優(yōu)化設(shè)計(jì)與低影響開發(fā)理念在市政給排水項(xiàng)目中的應(yīng)用

孫同謙 ，徐 崢

（1.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051；2.天津市排水管理處，天津市 300202）

0 前言

潘莊示范小城鎮(zhèn)試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目是天津市重點(diǎn)發(fā)展的第四批示范小城鎮(zhèn)之一，位于天津市寧河縣西部，距京津城區(qū)較近，具有一定的區(qū)位優(yōu)勢。該區(qū)域現(xiàn)狀市政基礎(chǔ)設(shè)施較為落后，遠(yuǎn)期地域功能定位為居住用地，同時(shí)兼有金融、行政和配套設(shè)施的功能地塊。該區(qū)域總體設(shè)計(jì)思路是構(gòu)建生態(tài)型新型小城鎮(zhèn)，為此，市政給排水設(shè)計(jì)融入優(yōu)化設(shè)計(jì)和低影響開發(fā)的理念，打造高效、安全、節(jié)約型現(xiàn)代化新城鎮(zhèn)市政基礎(chǔ)設(shè)施體系。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)與低影響開發(fā)應(yīng)用概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)理論最初應(yīng)用于軍事及機(jī)械設(shè)計(jì)中，隨著數(shù)學(xué)理論和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)理念逐漸應(yīng)用于其他行業(yè)。在市政給排水工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，所有設(shè)計(jì)內(nèi)容可視為一組參數(shù)，其中項(xiàng)目設(shè)計(jì)條件、現(xiàn)狀情況及設(shè)計(jì)規(guī)范是已給定參數(shù)，需要確定的給排水管道埋深、檢查井位置等即為設(shè)計(jì)變量，綜合考慮功能性、可行性、經(jīng)濟(jì)型、時(shí)間性等因素找到一組最合適的設(shè)計(jì)變量就是優(yōu)化設(shè)計(jì)所需要解決的問題[1]。優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟包括以下 5 項(xiàng)：建立數(shù)學(xué)模型、選擇最優(yōu)化算法、程序設(shè)計(jì)、制定目標(biāo)要求、篩選最優(yōu)方案[2]。在市政給排水工程項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)中同樣也分為 5 個(gè)步驟：根據(jù)不同類型管道建立水力模型、根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選擇適用于本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方法、以規(guī)范等條件為依據(jù)進(jìn)行給排水設(shè)計(jì)、確定供水要求或排水出路等目標(biāo)要求、選定最佳方案。

低影響開發(fā)（Low Impact Development，LID）是指基于模擬自然水文條件原理，采用源頭控制理念實(shí)現(xiàn)雨洪控制與利用的一種雨水管理方法[3]。LID 作為改進(jìn)型措施，能夠降低區(qū)域內(nèi)徑流量、污染負(fù)荷并改善其對受納水體的影響，與傳統(tǒng)方法相比，LID 還能降低項(xiàng)目開發(fā)的費(fèi)用[4]。基于低影響開發(fā)理論，源頭控制理念已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外市政給排水項(xiàng)目中，通過低影響開發(fā)措施，不僅能夠有效控制和利用雨洪，還能降低項(xiàng)目開發(fā)對自然的沖擊負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

2.1 設(shè)計(jì)周期的優(yōu)化

在市政工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)周期普遍較短，設(shè)計(jì)人往往會(huì)根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，倉促完成設(shè)計(jì)任務(wù)，為控制工程工期，很快進(jìn)入施工階段，施工階段產(chǎn)生問題后再通過設(shè)計(jì)變更彌補(bǔ)設(shè)計(jì)不足。由于在設(shè)計(jì)階段缺乏對項(xiàng)目本身特點(diǎn)及條件的調(diào)研，沒有考慮和預(yù)測后期施工階段所遇到的情況，設(shè)計(jì)變更往往造成的是“硬性變更”，即變更本身只能“就事論事”地解決“問題的一點(diǎn)”，此時(shí)很難再考慮該變更對整個(gè)項(xiàng)目其他方面的影響，已完成施工的部分就很難與該點(diǎn)上發(fā)生的變更完全匹配，不僅會(huì)造成設(shè)計(jì)的缺憾，也會(huì)增加項(xiàng)目中不必要的成本浪費(fèi)。

市政工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期分配通常是方案階段、初步設(shè)計(jì)階段和施工圖階段所占時(shí)間平均分配，根據(jù)項(xiàng)目復(fù)雜程度，部分項(xiàng)目會(huì)將時(shí)間分配為：施工圖階段＞初步設(shè)計(jì)階段＞方案階段。這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期分配有時(shí)會(huì)造成以下問題：已經(jīng)進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段或施工圖設(shè)計(jì)階段，由于前期方案設(shè)計(jì)時(shí)間倉促，沒有完全將可能發(fā)生的問題暴露，所以不得不重新進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，耽誤設(shè)計(jì)周期的同時(shí)還重復(fù)勞動(dòng)，造成資源浪費(fèi)。

在潘莊示范小城鎮(zhèn)市政工程設(shè)計(jì)中，為避免設(shè)計(jì)周期對設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響，在不改變整體設(shè)計(jì)周期的條件下，在設(shè)計(jì)周期的分配上倒置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，即時(shí)間分配為：方案階段＞初步設(shè)計(jì)階段＞施工圖階段。在設(shè)計(jì)深度的要求上加深每個(gè)階段的設(shè)計(jì)深度，即方案階段盡可能按初步設(shè)計(jì)深度進(jìn)行設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)階段盡可能以施工圖標(biāo)準(zhǔn)要求出圖。采用該種設(shè)計(jì)周期分配方法，方案設(shè)計(jì)階段通過方案比較和論證完全確定了雨水系統(tǒng)劃分、給水和污水管網(wǎng)的分布，盡管整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)在方案階段停留時(shí)間較長，但能夠保證后期設(shè)計(jì)完全可以在前期設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上開展，避免重復(fù)設(shè)計(jì)。

2.2 地塊內(nèi)外市政聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

地塊內(nèi)外市政設(shè)計(jì)常被稱作大市政和小市政設(shè)計(jì)，大小市政設(shè)計(jì)范圍以市政道路紅線為分界，地塊內(nèi)為小市政設(shè)計(jì)范圍，地塊外為大市政設(shè)計(jì)范圍。通常大市政由政府投資建設(shè)，小市政由開發(fā)商自行設(shè)計(jì)并投資開發(fā)。潘莊示范小城鎮(zhèn)試點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目是由政府委托開發(fā)商組織實(shí)施，所以該項(xiàng)目的大小市政皆由同一單位開發(fā)建設(shè)，這就為地塊內(nèi)外市政聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)提供便利條件。在一般區(qū)域市政設(shè)計(jì)中，大市政建設(shè)是先于小市政建設(shè)，所以在小市政設(shè)計(jì)時(shí)，既有的大市政設(shè)計(jì)成果作為小市政的設(shè)計(jì)條件，如果在小市政與大市政對接過程中出現(xiàn)管線“繞道”或“排水管道上游標(biāo)高低于下游標(biāo)高”等問題，就會(huì)使整個(gè)設(shè)計(jì)處于很不利的狀態(tài)。

地塊內(nèi)外聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在于內(nèi)外銜接處的設(shè)計(jì)，為優(yōu)化整個(gè)設(shè)計(jì)方案，聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了一系列方案優(yōu)化：

（1）重新核算徑流系數(shù)。在方案設(shè)計(jì)階段，根據(jù)區(qū)域規(guī)劃資料所提供的設(shè)計(jì)條件能夠計(jì)算不同地塊的徑流系數(shù)，進(jìn)而了解整個(gè)區(qū)域的徑流情況。在實(shí)際地塊內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)各種建筑面積與規(guī)劃不盡相同，所有會(huì)導(dǎo)致區(qū)域徑流系數(shù)有所出入。一方面需要根據(jù)實(shí)際地塊內(nèi)設(shè)計(jì)重新核算市政雨水管道能否滿足變化后的徑流情況，另一方面還需要為小市政設(shè)計(jì)提供徑流系數(shù)方面的設(shè)計(jì)條件，倘若地塊內(nèi)徑流系數(shù)過大，應(yīng)采取滲透、調(diào)蓄等措施控制徑流系數(shù)，使大市政設(shè)計(jì)的雨水管道滿足排水要求。圖1為該項(xiàng)目某地塊規(guī)劃階段和設(shè)計(jì)階段建筑面積有所差異。重新核算后，該地塊的徑流系數(shù)過大，以現(xiàn)有徑流系數(shù)設(shè)計(jì)大市政雨水管道會(huì)造成本段雨水管道管徑增大一級，所以該地塊內(nèi)需采取雨水調(diào)蓄池等源頭滯洪方式控制徑流系數(shù)。

圖1 規(guī)劃階段與設(shè)計(jì)階段不同類型建筑面積分布

（2）排水預(yù)埋支管根據(jù)實(shí)際情況確定參數(shù)。在市政設(shè)計(jì)中，排水干管應(yīng)根據(jù)情況為兩側(cè)地塊預(yù)埋收水支管，支管位置及標(biāo)高根據(jù)設(shè)計(jì)條件及資料確定。在優(yōu)化設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)人根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步確定污水干管起始覆土 1.8 m，雨水干管起始覆土1.5 m，為道路兩側(cè)地塊預(yù)埋給排水支管間隔100～120 m。在與地塊內(nèi)設(shè)計(jì)相結(jié)合后，優(yōu)化設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)人重新確定了設(shè)計(jì)參數(shù)：排水管道起始標(biāo)高根據(jù)地塊內(nèi)設(shè)計(jì)埋深進(jìn)行確定；給排水預(yù)埋支管位置完全根據(jù)地塊內(nèi)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。優(yōu)化設(shè)計(jì)前后污水管道系統(tǒng)見圖2。將地塊內(nèi)污水管道排出位置設(shè)計(jì)在距離污水干管更近的位置，在其他條件不變的情況下，一方面可以縮短大市政污水干管敷設(shè)長度，另一方面無需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)布設(shè)收水支管及收水井，只需在地塊內(nèi)污水排出位置附近設(shè)置收水井和收水支管即可。雨水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)原則與污水管道相似，也可以根據(jù)地塊內(nèi)設(shè)計(jì)調(diào)整，在地塊內(nèi)雨水排出位置附近設(shè)置收水井和收水支管；與污水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)不同的是，雨水管道設(shè)計(jì)無法縮短管道敷設(shè)長度，在無地塊內(nèi)雨水匯入的管道部分只收集路面雨水即可，所以雨水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)可以減小起始管段的管徑。

3 低影響開發(fā)在項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 河道設(shè)計(jì)

圖2 污水管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)

潘莊示范小城鎮(zhèn)現(xiàn)狀河道、水渠較豐富，多為灌溉水渠，河流水面面積約 4.5 hm2。設(shè)計(jì)區(qū)域水系功能定位包括以下四項(xiàng)：削減洪峰，防止內(nèi)澇，保護(hù)城鎮(zhèn)安全；發(fā)揮儲(chǔ)水功能，作為綠化和道路澆灑的部分水源；削減污染負(fù)荷，提供良好的生物生息環(huán)境，保障水體水質(zhì)；景觀功能。對于河道的設(shè)計(jì)遵循以下幾個(gè)原則：確保排澇能力，正常情況下在低水河槽流動(dòng)，暴雨時(shí)河水水位上漲，河道泄洪、調(diào)蓄能力增強(qiáng)；盡量營造多樣化的河流流態(tài)，避免直線化、樣板化斷面，最大限度地利用河流的自塑能力；創(chuàng)造連續(xù)環(huán)境條件，上下游貫通，與區(qū)域外水系連通，保持環(huán)境與生態(tài)的連續(xù)性；確保水循環(huán)及生物自由移動(dòng)，保持陸水暢通，避免下滲阻斷。河道復(fù)合型斷面設(shè)計(jì)見圖3。非暴雨季節(jié)，河道處于常水位，兩側(cè)緩坡帶可以作為綠地、運(yùn)動(dòng)場、停車場等加以利用；當(dāng)發(fā)生大暴雨時(shí)，可以利用常水位和最高水位之間的空間調(diào)蓄暴雨量，減少洪峰對周邊及下游的影響；待暴雨過后，通過下滲、蒸發(fā)、排放等措施可以恢復(fù)至正常水位。

圖3 河道復(fù)合型斷面設(shè)計(jì)

3.2 滲透性鋪裝設(shè)計(jì)

逕流系數(shù)減小，硬化面積的增加會(huì)導(dǎo)致封閉性區(qū)域雨水表面匯集，增大雨水徑流系數(shù)，間接導(dǎo)致雨水管道設(shè)計(jì)管徑增加，提高工程投資。利用滲透性鋪裝可以有效降低不透水面積，增加雨水滲透，在潘莊示范小城鎮(zhèn)項(xiàng)目中路面采用滲透性材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)不透水混凝土或?yàn)r青，在地塊內(nèi)人行道和停車場設(shè)計(jì)中采用多孔瀝青、多孔混凝土和草皮磚。通過上述鋪裝方式使路面保持良好的透水性，不僅可以控制區(qū)域內(nèi)徑流系數(shù)，還能滯留污染物，增加生物降解效率。

3.3 下凹形綠化帶設(shè)計(jì)

下凹型綠地又被稱作植被淺溝或低勢綠地，通過植草溝滯留、過濾及滲透等作用，一方面能夠降低徑流流量，調(diào)蓄峰流量，另一方面還能有效去除雨水徑流中的多數(shù)懸浮顆粒污染物和部分溶解態(tài)污染物[5]。在潘莊示范小城鎮(zhèn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，道路兩側(cè)綠化帶采用下凹型設(shè)計(jì)，綠化帶間隔一定距離設(shè)置排出口。雨水以自流方式進(jìn)入綠地后大部分通過下滲、截流等方式處理，另一部分難以處理的雨水由下凹處的盲管收集后通過排出口排入道路兩側(cè)預(yù)留的雨水收水井，通過收水支管匯入雨水干管，最終排出綠地，避免綠地積水過多。

4 結(jié)語

在市政給排水項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，方案比選、可行性研究中離不開優(yōu)化設(shè)計(jì)，不同類型的項(xiàng)目也會(huì)有不同針對點(diǎn)、不同側(cè)重點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所有的優(yōu)化設(shè)計(jì)都是基于對項(xiàng)目的合理化實(shí)施，從項(xiàng)目的發(fā)展、運(yùn)行和管理角度看，優(yōu)化設(shè)計(jì)的確起著重要的作用。低影響開發(fā)理念在市政給排水項(xiàng)目中的應(yīng)用并不少見，也有少數(shù)項(xiàng)目完全遵循 LID 真正實(shí)現(xiàn)，但由于市政項(xiàng)目所涉及的專業(yè)、部門較多，在實(shí)施過程中也會(huì)受造價(jià)投資、運(yùn)行維護(hù)是否方便、整體設(shè)計(jì)是否美觀等因素制約，所以 LID 很難完全推廣應(yīng)用。在市政給排水項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，合理利用部分 LID 理念或通過改善使其與項(xiàng)目有機(jī)結(jié)合，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠突破項(xiàng)目瓶頸，推動(dòng)設(shè)計(jì)合理化、高效化。

[1] 李明.市政工程項(xiàng)目優(yōu)化方案的合理性分析[J].中國市政工程,2007(3):60-62.

[2] 邵陸壽.優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2007.

[3] USEPA.Reducing Stormwater Costs through Low Impact Development（LID）Strategies and Practices[EB/OL].http：//www.epa.gov/nps/lid,2007.

[4] 王建龍,車伍,易紅星.基于低影響開發(fā)的城市雨洪控制與利用方法[J].中國給水排水,2009,24(14):6-9.

[5] 張煒,車伍,李俊奇,等.植被淺溝在城市雨水利用系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].給水排水,2008,32(8):33-37.