城市防澇和排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)論文
引言
降水是再平凡不過的自然現(xiàn)象，但隨著近年來全球變暖，降雨越來越頻繁，一些由于頻繁降雨引起的內(nèi)澇現(xiàn)象越來越多，可以說強(qiáng)降水給我們的城市排水系統(tǒng)帶來壓力，甚至超過排水管網(wǎng)的承受能力，逐漸的，降水形成積水，積水形成內(nèi)澇，人們的正常生活受到影響。值得一提的是，內(nèi)澇后水污染會(huì)更嚴(yán)重，這是因?yàn)榉e水得不到處理導(dǎo)致更多的污水進(jìn)入河道湖泊等地，還有在降水過程中，大氣內(nèi)的污染物隨雨水落到各處，這為我國(guó)的排水管網(wǎng)系統(tǒng)帶來更大的壓力。
一、內(nèi)澇成因
首先與城市地面性質(zhì)或徑流變化有關(guān)。城市化進(jìn)程的不斷深化，使我們的城市更多高樓大廈撥地而起，路面鋪的更平坦，土地本身的滲水能力被削弱，大自然的水循環(huán)系統(tǒng)也起不了作用。大面積地面硬化，使地面雨水的徑流系數(shù)增大，徑流量很容易發(fā)生變化，這樣地下排水管網(wǎng)成為唯一的主要接受口，污水通過排水管網(wǎng)收集，可一旦雨量過大，超過管網(wǎng)負(fù)荷就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)澇。
其次與城市氣候有關(guān)。當(dāng)我們的城市發(fā)展到一定規(guī)模后，我們的活動(dòng)相對(duì)密集，城市地貌會(huì)因?yàn)楦脑彀l(fā)生變化，城市氣候與生態(tài)都隨之發(fā)生改變，這里我們常說的熱島效應(yīng)、雨島效應(yīng)、渾濁島效應(yīng)循環(huán)交替，城市開始頻發(fā)降雨，且很難停下來，災(zāi)害不斷疊加放大，內(nèi)澇極易形成。
再次排水管網(wǎng)落后。城市在發(fā)展變換，排水管網(wǎng)的.規(guī)劃和建設(shè)卻相對(duì)落后，這里要提及新城區(qū)與舊城區(qū)的矛盾問題，往往老城區(qū)在排水管網(wǎng)的規(guī)劃上相對(duì)傳統(tǒng)，都是雨水與污水合流排放的，新城區(qū)會(huì)將二者分開，但在新舊結(jié)合處管網(wǎng)卻無法結(jié)合，因?yàn)槔铣菂^(qū)管網(wǎng)設(shè)施早已無法與新城區(qū)系統(tǒng)連接，進(jìn)而呈現(xiàn)了彼此獨(dú)立的尷尬，待到強(qiáng)降雨時(shí)，老城區(qū)極易出現(xiàn)積水，內(nèi)澇也是常有的。
最后排水管網(wǎng)內(nèi)部存在問題。在城市內(nèi)澇調(diào)查中我們發(fā)現(xiàn)，雨天城市垃圾很有可能隨著水流沖進(jìn)排水管網(wǎng)，這時(shí)容易造成堵塞，還有一部分排水管網(wǎng)因地勢(shì)原因，管道坡度較小，在強(qiáng)降雨時(shí)，以至于水流在附近無法正常流入，形成排水檢查井處淤流，久而久之垃圾聚集，一旦沖入排水口也有可能造成堵塞，非常不實(shí)用。從另一方面看，排水速度慢了，勢(shì)必提升了內(nèi)澇的可能性。
二、城市防澇與排水管網(wǎng)的關(guān)系
城市排水管網(wǎng)是市政基礎(chǔ)設(shè)施，是保護(hù)我們平安生活的系統(tǒng)。排水設(shè)施平時(shí)連接著泵站、溝渠等，是城市排水的重要組成，一旦出現(xiàn)問題，城市極易內(nèi)澇。另外，城市排水管網(wǎng)是個(gè)大工程，對(duì)于它的檢驗(yàn)、規(guī)劃、考察、設(shè)計(jì)等不能出現(xiàn)一絲紕漏，因?yàn)樗こ桃?guī)模大、涉及到的投資較多，施工一次的難度相對(duì)較強(qiáng)，而且需要很長(zhǎng)的工期，是政府的大行動(dòng)，因此規(guī)劃設(shè)計(jì)最好一次到位。
對(duì)于排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是必要的。市政管網(wǎng)是市政建設(shè)的組成部分，它的投資占整個(gè)排水系統(tǒng)的一大半，隨著城市發(fā)展，排水管網(wǎng)的普及不斷擴(kuò)大，問題也開始衍生，為了增強(qiáng)排水管網(wǎng)的負(fù)載能力，盡量減少城市的內(nèi)澇災(zāi)害，必須加強(qiáng)對(duì)排水管網(wǎng)的建設(shè)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
三、我國(guó)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中存在的問題
1、理念落后
目前我們對(duì)于排水管網(wǎng)處理內(nèi)澇始終保持一個(gè)觀念，就是最短路徑與最快速度，這就將城市排水防澇當(dāng)成了簡(jiǎn)單的排放雨水的項(xiàng)目，不重視雨水的下滲等自然循環(huán)系統(tǒng)的恢復(fù)，始終將壓力放置在排水管網(wǎng)上，另一方面我國(guó)的排水管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不高，對(duì)于污水處理能力有限，對(duì)內(nèi)澇沒有防治設(shè)計(jì)。
2、設(shè)計(jì)落后
目前我國(guó)城市排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)還是以19世紀(jì)推理公式為基礎(chǔ)，對(duì)于小面積基礎(chǔ)是可以處理的，而且還要水流平緩，當(dāng)積水面積變大，水流湍急時(shí)，公式推理會(huì)失真，洪峰值計(jì)算不準(zhǔn)確，降水流量變化也不好掌握，這樣的排水管網(wǎng)對(duì)于防澇來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
3、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低
目前我國(guó)的排水系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)為一年一遇或三年一遇。該標(biāo)準(zhǔn)沿用了許多年，沒有及時(shí)隨著城市的變化而變化，近年來我國(guó)城市化進(jìn)程加速，市政道路附近的地塊被占用，這對(duì)雨水排放產(chǎn)生影響，水浸街的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，當(dāng)雨季來臨時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)內(nèi)澇，甚至造成人員死亡的事件。
4、雨水利用率低
市政排水中，排水管網(wǎng)的壓力最大，城市水循環(huán)系統(tǒng)使用率很弱，這與我們?cè)O(shè)計(jì)的排水管網(wǎng)有一定關(guān)系，沒有考慮到設(shè)計(jì)儲(chǔ)存雨水的空間，也沒有為雨水流通設(shè)計(jì)通道，排水管網(wǎng)的壓力增大了，水量超過管網(wǎng)過流能力后，內(nèi)澇也就出現(xiàn)了。
5、細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)不合理
在管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，許多人為因素顯得很不合理，比如在調(diào)研沒有完成的情況下，用錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)做設(shè)計(jì)參數(shù)，最終導(dǎo)致管徑不合適，或者坡度設(shè)計(jì)不合理，再或者沒有預(yù)留管線過街，不合理的設(shè)計(jì)為未來管網(wǎng)運(yùn)行埋下安全隱患，甚至在暴雨來臨時(shí)，形成內(nèi)澇。
四、排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)
我們這里要優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要涉及到兩項(xiàng)，一為排水管渠，一為污水管網(wǎng)。在平面布置確定的基礎(chǔ)上對(duì)其實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前國(guó)際上相對(duì)較好的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有：
1、兩相優(yōu)化法
此方法以流速約束條件為基礎(chǔ)，選出流速最合理的設(shè)計(jì)，倘若流速提升需要根據(jù)步長(zhǎng)提升，在根據(jù)確定的流速確定流量進(jìn)而進(jìn)行最優(yōu)充滿度和管徑的選取，最后計(jì)算出最優(yōu)坡度。
2、遺傳算法
在我們進(jìn)行市政排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采取任何方法都要遵從設(shè)計(jì)規(guī)范，以最低的經(jīng)濟(jì)投入為基準(zhǔn)。遺傳算法是一種編碼處理，即對(duì)涉及到的參數(shù)都進(jìn)行編碼作業(yè)，再針對(duì)目標(biāo)函數(shù)做轉(zhuǎn)換，最后進(jìn)行生物進(jìn)化過程的模仿，不斷接近目標(biāo)函數(shù)。
3、非線性規(guī)劃法與線性規(guī)劃法
前者有利于適用目標(biāo)函數(shù)及變量，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)管徑及埋深的最優(yōu)化選擇，從另一個(gè)角度看，它對(duì)目標(biāo)函數(shù)與相關(guān)約束條件都有一定的限制，而后者即線性規(guī)劃法則恰恰相反，它能用一級(jí)泰勒公式代替線性規(guī)劃，它的缺點(diǎn)是將管徑變成了變量，并且需要很長(zhǎng)的準(zhǔn)備期。
4、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法
目前動(dòng)態(tài)規(guī)劃法在我國(guó)較為常用，它是將觀望設(shè)計(jì)作為一個(gè)過程，進(jìn)而對(duì)過程進(jìn)行合理的劃分，再開始進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。動(dòng)態(tài)規(guī)劃法將節(jié)點(diǎn)埋深作為變量，通過坡度進(jìn)行全面搜索，該方法可以直接用標(biāo)準(zhǔn)管徑，這是它的優(yōu)勢(shì)，但由于它要求的狀態(tài)點(diǎn)間埋深間隔比較小，致使存儲(chǔ)量和實(shí)踐間隔提升，基于它的迭代過程使其局限性提升。當(dāng)管徑成為變量時(shí)，存儲(chǔ)及計(jì)算速度方面形成優(yōu)勢(shì)，衍生管徑法，這種方法使計(jì)算精度得到優(yōu)化。
5、坡度優(yōu)化
滿管流或非滿管流排水管網(wǎng)中，管段節(jié)點(diǎn)水位高程是一樣的，這里可以將之歸納為能量連續(xù)著的排水設(shè)計(jì)段，倘若將造價(jià)的最小值作為目標(biāo)函數(shù)，輸水量用設(shè)計(jì)管網(wǎng)起始點(diǎn)水位差最大值即可，這時(shí)最大的約束就是設(shè)計(jì)規(guī)范，可以構(gòu)建坡度模型，通過對(duì)模型的分析求得最經(jīng)濟(jì)的坡度。
五、結(jié)束語
目前城市內(nèi)澇已經(jīng)成為重大安全隱患，我們應(yīng)在防澇的工作上下大力度，不斷加強(qiáng)市政工程建設(shè)，優(yōu)化排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)從根本上解決設(shè)計(jì)理念落后、標(biāo)準(zhǔn)低、細(xì)節(jié)差等問題，通過兩相優(yōu)化法、遺傳算法、非線性規(guī)劃與線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、坡度優(yōu)化等開展對(duì)排水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，力爭(zhēng)使市政排水管網(wǎng)的作用得到更大的發(fā)揮，緩解排水壓力，促進(jìn)防澇。
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