王 彬

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065）

城市雨水管网优化概述

王 彬1

（四川大学建筑与环境学院，四川 成都 610065）

我国的非点源污染问题非常严重，降雨径流携带的农药以及道路冲刷的污染物进入河流造成城市河流污染，严重影响了城市内河的水环境。城市排水系统是城市的输送系统，对整个城市的健康发展有着不可替代的作用，随着城市规模的不断扩大，雨水管网系统的逐渐完善，大城市排水体质采用雨污分流已成大势。因此,了解城市雨水管网运行现状,合理进行排水管网优化与调整是十分必要和紧迫的。本文根据前人的研究成果，总结了雨水管网优化方法。

雨水管网；优化计算；非点源污染

0 引言

随着城市规模的不断扩大，雨水管网系统的逐渐完善，城市排水体质大都采用雨污分流。当大强度降雨时, 排水管网压力过大, 雨水无法及时排走, 在城区低洼处形成积水, 严重影响城市交通和居民生活。管网设计方案决策以及管网改造对经济效益和人们的日常生活产生的影响越来越大。传统的雨水管网改造基本上是发生积水或者排水不畅后，待降雨结束后再疏通、改造，这种“事后改造”的处理方法不具有系统性，而且工作量大，往往还有反复性，浪费大量的人力财力，还严重影响了人们的生活。因此,了解城市雨水管网运行现状,合理进行排水管网优化是十分必要和紧迫的。

1 非点源污染国内外研究现状

欧美等国家对城市非点源污染研究的历史已久。20世纪70年代前，人类开始认识到非点源污染并着手研究，这一时期的研究多局限于现象的因果分析，没有定量化的研究[1]。从20世纪70年代开始，在点源污染得到足够重视的同时，人们经过大量的调查研究，逐渐认识到非点源污染几乎占到一半。欧美国家在面源污染物模型方面研究较早，尤其是美国的研究力度较大、也较为全面[2]。20世纪80年代初，美国农业部(USDA)研发了化学污染物径流负荷与流失模型(CREAM)，为城市径流污染模型的研究提供了更全面的经验。20世纪90年代以后，总结多年来城市非点源污染模型的应用经验，在提高和完善已建立的模型的同时，不断推出新的模型。

我国研究城市非点源污染起步较晚，20世纪80年代，随着湖泊富营养化程度的加重才开始意识到非点源污染的严重性。我国正式研究城市非点源污染开始于北京的城市径流污染研究，随后上海、南京、西安、成都、涪陵等大中城市也逐渐开始研究[3-5]。目前我国城市非点源污染研究主要集中在城市地表径流水质及污染负荷定量化计算方面。夏青[6]研究了北京市城市地表径流污染状况，基本上是国内关于径流污染最早的研究探索，评价了北京市城市地表径流污染状况。刘曼蓉等[7]研究了南京市城北地区暴雨径流污染状况，主要测试了降雨径流中的污染物浓度，预测了排污负荷。

2 雨水管网优化方法

2.1 直接优化法

直接优化法是根据排水管网的性能指标，直接对各种方案进行比较，选择可调参数进行计算。相对而言，直接优化法具有直观、直接和容易验证等优点。一般有以下几种直接优化法：1.枚举优化法：通过比较可能的管径组合，进行直接优化。该方法负荷管径规格离散有限，对中小型管网有很好的效果。2.电子表格法：电子表格法（Electronic Spreadsheet）是利用Lotusl-2-3中的“电子表格”统计数据和分析数据以进行管网优化。计算结果比动态规划发要好。3.两相优化法：算法与人工计算基本相同，在确定设计流量之后，设定约束条件，选择最大充满度和经济流速，进而得到最优管径、最小坡度、最小管道埋深[8]。

2.2 间接优化法

间接优化法是指对排水管网设计中复杂的约束条件适当取舍，把它简化、抽象为容易解决的数学模型，计算得出最优解。常用的间接优化法主要有以下几种：1.线性规划：线性规划(Linear Programming)是一种最为常用的最优化算法。可以用于排水管道设计，也可以分析己建成排水管道运行状况。它需要将所有目标函数和约束条件严格线性化，这种过分的简化脱离了实际，预处理工作量大，精度也难以保证。2.非线性规划法：非线性规划法是Dajani和Gemmell在1972年建立的[9]。它是基于求导原则，可以使计算管径与实际规格相同，计算结果有可能是局部最优，却不是全局最优。3.动态规划法：动态规划法是Mays和Yen在1975年首先引入到排水管道系统优化设计中的。一是以节点埋深作为状态变量，通过坡度分析直接利用标准管径，优化约束与初始解无关，但是计算中的埋深间隔很小，使计算存储量很大。二是以管径为状态变量，通过流速和充满度进行最优解计算，但标准管径有限，与以节点埋深为决策变量方法相较在计算机存储和时间上有显著优势。但用动态规划法求出优化设计方案只是一个近似的全局最优解，是否需要跌水是动态规划法的盲区。4.遗传算法：遗传算法(Genetic Algofithms)是一种随机优化算法，为模拟生物学中的自然遗传而提出来的。在解决中小型管道系统问题时，遗传算法可以求得趋近于最优解的可行方案。

3 结语

本文就城市雨水管网优化的必要性和紧迫性进行分析，并对其计算方法进行了归纳。期望更多的学者投入到城市雨水管网的优化计算中，合理设计城市雨水管道，减少内涝灾害及由此产生的水质污染问题。

[1]李怀恩. 流域非点源污染模型研究进展与发展趋势[J].水环境保护, 1996，(2): 14-18.

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

[3]贺缠生,傅伯杰,陈利顶.非点源污染的管理及控制[J].环境科学, 1998, 19(5): 88-91.

[4]宫莹, 阮晓红,胡晓东.我国城市地表水环境非点源污染的研究进展[J].中国给水排水, 2003, 19(3): 21-23.

[5]吴时强.城市暴雨雨水水质管理模型简介[J].水利水运科学研究,1996,8(4):364-369.

[6]夏青.城市径流污染系统分析[J].环境科学学报,1982,2(4):17-19.

[7]刘曼蓉,曹万金.南京市城北地区暴雨径流污染研究[J].水文,1990,34(6):15-19.

[8]郭迎庆,王文标.直接优化法优化设计城市污水管道系统[J].给水排水,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

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1007-6344（2016）02-0032-01

1王彬（1990-），男，在读硕士研究生，研究方向为城市防洪、排涝与降雨径流模拟