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摘要:排水管道是城市排水系统的主动脉，合理设计城市排水管道系统是保障城市卫生、防洪排涝的重要环节。本文就城市排水管道系统的优化设计进行了探讨，阐述其优化设计的内容，并介绍了几种排水管道的优化设计方法，。
关键词:排水管道；优化设计；必要性；方法
中图分类号：S276 文献标识码：A 文章编号：
排水系统是城市不可缺少的重要基础设施，是城市水污染防治和城市防内涝的主体工程，直接关系到整个城市的正常运行、安全发展。然而城市排水管道系统仍存在很多问题，因此，为了保障城市排水设施安全正常运行，就要对城市排水管道系统进行优化设计，以确保其发挥出保护环境、促进经济社会可持续发展和保障人民的健康安全的作用。
1 排水管道优化设计的必要性
市政排水管道是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例占整个排水系统投资的一大部分。因此，对排水管道可行性优化意义重大。随着城市经济发展，城市道路修建，排水管道不断普及，但是还存在许多问题。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。
当今社会，随着计算机技术的发展，计算机已渗透到人们生活和工作的各个方面。利用计算机，通过编制程序和软件来对工程进行设计和优化，已被人们广泛应用。
2 排水管道优化设计的内容
排水管渠的优化一般涉及4个方面的内容：
(1)一个城市最佳排水分区数量和集水范围的确定；
(2)最佳管线布置形式的确定；
(3)管线布置形式给定条件下管系的优化设计；
(4)雨水径流模型的建立。
排污水管网的优化设计包括2个方面的内容：①管线平面布置的优化选择。②在管线平面布置已定的情况下进行管道参数，即管段管径及埋深的优化设计。市政排水管道的优化设计主要是解决在确定平面布置方案下。排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水镣网平面布置方案的优化研究。近几年来，我国的科研人员对污水管网系统的优化设计研究进行了大量的工作，取得了不菲的成果。
3 已定平面布置下的管道系统优化设计
排水管道优化设计主要是指：对于某一设计管段，当设计流量确定后，在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中，取得管材费用与敷设费用的平衡。在排水管线平面布置已定的情况下，对于管段管径—埋深的优化设计，国内外做了大量的工作。下面介绍几种已定平面布置下的管道系统优化设计的方法。
3.1 两相优化法
两相优化法是在满足关于流速的约束条件前提下，选取一个最经济流速。当流量增加时，流速按0.01m/s的步长增加。然后，根据设计流量和确定的流速，选取一个最优充满度和最优管径，从而得到一个最优坡度，即尽可能小的坡度。
水力计算约束条件：在进行优化设计过程中需要综合考虑各种约束条件，如：管径、充满度、流速、坡度、埋深等。表1中列出了管径从200～1000mm的部分约束条件，如果设计过程中涉及到大于1000mm的管径，可以自行列出相应的约束条件。
表1 部分水力计算约束条件
设计规范中還规定了如下约束条件：
(1)各种管径的最小充满度建议不宜小于0.25。
(2)街区或厂区内的最小管径为200mm，街道下面的最小管径为300mm。
(3)管道在坡度变陡处，其管径可根据水力计算确定由大到小，但不得超过2级，并不得小于最小管径。
(4)最大设计流速，金属管为10m/s；非金属管为5m/s。表1中列出了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。
(5)随着设计流量的逐段增加，其流速也应相应增加；如设计流量不变，流速也不应减小，包括旁侧管中的流速不应大于其接入的干管中的流速。只有当坡度大的管道接到坡度小的管道且下游管段的流速已大于等于1.2m/s的情况下，流速才允许减至1.2m/s。
(6)无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。在车行道下管顶最小覆土厚度不宜小于0.7m。
(7)污水管道间一般宜采用水面或管顶平接的连接方式。无论采用哪种方式，下游管段起端的水面和管底标高都分别不得高于上游管段末端的水面和管底标高。
3.2 遗传算法
遗传算法作为今年迅速发展起来的一项优化技术，在许多的领域中得到了应用，显示了巨大的优越性。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，只能求得趋近予最优解的设计方案。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。遗传算法要求必须对所求参数进行编码处理和对目标函数进行适应度函数转换处理，并根据转换后的适应度函数的大小模仿生物进化过程，通过对参数编码的选择、交叉、变异等操作，逐步达到目标函数的最小值。
标准遗传算法的必须完成的工作内容和基本步骤如下：
(1)编码：解空间中的解数据工，作为遗传算法的表现形式。从表现型到基因型的映射称为编码。遗传算法在进行搜索之前先将解空间的解数据表示成遗传空间的基因型串结构数据，这些串结构数据的不同组合就构成了不同的点；
(2)初始群体的生成：随机产生N个初始串结构数据，每个串结构数据称为1个个体，N个个体构成了1个群体。遗传算法以这N个串结构作为初始点开始迭代。设置进化代数计数器t←0：设置最大进化代数T；随机产生M个个体作为初始群体P(O)；
(3)适应度值评价检测：适应度函数表明个体或解的优劣性。对于不同的问题，适应度函数的定义方式不同。根据具体问题，计算群体P(t)中各个个体的适应度；
(4)选择：将选择算子作用于群体；
(5)交叉：将交叉算子作用于群体；
(6)变异：将变异算子作用于群体；群体P(t)经过选择、交叉、变异运算后得到下一代群体P(t+1)。
(7)终止条件判断：若t《T，则t←t+1，转到步骤(2)；若t>T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出。终止运算。
4.3 线性规划法和非规划法
(1)线性规划法.是针对排水管道设计计算中的约束条件和目标函数的非线性.分别用其一级泰勒公式展开式代替.用线性规划的解作为问题的近似解.反复迭代。使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理。存在计算管经与市售管径不一致的矛盾.且前期准备工作量大。以后发展的整数规划法.虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点，但是其整型变量比较多.难以求解。
(2)非线性规划法适应了计算模型中目标函数和变量的非线牲特征。可以优化选择管道的直径和埋深。但极大限制了目标函数和约束条件的形式。
3.4 动态规划法
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2个方面：
(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到提高，并显著减少了计算工作量和计算机存储量。尽管动态规划是解决多阶段决策问题的一种有效的方法，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。
3.5 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汁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负荷设计规范的要求。
(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。
3.6 排水管道优化坡度设计
满管流或水面平接非满管流多管段排水管道中，各管段在交汇节点上的水位高程相等，可以归纳为能量连续的排水设计管段。以最小工程造价为目标函数，充分利用设计管网起端至终点之间可利用最大水位差为输水能量，以设计规范规定为约束条件，建立排水管道優化设计坡度数学模型，求解各管段的经济坡度和优化管径。
4 管线平面优化布置
一般排水管道系统覆盖面积较大，其设计除受地形地貌的约束外，还受到区域功能规划、污水排放量等因素的约束。此外，由于排水管道属于重力流系统，在许多地段需设置提升泵站来保证污水的排放。因此，排水管道系统的设计是一种多约束条件的寻优问题。目前国内外对排水管道的设计往往局限于在给定管网布线的情况下，对污水管线的管径、埋深、坡度等参数进行研究，较少涉及排水管道系统的平面优化设计。对管道参数的研究为大城市已有排水管道的改造提供了参考，具有重要意义；但对于新兴城镇这种无排水管道的情况，其管网系统需从平面布置优化做起，使之布局最优、费用最省。
排水管道平面布置优化的目的就是在由给定节点构成的网状图及其他约束条件下，生成以污水厂为根节点的最小费用生成树。由于瞎子爬山法的局限性，很难在约束条件十分复杂的城市排水管道优化中寻找得到最优解，更多的情况下寻得的是次优解。由于污水管网建设投资巨大，次优解和最优解间很小的差异反映在投资上都是一笔很大的费用，因此有必要寻找一种更好的方法，尽可能地寻找最优解。
5 结语
综上所述，排水系统不仅是城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市防内涝的主体工程，并且直接关系到整个城市的正常运行、安全发展。为了保障城市排水管道系统正常安全的运行，就要对其进行优化设计。然而，污水管网的优化设计是给排水工程优化设计的一个重要分支，随着如今科学技术的发展，相信在不久以后，城市排水管道系统的优化设计将更加完善。
参考文献
[1] 王成方.市政排水管网优化设计的方法研讨[J].城市建设理论研究,2012年11期
[2] 李静.城市排水管道系统优化设计研究[J].城市建设理论研究,2012年09期
关键词:排水管道；优化设计；必要性；方法
中图分类号：S276 文献标识码：A 文章编号：
排水系统是城市不可缺少的重要基础设施，是城市水污染防治和城市防内涝的主体工程，直接关系到整个城市的正常运行、安全发展。然而城市排水管道系统仍存在很多问题，因此，为了保障城市排水设施安全正常运行，就要对城市排水管道系统进行优化设计，以确保其发挥出保护环境、促进经济社会可持续发展和保障人民的健康安全的作用。
1 排水管道优化设计的必要性
市政排水管道是城市市政建设的重要组成部分，其投资比例占整个排水系统投资的一大部分。因此，对排水管道可行性优化意义重大。随着城市经济发展，城市道路修建，排水管道不断普及，但是还存在许多问题。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。
当今社会，随着计算机技术的发展，计算机已渗透到人们生活和工作的各个方面。利用计算机，通过编制程序和软件来对工程进行设计和优化，已被人们广泛应用。
2 排水管道优化设计的内容
排水管渠的优化一般涉及4个方面的内容：
(1)一个城市最佳排水分区数量和集水范围的确定；
(2)最佳管线布置形式的确定；
(3)管线布置形式给定条件下管系的优化设计；
(4)雨水径流模型的建立。
排污水管网的优化设计包括2个方面的内容：①管线平面布置的优化选择。②在管线平面布置已定的情况下进行管道参数，即管段管径及埋深的优化设计。市政排水管道的优化设计主要是解决在确定平面布置方案下。排水管径、埋深及提升泵站的优化设计以及排水镣网平面布置方案的优化研究。近几年来，我国的科研人员对污水管网系统的优化设计研究进行了大量的工作，取得了不菲的成果。
3 已定平面布置下的管道系统优化设计
排水管道优化设计主要是指：对于某一设计管段，当设计流量确定后，在满足设计规范要求的管径和坡度的多种组合中，取得管材费用与敷设费用的平衡。在排水管线平面布置已定的情况下，对于管段管径—埋深的优化设计，国内外做了大量的工作。下面介绍几种已定平面布置下的管道系统优化设计的方法。
3.1 两相优化法
两相优化法是在满足关于流速的约束条件前提下，选取一个最经济流速。当流量增加时，流速按0.01m/s的步长增加。然后，根据设计流量和确定的流速，选取一个最优充满度和最优管径，从而得到一个最优坡度，即尽可能小的坡度。
水力计算约束条件：在进行优化设计过程中需要综合考虑各种约束条件，如：管径、充满度、流速、坡度、埋深等。表1中列出了管径从200～1000mm的部分约束条件，如果设计过程中涉及到大于1000mm的管径，可以自行列出相应的约束条件。
表1 部分水力计算约束条件
设计规范中還规定了如下约束条件：
(1)各种管径的最小充满度建议不宜小于0.25。
(2)街区或厂区内的最小管径为200mm，街道下面的最小管径为300mm。
(3)管道在坡度变陡处，其管径可根据水力计算确定由大到小，但不得超过2级，并不得小于最小管径。
(4)最大设计流速，金属管为10m/s；非金属管为5m/s。表1中列出了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。
(5)随着设计流量的逐段增加，其流速也应相应增加；如设计流量不变，流速也不应减小，包括旁侧管中的流速不应大于其接入的干管中的流速。只有当坡度大的管道接到坡度小的管道且下游管段的流速已大于等于1.2m/s的情况下，流速才允许减至1.2m/s。
(6)无保温措施的生活污水管道或水温与生活污水接近的工业废水管道，管底可埋设在冰冻线以上0.15m。在车行道下管顶最小覆土厚度不宜小于0.7m。
(7)污水管道间一般宜采用水面或管顶平接的连接方式。无论采用哪种方式，下游管段起端的水面和管底标高都分别不得高于上游管段末端的水面和管底标高。
3.2 遗传算法
遗传算法作为今年迅速发展起来的一项优化技术，在许多的领域中得到了应用，显示了巨大的优越性。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，只能求得趋近予最优解的设计方案。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。遗传算法要求必须对所求参数进行编码处理和对目标函数进行适应度函数转换处理，并根据转换后的适应度函数的大小模仿生物进化过程，通过对参数编码的选择、交叉、变异等操作，逐步达到目标函数的最小值。
标准遗传算法的必须完成的工作内容和基本步骤如下：
(1)编码：解空间中的解数据工，作为遗传算法的表现形式。从表现型到基因型的映射称为编码。遗传算法在进行搜索之前先将解空间的解数据表示成遗传空间的基因型串结构数据，这些串结构数据的不同组合就构成了不同的点；
(2)初始群体的生成：随机产生N个初始串结构数据，每个串结构数据称为1个个体，N个个体构成了1个群体。遗传算法以这N个串结构作为初始点开始迭代。设置进化代数计数器t←0：设置最大进化代数T；随机产生M个个体作为初始群体P(O)；
(3)适应度值评价检测：适应度函数表明个体或解的优劣性。对于不同的问题，适应度函数的定义方式不同。根据具体问题，计算群体P(t)中各个个体的适应度；
(4)选择：将选择算子作用于群体；
(5)交叉：将交叉算子作用于群体；
(6)变异：将变异算子作用于群体；群体P(t)经过选择、交叉、变异运算后得到下一代群体P(t+1)。
(7)终止条件判断：若t《T，则t←t+1，转到步骤(2)；若t>T，则以进化过程中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出。终止运算。
4.3 线性规划法和非规划法
(1)线性规划法.是针对排水管道设计计算中的约束条件和目标函数的非线性.分别用其一级泰勒公式展开式代替.用线性规划的解作为问题的近似解.反复迭代。使迭代序列逼近非线性规划的最优解。缺点是把管径当作连续变量来处理。存在计算管经与市售管径不一致的矛盾.且前期准备工作量大。以后发展的整数规划法.虽然在一定程度上解决了线性规划的缺点，但是其整型变量比较多.难以求解。
(2)非线性规划法适应了计算模型中目标函数和变量的非线牲特征。可以优化选择管道的直径和埋深。但极大限制了目标函数和约束条件的形式。
3.4 动态规划法
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2个方面：
(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到提高，并显著减少了计算工作量和计算机存储量。尽管动态规划是解决多阶段决策问题的一种有效的方法，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。
3.5 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汁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负荷设计规范的要求。
(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。
3.6 排水管道优化坡度设计
满管流或水面平接非满管流多管段排水管道中，各管段在交汇节点上的水位高程相等，可以归纳为能量连续的排水设计管段。以最小工程造价为目标函数，充分利用设计管网起端至终点之间可利用最大水位差为输水能量，以设计规范规定为约束条件，建立排水管道優化设计坡度数学模型，求解各管段的经济坡度和优化管径。
4 管线平面优化布置
一般排水管道系统覆盖面积较大，其设计除受地形地貌的约束外，还受到区域功能规划、污水排放量等因素的约束。此外，由于排水管道属于重力流系统，在许多地段需设置提升泵站来保证污水的排放。因此，排水管道系统的设计是一种多约束条件的寻优问题。目前国内外对排水管道的设计往往局限于在给定管网布线的情况下，对污水管线的管径、埋深、坡度等参数进行研究，较少涉及排水管道系统的平面优化设计。对管道参数的研究为大城市已有排水管道的改造提供了参考，具有重要意义；但对于新兴城镇这种无排水管道的情况，其管网系统需从平面布置优化做起，使之布局最优、费用最省。
排水管道平面布置优化的目的就是在由给定节点构成的网状图及其他约束条件下，生成以污水厂为根节点的最小费用生成树。由于瞎子爬山法的局限性，很难在约束条件十分复杂的城市排水管道优化中寻找得到最优解，更多的情况下寻得的是次优解。由于污水管网建设投资巨大，次优解和最优解间很小的差异反映在投资上都是一笔很大的费用，因此有必要寻找一种更好的方法，尽可能地寻找最优解。
5 结语
综上所述，排水系统不仅是城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市防内涝的主体工程，并且直接关系到整个城市的正常运行、安全发展。为了保障城市排水管道系统正常安全的运行，就要对其进行优化设计。然而，污水管网的优化设计是给排水工程优化设计的一个重要分支，随着如今科学技术的发展，相信在不久以后，城市排水管道系统的优化设计将更加完善。
参考文献
[1] 王成方.市政排水管网优化设计的方法研讨[J].城市建设理论研究,2012年11期
[2] 李静.城市排水管道系统优化设计研究[J].城市建设理论研究,2012年09期