城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化概述

王 彬

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化概述

王 彬1

（四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065）

我國(guó)的非點(diǎn)源污染問(wèn)題非常嚴(yán)重，降雨徑流攜帶的農(nóng)藥以及道路沖刷的污染物進(jìn)入河流造成城市河流污染，嚴(yán)重影響了城市內(nèi)河的水環(huán)境。城市排水系統(tǒng)是城市的輸送系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)城市的健康發(fā)展有著不可替代的作用，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的逐漸完善，大城市排水體質(zhì)采用雨污分流已成大勢(shì)。因此,了解城市雨水管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀,合理進(jìn)行排水管網(wǎng)優(yōu)化與調(diào)整是十分必要和緊迫的。本文根據(jù)前人的研究成果，總結(jié)了雨水管網(wǎng)優(yōu)化方法。

雨水管網(wǎng)；優(yōu)化計(jì)算；非點(diǎn)源污染

0 引言

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，雨水管網(wǎng)系統(tǒng)的逐漸完善，城市排水體質(zhì)大都采用雨污分流。當(dāng)大強(qiáng)度降雨時(shí), 排水管網(wǎng)壓力過(guò)大, 雨水無(wú)法及時(shí)排走, 在城區(qū)低洼處形成積水, 嚴(yán)重影響城市交通和居民生活。管網(wǎng)設(shè)計(jì)方案決策以及管網(wǎng)改造對(duì)經(jīng)濟(jì)效益和人們的日常生活產(chǎn)生的影響越來(lái)越大。傳統(tǒng)的雨水管網(wǎng)改造基本上是發(fā)生積水或者排水不暢后，待降雨結(jié)束后再疏通、改造，這種“事后改造”的處理方法不具有系統(tǒng)性，而且工作量大，往往還有反復(fù)性，浪費(fèi)大量的人力財(cái)力，還嚴(yán)重影響了人們的生活。因此,了解城市雨水管網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀,合理進(jìn)行排水管網(wǎng)優(yōu)化是十分必要和緊迫的。

1 非點(diǎn)源污染國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

歐美等國(guó)家對(duì)城市非點(diǎn)源污染研究的歷史已久。20世紀(jì)70年代前，人類開始認(rèn)識(shí)到非點(diǎn)源污染并著手研究，這一時(shí)期的研究多局限于現(xiàn)象的因果分析，沒有定量化的研究[1]。從20世紀(jì)70年代開始，在點(diǎn)源污染得到足夠重視的同時(shí)，人們經(jīng)過(guò)大量的調(diào)查研究，逐漸認(rèn)識(shí)到非點(diǎn)源污染幾乎占到一半。歐美國(guó)家在面源污染物模型方面研究較早，尤其是美國(guó)的研究力度較大、也較為全面[2]。20世紀(jì)80年代初，美國(guó)農(nóng)業(yè)部(USDA)研發(fā)了化學(xué)污染物徑流負(fù)荷與流失模型(CREAM)，為城市徑流污染模型的研究提供了更全面的經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代以后，總結(jié)多年來(lái)城市非點(diǎn)源污染模型的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在提高和完善已建立的模型的同時(shí)，不斷推出新的模型。

我國(guó)研究城市非點(diǎn)源污染起步較晚，20世紀(jì)80年代，隨著湖泊富營(yíng)養(yǎng)化程度的加重才開始意識(shí)到非點(diǎn)源污染的嚴(yán)重性。我國(guó)正式研究城市非點(diǎn)源污染開始于北京的城市徑流污染研究，隨后上海、南京、西安、成都、涪陵等大中城市也逐漸開始研究[3-5]。目前我國(guó)城市非點(diǎn)源污染研究主要集中在城市地表徑流水質(zhì)及污染負(fù)荷定量化計(jì)算方面。夏青[6]研究了北京市城市地表徑流污染狀況，基本上是國(guó)內(nèi)關(guān)于徑流污染最早的研究探索，評(píng)價(jià)了北京市城市地表徑流污染狀況。劉曼蓉等[7]研究了南京市城北地區(qū)暴雨徑流污染狀況，主要測(cè)試了降雨徑流中的污染物濃度，預(yù)測(cè)了排污負(fù)荷。

2 雨水管網(wǎng)優(yōu)化方法

2.1 直接優(yōu)化法

直接優(yōu)化法是根據(jù)排水管網(wǎng)的性能指標(biāo)，直接對(duì)各種方案進(jìn)行比較，選擇可調(diào)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)而言，直接優(yōu)化法具有直觀、直接和容易驗(yàn)證等優(yōu)點(diǎn)。一般有以下幾種直接優(yōu)化法：1.枚舉優(yōu)化法：通過(guò)比較可能的管徑組合，進(jìn)行直接優(yōu)化。該方法負(fù)荷管徑規(guī)格離散有限，對(duì)中小型管網(wǎng)有很好的效果。2.電子表格法：電子表格法（Electronic Spreadsheet）是利用Lotusl-2-3中的“電子表格”統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)以進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化。計(jì)算結(jié)果比動(dòng)態(tài)規(guī)劃發(fā)要好。3.兩相優(yōu)化法：算法與人工計(jì)算基本相同，在確定設(shè)計(jì)流量之后，設(shè)定約束條件，選擇最大充滿度和經(jīng)濟(jì)流速，進(jìn)而得到最優(yōu)管徑、最小坡度、最小管道埋深[8]。

2.2 間接優(yōu)化法

間接優(yōu)化法是指對(duì)排水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中復(fù)雜的約束條件適當(dāng)取舍，把它簡(jiǎn)化、抽象為容易解決的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出最優(yōu)解。常用的間接優(yōu)化法主要有以下幾種：1.線性規(guī)劃：線性規(guī)劃(Linear Programming)是一種最為常用的最優(yōu)化算法?？梢杂糜谂潘艿涝O(shè)計(jì)，也可以分析己建成排水管道運(yùn)行狀況。它需要將所有目標(biāo)函數(shù)和約束條件嚴(yán)格線性化，這種過(guò)分的簡(jiǎn)化脫離了實(shí)際，預(yù)處理工作量大，精度也難以保證。2.非線性規(guī)劃法：非線性規(guī)劃法是Dajani和Gemmell在1972年建立的[9]。它是基于求導(dǎo)原則，可以使計(jì)算管徑與實(shí)際規(guī)格相同，計(jì)算結(jié)果有可能是局部最優(yōu)，卻不是全局最優(yōu)。3.動(dòng)態(tài)規(guī)劃法：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是Mays和Yen在1975年首先引入到排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的。一是以節(jié)點(diǎn)埋深作為狀態(tài)變量，通過(guò)坡度分析直接利用標(biāo)準(zhǔn)管徑，優(yōu)化約束與初始解無(wú)關(guān)，但是計(jì)算中的埋深間隔很小，使計(jì)算存儲(chǔ)量很大。二是以管徑為狀態(tài)變量，通過(guò)流速和充滿度進(jìn)行最優(yōu)解計(jì)算，但標(biāo)準(zhǔn)管徑有限，與以節(jié)點(diǎn)埋深為決策變量方法相較在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和時(shí)間上有顯著優(yōu)勢(shì)。但用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案只是一個(gè)近似的全局最優(yōu)解，是否需要跌水是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的盲區(qū)。4.遺傳算法：遺傳算法(Genetic Algofithms)是一種隨機(jī)優(yōu)化算法，為模擬生物學(xué)中的自然遺傳而提出來(lái)的。在解決中小型管道系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，遺傳算法可以求得趨近于最優(yōu)解的可行方案。

3 結(jié)語(yǔ)

本文就城市雨水管網(wǎng)優(yōu)化的必要性和緊迫性進(jìn)行分析，并對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行了歸納。期望更多的學(xué)者投入到城市雨水管網(wǎng)的優(yōu)化計(jì)算中，合理設(shè)計(jì)城市雨水管道，減少內(nèi)澇災(zāi)害及由此產(chǎn)生的水質(zhì)污染問(wèn)題。

[1]李懷恩. 流域非點(diǎn)源污染模型研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J].水環(huán)境保護(hù), 1996，(2): 14-18.

[2]SpethanJ N.UrbanStormwater Modeling and Simulations [M].N.W.Boca Raton: CRC Press, 1994

[3]賀纏生,傅伯杰,陳利頂.非點(diǎn)源污染的管理及控制[J].環(huán)境科學(xué), 1998, 19(5): 88-91.

[4]宮瑩, 阮曉紅,胡曉東.我國(guó)城市地表水環(huán)境非點(diǎn)源污染的研究進(jìn)展[J].中國(guó)給水排水, 2003, 19(3): 21-23.

[5]吳時(shí)強(qiáng).城市暴雨雨水水質(zhì)管理模型簡(jiǎn)介[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究,1996,8(4):364-369.

[6]夏青.城市徑流污染系統(tǒng)分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),1982,2(4):17-19.

[7]劉曼蓉,曹萬(wàn)金.南京市城北地區(qū)暴雨徑流污染研究[J].水文,1990,34(6):15-19.

[8]郭迎慶,王文標(biāo).直接優(yōu)化法優(yōu)化設(shè)計(jì)城市污水管道系統(tǒng)[J].給水排水,2002,28(2): 37-39.

[9]Li GY, Robert GS M. New Approach for Optimization of Urban Drainage Systems[J]. Journalof Environmental Engineering-ASCE,1990,166(5): 927-944.

G322

B

1007-6344（2016）02-0032-01

1王彬（1990-），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘蟹篮?、排澇與降雨徑流模擬