水是人类生活的必要条件,通过人类的生活、生产就形成了污水排放。污水管网系统是用来收集、输送污水的城市基础设施,是排水系统的重要构成部分,对城市污水的治理有着极其重要的作用和地位。污水管网是城市地下大动脉,污水管网系统设计是否合理直接关系到城市水污染治理效果,影响到城市生态环境和居民生活环境。而且,城市污水管网建设在排水工程建设投资中占比例很大,污水管网工程造价占到整个排水工程的70%。因此污水管网系统进行合理优化是十分必要的,具有良好的社会、环境和经济效益。济南又称“泉城”,泉水在济南的历史发展中占有极其重要的作用和地位。在城市发展过程中,济南也面临污水管网设施建设滞后和水生态环境被破坏的问题。城市污水管网建设普遍存在投资不足、设计缺陷、污水收集率低等率低等情况,导致大量污水排入河道,形成黑臭水体。这种情况造成了城市水体环境进一步恶化,小清河污染严重氨氮持续超标,济南市城区污水管网系统亟需进行优化。本文以小清河流域水质污染为背景,解决济南市城区污水管网系统问题为依托,对城区污水管网系统进行优化研究。首先通过对济南市城区污水管网系统现状详致调查,分析了济南市污水管网系统存在的问题。综合排水体制优缺点和济南市现状实际情况,确定在济南市城区新改建地区采用雨污分流排水体制,老城区结合老城改造逐步改造为完全分流制。确定排水体制和排水分区后,通过污水量预测和流量水力计算确定了各污水分区污水管网系统平面布局方案。在确定了济南市城区污水管网系统排水体制和平面布局后,利用直接优化法对污水管网水力参数进行优化设计。通过设置目标函数、约束条件和设计变量,建立了污水管网数学模型。在污水管网模型优化求解过程中,通过同时对坡度和流速控制的方法,并采用二分法逼近流速和二分法逼近坡度的方法求解充满度,对模型设计参数进行优化求解,得到污水管网最优敷设设计参数。通过对优化方法的分析验证,可以得出在采用优化方法以后管网在流速、坡度、充满度等水力参数得到优化设计,并使得工程总体造价降低了4.21%。依据污水管网直接优化法研究成果,实施了济南市污水处理一、三厂管道连通工程。利用直接优化法管网模型对污水管网设计参数进行了优化调整。通过对优化前后工程方案的经济比较,可知优化后工程造价降低约7.7%。工程实施后管道运行安全稳定,管道调水效果明显,每天大约有3万m~3污水从一厂调入三厂,缓解了小清河污水溢流情况。通过工程实例确定了污水管网优化设计的效果,直接优化法应用方便,在污水管网优化设计中的优越性得到体现,具有良好的社会效益和经济效益。