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市政給排水管道的優(yōu)化設(shè)計促進市政給排水的健康發(fā)展
市政排水管道工程是我國各個城市整體規(guī)劃的基礎(chǔ)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(yōu)化設(shè)計，以促進市政給排水的健康發(fā)展。
關(guān)鍵詞：市政給排水；管道設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計
引言
城市普遍存在水質(zhì)污染的問題，致使城市水環(huán)境遭受到嚴重破壞，水質(zhì)型缺水的區(qū)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(xiàn)代化進程構(gòu)成了危害，嚴重威脅到城市的水系統(tǒng)以及城市的可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化進程的發(fā)展，城市市政自來水給排水工程是城市舉出設(shè)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(shè)提供經(jīng)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(shè)計是必要的。
1.市政給排水工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1市政給排水工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在市政給排水工程中，根據(jù)工程的埋設(shè)深度。工程管道規(guī)格、材質(zhì)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(fù)核，提供給排水的管道等級、壁厚以及結(jié)構(gòu)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(yīng)該及時采取加固方法來進行加固，而且在施工過程中根據(jù)計算采用具體的加強加固措施，加固的具體方法和方式應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟指標和實際情況來確定。
1.2市政給排水工程的結(jié)構(gòu)形式
在市政給排水工程中，排水專業(yè)確定管道的結(jié)構(gòu)形式，一般來說，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)管道的工作環(huán)境。結(jié)構(gòu)用途以及水文地質(zhì)情況等經(jīng)濟指標等從專業(yè)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(yīng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵，或采用盾構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。
2.市政給排水管道對于城市的意義
在市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和完善中，給排水管道的鋪設(shè)和維修護養(yǎng)對城市有著極其重要的影響。給水管道關(guān)系整個城市的生活和工業(yè)用水的供給，而排水管道則關(guān)系城市污水的排出和雨水等可能造成市內(nèi)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(zhì)量對城市居民生活將會產(chǎn)生重要的影響。
另外，市政管道的鋪設(shè)有些是在城市生活區(qū)和工業(yè)區(qū)劃定建成后或者建設(shè)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(shè)，便對施工技術(shù)提出了一定的要求。同時，給排水工程質(zhì)量的要求也必然要求我們加強對施工技術(shù)的嚴格控制。只有在高質(zhì)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(yǎng)的經(jīng)濟成本。
3.市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計
3.1管線的平面優(yōu)化布置
排水管網(wǎng)的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節(jié)省能量。正確的定線是合理經(jīng)濟的設(shè)計管網(wǎng)的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設(shè)計盡量采用直線布局，不要拐彎；定線應(yīng)盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠；設(shè)計時應(yīng)盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設(shè)置。在早期的研究中，設(shè)計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優(yōu)選依據(jù)，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調(diào)整。后來又引入了排水線的概念，將排水區(qū)域內(nèi)與最終出水口節(jié)點相距同樣可行管數(shù)的節(jié)點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉(zhuǎn)化為最短路問題，可用動態(tài)規(guī)劃法求解。但此方法把尋優(yōu)的范圍被限制，使人們在設(shè)計過程中很容易把最優(yōu)方案排除。后來，人們把城市排水系統(tǒng)排水布置抽象為由點和線構(gòu)成的決策圖，從圖論中尋找方法。1986年發(fā)展到利用三種權(quán)值來解決問題。三種權(quán)值是各管段地面坡度的倒數(shù)；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(shè)計時的挖方量。分別對這三種權(quán)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(yōu)化設(shè)計，最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優(yōu)設(shè)計方案。
3.2已定平面布置下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
排水管道優(yōu)化設(shè)計主要是指：對于某一設(shè)計管段，當設(shè)計流量確定后，在滿足設(shè)計規(guī)范要求的管徑和坡度的多種組合中，取得管材費用與敷設(shè)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(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)外做了大量研究工作。
?。?）線性規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法。a線性規(guī)劃法，是針對排水管網(wǎng)設(shè)計計算中的約束條件和目標函數(shù)的非線性，分別用其一級泰勒公式展開式代替，用線性規(guī)劃的解作為問題的近似解，反復(fù)迭代，使迭代序列逼近非線性規(guī)劃的最優(yōu)解。缺點是把管徑當作連續(xù)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(fā)展的整數(shù)規(guī)劃法，雖然在一定程度上解決了線性規(guī)劃的缺點，但是其整型變量比較多，難以求解。b非線性規(guī)劃法適應(yīng)了計算模型中目標函數(shù)和變量的非線性特征，可以優(yōu)化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數(shù)和約束條件的形式。
?。?）動態(tài)規(guī)劃法。動態(tài)規(guī)劃法是目前國內(nèi)外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設(shè)計看作一個多階段的過程，通過對設(shè)計過程進行階段劃分來對管道進行優(yōu)化設(shè)計。其應(yīng)用主要分為兩方面。a以節(jié)點埋深為狀態(tài)變量，通過坡度決策進行全方位搜索。其優(yōu)點是直接采用標準管徑，結(jié)果與初始管徑無關(guān)，且能控制計算深度，但要求狀態(tài)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(chǔ)上引入了擬差動態(tài)規(guī)劃法，在動態(tài)規(guī)劃法的基礎(chǔ)上引入了縮小范圍的迭代過程，但應(yīng)用有一定的局限性。b以管徑為狀態(tài)變量，通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數(shù)目有限，因此在計算速度和存儲量上都有很大優(yōu)勢。以后又發(fā)展出了可行管徑法。此法使優(yōu)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(tài)規(guī)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(tǒng)設(shè)計計算時，前一段的設(shè)計結(jié)果將直接影響到后續(xù)管段設(shè)計參數(shù)的選用，因此利用動態(tài)規(guī)劃法求出的污水管道優(yōu)化設(shè)計方案也并不一定是真正的最優(yōu)方案。
?。?）直接優(yōu)化法。直接優(yōu)化法是直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇設(shè)計計算和比較來得到最優(yōu)解，具有直觀和容易驗證的優(yōu)點。主要方法有：a電子表格法是一種啟發(fā)式的費用估算方法，允許用戶尋找最小費用設(shè)計，能得出比動態(tài)規(guī)劃法要好的結(jié)果而且更符合設(shè)計規(guī)范的要求。b兩相優(yōu)化法是設(shè)計流量確定后，在滿足約束條件的前提下，選取最經(jīng)濟流速和最大充滿度進而得到最優(yōu)管徑和最小坡度，最大限度地降低管道埋深.直接優(yōu)化法的算法與人工算法基本相同，但受設(shè)計人員的能力所限，所得結(jié)果不盡相同，所以所求結(jié)果不一定是最優(yōu)解。
（4）遺傳算法。遺傳算法是進化算法一個分支，是模擬生物學(xué)中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優(yōu)化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題時可以求得最優(yōu)設(shè)計方案。但解決大型管道系統(tǒng)問題時，只能求得趨近于最優(yōu)解的設(shè)計方案，在排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，不論采用何種方法，都以設(shè)計規(guī)范為基本要求，同時使費用達到最小。
4.結(jié)束語
在整個市政基礎(chǔ)建設(shè)工作中，各專業(yè)一環(huán)扣一環(huán)，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(shè)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(zhì)量控制，消除工程質(zhì)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(shè)計[J].技術(shù)與市場，2011，（7）.
[2]方宏.關(guān)于城市市政給排水規(guī)劃設(shè)計的思考[J].科技資訊，2009（3）.
[3]袁波.城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計探討[J].江西建材，2011，（02）
關(guān)鍵詞：市政給排水；管道設(shè)計；優(yōu)化設(shè)計
引言
城市普遍存在水質(zhì)污染的問題，致使城市水環(huán)境遭受到嚴重破壞，水質(zhì)型缺水的區(qū)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(xiàn)代化進程構(gòu)成了危害，嚴重威脅到城市的水系統(tǒng)以及城市的可持續(xù)發(fā)展。隨著城市化進程的發(fā)展，城市市政自來水給排水工程是城市舉出設(shè)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(shè)提供經(jīng)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(shè)計是必要的。
1.市政給排水工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1.1市政給排水工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在市政給排水工程中，根據(jù)工程的埋設(shè)深度。工程管道規(guī)格、材質(zhì)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(fù)核，提供給排水的管道等級、壁厚以及結(jié)構(gòu)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(yīng)該及時采取加固方法來進行加固，而且在施工過程中根據(jù)計算采用具體的加強加固措施，加固的具體方法和方式應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟指標和實際情況來確定。
1.2市政給排水工程的結(jié)構(gòu)形式
在市政給排水工程中，排水專業(yè)確定管道的結(jié)構(gòu)形式，一般來說，結(jié)構(gòu)專業(yè)應(yīng)根據(jù)管道的工作環(huán)境。結(jié)構(gòu)用途以及水文地質(zhì)情況等經(jīng)濟指標等從專業(yè)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(yīng)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵，或采用盾構(gòu)結(jié)構(gòu)形式。
2.市政給排水管道對于城市的意義
在市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和完善中，給排水管道的鋪設(shè)和維修護養(yǎng)對城市有著極其重要的影響。給水管道關(guān)系整個城市的生活和工業(yè)用水的供給，而排水管道則關(guān)系城市污水的排出和雨水等可能造成市內(nèi)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(zhì)量對城市居民生活將會產(chǎn)生重要的影響。
另外，市政管道的鋪設(shè)有些是在城市生活區(qū)和工業(yè)區(qū)劃定建成后或者建設(shè)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(shè)，便對施工技術(shù)提出了一定的要求。同時，給排水工程質(zhì)量的要求也必然要求我們加強對施工技術(shù)的嚴格控制。只有在高質(zhì)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(yǎng)的經(jīng)濟成本。
3.市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計
3.1管線的平面優(yōu)化布置
排水管網(wǎng)的布置原則是既要使工程量最小，又要使水流暢通、節(jié)省能量。正確的定線是合理經(jīng)濟的設(shè)計管網(wǎng)的先決條件。定線的基本原則是：干管支管的設(shè)計盡量采用直線布局，不要拐彎；定線應(yīng)盡量利用地勢，使污水在重力作用下流入污水廠；設(shè)計時應(yīng)盡量減少管道埋深；在管道的中途盡量減少提升泵站的設(shè)置。在早期的研究中，設(shè)計方法為假定每一段管徑相同，以挖方費用為優(yōu)選依據(jù)，選擇一初始布置方案，然后通過算法逐步進行調(diào)整。后來又引入了排水線的概念，將排水區(qū)域內(nèi)與最終出水口節(jié)點相距同樣可行管數(shù)的節(jié)點用一根排水線連接起來。這樣把問題轉(zhuǎn)化為最短路問題，可用動態(tài)規(guī)劃法求解。但此方法把尋優(yōu)的范圍被限制，使人們在設(shè)計過程中很容易把最優(yōu)方案排除。后來，人們把城市排水系統(tǒng)排水布置抽象為由點和線構(gòu)成的決策圖，從圖論中尋找方法。1986年發(fā)展到利用三種權(quán)值來解決問題。三種權(quán)值是各管段地面坡度的倒數(shù)；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(shè)計時的挖方量。分別對這三種權(quán)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(yōu)化設(shè)計，最后取投資費用最小的平面布置方案作為最優(yōu)設(shè)計方案。
3.2已定平面布置下的管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
排水管道優(yōu)化設(shè)計主要是指：對于某一設(shè)計管段，當設(shè)計流量確定后，在滿足設(shè)計規(guī)范要求的管徑和坡度的多種組合中，取得管材費用與敷設(shè)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(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)外做了大量研究工作。
?。?）線性規(guī)劃法和非線性規(guī)劃法。a線性規(guī)劃法，是針對排水管網(wǎng)設(shè)計計算中的約束條件和目標函數(shù)的非線性，分別用其一級泰勒公式展開式代替，用線性規(guī)劃的解作為問題的近似解，反復(fù)迭代，使迭代序列逼近非線性規(guī)劃的最優(yōu)解。缺點是把管徑當作連續(xù)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(fā)展的整數(shù)規(guī)劃法，雖然在一定程度上解決了線性規(guī)劃的缺點，但是其整型變量比較多，難以求解。b非線性規(guī)劃法適應(yīng)了計算模型中目標函數(shù)和變量的非線性特征，可以優(yōu)化選擇管道的直徑和埋深，但極大限制了目標函數(shù)和約束條件的形式。
?。?）動態(tài)規(guī)劃法。動態(tài)規(guī)劃法是目前國內(nèi)外比較常用的一種方法，基本思想是把排水管道設(shè)計看作一個多階段的過程，通過對設(shè)計過程進行階段劃分來對管道進行優(yōu)化設(shè)計。其應(yīng)用主要分為兩方面。a以節(jié)點埋深為狀態(tài)變量，通過坡度決策進行全方位搜索。其優(yōu)點是直接采用標準管徑，結(jié)果與初始管徑無關(guān)，且能控制計算深度，但要求狀態(tài)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(chǔ)上引入了擬差動態(tài)規(guī)劃法，在動態(tài)規(guī)劃法的基礎(chǔ)上引入了縮小范圍的迭代過程，但應(yīng)用有一定的局限性。b以管徑為狀態(tài)變量，通過流速和充滿度決策。由于可使用的標準管徑數(shù)目有限，因此在計算速度和存儲量上都有很大優(yōu)勢。以后又發(fā)展出了可行管徑法。此法使優(yōu)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(tài)規(guī)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(tǒng)設(shè)計計算時，前一段的設(shè)計結(jié)果將直接影響到后續(xù)管段設(shè)計參數(shù)的選用，因此利用動態(tài)規(guī)劃法求出的污水管道優(yōu)化設(shè)計方案也并不一定是真正的最優(yōu)方案。
?。?）直接優(yōu)化法。直接優(yōu)化法是直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇設(shè)計計算和比較來得到最優(yōu)解，具有直觀和容易驗證的優(yōu)點。主要方法有：a電子表格法是一種啟發(fā)式的費用估算方法，允許用戶尋找最小費用設(shè)計，能得出比動態(tài)規(guī)劃法要好的結(jié)果而且更符合設(shè)計規(guī)范的要求。b兩相優(yōu)化法是設(shè)計流量確定后，在滿足約束條件的前提下，選取最經(jīng)濟流速和最大充滿度進而得到最優(yōu)管徑和最小坡度，最大限度地降低管道埋深.直接優(yōu)化法的算法與人工算法基本相同，但受設(shè)計人員的能力所限，所得結(jié)果不盡相同，所以所求結(jié)果不一定是最優(yōu)解。
（4）遺傳算法。遺傳算法是進化算法一個分支，是模擬生物學(xué)中的自然遺傳變異機制而提出的隨機優(yōu)化算法。遺傳算法在解決中小型管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計問題時可以求得最優(yōu)設(shè)計方案。但解決大型管道系統(tǒng)問題時，只能求得趨近于最優(yōu)解的設(shè)計方案，在排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，不論采用何種方法，都以設(shè)計規(guī)范為基本要求，同時使費用達到最小。
4.結(jié)束語
在整個市政基礎(chǔ)建設(shè)工作中，各專業(yè)一環(huán)扣一環(huán)，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(shè)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(zhì)量控制，消除工程質(zhì)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(shè)計[J].技術(shù)與市場，2011，（7）.
[2]方宏.關(guān)于城市市政給排水規(guī)劃設(shè)計的思考[J].科技資訊，2009（3）.
[3]袁波.城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計探討[J].江西建材，2011，（02）
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