排水管网优化方法研究

摘 要：本文介绍了包含图论法和遗传算法的平面布置优化，包含直接优化法和间接优化法的管网参数优化和利用水力水质模型进行评估改进的老旧管网优化。研究这些排水管网优化方法，旨在为管道设计和改造提供理论基础和技术支撑。

关键词：排水管网;管网优化;最优化;管网模型

市政给排水工程的规划和设计与生活在都市里的人息息相关，必须依照前瞻性的观念对市政给排水工程的构建进行设计和规划，才可以实现城市给排水工程的可持续发展和利用。

1 排水管网的作用与建设问题

1.1 排水管网的作用

（1）环境保护和可持续发展方面：排水工程在一定程度上可以保护和改善生态环境，削弱污水给人们带来的坏处。伴随着现代化工业进程以及人口数量的持续增长，污水中的有害成分也越来越复杂。目前在中国或其他国家，环境污染问题一直被人们所重视，由于污废水所带来的污染也是不容小觑。

（2）卫生方面：污水处理项目的建设，可以高效地保护人们的身体健康。污水主要从两个方面影响着人类的身体健康：首先是直接影响，水中携带的部分细菌具有传染性，通过饮水的过程进入人们体内，危害人类健康;其次是间接影响，水中的有毒物质并不具有致命性，但会在人的身体内部累积，当达到一定量的时候会对人体产生危害，也可能影响到下一代的健康。

（3）经济方面：当前，很多水污染严重的国家，它的供水能力已经远远小于其需水量，因此不得不投入大量的资金进行污水净化工程的建设。加大排水管网的建设力度可以很大程度上的避免这些问题，避免不必要的资金浪费。

1.2 存在的问题

（1）城镇排水管网的规划、建造方面有一定的局限性

在我国的城市排水问题中，首先要解决的问题是管网设计和施工的局限性。大多数城市开始设计管网时，根本没有认真思考过城市的发展时会遇到的问题。因此，在开始施工时，由于建设投资的原因，排水量、管网的深度及宽度不可以满足余量。同时，管网使用中经常发生阻塞或沉积的现象导致了严重的污染，这严重破坏了城市环境。而且，因为城市排水管网的损坏不易觉察，近年来，投资者倾向于对管道、交通、園林绿化等基础设施建造进行投资。但是，没有多少投资人想投资城市排水管网。

（2）城镇排水管网与污水处理厂的建造脱节

在排水管网建造和完善中，首先要面对的问题就是污水处理厂与城市排水管网不匹配所造成的水资源难以循环利用。构建污水处理厂可以净化生活污水和工业废水，使其出水后能达到标准，出水能循环利用，这不仅能解决城市环境污染，还能促进水资源的合理利用。然而，城市污水处理厂不能与城市排水管网相对应，污水不能够完全进入到污水处理厂进行处理却是一个在城市排水管网建造中难以解决的问题。

（3）城镇排水管网建造规划水平低

现代城市建设要发展，必须要解决一个问题，那就是排水管网建设水平低、没有办法实现维修工作的信息化管理。随着现代信息技术的发展，城市智能化管理的程度变高，但城市排水管网管理工作还处于一个相对落后的状态。不仅在网络设计中，迎合不了城市现代化的要求，而且迎合不了城市建设的需要。

2 排水管网优化方法

2.1 新建管网优化

2.1.1 平面布置优化

（1）图论法

基于最小生成树理论的Dijkstra算法，目标函数为最小投资成本，把排水管网铺设的优化设计成构建N棵以污水处理厂为根节点的最小生成树。Dijkstra算法作为一种最小生成树法，它是在权值不仅是确定的，而且是一种简便而高效的且不小于零的条件下构建的。

（2）遗传算法

近些年来，越来越多的排水管网布局优化的研究开始采用遗传算法。它在解决离散组合优化问题和复杂的非线性问题时具有明显优势，这是因为它可以利用总体的信息。在进行排水管网系统优化设计时，这种方法能够提供相关的可能条件，并且在针对排水管网系统的优化问题的处理上具有很高的效率。

2.2.2 管网参数优化

（1）直接优化法

常用的直接优化法有：电子表格法和两相优化法。在进行管道优化的时候使用某种操作系统来统计和分析数据的功能叫做电子表格法。先选择最经济的流量以及最大的充满度，再通过排水管道的水力计算方法计算出最佳的管径和最小的梯度从而最大程度地减少埋深的方法称为两相优化法。

（2）间接优化法

间接优化方法是根据最佳数学模型，计算后得到最佳解。根据探讨液压约束条件和适合的选择， 构建数学模型，合理地运用多种数学工具得到的数学模型来求得最佳解。

2.2 老旧管网优化

老城区的排水管网建设具有时间早、标准低、维护难度大等特点。与此同时，老城区地块调整难度较大，这也给老旧管网的优化带来了阻碍。所以，老旧管网的优化可以从局部改善着手。利用水力水质模型对老旧排水管网进行模拟评估，对现状管网运行中的问题提出技术上可行性的优化方案，讨论管网系统关键位置的管道水质变化规律和影响因素，用于指导城市排水管网的优化改造和规划管理。

结束语

探讨了排水管网的优化方法，包括新建管网和老旧管网。对于新建管网，平面布置优化中可以用到图论法、遗传算法等;管网参数优化分为直接优化法和间接优化法，通过不同的算法，对埋深、管径、坡度等具体设计参数进行计算，以获得最优设计方案。对于老旧管网，采用水力水质模型法，利用模型对管网进行评估，针对重点管道提出优化方案。

参考文献：

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[3]Galani V ， Patel B . Effect of hydroalcoholic extract of Sphaeranthus indicus against experimentally induced anxiety， depression and convulsions in rodents[J]. International Journal of Ayurveda Research， 2010， 1（2）.

作者简介：沈鑫（1995-）， 男，设计师，硕士研究生，主要研究方向：给水排水。