城市给排水管网优化设计

摘　要：本文分析了城市给排水管网设计要点，简单介绍了一般工程设计的优化方法，提出了城市管网优化设计内容。

关键词：设计；建筑设计；环境艺术
　　引言
　　广义而言，所谓“优化”就是从完成某一任务的所有可能方案中选出最好的方案。因此，对各种事物，只要存在不同的解决办法，就存在优化问题。用优化设计方法进行管网设计，一般可节省投资5％～20％左右。因此，很有必要研究和推广优化设计方法。
　　1城市给排水管网设计要点
　　一般来说，许多城市的供水管网建设都滞后于城市水厂建设，存在管径过小、布局凌乱、管网老化、管材较差等诸多问题，从而造成管道漏损严重，用户的供水压力和供水安全得不到保证。
　　1.1管线设计
　　一般在定线所用图至少是本市最近的实测1：500地形图，并且有必要时通过现场的踏勘来确定或修正。如果是改造工程，注意最理想的管位是和老管道的净距1．5m。在实际操作中，有些管道之间影响比较小，净距可酌情减少。如规范中规定热力管与给水管的水平净距为1．5m，而如今管材的质量提高后，根据实际情况也可以酌情减少两管道水平净距，而并不影响管道正常运行。设计人员应加强对管道基础、预留预埋、管径、标高等的标注和说明，给出尽可能多的标准图或详图，以避免不必要的损失。在竖向设计时，要按照以下原则进行合理布置，保证管线在荷载作用下不被压坏；在天气寒冷地区或是冬季，要保证管道介质不冻结，满足竖向规划要求，按照规范要求布置各个管线之间的垂直间距。值得注意的是，各个管材对压力的承受力是不一样的，设计最小覆土要根据所选择的管材实际情况而定。
　　当工程管线竖向之间发生矛盾时应遵行如下原则：支管避让干管：可弯曲管避让不可弯曲管；规划管线让现状管线；压力管避让重力管；管径小的管线避让管径大的管线。在设计过程中，这些原则也不是固定的，主要是根据实际情况而定，尽量减少不必要的损失和麻烦。在住宅区给水设计应注意：系统设计应充分结合物业管理需要；设计应考虑当地施工水平的因素：运用新产品应慎重，要深入了解其原理性能，掌握其优缺点，明确安装使用的注意事项等；注意其它专业对给排水设计的要求，如建筑构造、结构构件对管径、标高的限制。
　　1.2管网优化
　　给水管网优化设计是在已定线下寻求管径与水力参数的最优化组合的解。在已定管线中，合理分配管网流量，采用优化算法，优化管道设计管径，根据城市地形特点，优化组合和分布供水区域，采用不同压力范围供水，使整个系统的运行费用最低。目前在给排水中常用的优化算法有如下几类：纯属规划法、非线性规划法、动态规划法和遗传算法。
　　一般在解决中小型管道系统优化设计时，可以选择遗传算法求得最优化设计方案。综合地运用直接式管网叠压供水技术和无负压管网增压稳流给水设备，当市政供水管网水量充分，供水压力相对稳定时，可采用无负压管网增压稳流给水设备。用水非常集中、瞬时用水量过大的地方，则应使用直接式管网叠压供水，以减少峰值流量对管网造成的影响，保证无负压设备的正常工作。
　　2、一般工程设计的优化方法
　　最优化理论是一门应用相当广泛的科学，它讨论决策问题的最佳选择特性，构造寻求最优解的计算方法，研究这些方法的理论性质及实际表现。近年来，随计算机技术的高速发展和更多优化方法的不断涌现，优化的工具和手段都得到了长足的进步，优化的领域和规模也越来越大。设计科研人员在工程实践中，采用的优化方法通常有以下几种：
　　(1)直觉优化
　　直觉优化又分直觉选择性优化和直觉判断性优化。前者是设计者在设计过程中根据有限的几个方案，经过初步的分析计算，按照设计指标的好坏选择其最佳者的一种方法；后者是设计者根据经验和直觉知识，毋须通过分析计算就做判断性选择的一种方法。直觉优化方法是重要的、简易的方法，但它取决于设计者直觉知识的广泛性、经验判断的推理能力及丰富的设计技艺。
　　(2)试验优化
　　当对设计对象的机理不很清楚、或对其制造与施工经验不足、各个参数对设计指标的主次影响难以分清时，试验优化是一种可行的优化设计方法。根据模型试验所得的结果，可以寻找出最优方案。
　　(3)价值分析优化
　　价值分析优化首先需要建立一个价值表，列出各项指标的技术或经济价值，然后根据各项指标的重要程度引入权系数，再计算出各种方案的各项指标的使用价值，统计出各个方案的总使用价值，其数值最大者，即为最优方案。
　　(4)数值计算优化
　　数值计算优化是指一些用数学方法来求最优方案的方法。现代的数值计算优化都是以使用计算机的数值计算为其主要特征。
　　3城市管网优化设计内容
　　3．1城市给水管网优化设计
　　给水管网优化设计是在已定线下寻求管径与水力参数的最优化组合的解，目标是降低管网年费用折算值。城市输配水系统的合理设计、改建或扩建、运行，对于节约投资、节省电能，具有重要的经济意义。目前，输配水系统的合理改造、改建和调度、运行，以及它对降低成本、节省节能的显著经济效益，越来越受到重视。对给水管网优化设计的指导思想是，在已定的管网中，合理分配管网流量，或在分配流量的管网基础上，采用优化算法，优化管网(道)设计管径(尺寸)，或根据城市地形特点，优化组合和分布供水区域，采用不同压力范围供水，使整个系统的运行费用(动力费用)最低。在已有管网中进行合理调度，在满足用户用水量的基础上使供水压力满足较小服务水头，并使运行费用达到较低。
　　3．2城市排水管网优化设计
　　排水管网的优化设计主要可分为排水管网的平面布置与已定线下管网参数优化。目前，排水管网优化设计主要是后者，排水管网系统已定线下的优化设计主要是解决管径和埋深(坡度)以及不同管段间的设计参数优化问题。对于某一设计管段，当流量确定后，满足设计规范要求的管径与其他水力参数有多种组合，但总存在一组管径和其他水力参数的组合，使其投资最小。对于由若干根管段组成的排水管网系统，上游管段的设计计算结果将直接影响到下游管段的设计参数，这就说明系统中每根管段设计最优的组合，并不能保证整个系统的设计最优。因此，为了使整个工程系统设计最优，就必须以整个排水系统为整体，从全局出发进行优化设计。在排水管网优 化设计中，虽然排水管网计算采用的水力计算公示很简单，但是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；同时最大充满度的限制与管径大小有关，关于最小设计流速、流速变化(随设计流量增加而增大)及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂，也不能用数学公示来描述。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化法求解。用直接优化法来解决这些问题，具有直接、直观和容易验证等特点。
　　结束语
　　随着研究者在这一领域的不懈努力以及计算机的飞速发展，给水管网优化设计计算的方法日趋丰富，涉及的问题的深度与广度也日趋加强。具体地说，如何对复杂管网在多种工况时，考虑管网的可靠性情况下，利用原有的线性的或者非线性的方法，或者采用遗传算法之类的新方法进行优化设计，使之更接近城市供水管网的工程实际，并进一步开发相应的软件，是值得关注和研究的课题。
　　参考文献：
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　　3、陈宝林．最优化理论与算法【M】．北京：清华大学出版社，1989
　　4、耿为民，李剑．计算机在城市排水管网设计中的应用．城市道路与防洪．2000年9月