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摘要:在市政建设和环境治理工程建设中,雨水和污水管道系统常占有较大的投资比例，如何在满足规定的各种技术条件下,合理设计城市排水管道系统是设计中的一個重要课题。从已定管线下的优化设计、管线的平面优化布置和雨水径流模型的研究三方面论述了排水管道系统设计计算发展中出现的方法及需要解决的问题。
关键词:排水管道系统;优化设计;平面布置
Abstract: In the municipal construction and environment treatment project construction, storm water and sewage pipe systems often account for a large investment ratio, and how to meet the specified conditions and rational design urban drainage pipeline system is an important topic in the design. discusses method and problems in the development the design system of drainage channels calculation from optimal design of pipeline has been set, the layout of the pipeline plane optimize and storm water runoff model.Key words: system of drainage channels; optimal design; layout
中图分类号：TU992.2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
城市排水系统是城市基础设施建设的重要组成部分,主要由排水管网和污水处理厂组成。城市排水管网系统选择何种方式收集、输送、排放雨污水(即排水体制)是城市排水系统规划中的首要问题,它不仅影响排水系统的设计、施工、维护和管理,而且对城市规划和环境保护也将产生深远影响,同时还影响工程的总投资、初期投资和运行管理费用。[1 ]
城市排水系统是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程,担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区内雨水和流经市区雨水的任务。排水工程设施的建设直接影响着城市的发展格局、景观和环境卫生,甚至关系到城市的安全。在城市排水系统的规划过程中对排水系统进行详细模拟,可以系统地评估规划方案对城市水环境的影响,从而为规划方案的调整和优化提供理论性的指导,这一实践在国际上已经成为排水系统规划的重要内容。[2 ]
排水管网系统的平面布置优化对于城市排水管网规划具有重要的作用,它直接影响到整个管网系统的合理性和经济性。目前,国内外对给定的管网布线条件下,污水管线的管径、埋深、坡度等管道参数的优化方面进行了大量的研究,但对于污水管网系统平面布置优化的研究甚少。现有的管网平面布置优化中采用图的类型多为有向图,管段的权值为固定值,但实际工程中,由于水的实际流向和规定流向常有一定的差别,管段权值随着敷设方案的变化而发生变化,造成最终优化结果存在一定的误差。本文结合生成树理论,考虑网络权值变化对生成树的影响,并采用无向图的方法对管网平面布置进行优化。
传统排水管道系统的设计计算方法是:设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后,按照管道定线和平面布置的原则,确定出一种较为合理的污水管道平面布置图。然后计算出各设计管段的设计流量,以水力计算图或水力计算表及有关的设计规定作为控制条件,从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算,求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。计算中,一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整,以求达到经济合理的目的,但其合理程度受到设计人员个人能力的限制;另一方面,大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行,工作效率低,时间长,不利于设计方案的优化。
自20 世纪60 年代开始,国际上在经验总结和数理分析的基础上,逐步建立起了各种给水排水工程系统或过程的数学模型,从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程“合理设计和管理”的阶段。与此同时,对于各种类型的给水排水系统,开展了最优化的研究和实践。为了探求排水管道系统的最优设计计算方法,国内外许多科研、设计、教学单位和个人进行了不少的工作,发表了大量的文章。从研究成果来看,应用计算机进行排水管道的设计计算,不仅把设计人员从查阅图表的繁重劳动中解脱出来,加快了设计进度,而且整个排水管道系统得到了优化,提高了设计质量。所确定的最优方案与传统方法相比, 可降低10 %以上的工程造价。
排水管道系统是一个庞大而复杂的系统,从已有的研究成果来看,其设计计算主要涉及到三方面的内容: (1) 在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计; (2) 管线平面布置的优化选择;(3) 雨水径流模型的建立。合流制排水管道系统通常具备溢流设施,用以限制输送至当地污水处理厂的水量。由于溢流出来的雨水也就近排入河道,因此从水量角度而言,合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的。[3 ]
最优化方法一般分为两种:间接优化法和直接优化法。间接优化法也称解析最优化,它是在建立最优化数学模型的基础上,通过最优化计算求出最优解;而直接最优化方法是根据性能指标的变化,通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较,来得到最优解或满意解。
在排水管道优化设计中,应用直接优化法者认为:虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单,但由于管径的可选择尺寸不是连续变化的,不能任意选择管径;最大充满度的限制又与管径大小有关;最小设计流速、流速变化(随设计流量增加而增大) 及其与管径之间的关系等约束条件都很复杂,也不能用数学公式来描述. 因此,很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。 相对而言,用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、直观和容易验证等优点。
应用间接优化方法者认为:随着优化技术的发展,尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件,只要对其中的某些条件做适当的取舍,合理地应用数学工具,就可以把它简化、抽象为容易解决的数学模型,通过计算得出最优解。 间接优化方法主要分以下几类:线性规划法、非线性规划法、动态规划法、两相优化法、罚函数离散优化法、混合整数规划法、电子表格法、遗传算法等。
遗传算法( Genetic Algorithms ,简称GAs) 是模拟生物学中的自然遗传而提出的随机优化算法. 近年来,它显示出比传统优化方法更大的优越性,并越来越广泛的被应用于解决水力和水资源问题. 因为它对目标函数没有可微可导的要求,因此可用于解决复杂的、不连续的、非线性的问题. 作为一种优化工具,GAs 已经成功的应用于建立水质与径流质管理模型和城市排水管网的实时控制. 在管网优化设计中,它采用规格管径作为状态变量,可以同时搜索可行解空间内的许多点,通过选择、杂交和变异等迭代操作因子,最终求得满意解. 一般在解决中小型管道系统优化设计时,可以求得最优设计方案. 尽管搜索方法具有一定的随机性,在解决大型管道系统问题时,遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案. [4 ]
在排水管网系统优化设计技术的发展和应用过程中,间接优化法和直接优化法同时存在,并且两者都在不断地改进,逐步趋于完善. 两种方法的共同点是都以设计规范及管径、流速、坡度、充满度间的水力关系为约束条件,以达到费用最小为目标.
城市排水管道多敷设于纵横交错的路网之下,污水由各支管的起端进入,经过干管收集汇入主干管,最终进入污水处理厂进行处理,形成了以污水处理厂为根节点的不含圈的连通图,即树。具有N 个污水处理厂的排水管网系统形成N 棵以污水处理厂为根节点彼此不相连通的树。因此,可采用最小生成树理论对污水管网平面布置进行优化。根据该理论,污水管网平面布置的优化可以简化为构造N棵以污水处理厂为根节点的最小生成树,优化目标是使污水收集管网的投资费用最省。
污水管网平面布置优化的目标就是在约束条件下,最终生成以污水处理厂为根节点的最小生成树的优化布置结构。其中生成树每条边的费用与其管段流量、埋深、提升泵站数量有关,并且随着生成树节点数目的增加而发生变化。在生成树优化过程中,按照最大设计充满度、最小流速控制下的最小坡度,确定管段流量和选取管径之间的对应关系,并按最小坡度进行埋深的递推计算,即随着管线距离的增加,根部管线的埋深逐渐增加,当达到最大埋深时,增设提升泵站,后续管线的埋深从提升泵站开始继续进行递推运算;另外,管段遇到较宽的河流时,亦增设提升泵站。[5 ]
无论国内还是国外,在排水管道系统设计的理论计算和工程应用上均已取得很大的成果,也仍然存在着许多期待解决的问题。随着计算技术和系统方法的发展,更好地研究开发排水管道系统设计计算软件是必然的发展趋势。
参考文献:
[1]王淑梅,王宝贞,曹向东等.对我国城市排水体制的探讨[J].中国给水排水2007，23（12）：16～21.
[2]董欣，陈吉宁，赵冬泉. SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J].给水排水2006，32（5）：106～109.
[3]王之晖，宋乾武，代晋国等.排水管网系统平面布置的优化设计研究[J].给水排水2006，32（5）：100～103.
[4]李树平，刘遂庆.城市排水管道系统设计计算的进展[J].给水排水1999，25（10）：9～12.
[5]彭永臻,王淑莹,王福珍. 排水管网计算程序的全局优化[J]. 中国给水排水, 1994 ,10 (5) :41～43.
关键词:排水管道系统;优化设计;平面布置
Abstract: In the municipal construction and environment treatment project construction, storm water and sewage pipe systems often account for a large investment ratio, and how to meet the specified conditions and rational design urban drainage pipeline system is an important topic in the design. discusses method and problems in the development the design system of drainage channels calculation from optimal design of pipeline has been set, the layout of the pipeline plane optimize and storm water runoff model.Key words: system of drainage channels; optimal design; layout
中图分类号：TU992.2文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
城市排水系统是城市基础设施建设的重要组成部分,主要由排水管网和污水处理厂组成。城市排水管网系统选择何种方式收集、输送、排放雨污水(即排水体制)是城市排水系统规划中的首要问题,它不仅影响排水系统的设计、施工、维护和管理,而且对城市规划和环境保护也将产生深远影响,同时还影响工程的总投资、初期投资和运行管理费用。[1 ]
城市排水系统是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程,担负着收集城市生活和工业生产等污水、及时排除城区内雨水和流经市区雨水的任务。排水工程设施的建设直接影响着城市的发展格局、景观和环境卫生,甚至关系到城市的安全。在城市排水系统的规划过程中对排水系统进行详细模拟,可以系统地评估规划方案对城市水环境的影响,从而为规划方案的调整和优化提供理论性的指导,这一实践在国际上已经成为排水系统规划的重要内容。[2 ]
排水管网系统的平面布置优化对于城市排水管网规划具有重要的作用,它直接影响到整个管网系统的合理性和经济性。目前,国内外对给定的管网布线条件下,污水管线的管径、埋深、坡度等管道参数的优化方面进行了大量的研究,但对于污水管网系统平面布置优化的研究甚少。现有的管网平面布置优化中采用图的类型多为有向图,管段的权值为固定值,但实际工程中,由于水的实际流向和规定流向常有一定的差别,管段权值随着敷设方案的变化而发生变化,造成最终优化结果存在一定的误差。本文结合生成树理论,考虑网络权值变化对生成树的影响,并采用无向图的方法对管网平面布置进行优化。
传统排水管道系统的设计计算方法是:设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后,按照管道定线和平面布置的原则,确定出一种较为合理的污水管道平面布置图。然后计算出各设计管段的设计流量,以水力计算图或水力计算表及有关的设计规定作为控制条件,从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算,求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。计算中,一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整,以求达到经济合理的目的,但其合理程度受到设计人员个人能力的限制;另一方面,大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行,工作效率低,时间长,不利于设计方案的优化。
自20 世纪60 年代开始,国际上在经验总结和数理分析的基础上,逐步建立起了各种给水排水工程系统或过程的数学模型,从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程“合理设计和管理”的阶段。与此同时,对于各种类型的给水排水系统,开展了最优化的研究和实践。为了探求排水管道系统的最优设计计算方法,国内外许多科研、设计、教学单位和个人进行了不少的工作,发表了大量的文章。从研究成果来看,应用计算机进行排水管道的设计计算,不仅把设计人员从查阅图表的繁重劳动中解脱出来,加快了设计进度,而且整个排水管道系统得到了优化,提高了设计质量。所确定的最优方案与传统方法相比, 可降低10 %以上的工程造价。
排水管道系统是一个庞大而复杂的系统,从已有的研究成果来看,其设计计算主要涉及到三方面的内容: (1) 在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计; (2) 管线平面布置的优化选择;(3) 雨水径流模型的建立。合流制排水管道系统通常具备溢流设施,用以限制输送至当地污水处理厂的水量。由于溢流出来的雨水也就近排入河道,因此从水量角度而言,合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的。[3 ]
最优化方法一般分为两种:间接优化法和直接优化法。间接优化法也称解析最优化,它是在建立最优化数学模型的基础上,通过最优化计算求出最优解;而直接最优化方法是根据性能指标的变化,通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较,来得到最优解或满意解。
在排水管道优化设计中,应用直接优化法者认为:虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单,但由于管径的可选择尺寸不是连续变化的,不能任意选择管径;最大充满度的限制又与管径大小有关;最小设计流速、流速变化(随设计流量增加而增大) 及其与管径之间的关系等约束条件都很复杂,也不能用数学公式来描述. 因此,很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。 相对而言,用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、直观和容易验证等优点。
应用间接优化方法者认为:随着优化技术的发展,尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件,只要对其中的某些条件做适当的取舍,合理地应用数学工具,就可以把它简化、抽象为容易解决的数学模型,通过计算得出最优解。 间接优化方法主要分以下几类:线性规划法、非线性规划法、动态规划法、两相优化法、罚函数离散优化法、混合整数规划法、电子表格法、遗传算法等。
遗传算法( Genetic Algorithms ,简称GAs) 是模拟生物学中的自然遗传而提出的随机优化算法. 近年来,它显示出比传统优化方法更大的优越性,并越来越广泛的被应用于解决水力和水资源问题. 因为它对目标函数没有可微可导的要求,因此可用于解决复杂的、不连续的、非线性的问题. 作为一种优化工具,GAs 已经成功的应用于建立水质与径流质管理模型和城市排水管网的实时控制. 在管网优化设计中,它采用规格管径作为状态变量,可以同时搜索可行解空间内的许多点,通过选择、杂交和变异等迭代操作因子,最终求得满意解. 一般在解决中小型管道系统优化设计时,可以求得最优设计方案. 尽管搜索方法具有一定的随机性,在解决大型管道系统问题时,遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案. [4 ]
在排水管网系统优化设计技术的发展和应用过程中,间接优化法和直接优化法同时存在,并且两者都在不断地改进,逐步趋于完善. 两种方法的共同点是都以设计规范及管径、流速、坡度、充满度间的水力关系为约束条件,以达到费用最小为目标.
城市排水管道多敷设于纵横交错的路网之下,污水由各支管的起端进入,经过干管收集汇入主干管,最终进入污水处理厂进行处理,形成了以污水处理厂为根节点的不含圈的连通图,即树。具有N 个污水处理厂的排水管网系统形成N 棵以污水处理厂为根节点彼此不相连通的树。因此,可采用最小生成树理论对污水管网平面布置进行优化。根据该理论,污水管网平面布置的优化可以简化为构造N棵以污水处理厂为根节点的最小生成树,优化目标是使污水收集管网的投资费用最省。
污水管网平面布置优化的目标就是在约束条件下,最终生成以污水处理厂为根节点的最小生成树的优化布置结构。其中生成树每条边的费用与其管段流量、埋深、提升泵站数量有关,并且随着生成树节点数目的增加而发生变化。在生成树优化过程中,按照最大设计充满度、最小流速控制下的最小坡度,确定管段流量和选取管径之间的对应关系,并按最小坡度进行埋深的递推计算,即随着管线距离的增加,根部管线的埋深逐渐增加,当达到最大埋深时,增设提升泵站,后续管线的埋深从提升泵站开始继续进行递推运算;另外,管段遇到较宽的河流时,亦增设提升泵站。[5 ]
无论国内还是国外,在排水管道系统设计的理论计算和工程应用上均已取得很大的成果,也仍然存在着许多期待解决的问题。随着计算技术和系统方法的发展,更好地研究开发排水管道系统设计计算软件是必然的发展趋势。
参考文献:
[1]王淑梅,王宝贞,曹向东等.对我国城市排水体制的探讨[J].中国给水排水2007，23（12）：16～21.
[2]董欣，陈吉宁，赵冬泉. SWMM模型在城市排水系统规划中的应用[J].给水排水2006，32（5）：106～109.
[3]王之晖，宋乾武，代晋国等.排水管网系统平面布置的优化设计研究[J].给水排水2006，32（5）：100～103.
[4]李树平，刘遂庆.城市排水管道系统设计计算的进展[J].给水排水1999，25（10）：9～12.
[5]彭永臻,王淑莹,王福珍. 排水管网计算程序的全局优化[J]. 中国给水排水, 1994 ,10 (5) :41～43.