基于拓扑关系构建的城市污水管网优化设计与实现.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 176 基于拓扑关系构建的城市污水管网优化设计与实现 曾佳玮 广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510000 摘要：摘要：随着城市化建设速度的加快以及生产生活水平的提高，居民逐渐对城市污水管网的性能有更高的要求，因此根据多方面因素的影响，污水管网在设计建设中往往还需进一步优化，才能够提高污水管网的收集率，以此才能降低后续污水处理厂的运行费用，实现污水系统的提质增效。基于此，本文借助拓扑关系这一原理，深入分析城市污水管网的设计优化方案，探讨合适的优化条件、优化算法，借助实际案例验证这一算法的实际应用效果，从而为城市污水管网优化设计提供理论参考。关键词：关键词：拓扑关系；城市污水管网；优化设计；末端控制 中图分类号：中图分类号：TU99 0 引言 作为城市基础设施建设中最为关键的组成部分，污水管网承担着收集、输送生活污水与工业废水的重要任务，加强对城市污水管网的优化设计，可以助力国家城市形象、景观与生态环境发展。但在对城市污水管网进行优化设计的过程中，需考虑经济性、技术性、科学性、适应性等原则，开展综合性设计，并在确保城市污水管网运行效果的基础上，降低工程成本。1 城市污水管网设计优化思路 城市污水管网担负着对城市生活、生产污水的收集与运输任务，是保证城市稳定运行的一个关键的基本设施。目前，随着我国城镇化的快速发展，城镇排水系统也在不断地构建和完善。2009 年至 2019 年，全国城市排水管网长度由343892km 扩建至743982km1-2，我国城镇污水管网密度不断提升，污水收集处理能力显著提高。但城镇污水处理系统发展不均衡，污水直排、地下水入渗、河水农田水倒灌、管网高水位运行、雨季溢流等问题逐渐显现，影响污水系统的收集处理效能，无法满足城市化建设发展需求。因此，如何对现状的城市污水管网进行合理的优化与更新，亟需相关设计人员重视、思考与研究。在对城市污水管网系统的进行优化设计时，应根据排水系统末端的雨水与污水处理处置方式和对应的环境发展要求，选择不同的排水体制。在进行城市污水管网的优化时，需考虑我国“海绵城市”的发展趋势，并结合人民群众对生活、工作、生活等方面的需求，选取最佳的管网系统方案。考虑到现状管线复杂、改造建设难度大等原因，大多数老城区中污水管网系统一般维持以截流式合流制为主，而在改造、新建区域中，需逐步将合流制系统优化设计为雨污分流制，从而有效地避免未经处理的生活污水及工业废水直排入河涌后，对水体产生的不良影响。此外，污水管网优化设计的同时还需把控好工程项目的成本。以某市某城区污水管网为例，采用 GIS 技术进行数据收集，并基于拓扑关系构建方法进行管网优化设计，实现了污水管网的快速查询和优化设计。优化设计结果表明，该系统可以在污水管网故障发生前及时发现管网存在的问题并予以处理，从而避免了污水管网的长时间停机维护，降低了运行维护成本。图 1 某污水管网布置图 2 城市污水管网设计优化分析 在城市污水管网设计优化过程中，既要保证优化后的污水管网系统具有可建设性，也要使其能发挥出中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 177 应有的功能。考虑到城市污水管网受诸多因素的影响，因此设计过程中需要明确不同约束条件对管网布局的影响，综合考虑到不同约束条件下的处理效果。从 GIS的角度出发，以城市污水管网系统为研究对象，对城市污水管网系统的优化设计方法进行了深入的研究，提出了一套基于拓扑关系构建的污水管网系统优化设计方法，并将该方法成功应用于实践中。基于该方法构建的城市污水管网系统优化设计系统可以大大提高污水管网系统运行的效率，能够更好地指导城市污水管网系统的优化设计，为城市污水管网的运营维护提供一种新的思路。在设计污水管网走向时候，首先要对现状排水管网进行测量，通过对现状管网数据的收集，构建形成现状污水管网分布图，明确管网的具体走向和逻辑联系，在此基础上，展开进一步的优化设计。基于此，在排水管网设计中按等级顺序排列，将管道编号按顺序计数，为后续的优化工作奠定基础，具体流程如下：第一，从任何一个管段出发，找到一个初始管段，将当前管段 i 中的任何一个分支管段 NS(i,K(i)设定为当前管段，直至当前管段 i 中的分支管段数目 K（i）为 0。第二，以目前的管线片段数 NK（k）为基础，根据目前管线片段 i 查找下游管线片段 XS(i)，设定它为目前管线片段数。第三，确定目前管线 i 内的各个分支管道是否已经被接入，如果已经接入，进入“”查找下一条管道；如果没有被记载，那么没有记载的分支管道部分 NS(i,K(i)被作为目前管道部分，并且到“”以询问开始管道部分。基于拓扑关系构建的城市污水管网在优化设计过程中，采用遍历方式，查找各个管段之间的关联关系，并用数组来记录各个管段的编号以及与之有关的信息。在此基础上，借助计算机来自动地获取管网基本信息，并对整体管网进行最优设计。目前，遍历方式是最为行之有效的方式，其设计理念同样可以推广到雨水管以及综合管线等系统中。通过对每条相关管线及其结点之间的参量的对比，得到相应管线的初值，可以很好地解决管线穿越障碍等实际问题。在实际计算分析过程中，应根据城市的总体规划和污水管网的现状运行情况，计算各区域内污水量，优先采用比流量的方法，并在此基础上，以区域内的工业废水占用地的比例为参考数据，推算出区域内的比水量。在确定污水管的流量后，按照下面的公式对污水管的管径进行计算分析。360024nNKQd （1）2132IARn1Q （2）其中，Q 为污水流量；n 为管壁粗糙度系数；A 为过水断面面积；R 为水力半径；I 为水力坡度。Qd 为居民生活污水设计流量；n 为居民生活用水定额；N 为城市设计居住人口数；K 为污水排放系数。3 城市污水管网设计优化应用 城市污水管网成本是基于拓扑关系构建的城市污水管网优化设计过程中最主要的一项。随着社会、经济化发展与居民对生活质量要求的不断提高，每年排水管网工程的投资建设费用日益增多。故设计人员应思考并研究如何通过对现状污水管网运行数据、设计施工规范等进行分析，在确保污水管网系统正常运行的同时，合理降低工程的建设运行费用。针对目前我国城市污水管网存在的问题，基于拓扑关系构建的城市污水管网优化设计可以有效解决成本问题。因为污水管网一般位于城市公路之下，各管段坡度是固定的，而在选择平面布局形式后，借助拓扑关系可以进一步确定管网的长度、排水量等，进而对管径、平均埋深等方面进行优化。通过对城市污水管网构造进行研究，在一个相对完善的城市污水管网系统结构中，各个地区的污水都可以就近排放到污水检查井内，并经过干管主管输送并汇集至本地区的污水处理厂内，然后经过净化处理，达到一定的排放要求后，最终将其排放至河涌或进行中水回用。因此，在实际设计过程中，应将污水处理指标作为首要因素，按照不同的功能定位来进行管网的规划与设计，形成一个完整体系。此外，城市污水管网是一种依赖于道路形成的管线网络，其管线的布置与路网较为相似，由道路分隔的各区域可以被抽象为图模型的节点，由于各节点的功能都有很大的差异，而将每个节点连接起来的污水管线，可以被视为任意相邻节点之间的连线。因此，各类城市基础工程在现有的道路体系的支撑下进行规划与建设的过程中，需要展开综合性考量。城市污水管网优化设计实质是寻求相邻节点间最短路径，基于拓扑关系，结合区域排水量、污水处理需求以及城市中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 178 功能布局等多种要素，优化城市污水管网系统的水力学指标，使城市污水管网的建设、运行、维护费用最小化，保证城市污水管网正常、高效、稳定的运行，并且实现可持续发展4。4 城市污水管网设计优化其他要点 4.1 网络模型图 城市污水管网被视为一个相互连接的网络，因为污水管网受到两侧不同的地貌因素的影响，所以它具有某种向图性质。我国已有学者在污水管网的设计中加入地形要素，并根据地形要素对污水管网进行优化设计。市政污水管网的布局受到多种因素制约，部分管道断面具有顺向敷设等特点，基于拓扑关系，在尚未确定各管段的污水流向的情况下，可以将整个城市污水管网的布局视为一个双向的网络图，而由道路划分的各个污水排放区域之间的污水流向都是双向的。考虑到城市污水处理厂具有一定的固定性，而所有的污水排放点必须经过城市污水管网收集后，最后汇流至城市污水处理厂。因此，城市污水管网系统布局的优化问题从理论层面上看，是在寻求一棵最小有向树，使得城市污水管网系统各节点在城市污水管网系统中的比重降至最低。而代价极小的问题可以通过使用最优路线来求解，并采用 Floyd 优化算法，以邻居矩阵为数据结构，不断地输入样本数据，求取节点到污水处理厂或排放口的最小距离，并进行运算后，将其输出4。污水管网系统的优化设计涉及到管网设计、材料选择、施工建设和运行维护等多个环节，其中最关键的是要确定污水管网系统各节点的排水能力，从而在满足水量要求的情况下最大限度地提高污水处理效率。然而，由于排水系统的复杂性和不确定性，污水管网优化设计一直是污水处理领域的难题。近年来，国内外学者提出了多种解决方案，如水力模拟、污水输送计算和多目标规划等，但这些方法在实际应用中都存在一定缺陷。在此基础上，结合各个区域的污水管网布置情况、平面布置原则等，确定区域内污水系统的管网数量。若现状污水管网不能满足规划要求，则需对其进行优化、扩建，即逐步地对该地区的雨水和污水管道进行升级改造，以实现雨水和污水的分流，确保污水得到妥善处理，实现污水的零排放。通过计算分析区域内污水量，按照最佳路线进行管道的敷设后，估算不同管径、埋深、坡度等参数下对应的工程费用，最终选择合理、经济、科学的管网设计方案，以解决污水管网雨污混流、污水冒溢、超负荷运行等问题5。图 2 污水管道网络模型图 4.2 参数优化设计 间接优化设计，又称解析优化设计，是基于最优的数学模型，需要参数与实际资料有一定的关联性与逻辑性，并通过分析得到最佳结果。由于城市污水管网的水力学性能受诸多因素的影响，且具有不连续性，难以建立数学模型。故，基于拓扑关系对城市污水管网的水力特性进行分析。在对城市污水管网进行水力设计时，要注意局部与全局的协调。比如，部分污水管网管道的开口处，其控制点所处的地势相对较低，其埋深也相对较浅，如果要兼顾单一的控制点，则必须增加整体网的敷设深度，这样不仅会增加工程成本，也会增加工程的施工工艺的难度。因此，在设计过程中结合实际情况，通过回填土层，增加管材强度等措施，减少在低洼地区的污水处理系统控制点的管道埋深。为保证污水可以通过重力流方式排入污水处理厂或受纳水体，在具体的设计与建设中，需要对设计区域内污水流量进行计算，以确保设计污水管道内污水流速满足设计标准里的最大与最小值要求。同时在参考设计规范的时候，还应根据当地的污水管网建设要求与区域条件等，采用线性规划法、广义简约梯度法等方法优化管径，并以管道铺设费用和流速为约束条件，得到最小费用和最小流速下的最优管径。在城市污水管网中，对于不同类型的污水管网，可以根据其建设费用来选择，也可以通过相关的模型，将各类管材抗压性、使用年限、价格、刚度、强度、中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 179 过流能力、耐腐蚀性、接口密封性等参数，通过与历史数据对比，优化出最优的管道设计方案。同时，要针对特定的施工条件、施工环境以及施工机械来确定管道之间的连接形式，比如，在上游管段的污水深度大于或等于下游管段的污水深度时，就应设计管道的水平连接形式。若排水管道的内径比排水管道的内径要大，则需与排水管道并联；在管线的下游段，当管线的管径小于管线的上端时，必须使用底端平面连接6。综上所述，在进行污水管网规划时，建议采用双向污水管网形式，以求出污水管网的最短路径及最低费用。在进行污水管网的水力参数优化时，可通过调整或再选取流速、充满度、管径、管材等参数来进行两相优化，以增强其科学与自适应能力。参考文献 1中华人民共和国住房和城乡建设部.2009 年城市建设统计年鉴M.北京:中国统计出版社,2010.2中华人民共和国住房和城乡建设部.2019 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