)算公式如下：

式中：n為基環(huán)數(shù)量；Hij為第i～j管段的水頭損量（順時(shí)針為“+”，逆時(shí)針為“-”），m。

1.2 管網(wǎng)水力計(jì)算程序

城市給排水管網(wǎng)水力計(jì)算就是對(duì)節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程、水頭損失方程、能量方程等聯(lián)力方程組進(jìn)行求解，最常用的方法就是解環(huán)方程法。解環(huán)方程法的計(jì)算理念：首先擬定的初始流量要滿足節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程，隨后逐步迭代計(jì)算，修正各管段間流量差以滿足能量方程，最后代入水頭損失方程進(jìn)行校驗(yàn)。解環(huán)方程法計(jì)算管網(wǎng)的具體流程見圖1[4]。

圖1 解環(huán)方程法管力計(jì)算流程

2 給排水管網(wǎng)的平面布置優(yōu)化

（1）排水體制選擇。城市排水系統(tǒng)需要滿足雨水、生活或工業(yè)污水的排放需求。城市管網(wǎng)常見的排水體制有合流制和分流制兩種，其中合流制是利用一個(gè)管道將雨水、生活或工業(yè)污水不經(jīng)處理直接排至下游水體，這種排水方式較簡單、工程造價(jià)低、施工工期短，但對(duì)水體污染嚴(yán)重，在傳統(tǒng)的老舊城市排水管網(wǎng)中應(yīng)用較多。目前，隨著經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展和設(shè)計(jì)理念的進(jìn)步，分流制排水在城市中的應(yīng)用日益廣泛。分流制排水管網(wǎng)可劃分為完全分流和不完全分流，兩者之間的區(qū)別在于是否布設(shè)雨水排放系統(tǒng)，即完全分流制布設(shè)了多條工業(yè)廢水、生活污水、雨水排放管道，不完全分流制沒有布設(shè)雨水排放管道，雨水往往是沿著天然地面、舊水渠等排除。在確定排水管網(wǎng)體制時(shí)應(yīng)當(dāng)按照城市規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)要求、氣象條件等因素綜合考慮。即使在同一城市，排水管網(wǎng)體制也不是固定不變的，也可能因各區(qū)域的外部環(huán)境差異，使分流制和合流制排水體制同時(shí)存在。

（2）管網(wǎng)平面布局方式確定。城市給排水管網(wǎng)的平面布局指的是給水管道、排水管道等的總體走向和布置形狀，與沿線用地性質(zhì)、地形地貌、施工技術(shù)等密切相關(guān)。給排水管網(wǎng)平面布局有垂直布置和平行布置兩種方式。相關(guān)學(xué)者的研究表明，在管溝底寬和坡比不變的條件下，增加管溝的開挖深度，管溝的開挖斷面積和土方量會(huì)不斷增加（見圖2），垂直布置使得各種給排水管道相互交叉垂直穿過，從而使管溝開挖深度大，施工技術(shù)要求高，增加了工程造價(jià)，同時(shí)在很大程度上影響了后期的城市規(guī)劃建設(shè)。平行布置給排水管道是城市管網(wǎng)規(guī)劃的常用方法，主要有魚刺式、木梳式、篦子式，其中魚刺式是雙向平行布管，適用于道路兩側(cè)匯水面積相差不大的平坦地區(qū)；木梳式有單側(cè)布管和雙側(cè)布管兩種方式，單側(cè)布管的布局簡單，適用于道路橫向坡度較大的單側(cè)匯水區(qū)域，在丘陵地區(qū)較為常見。雙側(cè)布管管線交叉少，無主干管，設(shè)計(jì)施工方便；篦子式是雙側(cè)布管，適用于道路橫向坡度較小的平原地形。

圖2 管溝深與開挖斷面積擬合工公式

（3）管網(wǎng)豎向布局方式確定。①管道縱斷面布局。在城市給排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)期間，由于地形地貌、服務(wù)功能、地下管線等因素的干擾，管道縱斷面設(shè)計(jì)較復(fù)雜，變化也較多。設(shè)計(jì)原則不同，管道縱斷面的適用范圍也各有差異，見表1。②管道縱向交叉方式。城市給排水管道之間的接口方法有管頂平接、管中接、管底平接等。當(dāng)給排水管道和其他市政管線相遇時(shí)，可采用上跨和下穿兩種交叉方式。如果采用上跨式，給排水管道開挖深度小，施工簡單，工程造價(jià)低，但可能導(dǎo)致檢查井高度不符合規(guī)范要求；如果采用下穿式，給排水管道埋深大，施工技術(shù)要求高，使檢查井高度容易滿足規(guī)范要求，但局部管道應(yīng)頂管施工。

表1 管道縱斷面設(shè)計(jì)原則及適用情況

3 給排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

城市給排水管網(wǎng)一般包括若干管道，每個(gè)管道并不是孤立存在的，上游管道水力計(jì)算參數(shù)往往會(huì)對(duì)下游管道優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生一定程度的干擾。要實(shí)現(xiàn)整個(gè)給排水管網(wǎng)效率最大化，不能只分析某一個(gè)管道參數(shù)，應(yīng)當(dāng)確保各初始流速、管徑、跌水等達(dá)到最優(yōu)組合，具體原則如下：第一，坡度和流速平方呈正相關(guān)關(guān)系，流速大一定會(huì)引起坡度增加，從而導(dǎo)致管道埋深大，增加管網(wǎng)造價(jià)，故設(shè)計(jì)較小流速；第二，在符合給排水能力與流速的情況下，要對(duì)大管徑和小管徑進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比選；第三，對(duì)于給排水管道埋置深度小于規(guī)范要求的最小埋深地段或地形陡峭地段，應(yīng)設(shè)計(jì)跌水。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

城市給排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，即在工程造價(jià)最小的前提下，盡可能提高城市各區(qū)域的給水、排水能力。給排水管網(wǎng)優(yōu)化的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)可以年費(fèi)用折算值計(jì)算：

式中：Wmin為年費(fèi)用折算；C為管網(wǎng)總建設(shè)費(fèi)用；T為投資回收期；Y1為折舊費(fèi)；Y2為燃油動(dòng)力費(fèi)。

4 結(jié)論

（1）水力計(jì)算是城市給排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是在節(jié)點(diǎn)連續(xù)方程、水頭損失方程、能量方程等基礎(chǔ)上，對(duì)管網(wǎng)的流速、管徑及水頭損失等參數(shù)進(jìn)行量化。（2）給排水管網(wǎng)平面布置的基本原則是管線施工簡單、工程量小、造價(jià)低等，可從排水體制的選擇、管網(wǎng)平面布局方式、管網(wǎng)豎向布局方式等方面著手。（3）城市排水管網(wǎng)平面布局有垂直布置和平行布置兩種方式，管道之間的接口方法有管頂平接、管中接、管底平接等。當(dāng)給排水管道和其他市政管線相遇時(shí)，可采用上跨和下穿兩種交叉方式。（4）城市給排水管網(wǎng)的若干管道并不是孤立存在的，要實(shí)現(xiàn)整個(gè)給排水管網(wǎng)效率最大化，應(yīng)確保各初始流速、管徑、跌水等達(dá)到最優(yōu)組合。