基于GIS的城市排水管网优化研究

西北工业大学

硕士学位论文

基于GIS的城市排水管网优化研究

姓名：吴键

申请学位级别：硕士

专业：工业工程

指导教师：郭鹏

20030401

摘要

本文提出了一种城市排水管网优化设计方法，意在改进常规人工设计方法，提高设计工作效率和设计质量，节约工程投资。本文从排水管刚实际出发，在对排水管网各种约束条件和水力计算公式分析的基础上，建、２了排水管刚优化设计模型。在分析多个排水管网实际工程投资的基础上，建立了排水管网的投资费用模型。提出了城市排水管网信息系统的建没方案。将动态规划与地理信息系统高度集成，提出了基于ＧＩＳ与动态规划的城市排水管网优化方法。提出了自动生成城市管网纵横断面图的算法。编制了基于ＧＩＳ与动态规划法的排水管网优化设计程序以及绘制纵横断面图的程序。最后，将理论研究成果应用于实际的排水管网工程设计工程，结果表明本文所提出的优化方法是可行的。

关键词：地理信息系统；动态规划；优化殴计

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｕｒｂａｎｄｒａｉｎａｇｅｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＤＰ）ａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＩＴ）．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｄｒａｉｎａｇｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｉｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ａｌｓｏ，ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆａｎｅｗｐｉｐｅｌｉｎｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｖｉｅｗ．ＡＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ—ｂａｓｅｄｍｏｄｅｌｆｏｒｐｉｐｅｄｅｓｉｇｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｉｓｇｉｖｅｎｂｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇＧＩＳｗｉｔｈＤｉｓｃｒｅｔｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＤｙｎａｍｉｃＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ（ＤＤＤＰ）．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｐｒｏｄｕｃｉｎｇｔｈｅｃｒｏｓｓ?－ｓｅｃｔｉｏｎａｌｐｒｏｆｉｌｅａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌ－ｓｅｃｔｉｏｎｐｒｏｆｉｌｅａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ．Ｔｈｅｃａｓｅｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒｐｉｐｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｒｅｆｅａｓｉｂｌｅａｎｄｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｄｅｓｉｇｎｅｒ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＧｅｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ；ＤｙｎａｍｉｃＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ

ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎ

１．绪论

１．１研究的意义

城市排水系统是一个庞大而复杂的系统，城市排水工程系统是人工建造的一整套公共排水服务设施，它是由排水支管、支干管、干管和水泵站组成的一个地下管网系统，将人们在生产、生活中产生的污水通过这个庞大的地下管线系统收集、输送到污水处理厂，经过物理、化学、生物等方法处理净化后排入自然水体或回收利用，同时，还将城市各个角落（『ｊ南、雪水收集、输送、净化后排放到自然水体【ｌｊ。它是现代化城市不可缺少的重要基础设施，是城市水污染防治和市区防汛排涝的骨干工程系统，电是水工业工程的主要组成部分，由于考虑到节能，尽量利用自然地形，管道是有坡度的，排水在大部分情况下是靠重力流向终点。城市排水系统与城市供水系统的区别主要在（１）城市排水管网主要是“枝状”形布置的，而城市供水管网则尽可能地形成环路。（２）城市排水管网大都靠重力自流，城市供水管网则是人工加压，靠压力输送。（３）排水管阔在建设上主要使用钢筋砼管、塑料管等非金属管材，供水管网则主要使用铸铁管、钢管等金属管材。（４）排水管道中流动的介质成份复杂，管道易堵塞，供水管道中的介质很纯净。城市排水系统担负着城市雨、污水收集、输送、处理、排放的任务是保护城市生态环境，防涝防灾必不可少的基础设施。对于一个百万入以上的大城市来讲，这样的系统是一个庞大而复杂的系统，其建设费用相当昂贵，直径２米左右的大中型管道，每公里造价在５００万元以上，而且，要维持它的正常运行，每年也需要一笔相当大的开支。城市排水系统在城市建设中占有相当大的投资比重。目前，国内大中城市排水系统普及率还较低【２Ｊ，各城市的排水系统建设正在加速发展，‘十五’期间全国将投入２０００亿元用于城市排水设施的建设，在城市排水设施的建设和管理上都将有大量的资金投入Ｉ３ｉ。如何科学地，有效地使用这些资盒，实现投资效益的最佳化意义重大。因此，城市排水管道系统的建设方案优化工作，对于建设和管理都具有重要意义。

目韵，进行城＿市排水管道工程建设，尤其是改造：ｆ程，在进行方案设训时，首先要靠人工进行大量的资料调查和比较分析工作，了解城市排水管道系统的整体情况和需改造的管道现状数据及使用效果，在此基

础ｔ才能进行工程建设方案没计工作。而且，从规划到设计大都采用传统的方法，凭个人经验和简单计算来确定城市排水管道的敷设路径、埋设深度、管径大小和投资规模。用这种方法难以全面详尽地了解城市排水管道系统的整体情况，难以进行多方案的技术经济比较，无法实现优化。尤其是对于犬型排水管道，由于没有在经济技术上进行充分比较，

其设计方案缺乏科学性，将会造成投资浪费。此外，传统疗法还存在工作量大，费时费力的缺点。为此，改变现在的设计方法，提高技术水平和Ｉ一作效率，节省人力物力，降低投资浪费是非常必要的。

为此改变现状的设计水平，积极寻求在达到设计要求的前提下，降低投资费用，节省人力物力，提高工作效率和投资效益是非常必要的。国内外的１程实践证明：开展城市排水管道系统优化设计方法的研究，并结合各地特点加以深化和推广应用，是一个行之有效的技术创新方法，对于市政建设来说具有重要意义，尤其是在目前城市建设规模不断加大，速度不断加快，引入先进的技术方法，改进规划和设计方法是一项非常紧迫的任务，具有显著的意义和经济效益。

地理信息系统（ＧＩＳ）是一种采集、存储、管理、分析、显示与应用地理信息的计算机系统，尤其是对空间信息进行查询和分析，是分析和处理海量地理数据的通用技术ｉ４Ｊ。国外从２０世纪６０年代开始研究开发、应用ＧＩＳ技术，首先是加拿大政府建立的国土资源ＧＩＳ系统，８０年代以后在城市规划、管理等方面应用越来越多【５】。我国从２０赶纪８０年代厅始研究和试验，９０年代以来对实用性的ＧＩＳ系统的开发逐渐丰富起来，目前一些城市『Ｆ在建立与城市规划、城市建设、城市管理、土地开发、环境和资源管理相关的ＧＩＳ系统，并进一步专业化１６１。

应用ＧＩＳ技术建立的城市排水管网信息管理系统是一个能全面详尽地反映城市排水管道系统的整体情况的数字化信息管理系统，可以任意地生成各种比例的平面图形和纵断面图形资料，还可以提供现状资料的统计分析，这些都大大地方便了优化工作，减少了工作量，提高了准确性。开展与城市地理信息系统（ＧＩＳ）相结合的排水管道建设方案优化技术的研究，并结合地方特点加以开发应用，对于城市排水管道建设和改造，对于水工业工程系统的发展都具有重要意义和明显的经济效益。把ＧＩＳ技术引入城市排水管网的规划、设计、建设和管理之中，将会大大提高城市排水管网建设和管理的工作效率和科学性，扩大方案比较、优化设计的范围以及数据分析的精度，从而实现提高设计质量，节约工程投资，提高经济效益的目的。为此，将ＧＩＳ技术与优化设计技术进行集成得到

西北工业犬学颂士学位论文

的技术方法，对设计技术将是一个提高，将使设计莳期工作量大大减少‘使优化方案比较的速度提高，分析层次细化，准确性也将有明显提高。

１．２国内外相关技术研究现状与发展趋势

目前，我国大部分城市在排水系统信息管理上，还沿用传统的手工统计办法，基本依靠纸类文件、工程图档案、台帐为建没、养护、管理提供信息。这种方式收集信息难度大、工作量也大、速度慢、不易更新、难以长期保存，易出差错，不能适应动态管理的要求，不能满足建设、

养护、管理等方面的需要。国外工业发达国家一些城市已开发了基于ＧＩＳ的城市排水系统计算机信息管理系统。我国一些城市，近几年在城市管理Ｅ也丌展了ＧＩＳ技术的开发和应用研究。但开发和应用研究主要集中在城市规划、土地管理、供电系统管理、供水系统管理方面，在城市排水工程的建设和管理上，目前处于探索阶段【８。９“…。

以前，城市排水管道系统的建设从规划到设计大多采用人工方法进行，工程师们通过大量的人工调查分析在掌握了较为完整可靠的设计基础资料之后，再按照管道定线的原则，凭简单的计算和个人经验确定出一种排水管道平面布置方案。然后计算出各设计管段的设计流量，以水力计算图或计算表以及有关的设计规范作为控制条件，从上游到下游按顺序进行各设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及节点（检查井）处上、下游管底标高和埋设深度。在整个计算过程中，只是凭经验对设计管段的管径、坡度和埋深等设计要素进行适当的调整，以求达到技术、经济合理的目的。但其合理程度受到设计人员个人经验的限制。此外，在大多数计算过程中，要反复查阅设计手册中的水力计算图和表的方法进行，工作效率低、耗时很长、人工工作量大，无法进行大型排水管道系统的多方案优化比较，设计结果具有明显的局限性，难以达到最优结果。

在现代设计与分析方法上“最优化”（ＯＰＴ）概念已得到了普遍的使用，这使得工程问题的解决更加趋于完善，工程优化设计（ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎ）就是一个例子，在工程设计优化方法中常用的有：直观优化、试验优化、价值分析优化、数值计算优化等，应用效果较好的是利用数学舰划中的几种方法进行数值计算优化。利用数值计算优化方法解决排水管网系统优化问题，在国外已有较好的经验。

训算机问世不久，围外同行就已开始着手研究将计算机引入排水管

西北Ｔ业大学砸Ｊ：学位沦义

道系统的舰划、设计与管理之中。其研究途径大致为：先建立排水管道‘系统设计模型，然后采用一定的数学规划方法进行求解，得到所设计管道最优结果。例如：Ｊ．Ｓ．ｏａｊａｍ等将管径、埋深和泵站的优化设计表示成非线性规划模型Ｉ】”，后来又建立了一个混合整数规划模型［１“，虽然可以求得最优的标准管径解，但数学模型中整数变量太多，给求解带来很大困难。相比之下，用动态规划方法进行管径、埋深和泵站的优化设计是比较成功的【ｌ”。既可以求得最优的标准管径解，又不受费用函数及约束条件的形式的影响，不过所需的计算时间较长，存储量较大，只能用于较小的排水系统。拟差动态规划方法的出现，使得排水管道系统优化设计在实用上大大推进了一步，并已开始在实际工程设训中得到应用［１４’”】。目前，国外同行通过大量研究工作已有一些较成熟的软件和技术，如美国幽家环保局的暴雨管理模型（ＳＷＭＭ）【ｌ６１，英国交通和道路研究所的ＴＲＲＬ模型【”ｊ，加拿大的ＳＴＯＲＭ模型ｍ】。在国外工业发达国家中，用计算机进行排水管道优化设计比传统的人工设计方法可以节约投资１５％以上．其经济效益相当可观。

国内从２０世纪８０年代开始研究和开发城市排水管道优化设计技术ｂｇ］，截止目前，从己发表的成果来看，在直接优化和间接优化的方法上均有一定进展‘２０。２”，还有偿试利用遗传算法进行优化‘２２１。但目前，还未见到全面应用于实际工程项目的成熟的优化技术方法，各优化方法还在研究、改进之中。

排水管网的设计计算优化方法，一般分为两种：间接最优化和直接最优化｜７Ｊ。问接优化法也称解析最优化，它是在建立最优化数学模型的基础』：，通过最优化计算求出最优解；而直接最优化方法是根据性能指标的变化，通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，来得到最优解或满意解。

以直接优化法进行优化设计研究的学者认为ｆ２４’２５’２６】：在排水管道设计计算中采用的水力计算公式虽然都是常用的数学公式，其表达式结构很简单，但是由于管径的尺寸不是连续变化的，只能在工程习惯的范围内选取间断性的尺寸，不能任意选择管径；最大充满度的约束又与所选管径大小有关；关于最小设计流速、流速变化及其与管径之间关系的限制条件等都很复杂，难以用数学公式来描述。因此，很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间接最优化方法求解。但是．用直接优化法来解决这个问题就具有可行性，直接优化法具有直接、直观和容易验证等优点。

两．ＩＬ２Ｃ＿业大学颂，ｔ学位论史

以吲接优化法进行优化漫计研究的学者认为：随着优化技术的发展，‘虽然在排水管道设计计算过程中存在着许多约束条件，其相互关系也很复杂，但可以通过归纳、筛选，对其中的某些条件进行适当的取舍，合理地选用数学工具，就可以把所研究的问题简化、抽象为容易求解的数学模型，并通过计算得出最优解或满意解。间接优化方法可分为以下几种方法１７１：

ｌ、线性规划法

线性规划法是最优化方法中最常用的一种算法，它可以解决排水管道设计中的许多问题，它的缺点是把管径当作连续变量来处理，这就存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题。而且该方法需要将所有目标函数和约束条件转化为线性函数，其预处理工作量大，精度难以得到保证。

２、非线性规划法

为了适应排水管道系统优化设计中目标函数和约束条件的非线性特征，１９７２年Ｄａｊａｎｉ和Ｇｅｍｍｅｌｌ建立了非线性规划模型【２”。该方法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。它可以处理市售规格管径，但当无法证明排水管道费用函数是一个单峰函数时，得到的计算结果可能是局部最优解，而非全局最优解。

３、动念蚬划法

Ｍｅｒｒｉｔ及Ｂｏｇａｎ，Ａｒｇａｍａ，Ｗａｌｈ和Ｂｒｏｗｎ以及Ｍａｙｓ和Ｙｅｎ等学者首先将动态规划法引入到排水管道系统优化设计中【２８”Ｉ，目前该方法在国内外仍得到广泛的重视。它在应用中分为两支：一支是以各节点埋深作为状态变量，通过坡度决策进行全方位搜索，其优点是直接利用标准管径，优化约束与初始解无关，能控制计算精度。围绕着对阶段的不同划分产生了动态规划的序列化和非序列化之分。而对状态点的设置和数量的不同考虑，又产生了拟差动态规划１３０１。另一支是以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索¨“。由于标准管径的数目有限，较以节点埋深为决策变量方法在计算机存储和计算时间上有显著优势，动态规划法是解决多阶段决策问题最优化的一种有效方法。无论是利用节点埋深还是利用管段管径作为状态变量，并没有充足的证据能够证明阶段状念的“无后效性”（“无后效性”是指当绘定某一阶段的状态时，在以后备阶段的行进要不受以前各阶段状态的影响）。因此，用动态规划法求出的排水管道系统优化设计方案是一个近似的全局最优解。

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４、遗传算法

遗传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术，它是模拟生物学中的自然遗传而提出的随机优化算法ｐ２１。它采用规格管径作为状态变量，可以同时搜索可行解空间内的许多点，通过选择、杂交和变异等遗传操作，最终求得满意解。遗传算法已广泛应用于给水管网的优化，研究表明遗传算法适宜于管网的优化，容易获得最优解。由于排水管网优化设计的复杂性，目前在应用遗传算法进行排水管网优化设计方面研究还１；深入。一般在解决排水管道系统优化设计时，可以求得趋近于最优解的可行方案【３３‘”Ｊ。已有学者应用自适应遗传算法进行了排水管网的优化［３５】。如何获得最优解，需要作进一步研究。

将ＧＩＳ技术应用于城市排水管道设计以及解决优化问题的例子比较少，国外如美国北卡罗来纳州的夏洛特市利用ＧＩＳ建立管道和道路位置数字地图、模型，提高了排水规划制定工作的效率【３６ｌ；在德国东部，以ＧＩＳ为基础，建立了现状排水设施的数据库，以此对下水道收费标准进行评价，并帮助制订战略规划［３７１；在芬兰的赫尔辛基市将城市电信、供电、供热、燃气、上下水系统等专业工程管线管理用图与地形图，用ＧＩＳ技术进行综合集成，以供计划、设计、工程和地质等方面技术分析使用１３８１；在美国的得克萨斯州ＮｅｗＢｒａｕｎｆｅｌｓ地区将ＧＩＳ与ＣＡＤ集成，使用集成系统和排水模型制订未来城市的下水道设施改扩建计划”９Ｊ：在佛罗晕达州将ＧＩＳ技术与降雨雷达系统和ＯＰＳ系统共同使用对降雨引起的ＳＳＯ的发生规律进行调查，开发预测模型，制订污染控制计划［４０ｌ；英国在排水管道维修管理上使用ＧＩＳ技术，帮助选择经济性好、效果显著的修补位置和修补方案【４”；日本座间市电利用ＧＩＳ技术进行下水道的维护管理［４２１；Ｆ１本东京都利用ＯｌＳ对下水再生利用带来的环境影响进行评价［４３１。Ｄｊｏｋｉｃ（１９９１）将ＧＩＳ与专家系统结合研究了雨水管网的分析评价【４…。由于当时ＧＩＳ技术的局限性，ＧＩＳ与专家系统之间的参数传递只能通过文本文件的方式进行传递，显然该方式效率低。在国内如孟令奎等（１９９６）将ＯｌＳ应用于雨水管网的优化设计【４５“６１。文献【４７］将ＧＩＳ用于污水管网设计流量的计算，但未用于污水管网的优化设计。如何有效地将ＧＩＳ技术与优化设计方法结合，研建城市排水管网优化设计模型，目前『Ｆ处于探索阶段［３６１。

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．１．３研究内容

１、研究排水管网在既定平面布置条件下工程方案的优选问题，找出设计目标、控制因素和约束条件，建立费用函数。

从分析城市排水管网设计目标和控制因素入手，选择既定平面条件下排水管网的设计问题，研究常规设计计算过程，归纳其约束条件，基本计算公式，建立本研究特定的费用函数，为排水管网优化设计研究建立基础平台。

２、对排水管网优化问题进行研究，提出优化目标，建立优化设计数学模型。

结合工程实际和国内外研究文献的调查结果，归纳提出排水管网优化设计的目标，在此基础上分析研究提出优化设计的数学模型。

３、对优化方法进行分析研究，确定排水管网优化数学模型的求解方法和计算过程及其逻辑结构。

在分析国内外研究成果的基础上，对排水管网优化设计数学模型的求解进行深入分析和研究，确定数学模型的求解方法和计算结构，选择合适的方法求解。

４、对基于ＧＩＳ的城市排水管网管理信息系统进行分析研究，将优化技术与ＧＩＳ技术进行综合集成。

结合本课题，对ＧＩＳ技术在城市排水管网信息管理方面的应用进行分析，对基于ＧＩＳ的城市排水管网管理信息系统的建立结合本研究的特定需要，提出基本思路和方法，进而结合排水管网优化设计原理和优化设计过程，将ＧＩＳ引入其中。

５、研究基于ＧＩＳ的优化设计计算过程，建立相关程序

研究建立基于ＧＩＳ的优化设计计算流程，构建设计计算的逻辑结构建立相关程序。

６、结合具体的城市排水管道工程进行应用性研究。

应用本研究建立的基于ＧＩＳ的优化设计方法，进行实例的设计计算以检验优化设计方法实际效果。

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．１．４研究思路与方法

本研究课题是以城市排水工程的建设管理问题为研究对象，以运筹学、水信息学的理论和工具为方法和手段，尝试将城市地理信息系统（ＧＩＳ）技术和优化技术相结合，研究开发一种能够应用于城市排水管道工程建没没计工作的优化设计技术，以期改变目前我国城市排水系统信息管理和设计计算方面的传统落后方式，为城市排水管道系统建设和改造提供技术先进、经济合理的优化方案。在资料调查和综合分析的基础上，应用动态规划的理论和方法分析研究排水管网优化设计有关问题。并在广泛调查工程实例的基础上，进行投资费用分析，建立排水管道造价费用模型和优化设计数学模型，引入地理信息系统，应用系统集成方法将城市地理信息系统（ＧＩＳ）与排水管网优化计算过程综合集成，提出新的优化设汁方法，最后应用该方法在工程实例中进行验证。以上研究思路如下图所示。

首先，对国内排水工程建设与管理现状进行调查分析，找出存在的主要问题，对国内外在该领域的研究现状进行分析和归纳；其次，对传统人工方式的排水管网管理和设计过程进行分析，找出控制因素、约束条件，建立费用模型：然后分别对排水管网优化设计问题和排水管网ＧＩｓ结构进行研究，提出优化目标、建立数学模型、确定求解方法，寻找ＧＩＳ扩展方法及其与优化技术的结合点；进而开展ＧＩＳ技术与优化技术的综合集成工作；最后用新的方法进行工程实例应用，以检验其效果。

９

。２．排水管网设计

２．１管网设计的目标与控制因素

城市排水管网系统是由室内排水设施、出户管、庭院排水管、市政排水干（支）管渠、检查井、泵站、出水口等构筑物所组成的一整套工程设施。城市排水管网设计是在城市总体规划的基础上，结合城市建成区人口、产业和其他设施的布局情况，对于新建区域则结合其经济发展规划、基础设施建设规则，兼顾近、远期规模统筹安排，统一设计，分期实施的，其设计的主要内容包括…：确定设计方案，在适当比例的总体布置图上，划分排水流域，布置管道系统：根据设计人口数、污水量标准，计算污水设计流量；进行管道水力计算，确定管道断面尺寸、设计坡度、埋设深度等设计参数；确定排水管道在道路横断面上的位置；绘制管道平面和纵断面图；计算工程量，编制工程概、预算等文件。一般设计步骤为：

排水流域划分

ｌ

管道定线和平面布置分析与组台

设计流量、设计管段确定

管道水力计算

绘制平面和纵剖面图

编制工程概算

西北丁业大学硕【学｝位论文

其中，管道定线、平面布置分析与组合及管道水力计算是决定设计质量高低的关键，也是管网设计中工作量较大，难度较大的环节。在我国现行的设计管理模式下，对于建成区排水管网改造建设来说，管道定线、平面稚置分析与组合工作一般以分区规划和详细规划为依据，在规划部门确定的原则下进行，设计人员进行比较调整和选择的余地较小。管道水力计算是在管网平面布置基本确定的条件下，由设计人员完成的。主要解决确定管道的大小、埋深等问题，并且要进行方案比较，要综合考虑管道的衔接方法、埋深、泵站位置、管材、施工工艺及地质条件等问题，综合技术和经济两方面因素进行比较，水力计算的结果直接决定着管网的建设规模和投资大小。为此，管道水力计算是排水工程管网设计的控制环节。

在进行管道水力计算时，首先要划分设计管段，然后分段确定没计流量，主要包括：本段流量、转输流量和集中流量。设计流量确定后，对照约束条件，按照水力学原理计算其设计流速，选择能够满足约束条件的设计管径、埋深和管道衔接方式，最后应用费用函数模型计算其工程费用。设计计算结果产生后，进行技术经济比较，选择最佳方案。由于排水管道排放污水原则上以重力自流排放为主，管道必须有一定坡度，排水管道的建设易受地形影响。所以，在水力计算时，重点在于选择能满足约束条件的最佳埋深和管径，在进行方案比较时，管道埋深和管径大小往往是决定方案优劣的关键因素。

为此，在管道没计计算中，对管道埋深和管径的设计比较是控制设计的中心因素。管网设计要尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出，这是排水管网设计的目标，这样才能达到技术经济的最佳效果。

综上所述，排水管网设计首先要解决分析排水管道的约束条件，建立其流量计算、水力计算方法和公式，建立费用模型。在解决这些问题时，除了按照国家有关设计规范和水力学原理进行研究以外，还必须参照不同地区的不同特征考虑其工程技术因素，在综合分析的基础上，确定相应的设计计算模型。

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．２．２排水管网流量计算

根据室外排水设计计算原理，城市污水设计流量按式（２—１）计算ｆ４。１。

ｇ＝Ｑ．＋Ｑ２＋Ｑ３＋Ｑ４（２－１）式中Ｑ：污水总设计流量（Ｌ／ｓ）

ｇ：居住区生活污水设计流量，按式（２－２）计算

Ｑ：：公共建筑生活污水设计流量，按式（２－３）计算

Ｑ３：工业企业生活污水与淋浴污水的设计流量，按式（２－４）计算

９４：工业废水设计流量，按式（２－５）计算

Ｑｌ：祟堡（２－２）２４３６００

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Ｑ２：挈堕（２－３）２４３６００

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Ｑ３＝型＆３６燮００Ｔ＋型１３＿６００塑！（２．４）

－。、厶。’，

ｇ２等㈦ｓ，

世：２尹２．７（１．３≤Ｋ。蚴）（ｚ—ｓ）式中Ｈ：居住区生活污水量标准（Ｌ／（ｄ．人））

Ⅳ：设计人口数

Ｋｚ：总变化系数，按式（２－６）计算

Ｑ：平均日平均时污水流量（Ｌ／ｓ）

Ｓ：公共建筑生活污水量标准（Ｌ／（ｄ．人１）

Ｋｈ：时变化系数，是平均日最大时与该日平均时污水量的比值

ＡＩ：一般车ｌ’自Ｊ最大班职工人数（人）

Ａ２：热车间最大班职工人数（人）

日Ｉ：一般车间职工污水量标准，为２５（Ｌ／（人?班））

Ｂ２：热车间职工污水量标准，为３５（Ｌ／（人?班））

Ｋ｜：一般车问生活污水量时变化系数，以３．Ｏ计

配：热车问生活污水量时变化系数，以２．５计

ｃ，：一般车Ｉ＇自Ｊ最大班使用淋浴的职工人数（人）

（１２：热车『白ｊ最大班使用淋浴的职工人数（人）

ＤＩ：一般车间的淋浴污水量标准，规定为４０（Ｌ／（人?班））

Ｄ２：高温、污染严重车间的淋浴污水量标准，规定为６０（Ｌ／（人?班））

丁：每班工作时数（ｈ）

ｍ：生产过程中每单位产品的废水量标准（Ｌ／单位产品）

Ｍ：产品的平均日产量

乃：每日生产时数

采用式（２－１）的简单累积法计算污水总设计流量时，是假定排出的各种污水，都在同一时间出现最大流量的。如果积累有大量的污水量逐时变化资料，则可以改用考虑了污水量逐时变化的综合流量计算法来求最大时流量。此外，在实际工程中，根据水文地质条件的不同有时还要考虑一定的地下水渗入量。

２．３约束条件

为了使排水能在重力流条件下较顺利地通过排水管网系统进入污水处理厂或受纳水体，在排水管道设计时，必须要满足水力学和设计规范方面对设计参数的有关规定，这些规定条件归纳起来主要包括以下几个主要方面的约束…”１：

ｌ、流量

在确定管径时，应避免小流量选大管径，故应明确各种管径对应的

最小流速和所能通过的最小流量。若设计流量小于最小管径在最小设计‘坡度、充满度等于Ｏ．５的流量时，这个管段可以不进行水力计算，而直接采用最小的管径和相应的最小坡度，这在设计上称为非计算管段。

２、流速

规范规定管道内水流的设计流速要介于最小流速（Ｏ．６ｍ／ｓ）和最大流速（非会属管为５ｍ／ｓ，金属管为ｔｏｍ／ｓ）之间。随着设计流量的增加，其流速电应增加；如果设计流量不变，流速也不应减小。只有当坡度大的管道接入坡度小的管道且下游管道的水流速度已大于等于１．２ｍ／ｓ的情况下，下游管道的水流速度才能小于上游管道的水流速度。

３、管径

排水管道在设计中对管径的约束主要有以下三点：①规定了最小管径，即排水管道在庭院中最小管径不得小于２００ｍｍ，在市政道路范围内最小管径不得小于３００ｍｍ。②管材的规格尺寸在成品的供应上是非连续非均匀的，当管径大于３００ｍｍ时，管径以１００ｍｍ为一级，当管径大于２０００时，管径以２００ｍｍ为一级。⑨除特殊情况外下游管段的管径不小于其｜二游管段的管径。

４、充满度

为了便于污水管道养护维修，利于通风和排除有害气体，规范规定污水管道要按非满流计算留出一定的空间。充满度（ｈ／Ｄ）不大于规范规定的最大充满度，即管径为２００—３００ｍｍ、３５０．４５０ｍｍ、５００．９００ｍｍ、１０００ｍｍ及ｌ０００ｍｍ以上时，其最大设计充满度分别为０．５５、０．６５、Ｏ．７０和Ｏ．７５。为合理利用管道断面，各种管径的最小充满度不小于Ｏ．２５。

５、坡度

规范只规定了最小管径达到最小流速时相应充满度为０．５时的坡度为最小设计坡度，实际上各种管径都有对应的最小设计坡度。为保证管道的运行和养护维修，也应考虑各种管径的最大设计坡度（各种管径的管道，当其充满度达到最大值，且流速接近和小于最大流速时所对应的坡度为最大设计坡度）。在平坦地区，污水管道的水力坡度应用最小设计坡度约束，而地形坡度大的地区则应用最大设计坡度约束。

６、埋深

对排水管道的埋深约束主要有三个方面考：①管道起点的最小埋深

根据地面荷载、土壤冰冻深度以及支管连接要求来确定，一般管道的最。小埋深大于０．８米：②管道的最大埋深，根据管道通过地区的地质条件和总体经济分析结果来确定，当管道计。算埋深达到或超过该值时，应设中途泵站，提升后的管道埋深仍按最小埋深考虑；⑨当管道坡度小于地面坡度，且在下游管道高程有一定调整余量时，为保证下游管段的最小覆土厚度和减少上游管段的埋深，可采用跌水连接。

７、连接方式

污水管道在检查井处的连接方式，一般有水面平接和管顶平接两种。无论采用哪种方式连接，均不应出现下游管段上端的水面、管底标高高于上游管段下端的水面、管底标高，且应尽量减少下游管段的埋深。

２．４管道的水力计算

排水管道的水力计算的目的是确定设计管段的设计流量并计算各个管段采用的管渠尺寸、坡度和标高，为绘制施工图及统计工程量、编制工程概算准备条件。在进行排水管道水力计算之前，首先要划分确定设计管段。

１）设计管段划分

设计管段是指设计流量不变，且采用相同的流速、管渠断面尺寸、相同坡度的两个检查井之间的管段。两个检查井之间的管段并不都是设计管段，在直线管段上，为了养护疏通方便，在一个设计管段之内有时需要间隔一定距离设置检查井，所以，一个设计管段之内有时有多个检查井。在管网布置图中，预计有流量接入与坡度改变的检查井均应设定为设计管段起止点。引入地理信息系统（ＧＩＳ），在管网信息系统中，每个设计管段需编号，而其起止点由我们的数据模型自动生成管段与管点的拓扑关系，可以减少了传统方法需对每个点进行编号的工作量。

２）设计管段的流量计算

两北工业大学硕上学位论文

图２—１设计管段的设计流量

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如图２?ｌ所示，每一设计管段（如图中的ＡＢ段）的污水设计流量包括ｑＪ（从街坊流入设计管段的本段污水量）、ｑ２（从上游管段和旁侧管段流入设计管段的转输污水量）和ｑ３（从工业企业或其他产生大量污水的建筑物流来的集中污水流量）三种流量。只有本段流量的设计管段，根据式（２－２），其流量可用式（２－７）计算。

ｑｌ＝Ａ’ｑｏ?Ｋ二（２－７）式中爿：设计管段的本段街坊服务面积（１０４ｍ２）

ｇＤ：单位面积的平均流量，即比流量（Ｌ／（ｓ?１０４ｍ２））。可按式（２－８）计算。

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％。丽而

Ｑ＝（４＋Ａ２）?ｑｏ?Ｋ：＋ｑ３（２．８）（２—９）

具有本段街坊污水流量ｑｌ（汇水面积Ａ１）、转输污水流量ｑ２（ｉ＿Ｅｅｇ面积Ａ２）｝Ｕ集中流量ｑ３的设计管段总流量Ｑ可用式（２－９）计算。需要说明的足，由于舰划分区不同，比流量一般不同，在用式（２－９）进行计算时，需根据规划分区分别计算不同比流量的汇水面积，且“２为上游所有分区的总服务面积。

６

３）水力计算根据水力学原理，并考虑到实际工程应用的便利，在排水管道的水力计算中采用均匀流的公式［５州。其基本公式为：流速（ｍ３／ｓ）；Ｈ：管壁粗糙系数；水力半径（过水断面面积与湿周的比值）（ｍ）水力坡度：Ａ：过水断面面积（ｍ２）；Ｑ：流量（ｍ３／ｓ）（２—１０）（２—１１）由于圆形断面的管道有较好的水力性能，在一定的坡度和相同的断面面积Ｆ，相对于矩形断面、梯形断面，圆形断面具有最大的水力半径，此外．圆形管道便于制作，使用材料经济，对于外力负荷抗压能力强，在运输和施工养护方面也较方便，是最常用的一种断面形式。因此，本文所指均为混凝土和钢筋混凝土圆形管。为了便于计算机计算，我们引入参数２臼一湿周对应的圆心角（ｒａｄ）（见图２．２），由几何关系可得各水力要素之间的关系：爿＝讣刊卡：田陋㈤Ｒ＝而Ａ＝旦４［１＋蒜０】（２＿１３）（厅一目）Ｄ‘２（石一）。、。ｈＣＯＳｐ＋ｌＤ２０；［（ｉｔ－０）＋÷ｓｉｎ２曰】．Ｄ２丢【（ｚ埘＋圭ｓｉｎ２印Ｄ２ｖ—Ｑ＝ｏ１７（２—１４）（２—１５）ｆ２—１６、｛一，｝足４，一Ｈ＝ｐ×４＝ＱｎＲ＾中式