孙同谦 ，徐 峥

（1.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051；2.天津市排水管理处，天津市 300202）

0 前言

潘庄示范小城镇试点建设项目是天津市重点发展的第四批示范小城镇之一，位于天津市宁河县西部，距京津城区较近，具有一定的区位优势。该区域现状市政基础设施较为落后，远期地域功能定位为居住用地，同时兼有金融、行政和配套设施的功能地块。该区域总体设计思路是构建生态型新型小城镇，为此，市政给排水设计融入优化设计和低影响开发的理念，打造高效、安全、节约型现代化新城镇市政基础设施体系。

1 优化设计与低影响开发应用概述

优化设计理论最初应用于军事及机械设计中，随着数学理论和电子计算机技术的发展，优化设计理念逐渐应用于其他行业。在市政给排水工程项目设计中，所有设计内容可视为一组参数，其中项目设计条件、现状情况及设计规范是已给定参数，需要确定的给排水管道埋深、检查井位置等即为设计变量，综合考虑功能性、可行性、经济型、时间性等因素找到一组最合适的设计变量就是优化设计所需要解决的问题[1]。优化设计步骤包括以下 5 项：建立数学模型、选择最优化算法、程序设计、制定目标要求、筛选最优方案[2]。在市政给排水工程项目的优化设计中同样也分为 5 个步骤：根据不同类型管道建立水力模型、根据项目特点选择适用于本项目的设计方法、以规范等条件为依据进行给排水设计、确定供水要求或排水出路等目标要求、选定最佳方案。

低影响开发（Low Impact Development，LID）是指基于模拟自然水文条件原理，采用源头控制理念实现雨洪控制与利用的一种雨水管理方法[3]。LID 作为改进型措施，能够降低区域内径流量、污染负荷并改善其对受纳水体的影响，与传统方法相比，LID 还能降低项目开发的费用[4]。基于低影响开发理论，源头控制理念已被广泛应用于国内外市政给排水项目中，通过低影响开发措施，不仅能够有效控制和利用雨洪，还能降低项目开发对自然的冲击负荷，实现可持续发展。

2 优化设计在项目中的应用

2.1 设计周期的优化

在市政工程项目设计中，由于设计周期普遍较短，设计人往往会根据以往设计经验，仓促完成设计任务，为控制工程工期，很快进入施工阶段，施工阶段产生问题后再通过设计变更弥补设计不足。由于在设计阶段缺乏对项目本身特点及条件的调研，没有考虑和预测后期施工阶段所遇到的情况，设计变更往往造成的是“硬性变更”，即变更本身只能“就事论事”地解决“问题的一点”，此时很难再考虑该变更对整个项目其他方面的影响，已完成施工的部分就很难与该点上发生的变更完全匹配，不仅会造成设计的缺憾，也会增加项目中不必要的成本浪费。

市政工程项目的设计周期分配通常是方案阶段、初步设计阶段和施工图阶段所占时间平均分配，根据项目复杂程度，部分项目会将时间分配为：施工图阶段＞初步设计阶段＞方案阶段。这种传统的设计周期分配有时会造成以下问题：已经进入初步设计阶段或施工图设计阶段，由于前期方案设计时间仓促，没有完全将可能发生的问题暴露，所以不得不重新进行方案设计，耽误设计周期的同时还重复劳动，造成资源浪费。

在潘庄示范小城镇市政工程设计中，为避免设计周期对设计质量的影响，在不改变整体设计周期的条件下，在设计周期的分配上倒置传统设计周期，即时间分配为：方案阶段＞初步设计阶段＞施工图阶段。在设计深度的要求上加深每个阶段的设计深度，即方案阶段尽可能按初步设计深度进行设计、初步设计阶段尽可能以施工图标准要求出图。采用该种设计周期分配方法，方案设计阶段通过方案比较和论证完全确定了雨水系统划分、给水和污水管网的分布，尽管整个设计任务在方案阶段停留时间较长，但能够保证后期设计完全可以在前期设计的基础上开展，避免重复设计。

2.2 地块内外市政联动设计

地块内外市政设计常被称作大市政和小市政设计，大小市政设计范围以市政道路红线为分界，地块内为小市政设计范围，地块外为大市政设计范围。通常大市政由政府投资建设，小市政由开发商自行设计并投资开发。潘庄示范小城镇试点建设项目是由政府委托开发商组织实施，所以该项目的大小市政皆由同一单位开发建设，这就为地块内外市政联动设计提供便利条件。在一般区域市政设计中，大市政建设是先于小市政建设，所以在小市政设计时，既有的大市政设计成果作为小市政的设计条件，如果在小市政与大市政对接过程中出现管线“绕道”或“排水管道上游标高低于下游标高”等问题，就会使整个设计处于很不利的状态。

地块内外联动设计的关键节点在于内外衔接处的设计，为优化整个设计方案，联动设计进行了一系列方案优化：

（1）重新核算径流系数。在方案设计阶段，根据区域规划资料所提供的设计条件能够计算不同地块的径流系数，进而了解整个区域的径流情况。在实际地块内设计时各种建筑面积与规划不尽相同，所有会导致区域径流系数有所出入。一方面需要根据实际地块内设计重新核算市政雨水管道能否满足变化后的径流情况，另一方面还需要为小市政设计提供径流系数方面的设计条件，倘若地块内径流系数过大，应采取渗透、调蓄等措施控制径流系数，使大市政设计的雨水管道满足排水要求。图1为该项目某地块规划阶段和设计阶段建筑面积有所差异。重新核算后，该地块的径流系数过大，以现有径流系数设计大市政雨水管道会造成本段雨水管道管径增大一级，所以该地块内需采取雨水调蓄池等源头滞洪方式控制径流系数。

图1 规划阶段与设计阶段不同类型建筑面积分布

（2）排水预埋支管根据实际情况确定参数。在市政设计中，排水干管应根据情况为两侧地块预埋收水支管，支管位置及标高根据设计条件及资料确定。在优化设计前，设计人根据设计经验初步确定污水干管起始覆土 1.8 m，雨水干管起始覆土1.5 m，为道路两侧地块预埋给排水支管间隔100～120 m。在与地块内设计相结合后，优化设计中设计人重新确定了设计参数：排水管道起始标高根据地块内设计埋深进行确定；给排水预埋支管位置完全根据地块内设计进行调整。优化设计前后污水管道系统见图2。将地块内污水管道排出位置设计在距离污水干管更近的位置，在其他条件不变的情况下，一方面可以缩短大市政污水干管敷设长度，另一方面无需根据经验布设收水支管及收水井，只需在地块内污水排出位置附近设置收水井和收水支管即可。雨水管道优化设计原则与污水管道相似，也可以根据地块内设计调整，在地块内雨水排出位置附近设置收水井和收水支管；与污水管道优化设计不同的是，雨水管道设计无法缩短管道敷设长度，在无地块内雨水汇入的管道部分只收集路面雨水即可，所以雨水管道优化设计可以减小起始管段的管径。

3 低影响开发在项目中的应用

3.1 河道设计

图2 污水管道的优化设计

潘庄示范小城镇现状河道、水渠较丰富，多为灌溉水渠，河流水面面积约 4.5 hm2。设计区域水系功能定位包括以下四项：削减洪峰，防止内涝，保护城镇安全；发挥储水功能，作为绿化和道路浇洒的部分水源；削减污染负荷，提供良好的生物生息环境，保障水体水质；景观功能。对于河道的设计遵循以下几个原则：确保排涝能力，正常情况下在低水河槽流动，暴雨时河水水位上涨，河道泄洪、调蓄能力增强；尽量营造多样化的河流流态，避免直线化、样板化断面，最大限度地利用河流的自塑能力；创造连续环境条件，上下游贯通，与区域外水系连通，保持环境与生态的连续性；确保水循环及生物自由移动，保持陆水畅通，避免下渗阻断。河道复合型断面设计见图3。非暴雨季节，河道处于常水位，两侧缓坡带可以作为绿地、运动场、停车场等加以利用；当发生大暴雨时，可以利用常水位和最高水位之间的空间调蓄暴雨量，减少洪峰对周边及下游的影响；待暴雨过后，通过下渗、蒸发、排放等措施可以恢复至正常水位。

图3 河道复合型断面设计

3.2 渗透性铺装设计

逕流系数减小，硬化面积的增加会导致封闭性区域雨水表面汇集，增大雨水径流系数，间接导致雨水管道设计管径增加，提高工程投资。利用渗透性铺装可以有效降低不透水面积，增加雨水渗透，在潘庄示范小城镇项目中路面采用渗透性材料代替传统不透水混凝土或沥青，在地块内人行道和停车场设计中采用多孔沥青、多孔混凝土和草皮砖。通过上述铺装方式使路面保持良好的透水性，不仅可以控制区域内径流系数，还能滞留污染物，增加生物降解效率。

3.3 下凹形绿化带设计

下凹型绿地又被称作植被浅沟或低势绿地，通过植草沟滞留、过滤及渗透等作用，一方面能够降低径流流量，调蓄峰流量，另一方面还能有效去除雨水径流中的多数悬浮颗粒污染物和部分溶解态污染物[5]。在潘庄示范小城镇项目设计中，道路两侧绿化带采用下凹型设计，绿化带间隔一定距离设置排出口。雨水以自流方式进入绿地后大部分通过下渗、截流等方式处理，另一部分难以处理的雨水由下凹处的盲管收集后通过排出口排入道路两侧预留的雨水收水井，通过收水支管汇入雨水干管，最终排出绿地，避免绿地积水过多。

4 结语

在市政给排水项目设计中，方案比选、可行性研究中离不开优化设计，不同类型的项目也会有不同针对点、不同侧重点的优化设计，所有的优化设计都是基于对项目的合理化实施，从项目的发展、运行和管理角度看，优化设计的确起着重要的作用。低影响开发理念在市政给排水项目中的应用并不少见，也有少数项目完全遵循 LID 真正实现，但由于市政项目所涉及的专业、部门较多，在实施过程中也会受造价投资、运行维护是否方便、整体设计是否美观等因素制约，所以 LID 很难完全推广应用。在市政给排水项目设计中，合理利用部分 LID 理念或通过改善使其与项目有机结合，通过优化设计能够突破项目瓶颈，推动设计合理化、高效化。

[1] 李明.市政工程项目优化方案的合理性分析[J].中国市政工程,2007(3):60-62.

[2] 邵陆寿.优化设计方案[M].北京:中国农业出版社,2007.

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

[4] 王建龙,车伍,易红星.基于低影响开发的城市雨洪控制与利用方法[J].中国给水排水,2009,24(14):6-9.

[5] 张炜,车伍,李俊奇,等.植被浅沟在城市雨水利用系统中的应用[J].给水排水,2008,32(8):33-37.