综述-城市排水沟道设计

    

文 献 综 述

          ——城市排水沟道设计

 

1、前言

城市排水是指城市生活污水、工业废水、大气降水（含雨、雪水）径流和其他弃水的收集、输送、净化、利用和排放。含污染物的生活污水和工业废水，通称城市污水。城市污水，一般通过城市排水管网输送到城市污水处理厂进行净化，达到规定的水质标准后，再加以利用或排入水体。城市排水设施，是保证城市地面水排除，防治城市水污染，并使城市水资源保护得以良性循环的必不可少的基础设施。由于城市排水设施的功能和特性，使其工程规模大，投资额大，施工难度大，工期长和在运行中消耗大量的能源和资源。在社会经济尚未得到充分发展前，城市往往不易做到具有完善的排水设施和良好的水环境。多数是过分利用自然净化能力，造成水环境的污染。城市排水是一项发展比较缓慢的基础设施^[1]。

城市排水系统分为分流制排水系统和合流制排水系统。当生活污水、工业废水、降水径流用两个或两个以上的排水管渠系统来汇集和输送时，称为分流制排水系统。其中汇集生活污水和工业废水中生产污水的系统称为污水排除系统：汇集和排泄降水径流和不需要处理的工业废水的系统称为雨水排除系统：只排除工业废水的称为工业废水排除系统。将生活污水、工业废水和降水用一个管道系统汇集输送的称为合流制排水系统。其又分为直排式合流制排水系统和截流式合流制排水系统。截流式合流制排水管道系统统称具备溢流设施，用以限制输送至当地污水处理厂的水量。由于溢流出来的雨水也就近排入河道，因此从水量角度而言，截流式合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的^[2]。从造价上看，雨污合流制设一套排水管道系统，管道工程量较小，泵站规模和污水厂规模较大，运行成本高；分流制排水系统，虽然设置两套管道系统，但一般雨水可就近排入河流，泵站一般仅提升污水，故泵站和污水厂的规模大大减少，运行成本也较低^[3]。

目前，直排式合流制排水系统在我国已经禁止采用，截流式合流制排水系统在旧城区和中小城市仍在应用。

2、城市排水工程规划

 2．1.城市排水来源及其特点

城市中排除的水按照其来源和性质分为三类，即生活污水、工业废水和降水。

（1）生活污水

生活污水指人们日常生活中所产生的污水，譬如来自住宅、机关、学校、医院、商店、公共场所及工厂的厕所、浴室、厨房、洗衣房等处排出的水。这类污水中含有较多的有机杂质，并带有病原微生物和寄生虫卵等。

（2）工业废水

工业废水是指工业生产过程中所产生的废水，主要来自工厂车间。根据它的污染程度不同，有可分为生产废水和生产污水两种。

1）       生产废水：是指生产过程中，水质只受到轻微污染或仅水温升高，不需要处理可直接排放的废水，如机械设备的冷却水等。

2）       生产污水：是指在生产过程中，水质受到较严重的污染，需要经过处理后方可排放的废水如石油工业废水、化学工业废水等。

（3）降水径流

降水径流是指径流于地面上的雨水和冰雪融化水，又称雨水径流。降水径流的水质与径流的地表面情况有关。一般较为清洁，但初期雨水径流却比较脏。雨水径流时间集中、量大，以暴雨径流危害最大。目前，英国有专家正在研发的可持续城市排水系统计划将雨水引入排水管道、水塘以及人造湿地。这种方式可使水慢慢的渗入地下，防止它淹没城市的下水道。同时，为防止水塘中藻类泛滥，专家在水塘中放养金鱼，金鱼以藻类为食，从而保持了水塘的清洁^[4]。

以上三种水，均需及时妥善的处置。如解决不当，将会妨碍环境卫生、污染水体，影响工农业生产及人民的生活，并对人们身体健康带来严重的危害。

2．2.城市排水工程规划原则

 （1）与城市整体功能相匹配。排水工程是城市建设的组成部分，排水工程规划是城市规划中单项规划。因此，排水工程规划必须符合城市规划所确定的原则，从全局观点出发，合理布局，并和其他单项工程建设紧密配合、互相协调，是其成为整个城市有机的组成部分。

   (2) 符合环境保护的需求。全面规划，合理布局，综合利用尽可能的减少污染源。

 （3）充分发挥排水系统的功能，满足使用要求。

 （4）充分发挥原有排水设施的作用。规划时要从实际出发，认真分析研究存在的主要问题及改造利用的可能途径，使新规划系统与原有系统有机结合。

 （5）考虑工程建设的经济性。在排水工程规划中，应尽可能降低工程总造价与经常性运行管理费用，节省投资。

 （6）处理好远近期关系。规划中应以近期为主，考虑远期发展可能，作好分期建设安排^[5]。

2．3.与其他单项工程规划的关系

排水工程规划是城市单项工程规划之一,此外,还有道路工程规划、交通系统规划、用地工程准备规划、给水工程规划、人防工程规划等。排水工程规划与这些单项工程规划都是在城市总体规划布局基础上平行进行的，要求个单项工程之间相互配合、协调，解决彼此之间矛盾、避免冲突，使整个城市各组成部分之间构成有机的整体。

排水管道应沿城市道路布置。道路的等级、宽度、横断面以及交通状况与排水管道布置有密切的关系，处置不当，将会造成相互矛盾，增加维修费用。街道的宽度直接影响到连接支管的长度，沿街究竟设置一根还是两侧各设一根污水管，要看具体情况。此外，道路的纵坡度太大或太小都不利于管道的布置，特别是反坡，将会大大增加管道的填埋深度。因此，在规划中要考虑道路交通与管道布置紧密结合，避免相互影响、干扰，为两者建设及充分发挥功能创造条件。

城市用地的竖向布置也直接影响排水系统的规划。因此，必须先了解用地安排与竖向规划的设计。

3、污水沟道系统的设计步骤

在城镇污水工程总投资中，污水管道系统一般占40%-60%^[6]。污水管网的合理布局在城镇污水工程建设中具有举足轻重的作用，掌握沟道系统的设计步骤也显得由为重要。

3．1. 收集基础资料

需要收集的基础资料包括以下几点：

（1）城市总体规划、分区规划、给水排水专向规划等。

（2）有关项目批文。

（3）地形图。包括规划城区和周边地区，完整的反映城区和周边的水系、山体等地形地貌。

（4）气象资料、地质资料等。

（5）河流现状与规划情况。包括城市防洪标准、河流的水文资料、河道典型端面、河道通航等级等。

（6）城市排水现状。包括现状排水体制，现状污水管道的平面布置、标高、排放口等。

3．2. 划分污水排水区域 根据工程服务范围内地形特点、竖向规划和地块开发时序，合理划分污水排水区域，减少污水主干管道的长度和埋深，以降低污水收集系统的总投资。

3．3. 确定污水主干管走向 在规划城区范围内，污水管道一般应沿城市道路敷设，因此污水管道系统应尽量结合建设计划设施。同时考虑规划城区的地块开发时序，以便安排近期污水管道的建设。

3．4. 确定管位 由于污水管道埋深大，坡度要求严格，一般设在道路慢车道下。对宽度超过40米的道路，可以考虑在道路两侧设置污水管道，以便污水的收集，减少横穿支管的数量。

3．5. 确定控制点 

控制点一般出现在以下位置：

（1）本排水区域内，离终点最远位置；

（2）管道系统的起点；

（3）地势起伏区，低洼区的管道起点；

（4）排出口深度较大的企业集中排放口。

3．6. 水力计算

            （1） 设计流量。污水管道的设计应按照最高设计流量计算。

分流制排水体制污水管道的设计流量包括生活污水、工业废水和地下水渗入量。生活污水平均秒流量一般按照排水区域人口和生活污水量定额来计算，再结合生活污水总变化系数，算出生活污水最大秒量。

3．7. 绘制管道平面、纵剖面 污水管道平面图、纵剖面图是管道设计的主要图纸^[7][8][9]。

4、管线的平面优化布置

研究人员在解决已定管线下的排水管道系统优化问题的同时就已经指出，对不同定线方案的优化选择更具有适用价值。但由于已定管线下的设计是管线平面布置的基础，加上目前已定管线下的优化设计计算并不成熟，造成了系统平面优化布置的进展甚微。
　　1976年J.C.Liebman在研究中，撇开水力因素，假定每一管段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后用试算法逐步进行调整。

1973年Argaman和Mays在平面布置方案中引入排水线(Drainage Line)的概念，将排水区域内与最终出水口节点(即检查井)相距同样可行管段数的节点用一根排水线连接起来。对任一排水线，上游的流量在该排水线流向下游。这样，管线平面布置方案的优选问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解。此模型已经考虑到水力因素，但由于排水线的引入，寻优过程的搜索范围被限制在平面布置方案可行域中的很小一部分，即使是具有丰富设计经验的人员亦有可能把最优的方案排除在外。再加上其所需存储最大和计算时间长的特点，此法仍是无法实现。

1982年，Walters对该方法进行了改进，曾应用于公路排水系统的设计。
　　随着时间的推移，研究人员发现，城市排水系统平面布置能够抽象为由点和线构成的决策图，于是转向从图论中寻找平面优化布置的方法。1983年，P.R.Bhave和J.F.Borlow将网络图论中的最小生成数算法应用于排水管道系统平面布置方案的优选。假定系统中的每一管段具有相同的权重(Weight)，避开水力因素，用定权方法来求解。

1986年，S.Tekel和H.Belkaya又应用了3种权值来解决：(1)各管段地面坡度的倒数；(2)各管段的管长；(3)各管段在满足最小覆土条件下，按最小坡度设计时的挖方量。分别对这3种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案，再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面方案作为最优设计方案。对于排水管道系统所有可行的管线敷设路径构成的图，各管段的实际权值只有在方案确定以后才能计算出来，因此属于图论中的变权问题，可是到目前为止，图论中的变权问题尚无有效的解决方法。

在国内，李贵义(1986)提出了简约梯度法^[10]，陈森发(1988)提出了递阶优化设计法^[11]，这些方法也得不到令人满意的结果。
　　最近，遗传算法的出现为排水管道系统平面优化布置提供了可能条件，因为遗传算法的运算机制对目标函数和约束条件没有特殊要求。G.A.Walters已经应用遗传算法在城市给水排水、农田灌溉、电缆和煤气管线方面进行研究^[12]。

5、已定管线下的管道系统优化设计

对于在管线平面布置已定情况下进行管段管径-埋深的优化设计问题，国内外做了大量开拓性工作，取得了丰硕成果。最优化方法分为两种：间接优化法和直接优化法。间接优化法也称解析最优化，它是在建立最优化数学模型的基础上，通过最优化计算求出最优解；而直接最优化方法是根据性能指标的变化，通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，来得到最优解或满意解^[13]。

5．1.直接优化法
　　在排水管道优化设计中，应用直接优化方法者认为：虽然排水管道计算采用的水力计算公式很简单，但是由于管径的可选择尺寸不是连续变化的，不能任意选择管径；最大充满度的限制又与管径大小有关；关于最小设计流速、流速变化(随设计流量增加而增大)及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂，也不能用数学公式来描述。因此，很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。相对而言，用直接最优化方法来解决这个问题具有直接、直观和容易验证等优点^[14][15]。
5.2.　间接优化法
　　应用间接优化方法者认为：随着优化技术的发展，尽管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件，只要对其中的某些条件适当取舍，合理地应用数学工具，就可以把它简化、抽象为容易解决的数学模型，通过计算得出最优解。

根据出现的时间和使用的数学方法，间接优化方法主要分以下几类：
5.2.1　线性规划法
　　线性规划法是最优化方法中最常用的一种算法，它可以解决排水管道设计中的许多问题，同时也可对已建成的排水管道进行敏感性分析。它的缺点是把管径当作连续变量来处理，这就存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题。而且将所有目标函数和约束条件均化为线性函数，其预处理工作量大，精度难以得到保证。
5.2.2　非线性规划法
　　为了适应排水管道系统优化设计中目标函数和约束条件的非线性特征，1972年Dajani和Gemmell建立了非线性规划模型。该方法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。它可以处理市售规格管径，但当无法证明排水管道费用函数是一个单峰值函数时，得到的计算结果可能是局部最优解，而非全局最优解。
5.2.3　动态规划法
　　1975年，由Mays和Yen首先把动态规划法引入到排水管道系统优化设计中，目前该方法在国内外仍得到广泛的应用。它在应用中分为两支：一支是以各节点埋深作为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索，其优点是直接利用标准管径，优化约束与初始解无关，却能控制计算精度，但要求状态点的埋深间隔很小，使存储量和计算时间大为增加。为了节省运算时间，1976年由Mays和Yen引入了拟差动态规划法。拟差动态规划法是在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程，可以显著地减少计算时间和存储量，但在迭代过程中有可能遗漏最优解，而且在复杂地形条件下处理跌水、缓坡情况时受到限制。另一支是以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索。由于标准管径的数目有限，较以节点埋深为决策变量方法在计算机存储和计算时间上有显著优势。最初的动态规划对每一管段管径选取的一组标准管径中有些管径并不一定是可行管径。因此发展出可行管径法，该方法通过数学分析，对每一管段的管径采用满足约束条件的最大和最小管径及其之间的标准管径，构成可行管径集合，进而应用动态规划计算。可行管径法使得优化计算精度得以提高，并显著减少了计算工作量和计算机内存储量。
　　动态规划法是解决多阶段决策问题最优化的一种有效方法，无论是利用节点埋深还是利用管段管径作为状态变量，并没有充足的证据能够证明阶段状态的“无后效性”(“无后效性”是指当给定某一阶段的状态时，在以后各阶段的行进要不受以前各阶段状态的影响)。因此，用动态规划法求出的污水管道系统优化设计方案并不一定是真正的最优方案。

5.2.4　遗传算法
　　遗传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术，它是模拟生物学中的自然遗传而提出的随机优化算法。它仍采用规格管径作为状态变量，可以同时搜索可行解空间内的许多点，通过选择、杂交和变异等迭代操作因子，最终求得满意解。一般在解决中小型管道系统优化设计时，可以求得最优设计方案；尽管搜索方法具有一定的随机性，当解决大型管道系统问题时，遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案。这两种方法的共同点是都以设计规范要求及管径、流速、坡度、充满度间的水力关系为约束条件，以达到费用最小为目标^[16][17]。

综上所述，城镇排水沟道设计要掌握城市污水的来源，熟悉城市排水工程的规划原则，协调好排水工程与城市总体规划中其他规划的关系；要合理的布置排水管道的管线走向，节省投资。

 

参考文献

[1] 孙慧修等．排水工程（上册）．北京：中国建筑工业出版社，2000:1～2

[2] 周鑫根主编．小城镇污水处理工程规划与设计．北京：化学工业出版社，

2005:103～104

[3] 詹道江等．城市水文学．南京：河海大学出版社，1989：35

[4] 秋凌．http://www.china.org.cn/chinese/huanjing/1015483.htm，

   2007-3-15

[5] 刘兴昌．市政工程规划．北京：中国建筑工业出版社,2006:65～69

[6] 国家城市给水排水工程技术研究中心编． 给水排水工程概算与经济评价手册．北京：中国建筑工业出版社，1993

[7] 荣沾．城市道路设计．北京：人民交通出版社，1988

[8] 陈瑾．沟渠工程　上册．北京：科学技术出版社，1956

[9] 高延耀，顾国维主编．水污染控制工程　上册(第二版) ．北京：高等教育出版社，2006:64～83

[10] 李贵义．排水管网优化设计. 中国给水排水，1986，2(2)：18～23

[11] 张森发. 城市污水管网系统布局的递阶优化设计. 中国给水排水，1988， 4(3)：6～10

[12] WaltersGA and Lohbeck T K．Optimal layout of tree network using

     genetic algorithms．Engineering Optimization，1993，22：27～48

[13] 沈毅.微机在污水管道优化设计中的应用. 交通部第一航务工程勘查设计院,1988:54～55

[14] 王柏仁. 污水管道系统的计算程序与优化选择. 中国给水排水，1985，

     1(2)：1～5

[15] 彭永臻，王淑莹，王福珍. 排水管网计算程序的全局优化. 中国给水排水，1994，10(5)：41～43

[16] 陈深发．城市污水管网系统布局的递阶优化设计. 中国给水排水，1988，

　   　4(3)：6～10

[17] 岑国平. 雨水管网的动力波模拟及试验验证. 给水排水，1995，21(10)：

     11～13