（环境工程专业论文）污水管网的优化设计.pdf

摘要 本文着重研究了排水管网在平面布置给定的条件下的优化设计问题。 在城市 排水管网系统的最优布局必为树状结构理论的基础上，对于污水管网的优化设 计， 采用了图论中树形结构的理论来描述污水管网， 提出用三叉树的形式来把污 水管网的网络结构转化为计算机语言， 把管段看作树形结构中的节点作为研究对 象， 管段的所有信息都存贮在节点信息中， 树形结构数据存贮方式在于容易判断 有无分支， 且自 动判断每个管段的流向; 利用树的遍历中的后序法 ( 即节点递归 算法) 来进行水力计算， 经一次计算即可完成对整个管网计算的优化， 并且还可 有效地控制某些节点的水力参数; 在优化计算时采取了枚举标准管径法来选取管 径， 大大提高了 运算速度; 采用了污水管网优化理论中的直接优化法对污水管网 进行了优化设计; 建立了污水管网的数学模型， 而且在优化程序中比较造价最低 寻求最优时， 同时考虑了管道费用和泵站费用， 因此得出的优化计算结果更为合 理、更贴近实际。笔者用d e l p h i 语言编制了污水管网 优化程序，可视化较强， 且增加了人机对话功能; 建立了存贮污水管网原始数据和计算结果的数据库， 便 于计算结果的存取和修改。 笔者所编写的优化计算程序适用于任何规模的污水管 网的优化计算; 最后用某一小区的污水管网对此程序进行了实例考核， 其程序设 计思路可推广到雨水管道的优化，为排水管网的全局优化提供了一种有效的方 法 。 关键字:污水管网: 树形结构; 优化;费 用模型; 水力模型 ab s t r a c t t h i s p a p e r f o c u s e s o n o p t im a l d e s i g n f o r g i v e n l a y o u t o f s e w e r n e t w o r k s . b e c a u s e t h e b e s t la y o u t o f a s e w e r s y s t e m i s u s u a l l y t r e e - s h a p e d , t h e t h e o r y o f t r e e - s h a p e d s t r u c t u r e c a n b e a p p l i e d t o s e w e r n e t w o r k s . b a s e d o n g r a p h t h e o r y , 3 - a r y t r e e i s p u t f o r w a r d t o b e a p p l i e d t o s e w e r n e t w o r k s , s o a l l t h e i n f o r m a t io n o f a s p e c i f i e d s e w e r n e t w o r k c a n b e t r a n s l a t e d in t o c o m p u t e r l a n g u a g e s : a p i p e i s c o n s i d e r e d a s a n o d e o f a t r e e , a n d a l l t h e i n f o r m a t i o n i s s t o r e d i n t h e n o d e i n f o r m a t i o n . t h e m o d e o f t r e e d a t a s t ru c t u r e c a n t e l l e a s i l y w h e t h e r t h e r e a r e b r a n c h e s o r n o t a n d t h e d i r e c t i o n s o f t h e w a s t e w a t e r fl o w s i n t h e p ip e s . b y s t u d y i n g a l l t h e me t h o d s o f i t e r a t i n g b i n a ry t r e e s , i n c l u d i n g p r e - o r d e r , i n - o r d e r , a n d p o s t - o r d e r t r a v e r s a l s , w e f i n d t h a t p o s t - o r d e r t r a v e r s a l i s f i t f o r s e w e r n e t w o r k s . s o i n t h i s p a p e r , t h e r e c u r s i v e a l g o r i th m o f p o s t - o r d e r t r a v e r s a l i s a p p l i e d t o h y d r a u l i c c a l c u l a t i o n . o p t i m i z a t i o n c a n b e f i n i s h e d b y o n e c a l c u l a t i o n . t h r o u g h t h e o p t i m a l c a lc u l a t i o n e n u m e r a t i n g s t a n d a r d d i a m e t e r s i s u s e d t o , w h i c h c a n s p e e d u p t h e c a l c u l a t i o n a n d s a v e t i me . t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l s o f s e w e r n e t w o r k s a r e d i s c u s s e d a n d b u i l t , in c l u d i n g c o s t m o d e l a n d h y d r a u l i c m o d e l . t h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e m i n i m u m c o s t i n c l u d i n g p i p e s c o s t a n d p u m p i n g s t a t i o n c o s t . t h e o p t i m a l d e s i g n p r o g r a m i s d e v e l o p e d w i t h d e l p h i l a n g u a g e . t h e p r o g r a m h a s t h e c h a r a c t e r s o f g o o d v i s i b l e i n t e r f a c e , e x c e l l e n t m a n - m a c h in e c o n v e r s a t i o n , b e tt e r a d a p t a b i l i t y a n d s o o n . f i n a l l y , a c a s e o f a p r a c t i c a l s e w e r n e t w o r k i n t i a n j i n c it y i s p e r f o r m e d w it h t h i s p r o g r a m . a s t h e s a m e w a y , t h i s o p t i m a l d e s i g n m e t h o d c a n b e a p p l i e d t o s t o r m s e w e r n e t wo r k s . k e y w o r d s : s e w e r n e t w o r k , t r e e , o p t i m a l d e s i g n , c o s t m o d e l , 勿d r a u l i c m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 己 经 发 表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 - at生 叁 上 或 其 他 教 育 机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 二g 吸 签 字 日 期 : . ,w j 年: 月i 日 学位论文版权使用授权书 ， 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解 玉 建鱼有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 al 建大生一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进行检索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 3 o 咬 导师签名: 签 字 日 期 : 今 年 月) 日 签字日期:* 1204* 月日 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题的提出及研究意义 随着我国城市建设的迅速发展，各个城市对市政建设和环境治理日 益重视。 如果把给水工程称为城市 “ 动脉”的话，那么排水工程就是城市的 “ 静脉” 。很 难设想， 现代文明城市能够离开排水工程而独立存在。 城市排水管网工程设施是 重要的城市基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程。 排水工程设施建设的好坏直接决定着城市的发展水平， 影响着城市景观和卫生环 境，影响着城市的投资环境，甚至关系到城市的安全。 当今的计算机科学己成为新技术的带头学科和先导技术， 强有力地推动世界 从社会工业化向社会信息化的方向发展。 随着计算机的发展， 各行各业对设计的 要求越来越高，从初步利用计算机绘图和简单的计算，到利用计算机优化计算、 优化设计和管理系统， 均说明了计算机在各个领域所起到的作用， 以及带来的经 济效益。 给水排水工程的设计同样向优化设计发展，以提高设计效率， 降低工程 建设投资， 优化给水排水工程设施的运行和管理。 排水管网系统的最优化计算和 设计的研究工作应以最优化数学理论为基础， 以经济因素为目标函数， 以水力要 素为约束条件， 寻求造价最低、 水力最优即技术可行、 经济合理的排水管网系统 设计方案。 随着改革开放的不断深化， 国民经济的不断发展， 城市建设日 新月异， 就市政投资而言， 每年投资额度有限， 怎样充分利用有限资金， 多上项目， 建好 工程，成为研究的重要课题。 在传统排水管道设计中的水力与高程计算， 是一项工作量很大的、 简单机械 的迭代计算， 它既费时又枯燥， 而这样一项劳动的成果， 也很可能得不出一个最 优的， 或者说较优的设计方案。 尽管设计手册中列出了通过多年经验总结而形成 的通用计算方法， 但即使是最有经验的工程设计人员， 也不可能每个方案进行定 量的比 较， 只能考虑其中的一部分情况。 这样最优设计方案就会被遗漏， 导致排 水管道系统投资出现不必要的浪费， 同样还会给施工和以后的管理带来困难。 而 且在市政建设和环境治理工程中， 城市排水管道系统的投资占整个排水系统投资 的 7 0 % 左右。有些学者指出，一般传统方法计算出的方案要比 最优设计方案费 用高出5 %到巧%。 系统规模越大， 复杂性越高， 通过优化设计后可节省的潜在 费用越多。 给水排水工程的设计计算从手算到电算， 从凭经验设计到优化设计是与计算 方法、 计算工具的发展过程相适应的。 以往给水排水工程基本上是依靠已有设备 第一章绪论 第一章 绪论 1 . 1 课题的提出及研究意义 随着我国城市建设的迅速发展，各个城市对市政建设和环境治理日 益重视。 如果把给水工程称为城市 “ 动脉”的话，那么排水工程就是城市的 “ 静脉” 。很 难设想， 现代文明城市能够离开排水工程而独立存在。 城市排水管网工程设施是 重要的城市基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防涝、防洪的骨干工程。 排水工程设施建设的好坏直接决定着城市的发展水平， 影响着城市景观和卫生环 境，影响着城市的投资环境，甚至关系到城市的安全。 当今的计算机科学己成为新技术的带头学科和先导技术， 强有力地推动世界 从社会工业化向社会信息化的方向发展。 随着计算机的发展， 各行各业对设计的 要求越来越高，从初步利用计算机绘图和简单的计算，到利用计算机优化计算、 优化设计和管理系统， 均说明了计算机在各个领域所起到的作用， 以及带来的经 济效益。 给水排水工程的设计同样向优化设计发展，以提高设计效率， 降低工程 建设投资， 优化给水排水工程设施的运行和管理。 排水管网系统的最优化计算和 设计的研究工作应以最优化数学理论为基础， 以经济因素为目标函数， 以水力要 素为约束条件， 寻求造价最低、 水力最优即技术可行、 经济合理的排水管网系统 设计方案。 随着改革开放的不断深化， 国民经济的不断发展， 城市建设日 新月异， 就市政投资而言， 每年投资额度有限， 怎样充分利用有限资金， 多上项目， 建好 工程，成为研究的重要课题。 在传统排水管道设计中的水力与高程计算， 是一项工作量很大的、 简单机械 的迭代计算， 它既费时又枯燥， 而这样一项劳动的成果， 也很可能得不出一个最 优的， 或者说较优的设计方案。 尽管设计手册中列出了通过多年经验总结而形成 的通用计算方法， 但即使是最有经验的工程设计人员， 也不可能每个方案进行定 量的比 较， 只能考虑其中的一部分情况。 这样最优设计方案就会被遗漏， 导致排 水管道系统投资出现不必要的浪费， 同样还会给施工和以后的管理带来困难。 而 且在市政建设和环境治理工程中， 城市排水管道系统的投资占整个排水系统投资 的 7 0 % 左右。有些学者指出，一般传统方法计算出的方案要比 最优设计方案费 用高出5 %到巧%。 系统规模越大， 复杂性越高， 通过优化设计后可节省的潜在 费用越多。 给水排水工程的设计计算从手算到电算， 从凭经验设计到优化设计是与计算 方法、 计算工具的发展过程相适应的。 以往给水排水工程基本上是依靠已有设备 第一章绪论 所取得的经验进行设计、 施工、 运行和管理的。自 二十世纪六十年代j : 始，国外 有关学者在经验总结和分析的基础上， 逐步建立起了各种给水排水工程系统或过 程的数学模型， 从而发展到了以 定量和半定量为标志的给水排水工程” 合理设计 和管理”的阶段。 与此同时， 随着系统分析方法、 计算技术和电子计算机手段的 发展， 对于各种类型的给水排水系统， 开展了最优化的研究与实践，自 七十年代 至今， 美国、 日本和欧洲的一些发达国家， 在给水排水管道和处理工程系统方面 不仅在方法学和计 一 算机程序上取得了各种研究成果， 而且日 益广泛地将其所研制 的各种计算程序软件应用于给水排水工程的计算机辅助设计和自 动化运行管理 上，并显示了明显的效益。不仅把设计人员从查阅图表的繁杂过程中解脱出来， 加快了设计进度， 而且整个排水管道系统得到了设计优化， 提高了设计质量。 所 确定的最优方案与传统方法相比，可以降低t o %以上的工程造价。 随着计算机应用的普及和各种优化理论的不断完善和发展， 如何对排水管网 进行优化设计成为市政工程中十分关注的课题。 传统的排水管道的设计计算方法 是“ : 设计人员在掌握了 较为完 整可靠的设计基础资 料之后， 按照管道定线和平 面布置的原则， 确定出一种较为合理的污水管道平面布置图， 然后计算出各设计 管段的设计流量， 以有关的设计规定作为控制条件， 从上游到下游依次进行各设 计管段的水力计算， 求出各管段的管径、 坡度以及在检查井处的管底标高和埋设 深度。 计算中一般只是凭经验对管段的管径和坡度等进行适当的调整， 以求达到 经济合理的目的， 但其合理程度受到设计人员个人能力的限制; 另一方面大多数 计算反复查阅图和表的方法进行， 工作效率低， 时间长。 从根本上解决这一问题 需要现代化优化计算技术基础的同时借助于计算机才能完成设计计算工作。 排水管渠的优化一般涉及四个方面的内容: ( 1 ) 一个城市最佳排水分区数量和集水范围的确定; ( z 最佳管线布置形式的确定; ( 3 ) 管线布置形式给定条件下管系的优化设计; ( 4 ) 雨水径流模型的建立; 本课题主要研究第三个方面的内容:关于管线布置给定下管系的优化设计。 己定管线下排水管道优化设计的基本依据可从以下分析中直观地看出: ( 1 ) 对于某一设计管段，当设计流量确定后，满足设计规范要求的管径和坡 度( 埋深) 的组合有多种， 这些管径与坡度的选用存在管材费用与敷设费用平 衡问题。 如果选用的管径大，则相应的设计坡度小， 其埋深就小， 这样需要 的 管材费 用高 而 敷设 费 用 低; 如 果 选用的 管 径小， 则 相应的 设计 坡度 大， 其 埋深就大， 这样需要的管材费用小而敷设费用高。 对于该管段而言， 总存在 一组管径与坡度( 埋深) 组合，使得其建设费用最省( 建设费用=管材费用十 第一章绪论 敷设费用) 。 ( 2 ) 对于由许多管段组成的管道系统。前一管段的设计结果直接影响到后续 管段参数的选用， 某一管段的设计参数最优， 并不一定能使整个管道系统最 优。 因此， 为了使整个工程为最优， 往往要求某些局部管段做出一定的牺牲， 这也是对全局优化思想的一种解释。 1 . 2 工程设计的优化方法2 8 1 设计科研人员在工程实践活动中，采用的优化方法通常有以下几种: ( 1 ) 直觉优化:直觉优化又分直觉选择性优化和直觉判断性优化。前者是设 计者在设计过程中根据有限的几个方案。经过初步的分析计算，按照设计指 标的好坏选择其最佳者的一种方法;后者是设计者根据经验和直觉知识， 毋 需通过分析计算就作判断性选择的一种方法。 直觉优化方法是重要的、 简易 的方法， 但它取决于设计者直觉知识的广泛性、经验判断的推理能力及丰富 的设计技艺。 ( 2 ) 试验优化:当对设计对象的机理不是很清楚、或对其制造与施工经验不 足、各个参数对设计指标的主次影响难以分清时， 试验优化是一种可行的优 化设计方法。根据模型试验所得结果，可以寻找出最优方案。 ( 3 ) 价值分析优化:价值分析优化首先需要建立一个价值表，列出各项指标 的技术或经济价值， 然后根据各项指标的重要程度引入权系数，再计算出各 种方案的各项指标的使用价值， 统计出各个方案的总使用价值， 其数值最大 者，即为最优方案。 ( 4 ) 数值计算优化: 数值计算优化是指一些用数学方法来求最优方案的方法。 现代的数值计算优化都是以使用计算机的数值计算为其主要特征。 在工程优 化设计中，应用效果较好的是数学规划中的几种方法。 长期以 来， 给水排水工程基本上是依靠已有装置所取得的经验或模型试验所 得结果进行设计、运行和管理，在不同程度上运用了直觉优化和试验优化方法。 自 2 0 世纪6 0 年代开始， 国际上在总结经验和数理分析的基础上， 逐步建立了各种 给水排水工程系统或过程的数学模式。 与此同时， 随着系统分析方法、 计算技术 和电子计算机的发展， 对于各种类型的给排水系统， 开展了最优化的研究和实践。 自 7 0 年代至今， 美国、日 本、 前苏联和欧洲各国， 在给排水管道和水处理等工程 系统方面， 不仅在方法学和计算机程序上取得了许多研究成果， 而且日 益广泛地 将其所研制的各种计算机软件应用于给排水工程的计算机辅助设计和自 动化运 行管理上， 并显示了明显的效益。 本文研究的重点是选用数值计算方法解决排水 系统优化设计的问题。 第一章绪论 敷设费用) 。 ( 2 ) 对于由许多管段组成的管道系统。前一管段的设计结果直接影响到后续 管段参数的选用， 某一管段的设计参数最优， 并不一定能使整个管道系统最 优。 因此， 为了使整个工程为最优， 往往要求某些局部管段做出一定的牺牲， 这也是对全局优化思想的一种解释。 1 . 2 工程设计的优化方法2 8 1 设计科研人员在工程实践活动中，采用的优化方法通常有以下几种: ( 1 ) 直觉优化:直觉优化又分直觉选择性优化和直觉判断性优化。前者是设 计者在设计过程中根据有限的几个方案。经过初步的分析计算，按照设计指 标的好坏选择其最佳者的一种方法;后者是设计者根据经验和直觉知识， 毋 需通过分析计算就作判断性选择的一种方法。 直觉优化方法是重要的、 简易 的方法， 但它取决于设计者直觉知识的广泛性、经验判断的推理能力及丰富 的设计技艺。 ( 2 ) 试验优化:当对设计对象的机理不是很清楚、或对其制造与施工经验不 足、各个参数对设计指标的主次影响难以分清时， 试验优化是一种可行的优 化设计方法。根据模型试验所得结果，可以寻找出最优方案。 ( 3 ) 价值分析优化:价值分析优化首先需要建立一个价值表，列出各项指标 的技术或经济价值， 然后根据各项指标的重要程度引入权系数，再计算出各 种方案的各项指标的使用价值， 统计出各个方案的总使用价值， 其数值最大 者，即为最优方案。 ( 4 ) 数值计算优化: 数值计算优化是指一些用数学方法来求最优方案的方法。 现代的数值计算优化都是以使用计算机的数值计算为其主要特征。 在工程优 化设计中，应用效果较好的是数学规划中的几种方法。 长期以 来， 给水排水工程基本上是依靠已有装置所取得的经验或模型试验所 得结果进行设计、运行和管理，在不同程度上运用了直觉优化和试验优化方法。 自 2 0 世纪6 0 年代开始， 国际上在总结经验和数理分析的基础上， 逐步建立了各种 给水排水工程系统或过程的数学模式。 与此同时， 随着系统分析方法、 计算技术 和电子计算机的发展， 对于各种类型的给排水系统， 开展了最优化的研究和实践。 自 7 0 年代至今， 美国、日 本、 前苏联和欧洲各国， 在给排水管道和水处理等工程 系统方面， 不仅在方法学和计算机程序上取得了许多研究成果， 而且日 益广泛地 将其所研制的各种计算机软件应用于给排水工程的计算机辅助设计和自 动化运 行管理上， 并显示了明显的效益。 本文研究的重点是选用数值计算方法解决排水 系统优化设计的问题。 第一章绪论 1 . 3 国内外研究现状 对于在管线平面布置已定情况下进行管段管径埋深的优化设计问题， 国 内 外做了 大量开拓性工作， 取得了巨大成果。自2 0 世纪6 0 年代开始， 国际上在 经验总结和数理分析的基础上， 逐步建立起了各种给水排水工程系统或过程的数 学模型， 从而发展到了以定量和半定量为标志的给水排水工程“ 合理设计和管理” 的阶段。 与此同时， 对于各种类型的给水排水系统， 开展了最优化的研究和实践。 为了探求排水管道系统的最优设计计算万法， 国内外许多科研、 设计、 教学单位 和个人进行了不少的工作， 发表了大量的文章。 从研究成果来看， 应用计算机进 行排水管道的设计计算， 不仅把设计人员从查阅图表的繁重劳动中解脱出来， 加 快了设计进度， 而且整个排水管道系统得到了优化， 提高了设计质量， 节省了工 程投资。 最优化方法一般分为两种: 间接优化法和直接优化法。 间接优化法也称解析 最优化， 它是在建立最优化数学模型的基础上， 通过最优化计算求出最优解; 直 接最优化方法是根据性能指标的变化， 通过直接对各种方案或可调参数的选择、 计算和比较，来得到最优解或满意解。 1 . 3 . 1 间 接优化法 1 3 1 根据出现的时间和使用的数学方法。间接优化大法主要分以下几类: 1 . 线性规划法 线性规划法( l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 是最优化方法中最常用的一种算法 它可 以解决排水管道设计中的许多问题， 同时也可对已建成的排水管道进行敏感性分 析， 它的缺点是把管径当作连续变量来处理， 这就存在计算管径与市售规格管径 相矛盾的问题。 而且将所有目 标函数和约束条件均化为线性函数， 其预处理工作 量大.精度难以得到保证。 2 ， 非线性规划法 为了适应排水管道系统优化设计中目 标函数相约束条件的非线性待征， 1 9 7 2 年d a j a n i 和g e m m e l l 建立了非线性规划( n o n l i n e a r p r o g r a m m i n g ) 模型， 该方法基 于求导原则， 即目 标函数的导数为零的点， 就是所求的最优解; 它可以处理市售 规格管径， 但当 无法证明排水管道费用函 数是一个单峰值函数时， 得到的计算结 果可能是局部最优解、 而非全局最优解。 非线性规划法是为了适应排水管网优化 设计计算模型中目 标函数和约束条件的非线性特征而提出来的。 它可以 优化选择 排水管道的直径和埋深，以及中途泵站的位置。 其假定管径是离散的， 易于对目 标函数和约束条件进行敏感性分析。 但是该方法极大地限制了目标函数和约束条 第一章绪论 件的形式。 3 . 动态规划法 动态规划法( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 简称d p o 1 9 7 5 年，由 m a y s 和y e n 首先把动 态规划法引入到排水管道系统优化设计中， 目前该方法在国内外仍得到广泛的应 用。 在1 9 8 2 年就被作为排水管道优化设计计算的标准算法写进了英国教材( c i v i l e n g i n e e r i n g s y s t e m s ) 。它的基本思想是认为排水管道是一个多阶段的决策过 程， 通过对研究课题划分阶段， 寻找最优路线来进行优化设计。 它在应用中分为 两支: 一支是以各节点埋深作为状态变量， 通过坡度决策进行全方位搜索. 其优 点是直接利用标准管径， 优化约束与初始解无关， 都能控制计算精度， 但要求状 态点的埋深间隔很小， 使存储量和计算时间大为增加。 为了节省运算时间， 1 9 7 6 年出 m a y s 和y e n 引入了 拟差动态规划法( d i f f e r e n t i a l d i s c r e t e p r o g r a m m i n g , 简称d d d p ) 。 拟差动态规划法是在动态规划法的基础上引入了缩小范围的迭代过 程， 可以显著地减少计算时间和存储量， 但在选代过程中有可能遗漏最优解，而 且在复杂地形条件厂处理跌水、 缓坡情况时受到限制: 另一支是以管径为状态交 量， 通过流速和充满度决策进行搜索。由于标准管径的数目有限， 较以节点埋深 为决策变量方法在计算机存储和计算时间上有显著优势。 最初的动态规划对每一 管段管径选取的一组标准管径中 有些管径并不一定是可行管径。 因此发展出 可行 管径法、 该方法通过数学分析， 对每一管段的管径采用满足约束条件的最大和最 小管径及其之间的标准管径、 构成可行管径集合进而应用动态规划计算。 可行 管径法使得优化计算精度得以提高，并显著减少了计算工作量和计算机内存储 量。 动态规划法是解决多阶段决策问题最优化的一种有效方法， 无论是利用节点 埋深还是利用管段管径作为状态变量，并没有充足的证据能够证明阶段状态的 “ 无后效性” “ 无后效性”是指当给定某一阶段的状态时， 在以后各阶段的行 进要不受以前各阶段状态的影响) 。因此，用动态规划法求出的污水管道系统优 化设计方案并不一定是真正的最优方案。 4 . 罚函数离散优化法 罚函数离散优化法将排水工程的特点与罚函数离散优化思想联系， 可以 排除 不合理的设计方案， 以管系末端管底标高为全局控制因素， 建立与目 标函数的可 行解对应的关系， 并通过同时进行整体控制与局部控制的水力计算方法， 遍历目 标函数的各可行解及局部最优解， 从而得到管系的全局最优设计方案。 该方法由 于对管道系统的各种可行解进行遍历， 在解决大型管网问 题时， 必然存在运行时 间妹和内 存占 用量大的 缺点。 5 . 遗传算法 溃传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术， 它是模拟生物学中的自然 第一章绪论 遗传变异机制而提出的随机优化算法， 它是进化算法的一个重要分支。 该研究者 曾尝试把遗传算法应用于已定管线下的污水管道系统优化设计 一 计算上。 其中仍采 用规格管径作为状态变量， 可以同时搜索可行解空间内的许多点， 通过选择、 杂 交和变异等遗传操作， 最终求得最优解。 遗传算法一般在解决中小型管道系统优 化设计计算问题时， 可以求得最优设计方案: 当解决大型管道系统问 题时， 由于 缺少判别条件，只能说 是求得趋近于最优解的设计方案 t . 3 . 2 直接优化法 1 8 1 直接优化法是根据排水管道系统性能指标的变化， 通过直接对各种万案或可 调参数的选择、 计算和比较， 来得到最优解或满意解， 它具有直接、 直观和容易 验证的优点。直接优化法主要包括电子表格法和两相优化法。 1 . 电子表格法 电子表格法( e l e c t r o n i c s p r e a d s h e e t ) 是利用l o t u s l -2 -3 中的 “ 电子表 格”统计数据和分析数据的功能进行管网优化的。 它提供了一种启发式费用估算 方法， 允许用户寻找最小费用设计。 它并不涉及太复杂的算法， 在动态规划中的 许多简化假设显得不太必要。 能够得出比动态规划法要好的结果， 并能更加符合 设计规范的要求。 2 . 两相优化法 两相优化法是当设计流量确定后， 在满足约束条件的前提下， 选取最经济流 速和最大充满度进而得到最优管径和最小坡度， 最大限度的降低管道埋深。 其算 法与人工计算基本相同，即按污水流动方向，先计算支管后计算干管和主干管， 通过从上游至下游依次对各设计管段进行计算， 继而完成一条管道以及整个管网 的计算。 一般在直接优化算法中，注重设计人员对管网计算的宏观控制和局部干预， 所设计的最优方案将因人而异，所求结果一般是满意解而不一定是最优解。 在排水管道优化设计中， 应用直接优化方法的认为: 虽然排水管道计算采用 的水力计算公式很简单， 但是由于管径的可选择尺寸不是连续变化的， 不能任意 选择管径; 最大充满度的限制又与管径大小有关; 关于最小设计流速、 流速变化 ( 随设计流量增加而增大) 及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂， 也不能用 数学公式来描述。 因此， 很难建立一个完整的求解最优化问题的数学模型来用间 接最优化方法求解。相对而言，用直接最优化方法来解决这个问题具有更直接、 更直观和容易验证等优点。 应用间接优化方法的认为: 随着优化技术的发展， 尽 管排水管道系统设计计算中存在着关系错综复杂的约束条件， 只要对其中的某些 第一章绪论 条件适当取舍， 合理地应用数学工具， 就可以把它简化、 抽象为容易解决的数学 模型， 通过计算得出最优解。 总之， 在排水管道系统优化设计技术的发展过程中， 间接优化法和直接优化 法同时在应用着， 都在不断地改进和完善 这两种方法的共同点是都以设计规范 要求及管径、流速、 坡度、充满度间的水力关系为约束条件，以达到费用最小为 目标。 1 . 4 排水管网设计软件发展概况 为了让优化方法在实际的工程中能够方便的应用， 不仅需要把他们转化为计 算机语言， 而且需要把他们制作成软件包。 这样不仅能够克服使用上的不便， 同 时还能解决不可视的 视觉缺陷。目 前在国 际 上已 经有一些排水工程软件12 3 1 : ( 1 ) d r a i n a g e 主要用试算法设计雨水管网，它主要用来设计新的污水管网， 或修正、扩充已存在的污水管网。 ( 2 ) s e w e r 由动态规划法在实际工程中发展应用而成。r o b i n s o n 和l a b a d i e 描 述了一种称之为 c s u d p 的动态规划算法思想，最后发展成为c s u d p - s e w e r ，由 y e n 等把d d d p 发展成为工 l s d ，它们都可以用来设计污水管网。 ( 3 ) s t o r m ( s t o r a g e t r e a t m e n t o v e r f l o w r u n o f f m o d e l ) 由 美国z程设计集 团和水资源规划有限公司设计，可用于计算径流过程、污染物的浓度变化过程， 适用于工程规划阶段对流域长期径流过程的 模拟。 它可使用于检查系统由于连续 的时间作用而引起的反应，但是它只适用于初步设计而不适用于施工设计。 ( 4 ) s w a n 可以 用于己 有管网的稳定性分析和所有管段的计算清单， 通过建立 数据库来保存管网信息，从而易于规划和描述特定管网的管段和窑井的特性。 国内方面有关专家也编写了一些污水管网优化设计的计算软件， 刚开始在排 水管网的程序编制方面大多用的是f o r t r a n 语言， 虽然f o r t r a n 语言 在计算方面比 较灵活，但是f o r t r a n 的可视化较差，人机对话功能相对不足，设计人员很难对 管网计算 进行宏观控制与局部干预， 例如1 9 8 9 年哈 尔滨建筑工程学院的 彭永臻13 ) 等用f o r t r a n 7 7 语言编写的p s g 污水管网 优化计算程序; 2 0 0 0 年苏州城建环保学院 的 费 忠民 8 用 v i s u a l b a s i c 语言编 写了 实 用 污 水管网 计算软 件， 2 0 0 2 年同 济 大学 伊学农p 7 l用v i s u a l c + + 语言编写了 软件进行程序设计， 这些虽然增强了 人机对 话功能，但是在描述管网方面所用的方法较为麻烦，采用的计算方法比较麻烦， 或者是计算的管网 规模大小受限制等等。 例如费忠民 用v i s u a l b a s i c 编写的软 件， 是利用标签的方式来判断是否有分支，比 较适用于只有一个分支的情况， 不 适用于在多支的情况， 程序处理起来比 较繁琐， 又例如伊学农用v i s u a l c + + 编写 的软件， 用图论中的矩阵理论来描述管网， 缺点在于数据输入时容易弄错水流的 第一章绪论 条件适当取舍， 合理地应用数学工具， 就可以把它简化、 抽象为容易解决的数学 模型， 通过计算得出最优解。 总之， 在排水管道系统优化设计技术的发展过程中， 间接优化法和直接优化 法同时在应用着， 都在不断地改进和完善 这两种方法的共同点是都以设计规范 要求及管径、流速、 坡度、充满度间的水力关系为约束条件，以达到费用最小为 目标。 1 . 4 排水管网设计软件发展概况 为了让优化方法在实际的工程中能够方便的应用， 不仅需要把他们转化为计 算机语言， 而且需要把他们制作成软件包。 这样不仅能够克服使用上的不便， 同 时还能解决不可视的 视觉缺陷。目 前在国 际 上已 经有一些排水工程软件12 3 1 : ( 1 ) d r a i n a g e 主要用试算法设计雨水管网，它主要用来设计新的污水管网， 或修正、扩充已存在的污水管网。 ( 2 ) s e w e r 由动态规划法在实际工程中发展应用而成。r o b i n s o n 和l a b a d i e 描 述了一种称之为 c s u d p 的动态规划算法思想，最后发展成为c s u d p - s e w e r ，由 y e n 等把d d d p 发展成为工 l s d ，它们都可以用来设计污水管网。 ( 3 ) s t o r m ( s t o r a g e t r e a t m e n t o v e r f l o w r u n o f f m o d e l ) 由 美国z程设计集 团和水资源规划有限公司设计，可用于计算径流过程、污染物的浓度变化过程， 适用于工程规划阶段对流域长期径流过程的 模拟。 它可使用于检查系统由于连续 的时间作用而引起的反应，但是它只适用于初步设计而不适用于施工设计。 ( 4 ) s w a n 可以 用于己 有管网的稳定性分析和所有管段的计算清单， 通过建立 数据库来保存管网信息，从而易于规划和描述特定管网的管段和窑井的特性。 国内方面有关专家也编写了一些污水管网优化设计的计算软件， 刚开始在排 水管网的程序编制方面大多用的是f o r t r a n 语言， 虽然f o r t r a n 语言 在计算方面比 较灵活，但是f o r t r a n 的可视化较差，人机对话功能相对不足，设计人员很难对 管网计算 进行宏观控制与局部干预， 例如1 9 8 9 年哈 尔滨建筑工程学院的 彭永臻13 ) 等用f o r t r a n 7 7 语言编写的p s g 污水管网 优化计算程序; 2 0 0 0 年苏州城建环保学院 的 费 忠民 8 用 v i s u a l b a s i c 语言编 写了 实 用 污 水管网 计算软 件， 2 0 0 2 年同 济 大学 伊学农p 7 l用v i s u a l c + + 语言编写了 软件进行程序设计， 这些虽然增强了 人机对 话功能，但是在描述管网方面所用的方法较为麻烦，采用的计算方法比较麻烦， 或者是计算的管网 规模大小受限制等等。 例如费忠民 用v i s u a l b a s i c 编写的软 件， 是利用标签的方式来判断是否有分支，比 较适用于只有一个分支的情况， 不 适用于在多支的情况， 程序处理起来比 较繁琐， 又例如伊学农用v i s u a l c + + 编写 的软件， 用图论中的矩阵理论来描述管网， 缺点在于数据输入时容易弄错水流的 第 一 章绪论 方向，而造成整个管网的计算错误。 目 前， 多数污水管网的计算程序没有利用图论中的树形结构理论来获得和存 储管网信息数据，故难以掌握整个污水管网的信息以及节点与管段的衔接关系， 在多管段交叉点处也难以通过自 动判断和计算确定上、 下游管段的有关标高等水 力参数， 尤其当需对管网中管线交叉节点的标高等其他水力参数进行控制时更是 无法进行正常计算， 而且当前多数排水管网的优化计算软件很少考虑提升泵站的 优化，只是单纯的对管道费用进行了比较，笔者在此方面作一些改进。 1 . 5 研究的内容、方法以及取得的成果 随着我国经济的飞速发展， 全国各大城市的市政设施建设速度非常快， 尤其 是排水管网的建设， 城市原有的排水管网己经满足不了要求， 需要新建管网和扩 建原有排水管网。 在这个大环境下对排水管网进行优化设计不仅具有重要的理论 意义，而且具有十分重要的经济意义。因此很有必要研究和推广优化设计方法。 随着对生活环境质量要求的提高， 近几年来有关人员对城市的排水体制进行 了探讨， 认为虽然从造价费用和占地角度来说， 合流制优于分流制， 但是从环境 保护和维护管理以及长期发展来说， 分流制更适应社会发展的需要和城市卫生发 展的要求。 又因为污水管网按不满流设计， 情况比较复杂， 因此笔者在研究排水 管网的优化时选择了污水管网作为研究对象， 本文主要对污水管网的优化设计进 行了研究。 以下为笔者对污水管网进行优化设计的主要研究内 容、研究方法与路线: ( 1 ) 对于污水管网的 优化设计，本文应用了图论部分关于树形结构的理论， 城市排水管道多埋设于道路之下， 依托于纵横交错的道路网， 排水管道自 然也形 成了网络结构，具有图的特征，而且由于管道中的污水主要依靠自 身重力流动， 使污水管网 更多的 表现出 有向图的 特征。 陈森发2 1 论证了 城市排水管网 系统的最 优布局必为树状结构。 排水管网一般为树状网络分布这一点为大家所共知， 但是在实际应用中却没 有人真正的用树的逻辑结构及其数据存贮方式来描述管网， 在算法方面也没有用 到树形结构的遍历的理论， 而且针对目 前大多数研究人员来研究管网只是把管段 的起始点当作点而没有把管段的起始点和管段当作一个整体， 因此本文对此进行 了深入研究， 采用图论理论用三叉树来描述污水管网， 把管段当作树形结构的节 点作为研究对象，利用树形结构的数据存储方式来存储管网数据描述管网形状， 用节点递归算法来进行水力计算，经一次计算即可完成对整个管网计算的优化， 并且还可有效地控制某些节点的水力参数。 而且用树形结构数据存贮方式在于容 易判断有无分支， 且自 动判断每个管段的流向， 不会出错; 还可以从任意一段管 第 一 章绪论 方向，而造成整个管网的计算错误。 目 前， 多数污水管网的计算程序没有利用图论中的树形结构理论来获得和存 储管网信息数据，故难以掌握整个污水管网的信息以及节点与管段的衔接关系， 在多管段交叉点处也难以通过自 动判断和计算确定上、 下游管段的有关标高等水 力参数， 尤其当需对管网中管线交叉节点的标高等其他水力参数进行控制时更是 无法进行正常计算， 而且当前多数排水管网的优化计算软件很少考虑提升泵站的 优化，只是单纯的对管道费用进行了比较，笔者在此方面作一些改进。 1 . 5 研究的内容、方法以及取得的成果 随着我国经济的飞速发展， 全国各大城市的市政设施建设速度非常快， 尤其 是排水管网的建设， 城市原有的排水管网己经满足不了要求， 需要新建管网和扩 建原有排水管网。 在这个大环境下对排水管网进行优化设计不仅具有重要的理论 意义，而且具有十分重要的经济意义。因此很有必要研究和推广优化设计方法。 随着对生活环境质量要求的提高， 近几年来有关人员对城市的排水体制进行 了探讨， 认为虽然从造价费用和占地角度来说， 合流制优于分流制， 但是从环境 保护和维护管理以及长期发展来说， 分流制更适应社会发展的需要和城市卫生发 展的要求。 又因为污水管网按不满流设计， 情况比较复杂， 因此笔者在研究排水 管网的优化时选择了污水管网作为研究对象， 本文主要对污水管网的优化设计进 行了研究。 以下为笔者对污水管网进行优化设计的主要研究内 容、研究方法与路线: ( 1 ) 对于污水管网的 优化设计，本文应用了图论部分关于树形结构的理论， 城市排水管道多埋设于道路之下， 依托于纵横交错的道路