城市排水管道系统设计计算的进展

2010-08-15吉林省磐石市供水公司王晓川

河南科技 2010年12期

吉林省磐石市供水公司王晓川

城市排水管道系统设计计算的进展

吉林省磐石市供水公司王晓川

排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施,也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程。其中,生活住宅区和工矿企业的雨水和污水管道系统投资一般占整个排水系统的投资70%左右。因此,设计时如何在满足规定的各种技术条件下,尽量降低管道系统的基建费用是设计工作中的一个重要课题。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3方面的内容:(1)在管线平面布置已定情况下进行管段管径2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。

一、已定管线下的管道系统优化设计

对于在管线平面布置已定情况下进行管段管径2埋深的优化设计问题,国内外做了大量开拓性工作,取得了丰硕成果。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。(1)直接优化法。在排水管道优化设计中,应用直接优化方法者认为: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;最大充满度的限制又与管径大小有关;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。(2)间接优化法。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适当取舍,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。总之,在排水管道系统优化设计技术的发展过程中,间接优化法和直接优化法同时在应用着,都在不断地改进和完善。以达到费用最小为目标。

二、管线的平面优化布置

研究人员在解决已定管线下的排水管道系统优化问题的同时就已经指出,对不同定线方案的优化选择更具有适用价值。但由于已定管线下的设计是管线平面布置的基础,加上目前已定管线下的优化设计计算并不成熟,造成了系统平面优化布置的进展甚微。

随着时间的推移,研究人员发现,城市排水系统平面布置能够抽象为由点和线构成的决策图,于是转向从图论中寻找平面优化布置的方法。1986年,S.Tekel和H.Belkaya又应用了3种权值来解决:(1)各管段地面坡度的倒数;(2)各管段的管长;(3)各管段在满足最小覆土条件下,按最小坡度设计时的挖方量。分别对这3种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案,再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计,最后取投资费用最小的平面方案作为最优设计方案。

对于排水管道系统所有可行的管线敷设路径构成的图,各管段的实际权值只有在方案确定以后才能计算出来,因此属于图论中的变权问题,可是到目前为止,图论中的变权问题尚无有效的解决方法。在国内,李贵义(1986)提出了简约梯度法,陈森发(1988)提出了递阶优化设计法,这些方法也得不到令人满意的结果。最近,遗传算法的出现为排水管道系统平面优化布置提供了可能条件,因为遗传算法的运算机制对目标函数和约束条件没有特殊要求。G.A.Walters已经应用遗传算法在城市给水排水、农田灌溉、电缆和煤气管线方面进行研究。

三、雨水径流模型方面的研究

我国雨水管渠的设计一直沿用推理公式法,1974年试行、1987年修订的室外排水设计规范都是如此规定。推理公式法的计算方法是假定管渠中水流为均匀流,求得水流在管道中的流行时间;再假定雨水在地面的水流流速等于管渠中的水流流速,降雨历时等于地面集水时间,由暴雨公式求得下一管段的最大设计流量。选择一可行管径作为设计管径,由水力公式求得所需的水力坡度(或选择一可行的水力坡度,来求出所需的可行管径)。推理公式法应用明渠均匀流公式进行水力计算,其最大优点是简单迅速。由于使用了历史最大降雨资料,能够得到偏于安全的设计。但是,已有的许多研究表明,推理公式法中基于推导公式的假定不尽合理,存在一些不够完善的地方,主要表现在以下几个方面:(1)没有考虑降雨的空间变化。由于实际暴雨强度在受雨面积上的分布不均匀,当汇水面积较大时,所取的降雨历时较长,按公式计算得出的下游管段的设计流量会出现较大的偏差。(2)理论上作了过分简单的假设,使用者可能会不经检验地就借用其它地区公布的参数和常数,以便节省时间。设计因缺乏充分的实例资料,存在一定的盲目性。(3)只能计算洪峰流量,无法推求完整的径流过程,对雨水调节池设计、合流制排水管道溢流流量计算无法适应要求。

近20年来,随着城市径流污染问题的日益突出,各种精度较高的城市水文、水力计算模型的建立显得越来越重要。我国对城市径流模型的研究起步较晚,目前已有一些结合我国实际的研究成果问世。如对雨水管网模拟的扩散波简化和运动波简化,对地表径流系统的模拟技术包括:等流时线法、瞬时单位线法和改进推理法。