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

時(shí)間：2007-03-06 來源： 作者：

0　引言
　　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［1］。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。
　　傳統(tǒng)排水管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法是：設(shè)計(jì)人員在掌握了較為完整可靠的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料后，按照管道定線和平面布置的原則，確定出一種較為合理的污水管道平面布置圖。然后計(jì)算出各設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量，以水力計(jì)算圖或水力計(jì)算表及有關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)定作為控制條件，從上游到下游依次進(jìn)行各設(shè)計(jì)管段的水力計(jì)算，求出各管段的管徑、坡度以及在檢查井處的管底標(biāo)高和埋設(shè)深度。計(jì)算中，一般只是憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)管段的管徑和坡度等進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以求達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的，但其合理程度受到設(shè)計(jì)人員個(gè)人能力的限制；另一方面，大多數(shù)計(jì)算采用反復(fù)查閱圖和表的方法進(jìn)行，工作效率低，時(shí)間長，不利于設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。
　　自20世紀(jì)60年代開始，國際上在經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和數(shù)理分析的基礎(chǔ)上，逐步建立起了各種給水排水工程系統(tǒng)或過程的數(shù)學(xué)模型，從而發(fā)展到了以定量和半定量為標(biāo)志的給水排水工程“合理設(shè)計(jì)和管理”的階段。與此同時(shí)，對(duì)于各種類型的給水排水系統(tǒng)，開展了最優(yōu)化的研究和實(shí)踐［2］。為了探求排水管道系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法，國內(nèi)外許多科研、設(shè)計(jì)、教學(xué)單位和個(gè)人進(jìn)行了不少的工作，發(fā)表了大量的文章。從研究成果來看，應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行排水管道的設(shè)計(jì)計(jì)算，不僅把設(shè)計(jì)人員從查閱圖表的繁重勞動(dòng)中解脫出來，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，而且整個(gè)排水管道系統(tǒng)得到了優(yōu)化，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。所確定的最優(yōu)方案與傳統(tǒng)方法相比，可降低10%以上的工程造價(jià)［3］。
　　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-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�處理廠的水量。由于溢流出來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［4］。
1　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-埋深的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，國內(nèi)外做了大量開拓性工作，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，來得到最優(yōu)解或滿意解［5］。
1.1　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［6～8］：雖然排水管道計(jì)算采用的水力計(jì)算公式很簡單，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)公式來描述。因此，很難建立一個(gè)完整的求解最優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型來用間接最優(yōu)化方法求解。相對(duì)而言，用直接最優(yōu)化方法來解決這個(gè)問題具有直接、直觀和容易驗(yàn)證等優(yōu)點(diǎn)。

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