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遗传算法在合肥市望塘污水管网设计中的应用 摘要 污水管网优化设计在污水处理工程中占有重要地位，国内外学者对其进行 了比较广泛而深入的研究，提出了多种优化方法，但这些方法在实际应用中均 存在一定的局限性。 合肥市望塘污水管网工程规模大、投资高，服务范围内地形地貌复杂，集 平坡、缓坡、陡坡、顺坡和倒坡于一体，构造出一个性能良好、适应性强的适 用型模型进行管网优化计算非常必要，意义深远。 遗传算法是模拟生物进化过程建立起来的一种搜索和优化算法，对目标函 数和约束条件没有特殊要求，具有思路简单、适用广泛、全局寻优能力强等特 点，近年来在管网优化领域表现出比较强的生命力。 本文详细介绍了污水管网计算方法，分析其复杂的约束条件，归纳总结影 响污水管网优化设计计算结果的各种因素，在标准遗传算法的基础上，透过采 用自然数编码、有效管径集、随机选择比较等方法，对编码方式、交叉算子、 变异算子以及部分参数的设置进行改进，并以污水管网总投资为目标函数，建 立了污水管网优化设计的改进遗传算法模型。最后，通过对望塘污水管网工程 实例的应用，验证了该模型具有一定的理论和实用价值。 关键词：污水管网优化设计遗传算法循环操作 t h e a p p l i c a t i o no fg e n e t i ca 1 9 0 r i t h m so nt h ed e s i g n o ft h ew a n g t a n gs e w e r a g en e t w o r k si nh e f e i a b s t r a c t 1 1 1 e 叩t i m a ld e s i 弘o fs e w e r a g en e 帆o r k sh a sb e e nm o r eb r o a d l ya 1 1 dd e e p l y s t i l d i e db ym 觚yd o m e s d ca 1 1 df o r e i g ns c h o l a r sb e c a u s eo fi t si m p o r t 瓶ts t a t l l sm s e w e r a g e 订e a t m e n te n g i n e e r i n g t h es c h 0 1 a r s a d v a n c e dm 锄yl ( i n d so f 叩t i i n a l m e t h o d s ，b u tm e s em e m o d sa l lh a v es o m e1 i m i t 8 缸o no np r a c t i c 邑 t h ew a l l 垂a n gs e w c r a g en c t w o r k si nh e f e ii sae n g l m e e 血gp m j e c to f 伊a i l d s c a l ea l l dh i g hi 1 1 v e s 缸锄t h l 血es e r v i c ea r e at o p o f a p h yi sv a f i e d ， t 1 1 ep i p e sa r 。 p a r a l l e lo rn o tt om eg f 0 雌d ，w l l i c hi si n t e 簦a t c dw i t ht h e 丑a t ，s l i g 瞰a n ds t e 印s l o p e s s oi t sv e r yn e c e s s a r ya n ds i g f l i 矗c a l l tt 0s 虮l c t i l r ea na p p l i c a b l em o d e lo fg o o d 如n c t i o na i l ds t 姗g ea d a p t a b i u t yt oe 芏l g a g ei n0 p t i m a lc a l c u l a t i o no fs e w e r a g e n e t 、v o 凼 g e r l c t i ca l g o r i n l n l s ( g a ) i sas e a r c h i i l g 趴do p t i i l l a lo n ef o u n d e dd u r i n gn l e p r o c e s so fi m i 谢n gb i 0 1 0 舒c a le v o l u t i o n nc a l l sf o rn os p e c i a lm q u i r e m c n to ft a r g e t f u l l c t i o na n dr e s t r i c t i v eq u a l m c a t i o 璐a n di th a sm ec h a r a c t e i i s t i c ss u c ha ss i i n p l e 也i n l ( i n g ，谢d ea d a p t a b i l i t y ，s 扛n n gc a p a b i i 时t os e e kt 1 1 es u p c r i o ro v e m l l d l l r i n g m e s ey e 缸si th a ss h o w l l 黟e a t e rv i t 战t ) r 协t h eo p n 玎1 a la r e ao fs e w e r a g en e 咐o r k s t h ep a p e ri n 订0 d u c e si nd e t a i lc a l c u l a t i n gm e m o d so fs e w e m g en e t w o r k s ， m a l y z e si t sc 叩l e xr e s 缸c 虹v eq u a l i f i c a t i o n sa l l ds 咖a r i z e s 也ef 融o r sw h i c h i n f l u e i l c et h er e s u l t si o p t i m a ld e s i g no fs e w e r a g en e 0 r i 【s a p p l y i n gm e t l l o d so f 删删劬e rc o d i 喀e 凰c t i v ec o u e c t i o no fp i p ed i a n l e t e r ，r a n d o mc h o i c ea n d c o m p a r i s o na n ds oo n ， i tt a k e sa l li n v e s t m to fs e w e r a g en e 啊o r k s 笛t a 唱e t f i l l l c t i o na i l ds e t su p 也e ( 认m o d e lo no p t i m a ld e s i 弘o fs e w e 瑚【g en e m o r k sb a s e do n s i m p l eg e l l c t i ca l g o r i 血l l s ( s g a ) b ym e a n so f t 撕n gs o m ee f 孰t i v em e a s u r 嚣0 n 也e w a yo f c o d i n g ，c r o s s o v e r0 p e r a l d r ， m u t a t i o no p e 舱盼孤ds o m ep a 衄e t e r ss c t t i i l 舀 f i i l a l l y ， t 1 1 eg am o d e li sv 耐f i e db yi t sa p p l i c 瓶0 no n 锄g m e e r i n gp r o j e c to ft h e w 抽毋a n gs e w e r 丑g en c t w o r k s k e yw o r d s ： 吐l eo p t i m a ld e s i 弘 s e w e f a g en g 嘲o r l 【s g e n e t i ca 1 9 0 一也m 8c m l 州n go p 嘲t i o n 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 主席：岔萄礼仑闷巳2 怛六嘻 锨唆 委员： 和孪学跏蜮莒榴 弧婆漱醋试洽协 m ，l 旷乞。，翦煳级投 卞幺囊命枞窑r 别教埂 导师：劭习吲台盹例承宇 爹1 答碹 插图清单 图2 1 污水管道水深与管径的关系示意图1 3 图4 1 一点交叉示意图2 9 图4 2 两点交叉示意图3 0 图4 3 均匀交叉示意图3 0 图4 4 变异示意图3 1 n 图4 5 圆心角示意图h ( ；3 3 z n 图4 6 圆心角示意图h ；3 3 2 图4 7 污水管商程计算示意图3 4 图4 8 污水管道沟槽开挖示意图3 7 图4 9 遗传算法流程图4 3 图4 1 0 望塘污水管网计算图4 6 国4 1 1 望塘污水管网总平面图4 7 图4 1 2 主干管纵断面图4 7 1 2 图4 1 3 1 污水管网总投资随世代变化曲线图1 t 5 i 图4 1 3 2 污水管网总投资随世代变化曲线图2 5 l 表格清单 表2 1 排水管渠粗糙系数表1 3 表2 2 最大设计充满度一览表1 3 表2 3 圆形管道的水力因素一览表1 5 表4 1d q 晌的关系一览表3 5 表4 2d v 。的关系一览表3 5 表4 3d k i 。的关系一览表3 6 表4 4d i m 。的关系一览表3 6 表4 5 污水管道单位长度综合估价表3 8 表4 6 不同管径管道设计流量范围一览表4 2 表4 7 应用不同计算方法计算结果比较表4 8 表4 7 续表l 应用不同计算方法计算结果比较表4 9 表4 7 续表2 应用不同计算方法计算结果比较表5 0 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及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥a b 王些盔芏 或其他教育机构的学位或证书面使 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已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学雠文储瓣：主永单签字隰蝣曲蜘 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金熙三业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权佥 肥王些太堂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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本文是在王国明副教授的悉心指导下完成的。论文从开题到定稿，处处都 渗透着王老师的心血和汗水。王老师严谨的治学精神、渊博的学术造诣、广阔 的学术视野、敏锐的洞察力、诲人不倦的教学作风，深深感染和启迪着我，这 将使我受益终生。特在此向王老师表示最衷心的感谢，并致以崇高的敬意! 在论文编写过程中，得到了刘雪萍老师、夏铭老师、洪青春同学，特别是 戚剑超同学的大力支持和鼎力帮助，值此完成毕业论文之际，诚向他们表示深 深的谢意! 本人在研究生课程学习期间，得到了合肥工业大学土建学院和研究生院许 多老师的热情帮助和鼓励，在此谨向老师们付出的辛勤劳动表示崇高的敬意! 最后，谨向所有关心、支持、鼓励和帮助过我的老师、专家、同事、朋友 和亲人致以诚挚的谢意! 作者：王永华 2 0 0 5 年3 月1 8 日 第一章绪论 1 1 污水管网优化的研究内容和意义 排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和 城市排渍防涝、防洪的骨干工程。其中，生活住宅和工矿企业的雨水和污水管 道系统投资一般占整个排水系统投资的7 0 左右【1 】。为了不断地提高人民的物 质生活水平和保护环境，我国还将建设大量的排水管道。因此，设计时如何在 满足规定的各种技术条件下，尽量利用优化方法降低管道系统的基础费用是设 计工作的一个重要课题。 城市污水处理是保护水资源的有效措旌，已经越来越多地被人们所重视。 排水工程是人类文明进步和城市聚集居住的产物，是现代城市最重要的基础设 施之一，是城市社会文明、经济发展和现代化水平的重要标志。它是城市、工 业企业排水的收集、输送、处理和排放的工程系统。排水包括生活污水、工业 废水、降雨以及其三者的混合水，专门输送、处理和排放由生活污水、工业废 水和初期雨水而形成的城市污水的系统统称为污水处理工程。 污水处理工程由污水管网、中途提升泵站和污水处理厂三部分组成，其作 用是将城市各用户排出的污水收集并输送至污水处理厂集中处理，不让污水流 入雨水管渠和城市水体，污染环境。它是污水处理工程的重要组成部分，是保 证污水治理效果的前提条件和重要保证。 随着入们环保意识的不断加强，水污染治理及污水处理工程在国内各大中 小城市和县城不断普及。污水工程在城市基础设施中所占比例不断提高。 污水工程是一个庞大而复杂的系统工程，其合理设计主要可从以下三个方 面着手。 ( 1 ) 合理确定排水体制。 在城市和工业企业中通常有生活污水、工业废水和雨水。这些污水根据实 际情况，可采用一个管渠系统来排除，也可采用两个及两个以上各自独立的管 渠系统来收集排除。污水的这种不同排除方式所形成的排水系统，称作排水系 统的体制( 简称排水体制) 口】。排水系统的体制，通常分为合流制和分流制两 种类型。 基于我国排水现状和经济实力，目前普遍采用的是雨、污水分流制，少数 建筑物密集、街道较窄的老城区等实麓起分流制工程量和施工难度很大的地区 近期实行截流式合流制，远期随老城区改造，逐渐过渡为分流制。 ( 2 ) 管线平面布置的优化设计 在城镇( 地区) 总平面图上确定污水管道的位置和走向，称为污水管道系 统的定线。正确的定线是经济、合理地设计污水管道系统的前提条件，是污水 管道系统设计的重要环节。管道定线一般按照主干管、干管、支管顺序依次进 行。 定线时通常考虑的几个因素是：地形和用地布局；排水体制和线路数目； 污水厂和出水口位置；水文地质条件；道路宽度；地下管线及构筑物的位置： 工业企业和产生大量污水的建筑物分布情况。 理论和长期实践证明，污水管为枝状布置最经济，干管合理走向为顺天然 地势或规划竖向由高向低布置。在少数主干管穿越高岗、铁路、河道等障碍物 时需做多方案比较。 ( 3 ) 在管线平面布置已定情况下进行污水管的管径、埋深的优化设计。 在管线平面布置已定情况下，进行污水管的管径、流速、埋深等参数的正 确计算和优化设计，是整个污水工程计算中必不可少的组成部分，且任务量大， 意义深远。若管径、流速、埋深搭配不合理，既造成浪费，又会影响污水顺利 排至污水厂，造成污水半路外溢，污染环境。而且合理的管径、埋深设计与优 化方法是管线平面布置优化设计的基础。对于截流式合流制通过适当的计算、 分解、转化，在管线平面布置已定情况下，也可采用与污水管相同的方法进行 计算和优化。 随着计算机的普及和优化理论的不断完善，如何在排水管道系统设计中应 用优化设计方法已成为市政工程设计中十分关注的课题。传统排水管道系统的 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，一般只是凭借经验对管段的坡度等进行适当 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技术水平的限 制；另一方面，大多数计算采用反复查阅图表的方法进行，工作效率低，时间 长，不利于设计方案的优化。要想从根本上解决这一问题就只能通过计算机进 行优化设计。 自2 0 世纪6 0 年代开始，给水排水工程系统得到很大的发展，从数学模型 发展到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。从 此，各种类型的给水排水系统，也开展了最优化的研究和实践【3 】。从大量的研 究成果看，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。所确定的最优方案与传统方法相比，可降低1 0 以上的工程 造价【4 j ，污水管网的合理布置和优化设计意义深远。 2 1 2 污水管网计算及优化研究的现状 污水工程和雨水工程是排水工程中不可分割的组成部分，二者计算原理和 依据的理论体系相同，二者的区别在于污水管按非满流计算，雨水管则按满流 计算。污水因其水质成分的复杂性，对管道的要求更高、约束条件更多。即使 在管道的平面走向已定的情况下，要达到管道埋深浅、投资小、能耗低、排泄 顺畅的目标，计算也相当复杂和艰难。因此，对于污水管道系统，广大设计工 作者多年来一直习惯沿用成熟的、传统的手工计算方法。 近年来，人们逐渐意识到污水管网优化设计的重要性，国内外专家、学者 进行了广泛、深入的研究，做了大量开拓性工作，提出了相应的优化方法，取 得了丰硕成果。目前国内外已有的优化设计方法概括起来可分为两种：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i 而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，得到最优解或满 意解”1 。简要叙述如下： 1 、直接优化法 在排水管道优化设计中，应用直接优化方法者认为哺q3 ：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 具有直接、直观和容易验证等优点。 2 、间接优化法 应用间接优化方法者认为：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。根据出现的时间和使用的数学方法，间接优化方法主要分以下几 类： ( 1 ) 线性规划法 线性规划法是最优化方法中最常用的一种算法，主要应用于重力输水管。 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哼3 。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。 该法提出了计算管段的概念，并以各种标准管径管道长度作为优化变量， 通过流速限制( o 6 i i 】s v i f 3 o m s ) 来确定各计算管段符合这一条件的标准管 径档次数目以构成各计算管段的各选管径组，然后根据目标函数及约束条件用 单纯形法求解。该法由于预先确定备选管径组，使优化变量大为减少，并以标 准管径的管长作为变量，计算结果不用调整。避免了因调整管径而发生的最优 解偏离现象。 ( 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和约束条件的非线性特征， 1 9 7 2 年d a i a 血和g e m m e l l 建立了非线性规划模型n 伽。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 局部虽优解，而非全局最优解。 ( 3 ) 动态规划法 1 9 7 5 年，由m a y s 和y 醯首先把动态规划法引入到排水管道系统优化设计 中u ”，目前该方法在国内外仍得到广泛的应用。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，却能控制计算精度，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阻扣。为了节省运算时间，1 9 7 6 年由 m a y s 和y 两引入了拟差动态规划法。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，但在迭代过 程中有可能遗漏最优解，而且在复杂地形条件下处理跌水、缓坡情况时受到 限制m 一耵。另支是以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索“卯。 由于标准管径的数日有限，以管径为状态变量较之以节点埋深为决鬣变量，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”“。 当把管径作为决策变量，而管径是离散变量，不能保证最优解。有的文献 采用动态规期法但只针对满流，而污水管道几乎都是非满流状态，有的文献只 是从调整某些参数达到局部的最优并不保证全局最优，文献 1 7 中克服了以 上不足和根据污水管两的特性，采用动态规划中的d d d p 法，通过廊道搜索， 达到最后的精度要求，不论地形平坦或丘陵地区均适用。 动态规划法是解决多阶段决策闻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 ) 基因算法 基因算法是一种新的、正在发展中的人工进化寻优方法。该法概念简单， 有全局寻优能力，可直接用于离散变量的计算，因而近些年来，国内外不少学 者将其应用于排水管网经济管径求解中。遗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遗传而提出的随机优化算法“。它仍采 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、 杂交和变异等迭代操作因子，最终求得满意解。一般在解决中小型管道系统优 化设计时，可以求得最优设计方案；尽管搜索方法具有一定的随机性，当解决 大型管道系统问题时，遗传算法仍可以求得趋近于最优解的可行方案“”。文献 【2 0 】采用遗传算法对已定管线的排水管道系统进行了优化设计，引入可行管径集 的概念，直接利用标准管径并将各管段的管径映射为适合于遗传算法操作的编 码形式。其中，污水管道可行管径集根据设计流量和最大设计充满度来确定， 雨水管渠和合流制管渠可行管径集根据直接优化法计算结果来确定。并通过算 例证明这种方法的计算结果既能满足设计规范的要求，又可节省工程投资。文 献【2 1 】应用自适应遗传算法优化设计污水管网，直接以变量的二进制编码为操作 对象进行寻优而得到离散的标准管径。较之其他优化方法，该法不易陷于局部 最小值，而且能处理大规模优化问题。通过算例验证这种方法具有良好的特性。 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 化法同时存在，而且都在不断地改进和完善。其共同点是都以设计规范要求及 管径、流速、坡度、充满度问的水力关系为约束条件，以达到费用最小为目标。 1 3 现行污水管网系统所面临的问题 传统的污水管道系统的设计方法是凭借设计人员的经验，通过对多方案的 技术经济比较，从中选出一个技术和经济上都较合理的方案。具体过程是：设 计人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，根据地形和路网，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遭平箍布置图，然后依 据各管段服务范围和用地使用性质，计算出各计算管段的设计流量。再根据设 计流量，以相关的设计规定为控制条件，手工查水力计算表或水力计算图，从 上游到下游依次迸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。对每节设计管段而言，每段管道都有各自的 设计流量。为了便于计算和设计，水专业工作者们己将流量o 、管径d 、坡度i 和充满度h ，d 等之间的水力关系编制成了图和表，设计人员根据设计流量和最 大充满度、最小流速等一系列约束条件，逐个标准管径进行对照和排查，如果 某个管径、充满度和坡度满足流量和约束条件要求，即采用这一管径、充满度 和坡度。但是，通常符合要求的管径充满度坡度搭配有很多组，具体 如何选择，哪个方案较优，设计人员只能根据个人的经验和感觉确定。其合理 程度受到设计人员个人能力的限制。每个管段设计都是这些步骤的重复。工作 烦琐、量大、时间长、效率低，不利于设计方案的优化。当管网服务区域面积 大、管段多时，计算更复杂，而且在计算过程中难免会出错或在之前某些方面 考虑不周而需调整。上游局部管段作微小调整，就会影响其下游所有管段的计 算，这种枯燥繁重的手工计算必须从头整个重复一遍，计算的正确程度还受到 设计人员的经验、责任心、精力和情绪的影响，计算精度、正确程度和优化效 果令人担心。这些技术含量不高、机械、烦琐、复杂的计算工作也牵制和浪费 了设计人员太多的精力和时间。 随着计算机的普及，人们将枯燥繁重的计算工作分步、分段交付计算机完 成。例如运用e x c e l ，先设定好污水比流量、总变化系数和管段间流量迭加与转 换关系，再分段分用地性质输入管段服务面积，计算机即可自动计算出每段设 计管道的流量。上游管段服务面积或比流量等其它参数调整，下游各管段的流 量也可以自动更新。设计人员工作量大为减轻，工作效率明显提高。但是这只 局限于流量计算，不包括污水管道水力计算优化设计。利用计算机进行污水管 网优化设计，把设计人员彻底从繁重的手工劳动中解脱出来，加快设计进度， 提高设计质量，降低工程造价，提高管道排泄能力，必须是污水管流量计算、 水力计算、优化计算、投资计算和计算机编程技术的综合运用。只有专业的学 子、专家和学者们当作一个重要课题，进行不断的研究和开发才能完成。 1 4 本课题的研究内容 随着改革开放的进一步深入，全国各大小城市都在进行新兴经济开发区的 建设。排水系统是市政建设必不可少的重要组成部分，也是城市可持续发展的 主要基础设施之一，该系统投资大，偿还期长，具有很大的可塑性，采取优化 设计方案，可以节省大量工程投资。 关于管网优化设计这一课题，国内外众多学者已经进行了较多的研究，并 提出了相应的优化方法。但是目前已有的优化方法在污水管网设计应用中，或 多或少都有一定的局限性，例如，线性规划法需要把管径当作连续变量来处理， 求出的优化结果与市售规格管径的离散性相矛盾，而且需要将所有目标函数和 约束条件均化为线性函数，预处理工作量较大。非线性规划法所求的最优解是 目标函数的导数为零的点，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。动态规划法有“维数灾” 和“无后效性”问题。还有一些方法由于忽略或人为简化某些设计条件与控制 变量，引起陡坡时无法处理跌水问题，缓坡时也不能正确运行等。遗传算法的 运行机制是对目标函数和约束条件不作特殊要求，可以直接以标准管径为求解 变量。在优化过程中，因为不需要简化，所以不会丢弃最优解，而且优化结果 也不需要调整，方法简单明了。近年来，在管网工程领域受到人们的普遍关注。 给水管网为压力流，约束条件较少，遗传算法在其优化设计中应用研究较早， 成果较多。而污水管网为重力流，约束条件相对较多且复杂，遗传算法的应用 受到一定的限制，所以此方面研究起步较晚，到目前为止，基本上还停留于起 步阶段。相关文献只以地形单一的顺坡地段、管段较少的直线污水管道工程为 工程实例进行进行验证，忽略了中途提升泵站的设置，而且优化结果较差，有 的充满度超出规范规定要求，程序也未对其作调整。编码方式停留在二进制、 三进制或四进制阶段，基于自然数编码和整数编码的遗传算法在污水管网优化 设计上尚为空白。 本人日常工作中接触到排水规划和污水管网总体设计项目较多，其中合肥 市望塘污水处理工程就是典型例。望塘污水厂服务面积约3 0 k m 2 。配套管网 1 3 0 k m ，总投资约3 亿元人民币，其中管网所占份额较大，进行优化设计意义深 远。 合肥市望塘污水管网辐射范围广，服务面积大，污水管段多，污水管流量 计算和管道水力计算工作量大，沿程地势地貌复杂，集平坡、缓坡、陡坡、顺 坡和倒坡各种情况于一体，需要构造出一个性能良好、适应性强、适用范围广 的应用型模型，以节约工程投资，提高设计质量和工作效率，将设计人员从枯 燥繁重的劳动中解脱出来。 本文在总结和改进前人污水管网优化方法的基础上，拟通过采用自然数编 码、有效管径集，对目标函数提出切合实际的计算方法( 综合考虑污水管网系 统中设提升泵站对管道埋深和工程总投资的影响) ，建立起污水管网遗传算法优 化设计模型，通过不断调试、运行、改进和完善，使得编制的遗传算法模型计 算效率更高、收敛性更好、优化结果更加理想，适应范围更广。 2 1 排水工程历史 第二章污水管道系统计算 在城镇，从住宅、工厂和各种公共建筑中不断地排出各种各样的污水和废 弃物，需要及时妥善地排除、处理和利用。为保护环境，现代城市就需要建设 一整套的工程设施来收集、输送、处理和处置污水，此工程设施就称之为排水 工程。排水工程的基本任务是保护环境免受污染，以促进工农业生产的发展和 保障人民的健康和正常生活。其主要内容包括：收集各种污水，及时将其输送 至适当地点，妥善处理后排放或再利用。 污水工程和雨水工程是排水工程不可分割的两个部分【2 】 二者计算原理和 依据的理论体系相同，二者的区别是污水管按非满流计算，雨水管按满流计算。 污水因其水质的复杂性，对管道的要求更高、约束条件更多。即使在管道的平 面走向已定的情况下，要达到管道埋深浅、投资小、能耗低、排泄顺畅的目标， 计算也相当复杂和艰难。因此，对于污水管道系统，广大设计工作者多少年来 一直习惯沿用成熟的、传统的手工计算方法。 我国城市排水工程建设历史悠久，秦代已有用以排除城市雨水的管渠。历 代帝王的京都大多建造了较为完整的排水系统。排水管在汉长安已采用陶管和 砖砌下水道；唐长安则在街道两侧挖土成明沟。宋东京有四条河道穿城而过， 对用水、漕运、排水都大有好处。明时北京设有沟渠以供排泄雨水，并设有街 道厅专司疏浚掏挖之职。但是，总的来说，解放前排水设施简单，质量较差， 绝大多数都是靠天然土明渠或简易明沟排水。仅有局部雨污水合流制管道。管 材为陶土管、陶瓷管、石棉水泥管和砖、石拱沟，材质差、管径小，污水就近 排入水体，排泄能力很低。因为当时人口少、工业不发达，污水量很小，人们 根本没有污染这一概念。在将近5 0 0 年封建社会的漫长岁月里，排水工程发展 是十分缓慢的。直到解放前，我国各大城市都没有一个完善的排水系统。新中 国成立之后，万物复苏、万象更新，社会主义事业迅猛发展，城市排水工程建 设也得到了发展。国务院相继成立了建筑工程部和城市建设部，作为城市排水 工程规划、设计、建设、设施运行的政府主管部门。排水工程有了整套成熟的 计算方法。为了改善人民居住区的卫生环境，解放初期，除对原有的排水管渠 进行疏浚外，曾先后修建了北京龙须沟、上海肇家滨、南京秦淮河等十几处管 渠工程。在其他城市也有计划地新建或扩建一些排水工程。在修建排水管渠的 同时，还开展了污水、污泥的处理和利用的科学研究工作，修建了一些城市污 水厂。近年来，又修建了黄浦江大型水底过江管道，对许多工业企业修建了独 立的废水处理站。 1 9 7 3 年，在全国第一次环境保护会议上，制定了“全面规划、合理布局、 综合利用、化害为利、依靠群众、大家动手、保护环境、造福人民”的环境保 护工作方针；1 9 7 8 年，颁布的中华人民共和国宪法中第十一条规定的“国 家保护环境和自然资源、防治污染和其他公害”：1 9 8 4 年，在全国第二次环境保 护会议上，提出的“环境保护是我国的一项基本国策”；1 9 8 9 年，在全国第三次 环境保护会议上，提出的“推进污染集中控制”政策；以及1 9 9 6 年，在全国第 四次环境保护会议上，进一步强调落实环境保护基本国策。为了保护环境，国 家还制定了一系列法令和标准。所有这些，为排水事业的发展创造了极为有利 的条件。 2 2 污水管道系统计算概述 污水管道系统的主要设计内容包括：设计基础数据的确定( 包括设计地 区的面积、设计人口，污水定额) 。污水管道系统的平面布置。污水管道设 计流量计算。污水管道水力计算。 2 2 1 设计基础数据的确定 ( 1 ) 有关明确设计任务的资料 凡进行城镇( 地区) 的污水工程新建、改建和扩建工程的设计，一般需要 了解与本工程有关的城镇( 地区) 的总体规划以及道路、交通、给水、排水、 电力、电信等各项专业工程的规划。这样可进一步明确本工程的设计范围、设 计期限、设计人口数；拟用的排水体制；污水处置方式；受纳水体的位置：各 类污水量定额及其主要水质指标；现有污水管道系统的走向，排出口位置和高 程，存在问题；工程投资情况等。 ( 2 ) 地形图 。进行大型污水工程设计时，在可行性研究、初步设计阶段要求有设计地区 的总地形图，比例尺为1 ：5 0 0 0 l ：1 0 0 0 0 ，等高线间距l 2 m 。 2 2 2 污水管道系统的平面布置 在城镇总平面图上确定污水管道的位置和走向，称污水管道系统的定线。 管道定线一般按主干管、干管、支管顺序依次进行。定线应遵循的主要原则是： 尽可能她在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排 出。 定线时应充分利用地形，使管道的走向符合地形趋势，一般宜顺坡排水。 主干管敷设在整个排水区域较低的地方，例如集水线或河岸低处。这样便于支 管的污水自流接入，而横支管的坡度尽可能与地面坡度一致。 9 在地形平坦地区，依据面积的大小划分排水区界，使各相邻流域的管道 系统能合理分担排水面积。使干管在最大合理埋深情况下，流域内绝大部分污 水能以自流方式接入。 小流量的横支管长距离平行于等高线，应以短距离尽快接入干管。干管与 等高线垂直，主干管与等高线平行敷设。由于主干管管径较大，保持最小流速 所需坡度小，其走向与等高线平行是合理的。 尽量避免或减少与河道、山谷、铁路及各种地下构筑物交叉。以降低施 工费用，缩短工期及减少日后养护工作的困难。 2 2 3 污水管道设计流量计算 污水管道系统能保证通过的污水最大流量称为污水设计流量。进行污水管 道系统设计时常采用最大日最大时流量为设计流量，其单位为l ，s 。污水设计流 量包括生活污水和工业废水两大类。 1 生活污水 生活污水教科书和规范推荐的计算方法是：q = 用地面积人口密度综合 生活污水定额k z ，因为市政污水管道建设是一个城市或地区开发建设的第一 步，人口密度很难准确确定，同时为了计算方便，实际工程设计中通常是根据 给水规划和规范，结合我国类似城市或工程经验，将上式中的“人口密度综 合生活污水定额”换算成比流量( q ；) ，即单位面积土地上产生的生活污水量， 这样生活污水量计算公式即为： q 生活= f 生活q 生活k z 生活( 2 1 ) 式中：q 镕生活污水量( l ，s ) f 镕生活用地面积( h a ) q 生活比流量( 从h 8 ) k z $ 镕总变化系数，即最大日最大时污水量与平均日平均时污水量 的比值。 睁k l 【i i l 【d 一一日变化系数，即一年中最大日污水量与平均日污水量的比值。 l ( i i * 时变化系数，即最大日中最大时污水量与该臼平均时污水量的比值。 k z t * 可按综合分析得出的总变化系数与平均流量间的关系式求得，即： 2 7 话2 尹 ( 2 2 ) 式中：q 平均日平均时生活污水流量( u s ) 。当q 1 0 0 0l s 时，k z 镕= 1 3 。 i o 2 工业废水 工业废水流量应按生产过程中每单位产品的废水量、产品的平均日产量 的乘积，再乘以k z 求得。同样，为了简化计算机计算过程，工业废水也采用比 流量法计算，公式如下： qi 韭= 2 fi 业qi 业k z 工业( 2 3 ) 式中：qi n 工业污水量( u s ) f ：广工业用地面积( h a ) qi n 工业比流量( l s h a ) k z z 广总变化系数。k z = l ( dk h k 日变化系数。 k h 一时变化系数。 工业废水量的日变化一般较少，日变化系数为l 。时变化系数在不同的工业 企业中相差较大，大致如下：冶金工业1 o 1 1 ；化学工业1 3 1 5 ；纺织工业 1 5 也o ；食品工业1 5 2 o ：皮革工业1 5 2 0 ；造纸工业1 3 1 _ 8 。 3 污水管道设计流量 q = q + q i t ( 2 4 ) 4 设计管段及设计流量的确定 ( 1 ) 设计管段两个检查井之间的管段采用的设计流量不变。且采用同样的 管径和坡度，称它为设计管段。因为转弯处必需设置检查井，在直线管段上， 为了疏通管道，需在一定距离处设置检查井。为了简化计算，不需要把每个检 查井都作为设计管段的起讫点，估计可以采用同样管径和坡度的连续管段，就 可以划作一个设计管段。根据管道平面布置图，凡有集中流量进入，有旁侧管 道接入的检查并均可作为设计管段的起讫点。设计管段的起讫点应编上号码。 ( 2 ) 设计管段的设计流量 每一设计管段的污水设计流量包括以下三种流量 本段流量q 1 是从管段沿线街坊流来的污水量； 转输流量q 2 - 一是从上游管段和旁侧管段流来的污水量； 集中流量q 3 是从工业企业或其它大型公共建筑物流来的污水量。 对于某一设计管段而言，本段流量沿线是变化的，即从管段起点的零增加 到终点的全部流量，但为了计算的方便，通常假定本段流量集中在起点进入设 计管段。它接受本管段服务地区的全部污水流量。 本段流量计算公式如下： 可l = f 釜括q 生活i 生活+ ，i 业g 工业 2 工业( 2 5 ) 式中：q l 设计管段的本段流量( l s ) ； f 。设计管段服务的生活用地街区面积( h a ) ； k z 。生活污水量总变化系数； q 单位面积的本段生活平均流量，即生活用地比流量( u s h a ) ； f 。设计管段服务的工业用地街区面积( h a ) ； k z 。工业污水量总变化系数； q 工业单位面积的本段工业平均流量，即工业用地比流量( l s h a ) 从上游管段和旁侧管段流来的平均流量以及集中流量对这一管段是不变 的。 2 2 4 污水管道水力计算 1 水力计算基本公式 污水由支管流入干管，由于管流入主干管，由主干管流入污水处理厂，管 道由小到大，分布类似河流，呈树枝状，与给水管网的环流贯通情况完全不同。 污水在管道中一般是靠两端的水面高差从高向低处流动。 在绝大多数情况，污水管道内部是不承受压力的，即靠重力流动。管道计 算的基本公式如下： q = v a( 2 6 ) l兰! 矿= 二r 3 ，2 ( 2 ，7 ) 式中：( 卜一流量( m 3 ，s ) ； v 一流速( n 1 ，s ) r 一水力半径，月：兰； p i - 一水力坡降： a 一过水断面( m 2 ) p 湿周( m ) n 一粗糙系数。该值根据管渠材料而定，见下表2 1 表2 1 排水管渠粗糙系数表 管渠种类n 值 陶土管铸铁管 o 0 1 3 混凝土和钢筋混凝土管、水泥砂浆o 0 1 3 o ，0 1 4 抹面渠道 石棉水泥管钢管 o 0 1 2 浆砌砖渠道 0 ，0 1 5 浆砌块石渠道 o 0 1 7 干砌块石渠道 0 0 2 0 0 2 5 土明渠( 带或不带草皮) o 0 2 5 o 0 3 0 2 水力计算设计数据有关规定 设计充满度 在设计流量下，污水在管道中的水深h 和管道直径d 的比值称为设计充满 度( 或水深比) ，如下图所示。 图2 1 污水管道水深与管径的关系 当i 以净1 时称为满流：h ，d l 时称为非满流。我国污水管道按非满流进行 设计。其最大设计充满度的规定如表2 2 所示 表2 2最大设计充满度 管径( d ) ( 咖) 最大设计充满度( h d ) 2 0 0 一3 0 00 5 5 3 5 0 _ 4 5 0o 6 5 5 0 0 9 0 0 o 7 0 1 0 0 0 o 7 5 在计算污水管道充满度时，不包括淋浴或短时间内突然增加的污水量，但 当管径小于等于3 0 0 1 1 1 i n 时，应按满流复核。这样规定的原因是： 污水流量时刻在变化，很难精确计算，而且雨水或地下水可能通过检查井 盖或管