城市给排水管网优化设计研究

惠州市道路桥梁勘察设计院，广东 惠州 516000

1 给排水管网水力计算基本理论

1.1 管网水力计算方程

（1）节点连续方程。给排水管网中每个节点的流量是相对平衡的，即对于管网中任一节点，流入流量与流出流量是相同的，计算方程为

式中：qij为第i～j管段之间的流量，m3/h，如果管网有j个节点，则存在j-1个管段；Qi为节点i的流量，m3/h，注意流入节点的流量为“+”，流出节点的流量为“-”。

（2）水头损失方程。城市排水管网中水头包括压力水头、位置水头、流速水头等。根据伯努利微分方程可知，管道中水流不可压缩，且流速恒定，故排水管网中管线两端节点断面的水头损失（水压差）包括沿程水头损失和局部水头损失，其中前者远大于后者，在计算时局部水头损失可以忽略不计。目前，在计算管线沿程具体水头损失时，计算理论较多，不同公式因为适用范围或系数不同，计算结果也差异较大。相关研究表明，可应根据管道材料的不同选择合适的计算公式。例如，管道材料为混凝土或钢筋混凝土时，可采用巴甫洛夫斯基公式；管道为铸铁管或钢管，可采用舍维列夫公式。

（3）能量方程。城市排水管网中的能量方程是指各管段之间的水头损失之和为0，主要用于环状管网计算。能量方程的个数取决于环形管网中的基环数，n个基环，就存在n个能量方程，具体计算公式如下：

式中：n为基环数量；Hij为第i～j管段的水头损量（顺时针为“+”，逆时针为“-”），m。

1.2 管网水力计算程序

城市给排水管网水力计算就是对节点连续方程、水头损失方程、能量方程等联力方程组进行求解，最常用的方法就是解环方程法。解环方程法的计算理念：首先拟定的初始流量要满足节点连续方程，随后逐步迭代计算，修正各管段间流量差以满足能量方程，最后代入水头损失方程进行校验。解环方程法计算管网的具体流程见图1[4]。

图1 解环方程法管力计算流程

2 给排水管网的平面布置优化

（1）排水体制选择。城市排水系统需要满足雨水、生活或工业污水的排放需求。城市管网常见的排水体制有合流制和分流制两种，其中合流制是利用一个管道将雨水、生活或工业污水不经处理直接排至下游水体，这种排水方式较简单、工程造价低、施工工期短，但对水体污染严重，在传统的老旧城市排水管网中应用较多。目前，随着经济水平的快速发展和设计理念的进步，分流制排水在城市中的应用日益广泛。分流制排水管网可划分为完全分流和不完全分流，两者之间的区别在于是否布设雨水排放系统，即完全分流制布设了多条工业废水、生活污水、雨水排放管道，不完全分流制没有布设雨水排放管道，雨水往往是沿着天然地面、旧水渠等排除。在确定排水管网体制时应当按照城市规划、环境保护要求、气象条件等因素综合考虑。即使在同一城市，排水管网体制也不是固定不变的，也可能因各区域的外部环境差异，使分流制和合流制排水体制同时存在。

（2）管网平面布局方式确定。城市给排水管网的平面布局指的是给水管道、排水管道等的总体走向和布置形状，与沿线用地性质、地形地貌、施工技术等密切相关。给排水管网平面布局有垂直布置和平行布置两种方式。相关学者的研究表明，在管沟底宽和坡比不变的条件下，增加管沟的开挖深度，管沟的开挖断面积和土方量会不断增加（见图2），垂直布置使得各种给排水管道相互交叉垂直穿过，从而使管沟开挖深度大，施工技术要求高，增加了工程造价，同时在很大程度上影响了后期的城市规划建设。平行布置给排水管道是城市管网规划的常用方法，主要有鱼刺式、木梳式、篦子式，其中鱼刺式是双向平行布管，适用于道路两侧汇水面积相差不大的平坦地区；木梳式有单侧布管和双侧布管两种方式，单侧布管的布局简单，适用于道路横向坡度较大的单侧汇水区域，在丘陵地区较为常见。双侧布管管线交叉少，无主干管，设计施工方便；篦子式是双侧布管，适用于道路横向坡度较小的平原地形。

图2 管沟深与开挖断面积拟合工公式

（3）管网竖向布局方式确定。①管道纵断面布局。在城市给排水管网设计期间，由于地形地貌、服务功能、地下管线等因素的干扰，管道纵断面设计较复杂，变化也较多。设计原则不同，管道纵断面的适用范围也各有差异，见表1。②管道纵向交叉方式。城市给排水管道之间的接口方法有管顶平接、管中接、管底平接等。当给排水管道和其他市政管线相遇时，可采用上跨和下穿两种交叉方式。如果采用上跨式，给排水管道开挖深度小，施工简单，工程造价低，但可能导致检查井高度不符合规范要求；如果采用下穿式，给排水管道埋深大，施工技术要求高，使检查井高度容易满足规范要求，但局部管道应顶管施工。

表1 管道纵断面设计原则及适用情况

3 给排水管网优化设计实现

3.1 优化设计参数选择

城市给排水管网一般包括若干管道，每个管道并不是孤立存在的，上游管道水力计算参数往往会对下游管道优化设计产生一定程度的干扰。要实现整个给排水管网效率最大化，不能只分析某一个管道参数，应当确保各初始流速、管径、跌水等达到最优组合，具体原则如下：第一，坡度和流速平方呈正相关关系，流速大一定会引起坡度增加，从而导致管道埋深大，增加管网造价，故设计较小流速；第二，在符合给排水能力与流速的情况下，要对大管径和小管径进行技术性和经济性比选；第三，对于给排水管道埋置深度小于规范要求的最小埋深地段或地形陡峭地段，应设计跌水。

3.2 优化设计模型

城市给排水管网优化设计一般以经济性为目标函数，即在工程造价最小的前提下，尽可能提高城市各区域的给水、排水能力。给排水管网优化的经济性目标函数可以年费用折算值计算：

式中：Wmin为年费用折算；C为管网总建设费用；T为投资回收期；Y1为折旧费；Y2为燃油动力费。

4 结论

（1）水力计算是城市给排水管网优化设计的基础，是在节点连续方程、水头损失方程、能量方程等基础上，对管网的流速、管径及水头损失等参数进行量化。（2）给排水管网平面布置的基本原则是管线施工简单、工程量小、造价低等，可从排水体制的选择、管网平面布局方式、管网竖向布局方式等方面着手。（3）城市排水管网平面布局有垂直布置和平行布置两种方式，管道之间的接口方法有管顶平接、管中接、管底平接等。当给排水管道和其他市政管线相遇时，可采用上跨和下穿两种交叉方式。（4）城市给排水管网的若干管道并不是孤立存在的，要实现整个给排水管网效率最大化，应确保各初始流速、管径、跌水等达到最优组合。