基于污水管网优化设计研究

基于污水管网优化设计研究

刘俊亚

佛山市顺德区水利水电勘测设计院有限公司广东佛山528300

摘要：污水管网承担着排放污水、保护环境的职能，是一个重要的基础设施，合理的设计污水管网，对基础设施的发展和功能完善有着重要的影响作用。本文分析了污水管网计算中的几种约束条件和以全局优化的思想。

关键词：污水管网；优化设计；计算方法

0引言

污水管网的基本任务就是及时、安全、通畅地收集、输送污水到污水处理设施。污水管网系统是给水排水工程的一个重要组成部分，在整个排水系统投资中占有相当大的比例。污水管网系统同时是现代化城市重要的基础设施，是城市水污染防治的骨干工程。因此，设计时如何在满足规定的各种约束条件下，优选污水管网的管径、埋深等各个组成部分，尽量降低污水管网的投资费用，是污水管网优化设计的最终目的。

1优化思想

1.1选取尽可能小的设计流速

当水力半径不变，管底坡度与流速的平方成正比，即减小流速能更大幅度地减小管底坡度和埋深。关于设计流速的约束条件很多，在满足所有设计流速的约束条件的前提下，选择一个尽可能小的设计流速是对设计参数进行最优化选择的重要内容，在程序设计中很容易实现。

1.2选取尽可能大的设计充满度

优化选择接近最大设计充满度的方法，不仅可以减少管材耗量，而且还可以在一定程度上减小管底坡度和埋深。

式中：

v——设计流速（m/s）；

n——管壁粗糙系数，这里取n=0.014；

R——水力半径（m）；

I——水力坡度，等于管底坡度；

Ω——过水断面面积（m2）。

分析式（1），首先确定了一个尽可能小的设计流速v后，n为常数，水力半径R越大管底坡度I越小。根据水力学中水力半径和充满度之间的关系可知，充满度为0.81左右以下时，水力半径随着充满度增大而增大。由于各种管径的最大设计充满度也不大于0.75，所以选择尽可能大的设计充满度也就是选择了尽可能大的水力半径，其结果是减小了管道坡度和埋深。

1.3检查井内管段衔接时尽可能减小下游管段埋深

在满足管段在检查井内衔接的约束条件的前提下，根据相衔接两管段的管径与管段中的污水深度等具体情况，来选择水面平接、管顶平接和管底平接等三种不同的衔接方式。

1.4以全局优化的思想指导设计的选择

为了使整个工程系统为最优这个全局利益，往往要求工程系统中的某些局部（或子系统）利益做出一定的牺牲。尽可能减小所计算管段的坡度、埋深和管径等，这不仅能减小该管段的工程造价，而且还对减小其下游各管段的坡度和埋深也做出了贡献、也是对排水管网设计计算的全局优化做出了贡献。

2污水管网设计计算的约束条件

2.1管径

管径对污水管道水力计算的约束反映在两个方面，其一是规定了最小管径；其二是管径的递增或递减方式，由于管道规格的限制，在计算过程中，管径的递增或递减是非连续均匀的。

2.2流量

设计中确定管径时，应避免小流量选大管径，故应明确各种管径对应的最小流速（最小充满度）时所通过的流量为最小流量。当管段设计流量小于某一管径的最小流量时，只能选小一级的管径。但不能小于其最小管径。

2.3充满度

污水管道按部分满流计算。每种管径都有相应的充满度上限值。以最大和最小充满度为约束条件，选用设计充满度，可以最佳的确定管径，达到优化目的。

2.4流速

管段的设计流速介于最小流速（0.6m/s）和最大流速（金属管10m/s，非金属管5m/s）之间。不同管径的圆形钢筋混凝土管，在相应的最大充满度下的最大流速是不同的。

2.5坡度

规范中规定了最小管径的最小设计坡度。各种管径都有相应的最小设计坡度。为保证管道的运行和维护管理，也应考虑确定各种管径的最大设计坡度。在平坦地区污水管道的水力坡度应用最小设计坡度约束，而地形坡度大的地区则应用最大设计坡度约束。

2.6埋深

管道起点的最小埋深，根据管道通过地区的地质条件设定；当管道坡度小于地面坡度时，为保证下游管段的最小覆土厚度和减少上游管段的埋深，应采用跌水连接。

2.7管段衔接方式

污水管道在检查井处的连接方式，一般有水面平接和管顶平接两种方式。不管哪种方式连接，均不应出现下游管段上端的水面高于上游管段下端的水面、管端标高，且应尽量减少下游管段的埋深，

3管径优化计算方法

排水管网水力计算采用传统的均匀流基本公式（1）、（2）。但是，在约束下，为了选择具有最大设计充满度的管径，也不能直接求出管段坡度和埋深。为了便于用计算机解决有关计算问题，用以下计算方法：通过一个叫做管道过水断面夹角θ的中间变量（如图1）来求出管道计算中的未知设计参数。

由此可导出过水断面面积ω的表达式（3）

用二分法求出该方程的唯一一个θ解。再根据式（6）用θ值求出相应的充满度。若充满度太小，将初选的管径缩小一级，重复上述过程，直至选择一个充满度较大的管径。

4结语

综上所述，通过分析优化设计的相关约束条件，进而提出了以选取满足最大充满度的污水管管径为优化核心约束条件，不仅简化了优化思想，而且该计算方式数据输入少，可以应用到其他任何规模的污水管网工程设计中，所以其在今后的污水管网的设计与优化计算中大有潜力。

参考文献

[1]王胤淇,黎明,魏一伟.城市污水管网优化设计及其决策系统浅析[J].中国高新技术企业.2015(31).

[2]鲁九国,李钦朋.基于SWMM的沿海城市排水管网计算研究[J].价值工程.2015(18).