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市政給排水管道的優化設計促進市政給排水的健康發展
市政排水管道工程是我國各個城市整體規劃的基礎項目之一，也是人們在日常生活中是不可缺少的重要組成部分。本文主要分析了市政給排水管道的優化設計，以促進市政給排水的健康發展。
關鍵詞：市政給排水；管道設計；優化設計
引言
城市普遍存在水質污染的問題，致使城市水環境遭受到嚴重破壞，水質型缺水的區域不斷擴大，水資源供需失衡，這一問題已對城市中居民的生活，健康及城市現代化進程構成了危害，嚴重威脅到城市的水系統以及城市的可持續發展。隨著城市化進程的發展，城市市政自來水給排水工程是城市舉出設施的重要組成部分之一，如何降低市政自來水管道減少爆管漏水等問題帶來的水資源的浪費，有效提高城市自來水供排水管道的效率和輸水能力，為城市居民日常生活和城市建設提供經濟實惠、安全可靠的水資源保障，如何改善市政自來水給排水管道的設計是必要的。
1.市政給排水工程的結構設計
1.1市政給排水工程的結構設計
在市政給排水工程中，根據工程的埋設深度。工程管道規格、材質以及地下水位和試驗壓力等綜合指標，對管道的強度和剛度進行計算及復核，提供給排水的管道等級、壁厚以及結構配筋圖。通常采用的加固措施有混凝土、管廊包管等，對于一些必須要滿足剛度和強度要求的管道應該及時采取加固方法來進行加固，而且在施工過程中根據計算采用具體的加強加固措施，加固的具體方法和方式應根據經濟指標和實際情況來確定。
1.2市政給排水工程的結構形式
在市政給排水工程中，排水專業確定管道的結構形式，一般來說，結構專業應根據管道的工作環境。結構用途以及水文地質情況等經濟指標等從專業角度提出參考意見。特殊地段以及特殊情況的非承壓管也采用鋼管等形式當污水管道；而對于口徑較大時應采用現澆鋼筋混凝土箱涵，或采用盾構結構形式。
2.市政給排水管道對于城市的意義
在市政基礎設施建設和完善中，給排水管道的鋪設和維修護養對城市有著極其重要的影響。給水管道關系整個城市的生活和工業用水的供給，而排水管道則關系城市污水的排出和雨水等可能造成市內積水的多余水量及時排空。在這樣一種背景下，市政給排水工程的完善程度和施工質量對城市居民生活將會產生重要的影響。
另外，市政管道的鋪設有些是在城市生活區和工業區劃定建成后或者建設過程中開始施工，在不破壞原有市政建筑的前提下完成新的給排水管道的鋪設，便對施工技術提出了一定的要求。同時，給排水工程質量的要求也必然要求我們加強對施工技術的嚴格控制。只有在高質量標準要求下完成的工程才能減少使用過程中的一些問題，從而減少給排水工程維修護養的經濟成本。
3.市政排水管網優化設計
3.1管線的平面優化布置
排水管網的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節省能量。正確的定線是合理經濟的設計管網的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設計盡量采用直線布局，不要拐彎；定線應盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠；設計時應盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設置。在早期的研究中，設計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優選依據，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調整。后來又引入了排水線的概念，將排水區域內與最終出水口節點相距同樣可行管數的節點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉化為最短路問題，可用動態規劃法求解。但此方法把尋優的范圍被限制，使人們在設計過程中很容易把最優方案排除。后來，人們把城市排水系統排水布置抽象為由點和線構成的決策圖，從圖論中尋找方法。1986年發展到利用三種權值來解決問題。三種權值是各管段地面坡度的倒數；各管段的管長；各管段在滿足最小覆土條件下，按最小坡度設計時的挖方量。分別對這三種權值運用最短路生成樹算法求管線平面布置方案，再進行管徑、埋深和提升泵站的優化設計，最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優設計方案。
3.2已定平面布置下的管道系統優化設計
排水管道優化設計主要是指：對于某一設計管段，當設計流量確定后，在滿足設計規范要求的管徑和坡度的多種組合中，取得管材費用與敷設費用的平衡。在排水管線平面布置已定情況下，對于管段管徑，埋深的優化設計，國內外做了大量研究工作。
?。?）線性規劃法和非線性規劃法。a線性規劃法，是針對排水管網設計計算中的約束條件和目標函數的非線性，分別用其一級泰勒公式展開式代替，用線性規劃的解作為問題的近似解，反復迭代，使迭代序列逼近非線性規劃的最優解。缺點是把管徑當作連續變量來處理，存在計算管徑與市售管徑不一致的矛盾，且前期準備工作量大，以后發展的整數規劃法，雖然在一定程度上解決了線性規劃的缺點，但是其整型變量比較多，難以求解。b非線性規劃法適應了計算模型中目標函數和變量的非線性特征，可以優化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數和約束條件的形式。
?。?）動態規劃法。動態規劃法是目前國內外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設計看作一個多階段的過程，通過對設計過程進行階段劃分來對管道進行優化設計。其應用主要分為兩方面。a以節點埋深為狀態變量，通過坡度決策進行全方位搜索。其優點是直接采用標準管徑，結果與初始管徑無關，且能控制計算深度，但要求狀態點之間的埋深間隔很小，使存儲量和時間間隔大為增加。因此在此基礎上引入了擬差動態規劃法，在動態規劃法的基礎上引入了縮小范圍的迭代過程，但應用有一定的局限性。b以管徑為狀態變量，通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數目有限，因此在計算速度和存儲量上都有很大優勢。以后又發展出了可行管徑法。此法使優化計算精度得以提高，并顯著減少了計算工作量和計算機存儲量。盡管動態規劃法是解決多階段決策問題的一種有效方法，但在排水管道系統設計計算時，前一段的設計結果將直接影響到后續管段設計參數的選用，因此利用動態規劃法求出的污水管道優化設計方案也并不一定是真正的最優方案。
?。?）直接優化法。直接優化法是直接對各種方案或可調參數的選擇設計計算和比較來得到最優解，具有直觀和容易驗證的優點。主要方法有：a電子表格法是一種啟發式的費用估算方法，允許用戶尋找最小費用設計，能得出比動態規劃法要好的結果而且更符合設計規范的要求。b兩相優化法是設計流量確定后，在滿足約束條件的前提下，選取最經濟流速和最大充滿度進而得到最優管徑和最小坡度，最大限度地降低管道埋深.直接優化法的算法與人工算法基本相同，但受設計人員的能力所限，所得結果不盡相同，所以所求結果不一定是最優解。
?。?）遺傳算法。遺傳算法是進化算法一個分支，是模擬生物學中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統優化設計問題時可以求得最優設計方案。但解決大型管道系統問題時，只能求得趨近于最優解的設計方案，在排水管道系統優化設計中，不論采用何種方法，都以設計規范為基本要求，同時使費用達到最小。
4.結束語
在整個市政基礎建設工作中，各專業一環扣一環，最重要的是市政排水管道工程是隱蔽工程，維修起來比較麻煩，有的甚至是無法維修，并且維修費用較大，因此，在設計施工過程中，必須有效避免這些常見問題，加強對排水管道工程的質量控制，消除工程質量缺陷，切實保障人民的利益。
參考文獻：
[1]韋從勝，蔣全華.市政給排水管道設計[J].技術與市場，2011，（7）.
[2]方宏.關于城市市政給排水規劃設計的思考[J].科技資訊，2009（3）.
[3]袁波.城市污水管網優化設計探討[J].江西建材，2011，（02）
關鍵詞：市政給排水；管道設計；優化設計
引言
城市普遍存在水質污染的問題，致使城市水環境遭受到嚴重破壞，水質型缺水的區域不斷擴大，水資源供需失衡，這一問題已對城市中居民的生活，健康及城市現代化進程構成了危害，嚴重威脅到城市的水系統以及城市的可持續發展。隨著城市化進程的發展，城市市政自來水給排水工程是城市舉出設施的重要組成部分之一，如何降低市政自來水管道減少爆管漏水等問題帶來的水資源的浪費，有效提高城市自來水供排水管道的效率和輸水能力，為城市居民日常生活和城市建設提供經濟實惠、安全可靠的水資源保障，如何改善市政自來水給排水管道的設計是必要的。
1.市政給排水工程的結構設計
1.1市政給排水工程的結構設計
在市政給排水工程中，根據工程的埋設深度。工程管道規格、材質以及地下水位和試驗壓力等綜合指標，對管道的強度和剛度進行計算及復核，提供給排水的管道等級、壁厚以及結構配筋圖。通常采用的加固措施有混凝土、管廊包管等，對于一些必須要滿足剛度和強度要求的管道應該及時采取加固方法來進行加固，而且在施工過程中根據計算采用具體的加強加固措施，加固的具體方法和方式應根據經濟指標和實際情況來確定。
1.2市政給排水工程的結構形式
在市政給排水工程中，排水專業確定管道的結構形式，一般來說，結構專業應根據管道的工作環境。結構用途以及水文地質情況等經濟指標等從專業角度提出參考意見。特殊地段以及特殊情況的非承壓管也采用鋼管等形式當污水管道；而對于口徑較大時應采用現澆鋼筋混凝土箱涵，或采用盾構結構形式。
2.市政給排水管道對于城市的意義
在市政基礎設施建設和完善中，給排水管道的鋪設和維修護養對城市有著極其重要的影響。給水管道關系整個城市的生活和工業用水的供給，而排水管道則關系城市污水的排出和雨水等可能造成市內積水的多余水量及時排空。在這樣一種背景下，市政給排水工程的完善程度和施工質量對城市居民生活將會產生重要的影響。
另外，市政管道的鋪設有些是在城市生活區和工業區劃定建成后或者建設過程中開始施工，在不破壞原有市政建筑的前提下完成新的給排水管道的鋪設，便對施工技術提出了一定的要求。同時，給排水工程質量的要求也必然要求我們加強對施工技術的嚴格控制。只有在高質量標準要求下完成的工程才能減少使用過程中的一些問題，從而減少給排水工程維修護養的經濟成本。
3.市政排水管網優化設計
3.1管線的平面優化布置
排水管網的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節省能量。正確的定線是合理經濟的設計管網的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設計盡量采用直線布局，不要拐彎；定線應盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠；設計時應盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設置。在早期的研究中，設計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優選依據，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調整。后來又引入了排水線的概念，將排水區域內與最終出水口節點相距同樣可行管數的節點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉化為最短路問題，可用動態規劃法求解。但此方法把尋優的范圍被限制，使人們在設計過程中很容易把最優方案排除。后來，人們把城市排水系統排水布置抽象為由點和線構成的決策圖，從圖論中尋找方法。1986年發展到利用三種權值來解決問題。三種權值是各管段地面坡度的倒數；各管段的管長；各管段在滿足最小覆土條件下，按最小坡度設計時的挖方量。分別對這三種權值運用最短路生成樹算法求管線平面布置方案，再進行管徑、埋深和提升泵站的優化設計，最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優設計方案。
3.2已定平面布置下的管道系統優化設計
排水管道優化設計主要是指：對于某一設計管段，當設計流量確定后，在滿足設計規范要求的管徑和坡度的多種組合中，取得管材費用與敷設費用的平衡。在排水管線平面布置已定情況下，對于管段管徑，埋深的優化設計，國內外做了大量研究工作。
?。?）線性規劃法和非線性規劃法。a線性規劃法，是針對排水管網設計計算中的約束條件和目標函數的非線性，分別用其一級泰勒公式展開式代替，用線性規劃的解作為問題的近似解，反復迭代，使迭代序列逼近非線性規劃的最優解。缺點是把管徑當作連續變量來處理，存在計算管徑與市售管徑不一致的矛盾，且前期準備工作量大，以后發展的整數規劃法，雖然在一定程度上解決了線性規劃的缺點，但是其整型變量比較多，難以求解。b非線性規劃法適應了計算模型中目標函數和變量的非線性特征，可以優化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數和約束條件的形式。
?。?）動態規劃法。動態規劃法是目前國內外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設計看作一個多階段的過程，通過對設計過程進行階段劃分來對管道進行優化設計。其應用主要分為兩方面。a以節點埋深為狀態變量，通過坡度決策進行全方位搜索。其優點是直接采用標準管徑，結果與初始管徑無關，且能控制計算深度，但要求狀態點之間的埋深間隔很小，使存儲量和時間間隔大為增加。因此在此基礎上引入了擬差動態規劃法，在動態規劃法的基礎上引入了縮小范圍的迭代過程，但應用有一定的局限性。b以管徑為狀態變量，通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數目有限，因此在計算速度和存儲量上都有很大優勢。以后又發展出了可行管徑法。此法使優化計算精度得以提高，并顯著減少了計算工作量和計算機存儲量。盡管動態規劃法是解決多階段決策問題的一種有效方法，但在排水管道系統設計計算時，前一段的設計結果將直接影響到后續管段設計參數的選用，因此利用動態規劃法求出的污水管道優化設計方案也并不一定是真正的最優方案。
?。?）直接優化法。直接優化法是直接對各種方案或可調參數的選擇設計計算和比較來得到最優解，具有直觀和容易驗證的優點。主要方法有：a電子表格法是一種啟發式的費用估算方法，允許用戶尋找最小費用設計，能得出比動態規劃法要好的結果而且更符合設計規范的要求。b兩相優化法是設計流量確定后，在滿足約束條件的前提下，選取最經濟流速和最大充滿度進而得到最優管徑和最小坡度，最大限度地降低管道埋深.直接優化法的算法與人工算法基本相同，但受設計人員的能力所限，所得結果不盡相同，所以所求結果不一定是最優解。
?。?）遺傳算法。遺傳算法是進化算法一個分支，是模擬生物學中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統優化設計問題時可以求得最優設計方案。但解決大型管道系統問題時，只能求得趨近于最優解的設計方案，在排水管道系統優化設計中，不論采用何種方法，都以設計規范為基本要求，同時使費用達到最小。
4.結束語
在整個市政基礎建設工作中，各專業一環扣一環，最重要的是市政排水管道工程是隱蔽工程，維修起來比較麻煩，有的甚至是無法維修，并且維修費用較大，因此，在設計施工過程中，必須有效避免這些常見問題，加強對排水管道工程的質量控制，消除工程質量缺陷，切實保障人民的利益。
參考文獻：
[1]韋從勝，蔣全華.市政給排水管道設計[J].技術與市場，2011，（7）.
[2]方宏.關于城市市政給排水規劃設計的思考[J].科技資訊，2009（3）.
[3]袁波.城市污水管網優化設計探討[J].江西建材，2011，（02）
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