陕北中小县城污水管网优化设计

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1、陕北中小县城污水管网优化设计刘　双　刘玉玲　党志良（西安理工大学西北水资源与环境重点实验室，陕西　西安　710048）摘　要　在传统污水管网设计理论基础上，建立了管网费用模型，通过管径优化、坡度优化和管材选择对污水管网进行优化设计，计算工程投资费用，寻求工程投资较优方案。采用Matlab语言编程，对陕北某县城污水管网进行优化设计。关键词　污水管网　管径优化　坡度优化　管材选择0　引言　　城市污水管网系统是重要的城市基础工程设施之一，担负着收集、输送城市生活污水、工业废水和降水的艰巨任务。该工程设施设计的合理性和科学性，直接决定着城市的发展水平，影响着城市景观

2、和卫生环境，甚至关系到城市的投资环境和安全。因此，科学合理地设计城市污水管网系统是城市基础工程设施建设的重要一环，对工程设施的投资和运行管理起着关键性作用。　　传统的排水管道的设计计算方法是[1]：设计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料之后，按照管道定线和平面布置的原则，确定出一种较为合理的污水管道平面布置图，然后计算出各设计管段的设计流量，以有关的设计规定作为控制条件，从上游到下游依次进行各设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。计算中一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整，以求达到经济合理的目的，但其合

3、理程度受到设计人员个人经验的限制，工作效率低，时间长。　　目前大多数学者只从单方面因素对污水管网进行优化设计，陈玲俐等[2]提出从可行性管径法优化污水管网，陈胜兵[3]提出从最小坡度优化方法，没有将管径、坡度相结合。本文在污水管线和流量确定后，将管径和坡度相结合，并且引入管材优化选择，提出从管径、坡度和管材三部分对污水管网系统优化的设计方法。1　污水管网费用模型建立　　费用模型［4］亦称经济目标函数，或称费用函数，是通过数学关系式或图像方式来描述工程费用特征及其内在的联系，是工程投资、运行费用与工程规模及影响费用各因素之间的关系式。费用模型是工程技术经济分析

4、和经济设计的基础，通过费用模型容易看出费用的变化规律及其经济性态，也为设计的系统优化、技术经济分析研究及计算机程序的编制提供了有利条件。　　污水管网费用一般包括管道费用和泵站费用两部分，优化设计目的是使两部分费用之和最小，以达到减少工程投资的目标。即：　　minC=C1+C2式中C1为管道建设费用；C2为泵站建设费用。1.1　管道建设费用C1　　管道建设费用包括管材费用和土方费用。　　式中：Li——管段长度（m）；Yi——单位管长造价（元/m）；Di——单位管长土方造价（元/m）；n——管段数量。1.2　泵站建设费用C2　　泵站费用包括泵站建设费用和年运行费

5、用　　式中Cpj——各泵站的造价（元/座）；Hj——各泵站的运行费用（元/座·年）；Kj——运营费用折算成现值的现值系数；m——泵站数量。1.3　污水管网费用C2　污水管网优化模型　　依据《室外排水设计规范》（GB50014-2006），污水管道可采用均匀流公式来计算，且应满足管径、流速、埋深、衔接方式等方面的约束条件。污水管道的优化设计是指在满足上述约束条件的前提下，以充满度和流速为决策性变量，以降低工程造价为最终目标，来进行管径、坡度等参数的计算，即按污水流动方向，先计算支管后计算干管和主干管，通过从上游至下游依次对各设计管段进行计算，继而完成一条管道以

6、及整个管网的计算。2.1　优化设计主程序流程2.2　管径优化污水管道管径优化［5］在管线和流量确定的条件下进行，污水管道计算一般是在平均经济流速(0.6m/s-1.5m/s)取值区间内可以任意取一个值作为设计流速值，得到的管径不是标准管径，需要对管径进行圆整，达到工程设计管径。按照经济流速计算出各管段管径的取值范围；若管径小于300mm时，取最小管径为300mm；若管径范围内有工程管径则取较小一级工程管径为设计管径；否则增大管径取值范围，重新选择。对管径圆整后的管径值进行管网水力计算和管道埋深分析，得到的管内水流流速如果超过平均经济流速允许范围，要对管段管径

7、进行修正，保证所有管内水流流速均落在平均经济流速范围内。图12.3　坡度优化坡度法［3］程序将设计坡度I作为一个优化约束条件，控制管网起端埋深并引入了管段平均坡度Iav，再以平均坡度为基准,或将某一选定的坡度为基准坡度,通过增大管径或减少充满度，让管道的设计坡度小于该基准坡度的某一变化值。为避免在地形平坦地区仍然采用较大的设计坡度而增加造价，程序引入管网计算的最小控制坡度Imin，该坡度可人工设定或按当前管道坡度的终端保证最小覆土厚度的要求来设定。此外，可根据工程情况拟订不同管道起端埋深Hk值，并求出不同的Hk下的管网系统的管径、坡度、埋深及总造价的优化组合

8、，选出较优设计方案。2.4　管材选择　　普通钢筋混凝