城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計及其決策系統(tǒng)淺析

王胤淇　黎明　魏一偉

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，導(dǎo)致污水排放量進(jìn)一步增加，作為民生工程，對污水進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化成為其他企業(yè)穩(wěn)定運行的重要保障。文章對城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的意義進(jìn)行了分析，闡述了設(shè)計優(yōu)化時需要注意的問題，希望對提高我國城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：城市建設(shè)；污水管網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計；決策系統(tǒng)；生活污水；工業(yè)污水 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU992 文章編號：1009-2374（2015）31-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.045

隨著生活水平的提高，人們對環(huán)境的要求越來越高，城市污水管網(wǎng)工作的投入資金在整個市政環(huán)境工程建設(shè)資金投入中的比例較大。城市污水管網(wǎng)不僅要對居民生活污水和工業(yè)污水進(jìn)行收集，還要對雨水進(jìn)行收集，是重要的民生基礎(chǔ)工程之一。城市污水管網(wǎng)工程質(zhì)量直接決定了城市的發(fā)展?fàn)顩r，對城市的生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境也有著巨大的影響，因此相關(guān)部門必須做好城市污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計工作。

1 城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的意義

傳統(tǒng)的污水管道設(shè)計采用的是計算器對水力進(jìn)行計算，既浪費時間，工作人員的壓力也比較大，其結(jié)果也不能給出最優(yōu)設(shè)計方案。在對方案進(jìn)行比較時，往往容易忽視掉優(yōu)秀方案。隨著科技的不斷進(jìn)步，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被逐漸應(yīng)用到各種行業(yè)中，在各行各業(yè)都發(fā)揮了巨大的作用，計算機(jī)在城市污水管網(wǎng)的使用，不僅提高了工作效率，而且增加了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，計算機(jī)污水管道系統(tǒng)為城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計提供了重要的理論基礎(chǔ)，是污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)的重要保障，在優(yōu)化設(shè)計過程中，各種理論與技術(shù)相整合，污水管網(wǎng)設(shè)計方案趨于最優(yōu)，為投資節(jié)省了5%～15%的資金。隨著系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，其復(fù)雜程度也就越高，優(yōu)化設(shè)計的作用也更加明顯，降低了工程造價，逐漸減少甚至避免資源的浪費。在對城市污水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，要遵循科學(xué)合理的原則，以充分實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和使用效益為目標(biāo)。

2 城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容

2.1 污水管線平面布局

優(yōu)化設(shè)計時平面布線的前提，在進(jìn)行城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計工作前，需要進(jìn)行正確的定線。在定線時，要設(shè)計多種定線方案，通過多種方案的對比，從中選取實用價值最高的方案，在確定方案之后，對其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化要遵循管線最短、管道工程量最小、水流暢通且節(jié)省能量的原則。

2.2 管道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

管道參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是指通過對已經(jīng)確定的污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行坡度、埋深、管徑以及其他參數(shù)的計算，達(dá)到參數(shù)優(yōu)化的目的。在確定了污水管道的流量后，符合管徑和埋深以及其他要求的方案很多，這時就需要對管道參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從中選擇工程投資成本最小的組合。對管道參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計組合選擇主要有直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法，直接優(yōu)化法是最簡單的一種方法，只需要對性能指標(biāo)的變化進(jìn)行記錄，對其中的影響參數(shù)進(jìn)行計算，對多種設(shè)計中的參數(shù)進(jìn)行比較，選擇最符合的優(yōu)化設(shè)計即可，雖然該方法比較簡單，但是在計算過程中，計算數(shù)據(jù)非常龐大，即使經(jīng)驗豐富的工作人員，在對參數(shù)進(jìn)行計算時，也有可能造成疏忽，影響結(jié)果。間接優(yōu)化法是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立的，與工程實際緊緊結(jié)合，通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行內(nèi)部優(yōu)化，能夠得出最優(yōu)設(shè)計組合。

3 城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計需注意的問題

3.1 流速設(shè)計

污水管道的埋深對工程造價、施工和工期均有一定的影響，埋深越大，意味著投入的資金就要增加，施工難度也隨之增加，必然會導(dǎo)致工期延長。如果在一定條件下，盡可能減少埋深深度，可以大大減少工程造價和工程難度，而直接作用于污水管道埋深的關(guān)鍵因素是管道坡度，我們知道，如果污水的流速減小時，管徑的半徑才會增大，也就是說，減小污水流速才能實現(xiàn)坡度和埋深的減小，但是在實際工作中，對于坡度的大小并沒有做具體規(guī)定，只是單單對最小管徑的管底坡度做了規(guī)定，所以憑借坡度作為決策變量是無法實現(xiàn)的，在對流速設(shè)計時，有明確的條件對其進(jìn)行約束，在以約束條件為基礎(chǔ)的前提下，要選擇盡可能小的流速設(shè)計方案，為整個城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計提供基礎(chǔ)。

3.2 充滿度設(shè)計

在優(yōu)化設(shè)計的前提下，選擇盡可能小的管徑，也是減少工程造價的重要部分，但是對管徑?jīng)]有約束，而對充滿度有嚴(yán)格的制約規(guī)定，所以無法選擇最優(yōu)管徑。如果對流量和流速有了充分的掌握，選擇接近最大充滿度的管徑，該管徑就是該條件下可以選擇的最小管徑。用這種方法對充滿度進(jìn)行選擇不僅減少了工程造價，而且對于減小管底坡度和埋深也有一定的作用。

3.3 污水管網(wǎng)布置形式

根據(jù)地形的不同，管網(wǎng)的布置形式也不同，平行式和交叉式是兩種最基本的形式：在地形起伏較大的地區(qū)采用平行式的方法，在鋪設(shè)過程中，污水干管與等高線平行，主干管與等高線垂直，該方法對管內(nèi)的流速起到控制作用。交叉式適用于地形相對平坦的地區(qū)，鋪設(shè)時，污水干管與地形等高線垂直相交，主干管與等高線平行。在實際施工過程中，地形往往較為復(fù)雜，需要將兩種方法進(jìn)行結(jié)合，才能實現(xiàn)污水管網(wǎng)的綜合布置。

3.4 管材優(yōu)化選擇

傳統(tǒng)的鋼筋混凝土管制造方便、可塑性強，可以根據(jù)不同的抗壓要求制成相應(yīng)的鋼筋混凝土管，得到了普遍的應(yīng)用，然而隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，污水管網(wǎng)的管材也有了新的發(fā)展，HDPE作為一種內(nèi)壁平滑的新型材料，具有耐腐蝕、使用壽命長、方便搬運等優(yōu)點，能夠大大減少工程造價，并縮短工期。

4 城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計決策系統(tǒng)

4.1 目標(biāo)確定

只有對目標(biāo)進(jìn)行確定，才能為污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)，不僅要對每個分目標(biāo)進(jìn)行確定，還要對綜合目標(biāo)進(jìn)行確定，建立各關(guān)鍵因素目標(biāo)的變量與各目標(biāo)函數(shù)關(guān)系，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型。

4.2 數(shù)學(xué)模型

4.2.1 設(shè)計變量。在設(shè)計過程中，有些參數(shù)是事先給定的，不需要進(jìn)行計算，除此之外，有的參數(shù)在設(shè)計過程中，受到其他參數(shù)的影響而產(chǎn)生一定的變化，這部分的參數(shù)也就是所謂的變量。離散型設(shè)計變量和連續(xù)型設(shè)計變量是設(shè)計變量的兩種方法，然而在實際工作過程中，離散型設(shè)計變量對于工作人員來說難度系數(shù)非常大，計算起來較為麻煩，浪費時間。因此，在實際工作中，主要采用的還是連續(xù)型設(shè)計變量方法。

4.2.2 約束條件。在優(yōu)化設(shè)計過程中，變量并不是刻意隨意變化的，必須要給變量的取值設(shè)置一個限制，也就是所謂的約束條件。

4.2.3 目標(biāo)函數(shù)。完成設(shè)計變量的選擇后，用變量函數(shù)來表示設(shè)計需要達(dá)到的指標(biāo)，也就是目標(biāo)函數(shù)，其表現(xiàn)形式為：G（x）=G（x1，x2，……，xn）。經(jīng)過優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)有兩種表述方式：用G（x）→MAX表示函數(shù)的極大化；用G（x）→MIN表示函數(shù)的極小化。

4.3 對優(yōu)化模型進(jìn)行求解與檢驗

通常情況下，將工程造價作為評價目標(biāo)，因此有很多方案可供選擇，最優(yōu)設(shè)計方法充分體現(xiàn)了其價值。如果評價目標(biāo)僅為一個，且供選擇的方案不多，則可以選用分別計算的方式對結(jié)果進(jìn)行比較，從而選擇最優(yōu)設(shè)計方案；如果出現(xiàn)了多個評價目標(biāo)且評價目標(biāo)之間有沖突，這時就需要采用多目標(biāo)最優(yōu)化方法，在各個目標(biāo)函數(shù)之中進(jìn)行比較與權(quán)衡，最終選擇最優(yōu)方案。

5 結(jié)語

城市污水管網(wǎng)工程建設(shè)作為重要的民生工程，得到了國家財政資金的大力扶持，污水管網(wǎng)系統(tǒng)也逐步得到了完善，為提高居民的生活環(huán)境和生活質(zhì)量提供了重要保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳杰.污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2013，（19）.

作者簡介：王胤淇（1988-），男，河南信陽人，中國水利水電第三工程局有限公司助理工程師，研究方向：污水管道設(shè)計。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）endprint