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城市防澇和排水管網優化設計論文
引言
降水是再平凡不過的自然現象，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澇現象越來越多，可以說強降水給我們的城市排水系統帶來壓力，甚至超過排水管網的承受能力，逐漸的，降水形成積水，積水形成內澇，人們的正常生活受到影響。值得一提的是，內澇后水污染會更嚴重，這是因為積水得不到處理導致更多的污水進入河道湖泊等地，還有在降水過程中，大氣內的污染物隨雨水落到各處，這為我國的排水管網系統帶來更大的壓力。
一、內澇成因
首先與城市地面性質或徑流變化有關。城市化進程的不斷深化，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，大自然的水循環系統也起不了作用。大面積地面硬化，使地面雨水的徑流系數增大，徑流量很容易發生變化，這樣地下排水管網成為唯一的主要接受口，污水通過排水管網收集，可一旦雨量過大，超過管網負荷就會出現內澇。
其次與城市氣候有關。當我們的城市發展到一定規模后，我們的活動相對密集，城市地貌會因為改造發生變化，城市氣候與生態都隨之發生改變，這里我們常說的熱島效應、雨島效應、渾濁島效應循環交替，城市開始頻發降雨，且很難停下來，災害不斷疊加放大，內澇極易形成。
再次排水管網落后。城市在發展變換，排水管網的規劃和建設卻相對落后，這里要提及新城區與舊城區的矛盾問題，往往老城區在排水管網的規劃上相對傳統，都是雨水與污水合流排放的，新城區會將二者分開，但在新舊結合處管網卻無法結合，因為老城區管網設施早已無法與新城區系統連接，進而呈現了彼此獨立的尷尬，待到強降雨時，老城區極易出現積水，內澇也是常有的。
最后排水管網內部存在問題。在城市內澇調查中我們發現，雨天城市垃圾很有可能隨著水流沖進排水管網，這時容易造成堵塞，還有一部分排水管網因地勢原因，管道坡度較小，在強降雨時，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，非常不實用。從另一方面看，排水速度慢了，勢必提升了內澇的可能性。
二、城市防澇與排水管網的關系
城市排水管網是市政基礎設施，是保護我們平安生活的系統。排水設施平時連接著泵站、溝渠等，是城市排水的重要組成，一旦出現問題，城市極易內澇。另外，城市排水管網是個大工程，對于它的檢驗、規劃、考察、設計等不能出現一絲紕漏，因為它工程規模大、涉及到的投資較多，施工一次的難度相對較強，而且需要很長的工期，是政府的大行動，因此規劃設計最好一次到位。
對于排水管網優化設計是必要的。市政管網是市政建設的組成部分，它的投資占整個排水系統的一大半，隨著城市發展，排水管網的普及不斷擴大，問題也開始衍生，為了增強排水管網的負載能力，盡量減少城市的內澇災害，必須加強對排水管網的建設，對其進行優化設計。
三、我國排水管網設計中存在的問題
1、理念落后
目前我們對于排水管網處理內澇始終保持一個觀念，就是最短路徑與最快速度，這就將城市排水防澇當成了簡單的排放雨水的項目，不重視雨水的下滲等自然循環系統的恢復，始終將壓力放置在排水管網上，另一方面我國的排水管網標準不高，對于污水處理能力有限，對內澇沒有防治設計。
2、設計落后
目前我國城市排水管網設計還是以19世紀推理公式為基礎，對于小面積基礎是可以處理的，而且還要水流平緩，當積水面積變大，水流湍急時，公式推理會失真，洪峰值計算不準確，降水流量變化也不好掌握，這樣的排水管網對于防澇來說是遠遠不夠的。
3、設計標準低
目前我國的排水系統標準為一年一遇或三年一遇。該標準沿用了許多年，沒有及時隨著城市的變化而變化，近年來我國城市化進程加速，市政道路附近的地塊被占用，這對雨水排放產生影響，水浸街的現象時有發生，當雨季來臨時，經常會出現內澇，甚至造成人員死亡的事件。
4、雨水利用率低
市政排水中，排水管網的壓力最大，城市水循環系統使用率很弱，這與我們設計的排水管網有一定關系，沒有考慮到設計儲存雨水的空間，也沒有為雨水流通設計通道，排水管網的壓力增大了，水量超過管網過流能力后，內澇也就出現了。
5、細節設計不合理
在管網系統設計過程中，許多人為因素顯得很不合理，比如在調研沒有完成的情況下，用錯誤的數據做設計參數，最終導致管徑不合適，或者坡度設計不合理，再或者沒有預留管線過街，不合理的設計為未來管網運行埋下安全隱患，甚至在暴雨來臨時，形成內澇。
四、排水管網優化設計
我們這里要優化設計的內容主要涉及到兩項，一為排水管渠，一為污水管網。在平面布置確定的基礎上對其實施優化設計。目前國際上相對較好的優化設計方法有：
1、兩相優化法
此方法以流速約束條件為基礎，選出流速最合理的設計，倘若流速提升需要根據步長提升，在根據確定的流速確定流量進而進行最優充滿度和管徑的選取，最后計算出最優坡度。
2、遺傳算法
在我們進行市政排水管網優化設計時，采取任何方法都要遵從設計規范，以最低的經濟投入為基準。遺傳算法是一種編碼處理，即對涉及到的參數都進行編碼作業，再針對目標函數做轉換，最后進行生物進化過程的模仿，不斷接近目標函數。
3、非線性規劃法與線性規劃法
前者有利于適用目標函數及變量，有利于實現對管徑及埋深的最優化選擇，從另一個角度看，它對目標函數與相關約束條件都有一定的限制，而后者即線性規劃法則恰恰相反，它能用一級泰勒公式代替線性規劃，它的缺點是將管徑變成了變量，并且需要很長的準備期。
4、動態規劃法
目前動態規劃法在我國較為常用，它是將觀望設計作為一個過程，進而對過程進行合理的劃分，再開始進行優化設計工作。動態規劃法將節點埋深作為變量，通過坡度進行全面搜索，該方法可以直接用標準管徑，這是它的優勢，但由于它要求的狀態點間埋深間隔比較小，致使存儲量和實踐間隔提升，基于它的迭代過程使其局限性提升。當管徑成為變量時，存儲及計算速度方面形成優勢，衍生管徑法，這種方法使計算精度得到優化。
5、坡度優化
滿管流或非滿管流排水管網中，管段節點水位高程是一樣的，這里可以將之歸納為能量連續著的排水設計段，倘若將造價的最小值作為目標函數，輸水量用設計管網起始點水位差最大值即可，這時最大的約束就是設計規范，可以構建坡度模型，通過對模型的分析求得最經濟的坡度。
五、結束語
目前城市內澇已經成為重大安全隱患，我們應在防澇的工作上下大力度，不斷加強市政工程建設，優化排水管網設計，力爭從根本上解決設計理念落后、標準低、細節差等問題，通過兩相優化法、遺傳算法、非線性規劃與線性規劃法、動態規劃法、坡度優化等開展對排水管網的優化設計，力爭使市政排水管網的作用得到更大的發揮，緩解排水壓力，促進防澇。
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