城市给水排水工程的优化设计研究

(中铁二十一局集团第二工程有限公司 甘肃 兰州 730000)

一、研究背景

城市给排水系统主要包括水源系统、用水系统、给水系统、排水系统、回用系统和雨水系统等。但现阶段由于缺乏城市给排水系统的整体规划和设计，从而导致现有水资源消耗过大，规划中出现的一些问题已经严重威胁了城市给排水系统，乃至城市系统的可持续发展。这要求我们在新的历史条件下做好城市市政给排水规划设计，认真思考与解决现存的问题[1]，寻求城市水资源的合理利用。

在城市经济建设发展的过程中，居民生活对于城市给排水系统以及工业生产对于给排水的需求是不可缺少的，一个良好的城市给排水系统能够促进城市经济建设与社会环境的可持续发展，相反，则必然会导致一切生活、生产的秩序混乱。目前，随着城市化率的提高，城市给排水工程滞后，给水不足、排水不畅还阻碍着许多城市的发展以及城市功能的发挥。因此，对于城市给排水管网的优化配置、新建，包括对现有设施的改建、扩建及完善的要求已日益迫切[2]。

二、研究意义

在城市的给排水系统工程的建设过程中，建设者希望从用户自身的角度考虑，增加他们的舒适性和安全性的体验。因此，在城市的给排水工程的建设中要尽量兼顾社会效益和经济效益，促进城市的健康可持续发展。然而在整个工程实施的过程中，还是不能满足预期的效果，城市的给排水系统出现严重的问题，甚至有时与设计优化的理想效果相差很远。导致这种结果的原因，主要还是设计者的经验理念以及对优化方法的掌握程度欠缺。设计者的从业经验也是在不断地实践中积累的，也是实现工程优化设计的必备条件，但由于个人思想和技术的局限性[3]，在处理给排水系统工程的过程中，面对复杂综合性问题时，只是依靠个人的经验和技术还是难以实现的，所以我们要采用一系列优化设计方案。目前对给排水系统的优化设计研究还主要集中于对某一个子系统的数学模型[4]的研究，通过优化设计理念的研究，以及这些理念在实际操作上的具体实施，从而达到理想的实际效果。

(一)给水排水工程优化设计的发展概况

随着给水排水工程的不断发展，设计者不断追求更完美、更合理的给排水系统[5]，一些外国学者对给水排水系统的优化设计研究得比较早，在研究过程中也积累了实验数据和丰富的经验。在国际学者总结的经验和实验数据分析的基础上，不断完善和建立起了各种给水排水工程系统或实验过程的数学模式。随着科学系统的分析方法、计算机技术和手段的不断发展，对于各种类型的给排水系统，开展了最优化的研究和实践，在城市给排水管道和污水处理等系统工程方面取得了各种研究成果[6]。

(二)给水排水系统优化设计的特点

在城市给排水系统工程的优化设计过程中，是运用排水系统科学分析原理和最优化技术标准设计出能量消耗小，可靠舒适的给排水系统，在城市的排水系统中包含两个方面需要优化的内容，其一是设计者和客户满意的排水系统结构，其二是对于设计者而言满意的系统参数[7]。针对排水系统参数，国内许多学者进行了大量的优化方案研究，并且总结了过去的一些经验性数据，从而简化了设计过程，提高了效率。通过理论与实践知识相结合，对系统的优化结构进行整体把握，分析系统结构[8]。

图2-1 给水排水系统设计的三维结构图

(三)给水排水系统设计优化的一般步骤

排水系统工程主要针对的是系统的优化，设计者在建立或改造一个系统时，人们总希望它在给定的条件下达到最优的效果。在霍尔研究的逻辑结构中，总结了系统工作过程的开展一般分为七个步骤，但是讨论到一个给排水系统设计及优化的过程中，有些工作阶段的划分不是非常明确，甚至有些工作过程是同时进行的，对于给排水系统的设计优化工作需要按照正常的步骤进行。因此，从一个给排水系统优化设计要求的提出到优化的整个步骤完成，一般需要经历如图2-2所示的程序[9]。

图2-2 给水排水系统设计优化的一般步骤

(四)最优化方法的概述

给排水系统的最优化方法就是把最优化问题表示成数学模型，根据数学模型找到最优解的数学研究方法。最早处理此类最优化问题的数学方法有古典的微分法和变分法[10]。所研究的问题多为非线性和多变量的，但是用最古典的方法并不能使问题最优化，继而便产生了线性规划、非线性规划、动态规划等新的优化设计方法。随着最优化方法的出现，给排水系统优化设计进入了一个快速发展的新时代。现在又出现了遗传算法、人工神经网络算法等一系列新的优化方法，其主要是解决优化比较复杂的问题。下表列出了一些主要的最优化方法的特点、条件要求及应用算法[11]。

表2-1最优化方法的主要算法及特点

(五)建筑给排水系统模块

城市建筑给水排水是给水排水系统中不可缺的组成部分，与城镇给水排水系统、工业给水排水系统一起组成完整的给水排水体系。同时，建筑给水排水工程又是建筑物的重要组成部分，它和建筑学、建筑结构、建筑供暖与通风、建筑电气、建筑燃气等工程共同构成可供使用的建筑物体。在满足人们舒适的生活条件下，促进生产的正常运行和保障人们生命财产的安全方面，建筑给水排水工程起着十分重要的作用，建筑给水排水的完善程度，是建筑标准等级的重要标志之一[12]。

图3-1 建筑给水排水系统模块关系图

在城市中建筑给排水发展迅速，所涉及的领域比较广泛，涵盖的系统也非常复杂。城镇建筑给水排水工程系统相当于一个由多个子系统用有用的连接装置连接起来的完整系统。各子系统协调配合工作，并与所处的外部系统合理对接。因此在城市的道路交通，污水处理，雨天积水的处理等方面都要充分考虑系统的优化设计问题，争取创造一个和谐优美的城市环境和生活圈。

(六)建筑给排水系统环境分析

在大自然中，环境与系统有相互依存与不可分割的关系。了解给排水系统工程所处的环境是解决排水问题优化设计的关键步骤，问题解决方案的优化程度依靠对系统环境的了解。设计者如果对环境不熟悉，将导致解决问题的方案无法更好的优化。通过在实际工程当中在介绍建筑给排水系统模块时，如图3-1中清楚表示了建筑给水排水系统所处的系统环境。在给排水系统中全部环境因素可分为三大类：(1)物理和技术方面的因素；(2)经济和经营管理中的环境；(3)人际社会交往中的因素。对于城市建筑给排水系统中的这三大类因素对应的在实际的建筑系统当中所表现出来的环境影响因子等各方面的特征可以见如表3-2所示。

表3-2建筑给水排水系统环境因素分析

(七)给水系统设计优化

城市给水系统功能是通过地下管道及一些辅助排水设备。考虑到用户的生产、生活以及消防的组织等，将市政用水安全地输送到居民用户的用水点。简单地说就是每一个用水点都能保证舒适度比较高的、充足、安全的供水。根据城市给水系统功能，结合建筑给排水优化设计指标[13]，可以给出给水系统的优化目标：可以达到技术先进，经济效益好，管理使用维护方便，节能环保、节水、节材、节地及可持续发展战略的设计要求。实现给水系统优化目标的方法手段很多，但最关键部分在于给水系统的选择以及给水方式的确定。

表3-3建筑给水排水系统设计目标

三、总结

由于城市建筑给水排水工程系统的优化研究涉及到工程系统的各个方面，也包含在设计的各个阶段和领域中，需要对建筑给水排水系统进行全面深入的分析和研究，才能找到满意的结果。本文对于设计理论及优化设计的研究不多，通过运用系统工程的理论，对给水排水系统的优化进行一般性探讨，并主要了讨论在目前经济技术水平下，如何进行建筑给水排水系统的设计优化。文中运用系统理论知识分析给水排水系统，清晰地给出关于给水排水系统的三维结构图[14]，并详细地介绍给水排水优化设计的整个步骤。此外，文中还给出了系统工程狭义上的最优化方法，并列出了目前常用的给水、排水系统的最优化方法。