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城市防涝与排水管网优化设计

来源:UC论文网2015-10-31 11:42

摘要:

【摘 要】近年来随着我国城市化进程不断深化,环境趋于恶化,灾害天气增多,暴雨连天的季节城市内涝严重,人们正常的工作生活受到影响,内涝引起我们对城市排水管网设计的重视

  【摘 要】近年来随着我国城市化进程不断深化,环境趋于恶化,灾害天气增多,暴雨连天的季节城市内涝严重,人们正常的工作生活受到影响,内涝引起我们对城市排水管网设计的重视,我们发现排水管网没有完全起到防涝系统的作用,其设计还需要优化。本文首先对内涝成因进行分析总结,接着讨论城市防涝与排水管网的关系,分析目前我国排水管网普遍存在的问题,然后提出排水管网优化措施,以期为相关领域的研究提供有价值的参考,力争为我国排水防涝管网的设计优化略尽绵力。

  【关键词】城市防涝;设计;排水管网;优化

  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

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  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,甚至造成人员死亡的事件。

  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。

  参考文献:

  [1]康丹.城市排水防涝系统规划设计中存在的问题及对策探讨[J].中国给水排水.2014.10.

  [2]郝桂珍.排水管网优化设计的方法[J].河北建筑工程学院学报.2011.09.

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