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城市防涝和排水管网优化设计
城市防涝和排水管网优化设计 引言 降水是再平凡不过的自然现象,但随着近年来全球变暖,降雨越来越频繁, 一些由于频繁降雨引起的内涝现象越来越多,可以说强降水给我们的城市排水系 统带来压力,甚至超过排水管网的承受能力,逐渐的,降水形成积水,积水形成内涝, 人们的正常生活受到影响。值得一提的是,内涝后水污染会更严重,这是因为积水 得不到处理导致更多的污水进入河道湖泊等地,还有在降水过程中,大气内的污染 物随雨水落到各处,这为我国的排水管网系统带来更大的压力。一、内涝成因 首先与城市地面性质或径流变化有关。城市化进程的不断深化,使我们的 城市更多高楼大厦拨地而起,路面铺的更平坦,土地本身的渗水能力被削弱,大自 然的水循环系统也起不了作用。大面积地面硬化,使地面雨水的径流系数增大,径 流量很容易发生变化,这样地下排水管网成为唯一的主要接受口,污水通过排水管 网收集,可一旦雨量过大,超过管网负荷就会出现内涝。
其次与城市气候有关。当我们的城市发展到一定规模后,我们的活动相对 密集,城市地貌会因为改造发生变化,城市气候与生态都随之发生改变,这里我们 常说的热岛效应、雨岛效应、浑浊岛效应循环交替,城市开始频发降雨,且很难停 下来,灾害不断叠加放大,内涝极易形成。
再次排水管网落后。城市在发展变换,排水管网的规划和建设却相对落后, 这里要提及新城区与旧城区的矛盾问题,往往老城区在排水管网的规划上相对传 统,都是雨水与污水合流排放的,新城区会将二者分开,但在新旧结合处管网却无 法结合,因为老城区管网设施早已无法与新城区系统连接,进而呈现了彼此独立的 尴尬,待到强降雨时,老城区极易出现积水,内涝也是常有的。
最后排水管网内部存在问题。在城市内涝调查中我们发现,雨天城市垃圾 很有可能随着水流冲进排水管网,这时容易造成堵塞,还有一部分排水管网因地势 原因,管道坡度较小,在强降雨时,以至于水流在附近无法正常流入,形成排水检查 井处淤流,久而久之垃圾聚集,一旦冲入排水口也有可能造成堵塞,非常不实用。从 另一方面看,排水速度慢了,势必提升了内涝的可能性。二、城市防涝与排水管网的关系 城市排水管网是市政基础设施,是保护我们平安生活的系统。排水设施平 时连接着泵站、沟渠等,是城市排水的重要组成,一旦出现问题,城市极易内涝。另 外,城市排水管网是个大工程,对于它的检验、规划、考察、设计等不能出现一丝 纰漏,因为它工程规模大、涉及到的投资较多,施工一次的难度相对较强,而且需要 很长的工期,是政府的大行动,因此规划设计最好一次到位。
对于排水管网优化设计是必要的。市政管网是市政建设的组成部分,它的 投资占整个排水系统的一大半,随着城市发展,排水管网的普及不断扩大,问题也 开始衍生,为了增强排水管网的负载能力,尽量减少城市的内涝灾害,必须加强对 排水管网的建设,对其进行优化设计。
三、我国排水管网设计中存在的问题 1、理念落后 目前我们对于排水管网处理内涝始终保持一个观念,就是最短路径与最快 速度,这就将城市排水防涝当成了简单的排放雨水的项目,不重视雨水的下渗等自 然循环系统的恢复,始终将压力放置在排水管网上,另一方面我国的排水管网标准 不高,对于污水处理能力有限,对内涝没有防治设计。
2、设计落后 目前我国城市排水管网设计还是以19世纪推理公式为基础,对于小面积基 础是可以处理的,而且还要水流平缓,当积水面积变大,水流湍急时,公式推理会失 真,洪峰值计算不准确,降水流量变化也不好掌握,这样的排水管网对于防涝来说 是远远不够的。
3、设计标准低 目前我国的排水系统标准为一年一遇或三年一遇。该标准沿用了许多年, 没有及时随着城市的变化而变化,近年来我国城市化进程加速,市政道路附近的地 块被占用,这对雨水排放产生影响,水浸街的现象时有发生,当雨季来临时,经常会 出现内涝,甚至 4、雨水利用率低市政排水中,排水管网的压力最大,城市水循环系统使用率很弱,这与我们 设计的排水管网有一定关系,没有考虑到设计储存雨水的空间,也没有为雨水流通 设计通道,排水管网的压力增大了,水量超过管网过流能力后,内涝也就出现了。
5、细节设计不合理 在管网系统设计过程中,许多人为因素显得很不合理,比如在调研没有完成 的情况下,用错误的数据做设计参数,最终导致管径不合适,或者坡度设计不合理, 再或者没有预留管线过街,不合理的设计为未来管网运行埋下安全隐患,甚至在暴 雨来临时,形成内涝。
四、排水管网优化设计 我们这里要优化设计的内容主要涉及到两项,一为排水管渠,一为污水管网。
在平面布置确定的基础上对其实施优化设计。目前国际上相对较好的优化设计方 法有: 1、两相优化法 此方法以流速约束条件为基础,选出流速最合理的设计,倘若流速提升需要 根据步长提升,在根据确定的流速确定流量进而进行最优充满度和管径的选取,最 后计算出最优坡度。
2、遗传算法 在我们进行市政排水管网优化设计时,采取任何方法都要遵从设计规范,以 最低的经济投入为基准。遗传算法是一种编码处理,即对涉及到的参数都进行编 码作业,再针对目标函数做转换,最后进行生物进化过程的模仿,不断接近目标函 数。
3、非线性规划法与线性规划法 前者有利于适用目标函数及变量,有利于实现对管径及埋深的最优化选择, 从另一个角度看,它对目标函数与相关约束条件都有一定的限制,而后者即线性规 划法则恰恰相反,它能用一级泰勒公式代替线性规划,它的缺点是将管径变成了变 量,并且需要很长的准备期。
4、动态规划法目前动态规划法在我国较为常用,它是将观望设计作为一个过程,进而对过 程进行合理的划分,再开始进行优化设计工作。动态规划法将节点埋深作为变量, 通过坡度进行全面搜索,该方法可以直接用标准管径,这是它的优势,但由于它要 求的状态点间埋深间隔比较小,致使存储量和实践间隔提升,基于它的迭代过程使 其局限性提升。当管径成为变量时,存储及计算速度方面形成优势,衍生管径法, 这种方法使计算精度得到优化。
5、坡度优化 满管流或非满管流排水管网中,管段节点水位高程是一样的,这里可以将之 归纳为能量连续着的排水设计段,倘若将造价的最小值作为目标函数,输水量用设 计管网起始点水位差最大值即可,这时最大的约束就是设计规范,可以构建坡度模 型,通过对模型的分析求得最经济的坡度。
五、结束语 目前城市内涝已经成为重大安全隐患,我们应在防涝的工作上下大力度,不 断加强市政工程建设,优化排水管网设计,力争从根本上解决设计理念落后、标准 低、细节差等问题,通过两相优化法、遗传算法、非线性规划与线性规划法、动 态规划法、坡度优化等开展对排水管网的优化设计,力争使市政排水管网的作用 得到更大的发挥,缓解排水压力,促进防涝。
