市政排水管网优化设计的方法研讨(2)

动态规划法是目前国内外比较常用的一种方法，基本思想是把排水管道设计看作一个多阶段的过程，通过对设计过程进行阶段划分来对管道进行优化设计。其应用主要分为两方面：

（1）以节点埋深为状态变量， 通过坡度决策进行全方位搜索。其优点是直接采用标准管径， 结果与初始管径无关， 且能控制计算深度， 但要求状态点之间的埋深间隔很小， 使存储量和时间间隔大为增加。因此在此基础上引入了拟差动态规划法， 在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过程， 但应用有一定的局限性。

（2）以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。由于可使用的标准管径数目有限， 因此在计算速度和存储量上都有很大优势。以后又发展出了可行管径法。此法使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存储量。尽管动态规划法是解决多阶段决策问题的一种有效方法， 但在排水管道系统设计计算时， 前一段的设计结果将直接影响到后续管段设计参数的选用， 因此利用动态规划法求出的污水管道优化设计方案也并不一定是真正的最优方案。

2.1.3 直接优化法

直接优化法是直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解， 具有直观和容易验证的优点。主要方法有：

（1）电子表格法是一种启发式的费用估算方法， 允许用户寻找最小费用设计， 能得出比动态规划法要好的结果而且更符合设计规范的要求。

（2）两相优化法是设计流量确定后， 在满足约束条件的前提下， 选取最经济流速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度， 最大限度地降低管道埋深。直接优化法的算法与人工算法基本相同， 但受设计人员的能力所限， 所得结果不尽相同， 所以所求结果不一定是最优解。

2.1.4 遗传算法

遗传算法是进化算法一个分支， 是模拟生物学中的自然遗传变异机制而提出的随机优化算法。遗传算法在解决中小型管道系统优化设计问题时可以求得最优设计方案，但解决大型管道系统问题时， 只能求得趋近于最优解的设计方案。在排水管道系统优化设计中， 不论采用何种方法， 都以设计规范为基本要求， 同时使费用达到最小。

2.2 管线的平面优化布置

排水管网的布置原则是既要使工程量最小， 又要使水流畅通、节省能量。正确的定线是合理经济的设计管网的先决条件。定线的基本原则是： 干管支管的设计尽量采用直线布局， 不要拐弯； 定线应尽量利用地势， 使污水在重力作用下流入污水厂； 设计时应尽量减少管道埋深； 在管道的中途尽量减少提升泵站的设置。在早期的研究中， 设计方法为假定每一段管径相同， 以挖方费用为优选依据， 选择一初始布置方案， 然后通过仔细的验算，逐步进行调整。后来又引入了排水线的概念， 将排水区域内与最终出水口节点相距同样可行管数的节点用一根排水线连接起来。这样把问题转化为最短路问题， 可用动态规划法求解。但此方法把寻优的范围被限制， 使人们在设计过程中很容易把最优方案排除。后来， 人们把城市排水系统排水布置抽象为由点和线构成的决策图， 从图论中寻找方法。1986年发展到利用三种权值来解决问题。三种权值是各管段地面坡度的倒数； 各管段的管长； 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。分别对这三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布置方案作为最优设计方案。

3 排水管网优化设计方法的对比（如表1）

合理的排水规划、设计能尽快地将雨水、生活、工业污水排除， 减少水资源的污染， 保护环境， 美化城市， 对城市的可持续发展和和谐社会的建设都是大有裨益的。城市排水工程应遵循的一般规划、设计的原则和方法如表1所示。

结束语

综上所述,市政排水管网优化设计是一个实践经验与能动性相结合的过程。在满足规范要求、注意设计控制要点的同时,要根据实际情况, 因地制宜、因时制宜, 选择最好的方法，并优先选用新型管材,尽量做到既质量优良, 又经济合理、施工方便。

参考文献

[1] 谭静文. 论市政排水规划与设计的若干问题[J].沿海企业与科技,2009

[2] 伊学农， 刘遂庆，周琪. 用遗传算法实现污水管网的优化设计[J].中国给水排水,2005

[3] 黄廷林，马学尼.水文学［M］.北京：中国建筑工业出版社,2006

[4] 曾滨， 谢文军. 市政排水管网规划和优化设计探讨[J].山西建筑,2009

[5] 张淑贤. 市政排水管道设计时需注意的问题[J].科技资讯,2009

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