陜北中小縣城污水管網優(yōu)化設計

1、SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010占決決決沁已汎決沁乂決;p?計算機技術INP劉雙劉玉玲黨志良（西安理工大學西北水資源與環(huán)境重點實驗室，陜西 西安 710048）摘 要 在傳統(tǒng)污水管網設計理論基礎上，建立了管網費用模型，通過管徑優(yōu)化、坡度優(yōu) 化和管材選擇對污水管網進行優(yōu)化設計，計算工程投資費用，尋求工程投資校優(yōu)方案。采用 M a 11 a b語言編程，對陜北某縣城污水管網進行優(yōu)化設計，關鍵詞污水管網管徑優(yōu)化坡度優(yōu)化管材選擇 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

2、 House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 20100引言城市污水管網系統(tǒng)是覓要的城市甚礎丁程設 施之一，擔負著收集、輸送城市生活污水、丁業(yè) 廢水和降水的艱戸任務。該丁程設施設計的合理 性和科學性，直接決定著城市的發(fā)展水平，影響

3、著城市景觀和衛(wèi)牛環(huán)境，甚至關系到城市的投 資環(huán)境和安全。因此，科學合理地設計城市污 水管網系統(tǒng)是城市堆礎丁程設施建設的巫要一 環(huán)，對工程設施的投資和運行管理起著關律性 作用。傳統(tǒng)的排水管道的設計計算方法是設計人 員在京握了較為完整可幕的設計基礎資料之后，按 照管道定線和平面布世的原則，確定出一種較為合 理的污水管道平面布世圖，然后計算出各設計管段 的設計流量，以冇關的設計規(guī)定作為控制條件，從 上游到下游依次進行各設計管段的水力計算，求出 乞管段的管徑、坡度以及在檢杳井處的管底標高和 埋設深度。計算中一般只是憑經驗對管段的管徑和 坡度等進行適當?shù)恼{整，以求達到經濟合理的冃 的，但苴合理程度受到設

4、計人員個人經驗的限制， 丁作效率低，時間長。目前大多數(shù)學者只從單方面因素對污水管網進 行優(yōu)化設計，陳玲俐等2提出從可行性管徑法優(yōu) 化污水管網,陳勝兵國提出從最小坡度優(yōu)化方法, 沒冇將管徑、坡度相結合。本文在污水管線和流量 確定厲，將管徑和坡度相結合，并且引入管材優(yōu)化 選擇，提出從管徑、坡度和管材三部分對污水管網 系統(tǒng)優(yōu)化的設計方法。1污水管網費用模型建立費用模型亦稱經濟目標函數(shù)，或稱費用函 數(shù)，是通過數(shù)學關系式或圖像方式來描述工程費用 特征及具內住的聯(lián)系，是丁程投資、運行費用與丁 程規(guī)模及影響費用各因素之間的關系式費用模型 是丁程技術經濟分析和經濟設計的甚礎，通過費用 模型容易看出費用的變化規(guī)

5、律及瓦經濟性態(tài)，也為 設計的系統(tǒng)優(yōu)化、技術經濟分析研究及計算機程序 的編制提供了冇利條件。污水管網費用一般包括管道費用和泵站費用兩 部分，優(yōu)化設計冃的是使兩部分費用之和錄小，以 達到減少T程投資的目標。即：ininC=Cl+C2*屋金項日：巾舊博士后科學雖金（20090451163）、渙西省叔育廳雖金（09JK649） 40 式中Cl為管道建設費用；C2為泵站建設費用。Li管道建設費用Cl管道建設費用包括管材費用和土方費用。nnCl遼屮+丫屮i = Ii = I式中：L,管段長度（m）；Y,單位管長造價 （元/m）； Dj 單位管長上方造價（元/m）；n 管 段數(shù)量。1.2泵站建設費用C2泵站

6、費用包括泵站建設費用和年運行費用式中5各泵站的造價（元/座）；H,各泵站 的運行費用（元/座年）；K運營費用折算成現(xiàn) 值的現(xiàn)值系數(shù)；m泵站數(shù)量。1.3汚水管網賀用C 2污水管網優(yōu)化模型依據室外排水設計規(guī)范（GB50014- 2006）,污水管道可采用均勻流公式來計算，且應 滿足管徑、流速、埋深、銜接方式等方而的約束條 件。污水管道的優(yōu)化設計是指在滿足上述約朿條件 的前提F,以允滿度和流速為決策性變呆，以降低 程造價為最終目標.來進行管徑、坡度等參數(shù) 的計算即按污水流動方向.先計算支管后計算 干管和主干借，通過從上游至下游依次對各設計 管段進行計算.繼而完成一條管道以及整個管網 的計算。2.1

7、優(yōu)化設計主程序流程2.2管徑優(yōu)化污水管道管徑優(yōu)化在管線和流量確定的條 件下進行，污水管道計算一般是在平均經濟流速 （0.6 ni/s-1.5 m/s）取值區(qū)間內可以任意取一個值作 為設計流速值，得到的管徑不是標準管徑.需要對 管徑進行I員I藥，達到T.程設計管徑，:按照經濟流速 計算出各管段管徑的取值范I韋I；若管徑小于300mm 時,取最小管徑為300mm；若管徑范圍內有工程管 徑則取較小一級丁程悖徑為設計管徑；否則增大管 徑取值范新選擇。對管徑圓整厲的管徑值進 行管網水力計算和管道埋深分析，得到的管內水流 流速如果超過平均經濟流速允許范圉，要對管段管 徑進行修正，保訕所冇管內水流流速均落在

8、半均經 濟流速范鬧內。圖12.3坡度優(yōu)化坡度法程序將設計坡度【作為一個優(yōu)化約 束條件，控制管網起端埋深并引入了管段平均坡度 lav,再以平均坡度為壟準或將某一選定的坡度為 卑準坡度,通過增大管徑或減少充滿度，讓管道的設 計坡度小丁該地準坡度的某一變化值。為避免在地 形平坦地區(qū)仍然采用較大的設計坡度而增加造價, 程序引入管網計算的最小控制坡度Imin,該坡度可 人丁設定或按當前管道坡度的終端保證最小覆上耳 度的要求來設定。此外，可根據I桂悄況擬訂不同 管道起端埋深Hk值.并求出不同的Hk下的管網系統(tǒng)的管徑、坡度、埋深及總造價的優(yōu)化組合，選 出較優(yōu)設計方案。2.4管材選擇普通鋼筋混凝上管成本低、技

9、術成熟，但水力 阻力系數(shù)大(n=0.014),管內樂容易滋生水生物， 且淸理困難，影響管道過水能力。隨看新材料的開 發(fā)與推廣應用，越來越多排水系統(tǒng)應用了 UDPEU 新型材料，這類符材貝冇粗糙系數(shù)小3=0.010)、 排水能力強、帝吊輕、耐腐蝕、耐低溫和耐燒性好 等優(yōu)點叫可以縮短施T周期、降低T.程造價和提 高管道系統(tǒng)的安全性。污水管網計算公式：nQ=v A 式中v流速，; n管壁粗糙系數(shù).R水 力半徑，m；I水力坡降；一流ffi jn7s；A 水流有效斷面面積,ni坡度約束IM .,w 作者通訊處：710048 穫西省西安市金花南珞5號西安理工大竽 410館箱E-mail: liiihuan

10、g_22yalMo.c(M。管道粗糙度直接影響管網設計埋深及管道溝槽 開挖量本文結合H1)PE雙壁波紋管在陜北地區(qū)匸 程應用中積累的經驗，通過與市政傳統(tǒng)混凝上排水 管在施匸造價、丁期及水力條件等方血的比較根據 地形變化和流雖的不同，分別計算不同借材組合下 管網的投資費用，尋求選擇啟優(yōu)的管材組合。2.5 管網優(yōu)化目標函數(shù)污水管網優(yōu)化的目標，就是要降低丁程造價， 而污水管網的造價取決于管材、管徑和埋深，管材 陽力系數(shù)大小影響管道管徑和埋深.苴管材價格也 是污水管網造價中比取較大的一部分。管徑越大， 造價越高；埋深越大，埋設費用也越大，因此優(yōu)化 的目的就是在管徑、坡度和管材選擇三部分進行優(yōu) 化，從系

11、統(tǒng)的整體上達到最優(yōu)，而不是局部的最 優(yōu)，因而污水管網的口標函數(shù)很明顯，就是使管網 的造價最小即求minC。nummminC=XLYi+ZLr).+ Xc.+Kj H.i s |i s |j s |j B |2.6約束條件(1) 流速約束DMD- Dk+IDk(4) 埋設約束HEHWFL、(5) 充滿度約柬(罟)minW (jy) W (-) max3工程實例與兩種方法計算結果比較分析陜北菜縣城位丁黃河以北，沿黃河呈帶狀發(fā)展, 縣城南北長約7.5公里，城區(qū)地勢東高西低，北高 南低，北部是山體，大部分地區(qū)地形較平坦。地下 水埋深46叫 陜北地區(qū)凍土層深度為1.41.5山。城區(qū)目前排水系統(tǒng)為雨污合流

12、制，并具一定規(guī) 模。主城區(qū)現(xiàn)有排水管渠總長9687m,城區(qū)產生的 各種T業(yè)廢水和?；钗鬯蟛糠治唇浫魏翁幚?分 區(qū)就近排入河流。對污水管網進行改造，老城區(qū)采用截流式合流 制，截流倍數(shù)no=l,新區(qū)采用雨污分流制。優(yōu)化程 序給定DN W 300mm時最小坡度為3農，DN N 400mm時最小坡度為1.0%c ,管網起端最小埋深 Hk二1.8m,管材選擇高密度聚乙烯(HDPE)雙壁波 紋管和鋼筋混凝土管，管道埋深大于6m時需設世 一提升泵站。通過優(yōu)化程序計算結果見表1。傳統(tǒng)水力計算排水體制與優(yōu)化計算區(qū)域一致. 管材采用鋼筋混凝土管.在與優(yōu)化計算同一管段 處設置一污水提升泵站。傳統(tǒng)水力計算所得結果

13、見表2。從兩種計算結果表得出,在管網起端埋深和泵 站位世相同的條件下，優(yōu)化設計方案管道埋深遠遠 小丁傳統(tǒng)設計方案。對丁陜北地區(qū)沿河帶狀布龍較 為平坦中小縣城的污水管網布世具冇重要意義。通過優(yōu)化程序尋優(yōu)，確定DN500mm采用高 密度聚乙烯(HDPE)雙壁波紋管，DNM600mm采 用鋼筋混凝土管；在滿足設計充滿度和設計流速 卜 1得出管道最小坡度，污水管網中部設置污水提 升泵站一朋。根據陜西省建筑匸程預算定額和 全國統(tǒng)一市政匸程預算定徹相關內容，計算最 小工程總費用為1808.26萬元,其中泵站費用為 1963萬元。較傳統(tǒng)設計節(jié)約投資130.72萬元。4結語42本文在污水管線和流量確定后，將管

14、徑和坡BE 相結合，并且引入管材優(yōu)化選樣，提出從管徑、坡 度和管材三部分對污水管網系統(tǒng)優(yōu)化的設計方法，一 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010陜北地區(qū)中小縣城一般沿河帶狀布置，污水管網埋 設深度對T.程投資和施難度影響較大，在污水管 線及流量確定詢提下，老城區(qū)采川截流式合流制、 新區(qū)采川雨污分流制，采用管徑圓整方法在滿足管 網水力約束條件下選擇優(yōu)化工程管徑；設泄管網最

15、小坡度和起端埋深，得出管網優(yōu)化爪小坡度方案； 根據管網埋深與骨材價格的關系，選擇合理的管材 搭配，1)NW500mm采用高密度聚乙烯(HDPE)雙 壁波紋管，DN600mm采用鋼筋混凝上管；通過 優(yōu)化計算方案和傳統(tǒng)設計方案比較計算匸程費用, 優(yōu)化設計方案節(jié)約投資130.72萬元。在陜北地區(qū)通過實際工程應用，從管徑、坡0E 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010 1994-

16、2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010表1優(yōu)化水力計算管段管長(m)污水(S)丁業(yè) 廢水 (L/s)溢流井 轉輸 (總計(L/m)管徑 (nun)設計 充満度設計 坡度TiF 流速 (ni/s)設計地面標高(m) 起點終點設計埋深(m)起點 終點12600.010.8529.8140.663000.50.0031.02864.10863.021.802.5223680.020.30

17、5014000.540.0010.71863.02863.412.623.6934542.028.4058.214000.60.0010.74863.41863.173.693.9945630.044.5074314000.650.00130.86863.17863.313.994.9556459.078.2033.70141.7150()I.CX)0.0010.68863.31862.355.054.5567862.095.7017.50176.71500l.(X)0.00130.90862.35861.094.554.41781860.0壓力管道89645.0133.3037.6()251

18、.9160()l.(X)().0() 10.89862.53862.132.5()2.75910723.0148.0014.70281.31600LOO0.00141.00862.13863.342.754.9710ll652.0189.6041.60364.517001.000.0010.95863.34861.335.073.7111-12488.0211.3021.7()407.917001.0()0.0() 11.()6861.33860.213.913.28表2 傳統(tǒng)水力計算表竹段管長(m)生活 污水 (S)工業(yè) 廢水 (S溢流井 轉輸 (總計 (管輕(mm)設計 充満度設計 坡度設

19、計 滾速 (皿)設計地面標高(m)起點終點設葉埋深(m) 起點 終點12600.010.8529.8140.663000.50.0031.02864.10863.021.802.5223680.020.305()】400().5().00230.80863.02863.412.624.5737542.028.4058.214000.60.00170.74863.41863.174.575.2645630.044.5074315(X)().5().0() 10.76863.17863.315.266.0356459.078.2033.70141.715001.0()0.00140.72863.3

20、1862.356.135.8167862.095.7017.50176.715001.000.00220.9086235861.095.816.44781860.0斥力管道89645.0133.3037.60251.916001.000.00170.89862.53862.132.503.2091()723.0148.0014.70281.31600I.CX)0.0021.()0862.13863.343.205.851011652.0189.6041.6()364.51700I.(X)0.00150.95863.34861.335.954.921112488.0211.3021.70407.917001.000.00191.0686133860.21524.93 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol.32 No.3 2010 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, SOUTHWEST WATER & WASTEWATER西南給排水Vol