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探析城市污水管网工程的设计优化

摘要：随着城市进程的加快，城市人口不断增加，城市的污水排放量也不断上升，这给污水管网的建设带来了巨大挑战。建立一个经济有效的污水管网处理系统是当前城市发展的重要任务之一。城市污水管网工程投资巨大，设计时如何在满足规定的各种约束条件下，进行优化设计，尽量降低污水管网工程投资，是摆在工程设计人员面前的一个难题。

关键词：城市污水管网工程；设计优化

???????引言

???????城市污水管网是城市重要的基础设施，是污水收集和集中处理的关键，是污水处理保护水资源和改善环境的必要手段。污水系统投资较大，偿还期限长，这就需要提供较先进可靠的设计方法对污水管道进行优化设计，寻求满足各种技术条件，且能使整个系统总费用最低的设计方案，不仅具有重要的理论和应用价值，而且具有明显的经济和社会效益。

???????一、影响污水管道工程费用的主要因素

???????1.1管道埋深

???????管道埋深决定沟槽或基坑土方的开挖回填量、管材规格等级要求、支护形式及工程量、人工降低地下水位措施方法及路面恢复工程量，直接影响工程造价。

???????1.2管材及施工工艺

???????不同的施工工艺对管材、施工周期等均有决定性的影响。在沿海地区，拖拉管施工工艺要求管材为PE管、钢管等抗拉管材，最大管径规格为de630，管道埋深必须满足覆土2m以上；顶管施工工艺要求管材为钢筋混凝土管、钢管等抗压管材，最小管径规格为DN800，管道埋深必须满足覆土2m以上。

???????1.3边坡坡度

???????拉管和顶管工作一般采用沉井施工，因此边坡坡度主要针对管道开挖施工。边坡坡度对沟槽土方开挖回填量、路面恢复工程量有较大影响。

???????1.4人工降低地下水位

???????随管道埋深和地质情况的不同，沟槽或基坑需采用不同的人工降低地下水位的预降水方法。沿海地区采用的措施主要是轻型井点降水和管井降水，轻型井点降水多用于沟槽深度≤6.0m的沟槽开挖，管井降水多用于顶管、拉管工作坑和控制井的基坑降水。

???????1.5沟槽支护

???????沟槽支撑所采用的形式同样跟管道埋深有关，沿海地区主要采用钢板桩支护。钢板桩支护主要分为槽钢密排支护（6、8m）和拉森钢板桩支护（9、12m）。槽钢支护主要用于4～6m以下的沟槽支护，拉森钢板桩主要用于6m以下的沟槽支护。

???????二、传统污水设计存在的问题

???????（1）传统的开挖施工的费用函数为埋深H和管径D的二变量函数，但在沿海地区，开挖施工一般均为放坡开挖，极少采用挡土板支护，因此沟槽边坡坡度I对开挖回填的工程量和路面恢复工程量均有较大影响，需要推导出开挖施工的埋深H、管径D、沟槽边坡坡度I三变量费用函数。

???????（2）传统的排水管道优化设计仅考虑了开挖回填施工的费用函数，而关于拖拉管和顶管的费用函数还鲜有实例推导，开挖、拉管和顶管这三种施工工艺的经济对比和适用条件不得而知，因此需要推导出拉管、顶管施工的费用函数。

???????（3）传统的污水管道优化设计方法中采用的费用函数未考虑路面恢复、沟槽回填材料、人工降低地下水位措施对工程费用的影响，因此必须完善细化费用函数内容。

???????（4）传统的优化设计方法中管道费用函数为固定函数，而管材价格、回填材料价格等随时间波动变化较大，因此在优化设计过程中需增加调整费用函数的功能。

???????三、污水管网优化设计

???????3.1管径优化设计

???????管网管径常用的优化方法有线性规划方法、分段线性规划法、广义简约梯度法、二次规划法和分支定界法。但用这些方法进行优化设计的过程较复杂，计算值发散，且需要构造恰当的优化模型。除了将管径优化转化为分段管长优化问题得到的优化结果不需再处理外，其它经典优化方法得到的优化管径还需要使用分支定界法圆整到标准管径，这仅适用于小型管网。实际中所采用的圆整方法多是根据就近圆整规则进行的，启发式优化方法是以经验构造的算法为依托，根据污水管道经济流速的范围，地形和污水管道定线确定各管段水流动向，从最起端节点开始进行节点流量向排水管段的流量累加，采用就近圆整规则进行管径圆整，在合适的计算时间和计算空间下能寻找最好的解决方法。

???????3.2平面布局的优化设计

???????污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流通畅且节省能量。正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平面布置埋深优化设计的计算结果，因此，已定管线下的优化设计是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与已定管线下的优化设计计密不可分。

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