城市排水管道系统设计计算的进展

2　管线的平面优化布置
　　研究人员在解决已定管线下的排水管道系统优化问题的同时就已经指出，对不同定线方案的优化选择更具有适用价值。但由于已定管线下的设计是管线平面布置的基础，加上目前已定管线下的优化设计计算并不成熟，造成了系统平面优化布置的进展甚微。
　　最早着手这方面研究的是J.C.Liebman(1976)。在他的研究中，撇开水力因素，假定每一管段管径相同，以挖方费用为优选依据，选择一初始布置方案，然后用试算法逐步进行调整。此后Argaman(1973)和Mays(1976)在平面布置方案中引入排水线(Drainage Line)的概念，将排水区域内与最终出水口节点(即检查井)相距同样可行管段数的节点用一根排水线连接起来。对任一排水线，上游的流量在该排水线流向下游［19］。这样，管线平面布置方案的优选问题转化为最短路问题，可用动态规划法求解。此模型已经考虑到水力因素，但由于排水线的引入，寻优过程的搜索范围被限制在平面布置方案可行域中的很小一部分，即使是具有丰富设计经验的人员亦有可能把最优的方案排除在外。再加上其所需存储最大和计算时间长的特点，此法仍是无法实现。1982年，Walters对该方法进行了改进，曾应用于公路排水系统的设计。
　　随着时间的推移，研究人员发现，城市排水系统平面布置能够抽象为由点和线构成的决策图，于是转向从图论中寻找平面优化布置的方法。1983年，P.R.Bhave和J.F.Borlow将网络图论中的最小生成数算法应用于排水管道系统平面布置方案的优选。假定系统中的每一管段具有相同的权重(Weight)，避开水力因素，用定权方法来求解。1986年，S.Tekel和H.Belkaya又应用了3种权值来解决：(1)各管段地面坡度的倒数；(2)各管段的管长；(3)各管段在满足最小覆土条件下，按最小坡度设计时的挖方量。分别对这3种权值运用最短路生成树算法求管线平面布置方案，再进行管径、埋深和提升泵站的优化设计，最后取投资费用最小的平面方案作为最优设计方案。
　　对于排水管道系统所有可行的管线敷设路径构成的图，各管段的实际权值只有在方案确定以后才能计算出来，因此属于图论中的变权问题，可是到目前为止，图论中的变权问题尚无有效的解决方法。在国内，李贵义(1986)提出了简约梯度法，陈森发(1988)提出了递阶优化设计法［20］，这些方法也得不到令人满意的结果。
　　最近，遗传算法的出现为排水管道系统平面优化布置提供了可能条件，因为遗传算法的运算机制对目标函数和约束条件没有特殊要求。G.A.Walters已经应用遗传算法在城市给水排水、农田灌溉、电缆和煤气管线方面进行研究［21］。
3　雨水径流模型方面的研究
　　我国雨水管渠的设计一直沿用推理公式法，1974年试行、1987年修订的室外排水设计规范都是如此规定。推理公式法的计算方法是假定管渠中水流为均匀流，求得水流在管道中的流行时间；再假定雨水在地面的水流流速等于管渠中的水流流速，降雨历时等于地面集水时间，由暴雨公式求得下一管段的最大设计流量。选择一可行管径作为设计管径，由水力公式求得所需的水力坡度(或选择一可行的水力坡度，来求出所需的可行管径)。

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