城市防涝和排水管网优化设计论文
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
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。
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