（市政工程专业论文）污水管网优化设计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水是人们日常生活中不可缺少的物质之一。水经人们生活使用后成为 生活污水，水经工业企业使用后成为工业废水。污水管网的基本任务就是 及时、安全、通畅地收集、输送污水到污水处理设施。 污水管网优化设计是工程优化中的一种。污水管网优化设计包括两个 方面的内容：一是管线平面布置的优化选择；其方法有：决策图法，简约 梯度法，优化树法等。二是在管线平面布置已定情况下进行管道参数的优 化；其方法有：线性规划法，非线性规划法，动态优化法，遗传算法，直 接优化法等。本文主要研究第= 方面。 鉴于污水管网约束条件较多，而且地形有时千交万化，直接优化法具 有直接、直观和容易验证的特点，所以本文采用直接优化法。两相优化法 是直接优化法的一种它的核心主要是从两个方面来对污水管网进行优化 设计，即在满足污水管网各种约束条件的前提下，一是选择尽可能小的流 速，二是选择尽可能大的充满度。本文运用这一优化思想，利用v i s u a l b a s i c 语言，编制优化设计程序，并在优化设计程序中采用人机对话，对污水管 网进行优化设计。 污水管网优化设计也包括管道在检查井内连接时的优化，本文也做了 详尽阐述。 排水管网赞用函数是排水管网优化设计中的一个重要课题。本文通过 对排水管网费用函数各主要影响因素的分析，推求出新的排水管网费用函 数形式，并利用s p s s 统计软件对各个排水管网费用函数进行了回归分析， 证实新的排水管网费用函数与其它排水管网费用函数相比较为较优函数。 关键词：污水管网优化设计费用函数 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e ri st h ee s s e n t i a ls u b s t a n c eo fo u rd a i l yl i f e i tt u r n st ob el i v i n g s e w a g e a f t e rb e i n gu s e db y p e o p l e ，a n db e c o m e s a sw a s t ew a t e ra f t e rb e i n gu s e d b yi n d u s t r ya n de n t e r p r i s e t h eb a s i ct a s ko fs e w a g ep i p en e ti st oi n g a t h e ra n d t r a n s p o r tw a s t e w a t e rt os e w a g e m a n a g i n ge q u i p m e n t i nd u e c o u r s e ，s e c u r i t ya n d w i t h o u ta n yb l o c k t h eo p t i m i z a t i o no f s e w a g ep i p c n e t w o r k si so n eo ft h e e n g i n e e r i n g o p t i m i z a t i o n i ti n c l u d e st w oa s p e c t si nc o n t e n t ：o n ei st h eb e s tc h o i c e f o rp l a n e d i s p o s a lo fp i p e l i n e ，a n di t sm e t h o d sf o l l o w sa sd e c i s i o n m a k i n gp l o t ，s i m p l e t r a p e z i f o r ma n do p t i m i z i n gt m n k f o r me t c ；t h e u t h e ro n ei s o p t i m i z i n gp i p e p a r a m e t e rw h e n t h ep l a n ed i s p o s a lo f p i p e l i n eh a sb e e nf i x e d ，a n dt h em e t h o d s o fw h i c ha r el i n e a rp r o g r a m m i n g , u n l i n e a rp r o g r a m m i n g ，d y n a m i co p t i m i z i n g ， d i r e c to p t i m i z i n g , h e r e d i t a r ya r i t h m e t i ca n ds oo n t h i st h e s i sw i l lm a i n l ys t u d y t h es e c o n da s p e c t t h ee s s a ya d o p t sd i r e c to p t i m i z a t i o ns i n c ev a r i o u sl i m i t so ns e w a g ep i p e n e t ，o c c a s i o n a lc h a n g eo nt o p o g r a p h y , a n dd i r e c t ，e a s y - l o o k i n g ，a n de f f o r t l e s s e x a m i n gc h a r a c t e r i s t i co nd i r e c to p t i m i z a t i o n ，d u a lo p t i m i z a t i o ni so n eo ft h e d i r e c ta n di t m a i n l yf o c u s e so no p t i m i z i n gs e w a g ep i p en e tf r o mt w oa s p e c t s ， n a m e l y t oc h o o s ev e l o c i t yo ff l o wa ss l o wa sp o s s i b l ea n ds p e e do f f i l l i n ga sf a s t a sp o s s i b l ew i t ht h ep r e c o n d i t i o no fm e e t i n gv a r i o u sl i m i t so ns e w a g ep i p en e t b ya d a p t i n g t h e o p t i m i z a t i o nt h o u g h t a n du s i n gv i s u a lb a s i cl a n g u a g et o w o r k o u tat h o r o u 【g hd e s i g n i n gp r o g r a m ，t h et h e s i sd e s i g n st h es e w a g ep i p en e t p e r f e c t l yb yu s i n g m a n m a c h i n ec o n v e r s a t i o nd u r i n gd e s i g n i n g p r o g r a m t h et h e s i sa l s om a k e saf u l li l l u s t r a t i o no nt h eo p t i m i z a t i o no f s e w a g ep i p e n e tw h i c hc o n s i s t so ft h eo p t i m i z a t i o no n p i p e c o n n e c t i o ni ne x a m i n gw e l l a ni m p o r t a n tt a s ko fd r a i n a g en e t w o r k s o p t i m i z i n gi s t h e e x p e n s eo f d r a i n a g en e t w o r k s t h r o n g ha n a l y z i n g m a i nf a c t o r so nt h e p a r a m e t e r o f d r a i n a g e n e t w o r k se x p a n s e ，t h i st h e s i sa s c e r t a i n san e wp a r a m e t e rf o r mo f l l 武汉理工大学硕士学位论文 d r a i n a g en e t w o r k se x p e n s ea n dr e g r e s s i v e l ya n a l y s e se a c hp a r a m e t e ro fd r a i n a g e n e t w o r k se x p a n s eb ys t a t i s t i c a ls o f t w a r es p s s ，a p p r o v i n gt h a tt h en e w d r a i n a g e n e t w o r k s e x p a n s ei s ab e t t e r p a r a m e t e rc o m p a r e dw i t ho t h e rp a r a m e t e r so f d r a i n p i p en e te x p e n s e k e yw o r d s ：s e w a g en e t w o r k s ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，p a r a m e t e ro fe x p e n s e i i i 武汉理工大学硬士学位论文 第一章绪论 在人们的日常生活中，水是必不可少的物质之一。现代城镇的住宅， 不仅利用卫生设备排除污水，而且随污水排走粪便和废弃物。生活污水含 有大量腐败性的有机物以及各种细菌，病毒等致病性的微生物。 在工业企业中，水经生产过程使用后。绝大部分成为废水。有的是被 热污染，有的则挟有大量的污染物质，甚至还含有某些致癌物质。 在人们生产和生活中产生的大量污水，如不加控制，任意直接排入水 体( 江、河、湖、海、地下水) 或土壤，使水体或土壤受到污染，将破坏 原有的自然环境，以至引起环境问题，甚至造成公害，对人民的生产和生 活带来极大的危害。 污水管网就是由污水管道，污水检查井等组成的管网系统，其基本任 务就是及时、安全、通畅地收集、输送污水到污水处理设施，避免环境受 到污染，保障人民的健康和正常生活，促进工农业生产的顺利进行。 污水管网工程在我国社会主义建设中有着十分重要的意义： 从环境保护和可持续发展方面来讲，随着现代工业的迅速发展和城市 人口的集中，污水水量日益增加，污水水质成分也日趋复杂。在我国以及其 它国家，因污水而引起的环境污染问题非常严重。据统计，全国7 0 以上 的城市河段不宜做饮用水源，5 0 的城市地下水受到污染，给我国工农业进 一步发展带来了严重的障碍1 1 j 。污水管网工程有保护和改善环境，消除污水 危害的作用。而消除污染，保护环境，是进行经济建设必不可少的条件， 是可持续发展必不可少的条件，是造福子孙后代的大事。 从卫生上讲，污水工程的兴建可有力地保障人民群众的身体健康。污 水对人类健康的危害有两种方式：一种是污染后。水中含有致病微生物而 引起传染病的蔓延。另一种是被污染的水中禽有有毒物质，经人饮用后， 从而引起人们急性或慢性中毒。甚至引起癌症或其它各种公害病。某些引 起慢性中毒的毒物常常通过食物链而逐渐在人体内富集，形成潜在危害， 不仅危及一代人，而且影响子孙后代。兴建完善的污水工程，对污水进行 武汉理工大学硕士学位论文 妥善处理，对于预防和控制各种传染病、癌症或“公害病”有着重要的作用。 从经济上讲，水是非常宝贵的自然资源，它在国民经济建设的各部门 中都发挥着不可替代的作用。虽然地球表面7 0 以上都被水所覆盖，但其 中便于取用的淡水量仅为地球总水量的0 2 左右【1 1 。许多河川的水都不同 程度的被其上下游城市重复使用着，如果水体受到污染，势必降低淡水水 源的使用价值，增加饮用水处理的成本。目前，一些国家和地区已出现因 水污染不能使用而引起的“水荒”，被迫不惜付出高昂的代价进行海水淡化， 以取得足够数量的淡水。现代污水工程正是保护水体防治公共水体污染， 以充分发挥其经济效益的重要手段之一。其次，污水的妥善处置和及时的 排除。是保证工农业生产正常运行的必要条件之一。 从城市的发展来讲，完善的污水管网系统是一个城市现代化的标志。 我国多数城市污水管道没有形成完善的系统，有的利用街道，河道排水， 有的污水随意排放，影响环境卫生。有的虽有管道，但排水能力低，极不 适应日益发展的城市建设，对人民的生活、生产带来很大的影响。 近几年来。我国在城市基础建设方面投入了巨大的物力和财力，我国 大多城市的污水管网系统也得以提升和改善，但是，与发达国家相比，仍 有很大的差距。因此，大力进行污水管网建设，形成完善、通畅的污水管 网系统，可大大提高一个城市的人居环境和城市文明，加快城市发展，缩 小我国和发达国家的差距。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章污水管网工程设计的优化方法 2 1 一般工程设计的优化方法 最优化理论是一门应用相当广泛的科学，它讨论决策问题的最佳选择 特性。构造寻求最优解的计算方法，研究这些方法的理论性质及实际表现。 近年来，随计算机技术的高速发展和更多优化方法的不断涌现，优化的工 具和手段都得到了长足的进步，优化的领域和规模也越来越大。设计科研 人员在工程实践中，采用的优化方法通常有以下几中： ( 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，毋须通 过分析计算就做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。根据模型试验所得的结果，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 武汉理工大学硕士学位论文 计算优化都是以使用计算机的数值计算为其主要特征。 2 1 1 污水管网优化设计的发展 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，逐渐建立起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各种研究成果，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【3 ”。这样不仅把设计人员从查阅图表的繁杂过程中解脱出 来，加快设计进度，而且整个排水管道系统得到了优化设计，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1 0 以上的工程造价【3 3 1 。 我国在7 0 年代以同济大学环境工程学院杨钦教授为代表的专家学者， 开辟了给水排水工程优化设计的新领域，为全面开展优化设计奠定了基础 1 6 】。 2 1 2 污水管网优化设计的必要性 污水管网系统是给水排水工程的一个重要组成部分，在整个排水系统投 资中占有相当大的比例。污水管网系统同时是现代化城市重要的基础设施， 是城市水污染防治的骨干工程。因此设计时如何在满足规定的各种约束条 件下，优选污水管网的管径、埋深等各个组成部分，尽量降低污水管网的投 资费用，是污水管网优化设计的最终目的。 在传统的污水管道设计中，水力计算主要通过手工借助于计算器来完 成。其计算过程是一项工作量很大，简单、机械、重复的劳动过程，既枯 燥又费时，而结果一般得不出一个最优或者较优的设计方案。即使最有经 验的工程设计人员，也不可能对每个方案进行定量的比较，只能考虑其中 4 武汉理工大学硕士学位论文 一部分，这样最优方案就会被遗漏，从而导致投资出现不必要的浪费。有 些学者指出，污水管道系统的最优化设计较常规设计可节省投资5 1 5 ， 系统规模越大，复杂性越高，通过优化设计后可节省的费用就越多【3 3 1 。 当今社会，随着计算机技术的发展，计算机已渗透到人们生活和工作 的各个方面。利用计算机，通过编制程序和软件来对工程进行设计和优化， 已被人们广泛应用。 2 2 污水管网优化设计的内容 污水管网的优化设计包括两个方面的内容：一是管线平面布置的优化选 择。二是在管线平面布置已定的情况下进行管道参数即管段管径及埋深的 优化设计。近几年来，我国的科研人员对污水管网系统的优化设计研究进行 了大量的工作，取得了不菲的成果。 2 2 1 平面布局的优化设计 污水管网平面布置的优化设计原则是使管线短，管道工程量最小，水流 通畅且节省能量。 正确的定线是合理经济地设计污水管道系统的先决条件，对不同定线方 案的优化选择更具实用价值。对于某种平面布置方案是否最优，取决于该平 面布置方案管径一坡度( 埋深) 优化设计计算结果，因此已定管线下的优化设 计计算是平面优化布置的基础。污水管网的平面优化布置与已定管线下的 优化设计计算是密不可分的。 目前国内研究人员在平面布局优化方面已经取得了一定的成果。如张景 国的简约梯度法，程奕等的决策图法，陈森发的优化树法等： ( 1 ) 决策图法【1 6 1 图论是一种常用于系统优化的数学方法，它的最短路算法常常简 化了计算决策图就是将方案决策问题用图论加以解决方案决策的问题实 际上就是求从a 到b 的最短路线问题，可用决策图表示 ( 2 ) 简约梯度法【1 5 l 5 武汉理工大学硕士学位论文 该方法将优选课题分为两个步骤：先假定一个初始平面布置方案，第 一步进行管径、埋深的优化设计，第二步根据优化设计结果确定各管线的 权值，按照权值的大小。并根据图论中定权课题的解法，重新搜寻选定管 线平面布置方案。以后在新方案的基础上重复进行这两个步骤的计算，直 至所确定的平面布置方案为最优。 ( 3 ) 优化树法i l q 根据我国城市排水系统的特点，以定理形式证明，我国城市排水管网系 统最优布局为树状结构。进而，构造优化树的算法，通过理论分析和实际计算， 优化树算法在n ，n ( n 为系统节点总数目，n 为污水处理厂数目) 步内收敛于最 优解，即获得系统最优布局。 2 2 2 管道参数的优化设计 管道参数的优化设计是指已定管线下污水管道系统优化设计计算，主 要是管径和埋深( 坡度) 以及不同管段间的设计参数优化问题。对于某一 设计管段，当流量确定后，满足设计规范要求的管径与埋深有多种组合。 在这些组合中，如果选择的管径较大，则坡度较小，管道埋深较小，施工 费用低而管材费用高：反之如果选择的管径较小，坡度较大，管道埋深 较大施工费用高而管材费用低。因此，对于一段管段而言，总存在一组 管径和埋深的组合，使其投资最小。但对于一段比较长的大型污水管网而 言，选择较大的管径和较小的坡度是有利的，这样能有效地降低污水管网的 造价。因为随着埋深的增加，埋深造价将大大高于管径造价。例如，某地管径 6 0 0 m m 的管道，其埋深5 米时的工程造价是埋深3 米时的3 倍田j 。 对于在管线平面布置已定情况下进行管道参数的优化设计问题，国内外 做了大量开拓性的工作，取得了巨大成果最优化方法一般分为两种：间接优 化法和直接优化法直接优化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；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。 管线平面布置已定情况下的污水管网各个参数的优化设计，即本论文 武汉理工大学硕士学位论文 的研究方向，就目前来看主要有以下几种方法【3 3 1 ： ( 1 ) 线性规划法 线性规划法是优化技术中最常用的一种方法。它对于污水管网设计计 算模型中的约束条件和目标函数的非线性，分别用它们的一级泰勒展开式 代替，将之化为线性规划问题，用线性规划的解作为问题的近似解，反复 迭代，使迭代点序列逼近非线性规划的最优解。它的缺点是把管径当作连 续变量来处理，存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题。把非线性函 树转为线性函数，前期准备工作量大，且难以保证结果的计算精度。 混合整数规划法，作为线性规划法发展形式，克服了线性规划的部分 缺点，可以解出离散的标准管径，但由于整形变量过多，往往难以求解， 从而应用受到限制。 ( 2 ) 非线性规划法 非线性规划法是为了适应排水管道系统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件的 形式。 罚函数离散优化法将排水工程的特点与罚函数离散思想相联系，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，必然存在运行时间长和内存占用量大的缺点。 ( 3 ) 动态规划法 动态规划法是目前在国内外广泛应用的排水管道优化设计计算方法。 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，寻求最优路线来进行优化设计。它在应用中分为两支：一支是 以备节点埋深做为状态变量，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，优化结果与初始解无关，且能控制计算精度，但要求状 武汉理工大学硕士学位论文 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， 引入了逆差动态规划法。逆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，可以显著地减小计算时间和存储量，但在迭代过程 中可能遗漏最优解，而且在复杂地形条件处理跌水，缓坡情况时受到限制。 另一支是以管径为状态变量，通过流速和充满度决策进行搜索的动态 规划法。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选取的一组 标准管径中并不全是可行管径，因此发展出可行管径法。可行管径法通过 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存储量。 尽管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，但其 状态变量均应满足“无后效性”的特点。“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当前各阶段状态的影响。从前面的分析 可知，在排水管道系统设计计算时，前一管段的设计结果将直接影响到后 续管段设计参数的选用，无论是利用节点埋深还是管短管径作为状态变量， 都没有充足的证据能够状态变量的“无后效性”。因此利用动态规划法求出 的污水管道优化设计方案并不一定是真正的最优方案。 ( 4 ) 遗传算法例 遗传算法是近几年迅速发展起来的一项优化技术，它是模拟生物学的 自然遗传变异机制而提出的随机优化算法，是进化算法的一个重要分。该 方法源于达尔文的生物进化理论，即大自然各种生物的进化经历了“物竟天 择，适者生存，不适者淘汰”的自然选择过程，这一进化理论同样可以作为 科研和工程实践中的寻优方法，1 9 7 5 年美国h o l l a n d 等提出了遗传算法的 系统概念和方法，2 0 多年来，遗传算法在越来越多的领域中得到了应用， 显示了巨大的优越性。 在遗传算法中，优化对象的所有参数都按一定进制( 如二进制，三迸 制等) 编码，称为基因码，这样优化对象的任一可行解都可用一个有限长 的多进制数码串来表示，这样的数码串称为一个个体，所有个体的集合称为 8 武汉理工大学硕士学位论文 群体。优化问题的目标函数可看作群体所处的环境，而目标函数的值可采 用评价个体对环境的适应程度，即称为适应度。根据达尔文的进化论，群 体中的个体进行生存斗争，适应度高的个体有更多的生存机会，这些个体 通过交配或突然变异而繁殖后代：适应度底的个体将逐渐被淘汰，这样经 过逐代进化，最后整个群体就会适应给定的环境，从而得到优化问题的最 优解。但遗传算法的缺点是编程复杂，且计算均由程序完成，不能适应一 些复杂情况。 ( 5 ) 直接优化法 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，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。 电子表格法是利用“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，利用这种方法，用户可寻找最小费 用的设计。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。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 鼹小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。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第三章污水管网优化设计步骤 3 1 污水管网优化的一般程序 用数值方法解决给水排水系统优化问题，一般需经过下列程序，其基 本内容是： ( 1 ) 构成问题 大多数给排水工程的实际问题，包含着很多复杂的因素，往往是一个 多变量、多目标、多层次的复杂系统。如何把一个实际的给排水系统，科 学地简化为一个能反映其关键要素及其基本特征，又便于进行定量表达和 模拟优化的替代系统，这是优化过程首要和关键的一步，它将在很大程度 上影响优化结果的合理性。构成问题的过程，也可称为“系统的概念化”， 简称“系统化”。 ( 2 ) 确定目标： 目标的确定是给排水工程系统化的重要内容，也是系统优化的评价依 据。主要是探明该系统所涉及的各种目标和综合目标：识别各目标的重要 性。并表达其中值得追求目标的属性指标：建立目标随基本变量( 或所考 虑的关键因素) 变化的函数关系。 最常遇到的给排水优化问题，是在给定的技术与社会条件下，寻求系 统经济性最佳时的设计、运行方案、总费用现值等。 ( 3 ) 建立数学模型： 在上述阶段工作的基础上，建立定量表达给排水系统的数学模型。优 化设计的数学模型是设计问题抽象化了的数学形式的表现，它反映了设计 问题中各主要因素间内在联系的一种数学关系。数学模型通常需引入设计 变量、约束条件和目标函数三个基本要素。 i 设计变量：通常一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示。 选取哪些参数，因各设计问题而定。在设计时，有些参数可以根据工艺、 运行和使用要求预先给定；而另一些则需要在设计过程中进行选择，这部 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 分参数可看做变量，称为设计变量。这种变量是一种相互独立的基本参数。 当设计变量不是连续变化时称为离散设计变量。然而，由于按离散变 量进行优化设计比较困难，因此，目前的工程优化设计中大多数还是按连 续设计变量来处理。 i i 约束条件：在设计空间中，所有设计方案并不是工程实际都能接受 的。因此，在优化设计中，必须根据实际设计要求，对设计变薰的取值加 以种种的限制。这种限制称为约束条件( 或约束) 。设计约束一般表达为设 计变量的不等式约束函数和等式约束函数。 i i i 目标函数：设计变量选定之后，设计所要达到的指标，如经济指标、 效率指标等，可以表示成设计变量的函数，这个函数就称为目标函数，即 f ( x ) - f 僻。，x 2 盖。) 在工程优化设计中，被优化的目标函数有两种表述方式：目标函数的 极小化和目标函数的极大化，即 f ( x ) 一m i n 或f ( x ) - - - m a x ( 4 ) 优化模型的求解与检验： 实际工作中求最优解( 或满意解) 可能有以下几种情况： i 评价目标只是一个定量指标( 通常是费用) ，且可变的方案很多又 无法简单一一列举时，则要运用最优化方法求出其最优解。 i i 评价目标只是一个定量指标，而备选的方案不多，则可以较方便地 逐一对备选方案进行模拟计算，并从中择优选定。 i i i 评价目标不只一个，多种目标之间彼此又有矛盾，这时需要运用多 目标最优化方法，通过各目标之间的权衡和协调加以优选。 最优化方法可根据数学模型中的函数性质，选用合适的数值计算优化 法，并作出相应的程序设计，然后利用计算机的快速分析与计算，得出最 优值。 优化数学模型的晟优解，只是对所有模型来说为最优。而对现实问题 来说，则还可能是不完全合乎理想。优化的实际目的在于追求“满意解”而 不是“最优解”。因此。采用试算法得到一连串的解，并通过灵敏度分析来 确定影响求解的关键要素和参数，以找到一个较为合乎理想的满意解。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 污水管网的体制与组成 3 2 1 污水管网系统的体制 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是采 用一个管渠系统来排除，或是采用两个或两个以上各自独立的管渠系统来排 除。污水的这种不同排除方式所形成的排水系统，称做排水系统的体制排水 系统的体制，一般分为合流制和分流制两种类型。 ( 1 ) 合流制排水系统 合流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在同一个管渠内 排除的系统最早出现的合流制排水系统，是将排除的混合污水不经处理就 近排入水体，国内外很多老城市以往几乎都是采用这种合流制排水系统但 由于污水未经无害化处理就排放，使受纳水体遭受严重污染现在常采用的 是截流式合流制排水系统，国内外在改造老城市的合流制排水系统时，通常 采用这种方式。 ( 2 ) 分流制排水系统 分流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水分别在两个或两个以 上各自独立的管渠内排除的系统排除生活污水、城市污水或工业废水的系 统称污水排水系统：排除雨水的称雨水排水系统。 由于排除雨水方式的不同，分流制系统又分为完全分流制和不完全分流 制在城市中，完全分流制排水系统具有污水排水系统和雨水排水系统。而 不完全分流制只具有污水排水系统。 在一座城市中，既有分流制也有合流制的排水系统，即混合制排水系 统。混合制排水系统一般是在具有合流制的城市需要扩建排水系统时出现 的。在大城市中，因各区域的自然条件以及修建情况可能相差较大，因地 制宜地在各区域采用不同的排水体制是合理的。 不管是合流制系统，还是分流制系统，它们都是由收集生活污水、工 业废水和降水径流的检查井( 雨水口) ，连至支管，然后汇集到干管、主干 管组成。各管段由小到大，呈树枝状，不存在环流贯通或分散式支管。检 查井通常设在管渠交汇、转弯、管渠尺寸或坡度改变、跌水等处，以及相 武汉理工大学硕士学位论文 隔一定距离的直线管段上。相邻两检查井之间的管段为直管段，采用同样 的管径和坡度。其中的水流一般为重力流，存在自由水面。 3 2 2 污水管网系统的主要组成部分 污水管网系统由下列几个主要部分组成： 1 室内污水管道系统及设备。其作用是收集生活污水，并将其排送至 室外居住小区污水管道中去。 2 室外污水管道系统。分布在室外地面下的依靠熏力流输送污水至泵 站、污水厂或水体管道系统称室外污水管道系统。它又分为居住小区管道 系统及街道管道系统。 i 居住小区污水管道系统。是指敷设在小区内，连接建筑物出户管的 污水管道系统。 i i 街道污水管道系统。敷设在街道下，用以排除居住小区管道流来的 污水。在一个市政区内它由城市支管、干管、主干管等组成。 i i i 管道系统上的附属构筑物。有检查井、跌水井、倒虹管等。 3 污水泵站及压力管道。污水一般以重力流排除，但往往由于受到地 形等条件的限制而发生困难，这时就需要设置泵站。泵站分为局部泵站、 中途泵站和总泵站等。 4 污水厂。处理污水、污泥的一系列构筑物及附属构筑物的综合体称污 水处理厂。 5 出水口及事故排除口。污水排入水体的渠道出口称出水口，它是整个 城市污水排水系统的终点设备。事故排出口是指在污水排水系统的中途， 在某些易于发生故障的组成部分面前，所设置的辅助性出水渠，一旦发生 故障，污水就通过事故排出口直接排入水体。 3 3 污水设计流量的计算 1 居住区生活污水设计流量按下式计算 q t 。坠坐堕 2 4 x 3 6 0 0 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 q l 一一居住区生活污水设计流量( l s ) n 一一居住区生活污水定额( u ( c a p d ) ) 一一设计人口数 k ：一一 生活污水总变化系数 c a p _ _ 人”的计量单位。 ( 1 ) 居住区生活污水定额 居住区生活污水定额可参考居民生活用水定额或综合生活用水定额。 居民生活污水定额和综合生活污水定额应根据当地采用的用水定额， 结合建筑内部给排水设施水平和排水系统的普及程度等因素确定。在按用 水定额确定污水定额时，对给排水系统完善的地区可按用水定额的9 0 计， 一般地区可按用水定额的8 0 计【”。 ( 2 ) 设计人口 指污水排水系统设计期限终期的规划人口数，是计算污水设计流量的 基本数据。该值是城镇( 地区) 的总体规则确定的。在计算污水管道的设 计流量时，常用人口密度与服务面积相乘得到。 ( 3 ) 生活污水总变化系数 由于居住区生活污水定额是平均值，因此根据设计人口和生活污水定 额计算所得的是污水平均流量。而实际上流入污水管道的污水时刻都在变 化。污水量的变化程度通常用变化系数表示。变化系数分曰、时及总变化 系数。 一年中最大日污水量与平均日污水量的比值称为日变化系数( k 。) 。 最大日中最大时污水量与该日平均时污水量的比值称为时变化系数 ( 蚝) 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 最大日最大时污水量与平均日平均时污水量的比值称为总变化系数 ( & ) 。 即 通常，污水管道的设计断面系根据最大日最大时的污水流量确定，因 此需要求出总变化系数。 居住区生活污水量总变化系数值也可按总变化系数与平均流量间的关 系式求得，即 弘劳 q 一平均日平均时污水流量( i s ) 2 工业企业生活污水及淋浴污水的设计流量按下式计算： o ，a i b 1 k 1 + a 2 b 2 k 2 + c i d , + c 2 d 2 3 6 0 0 t3 6 0 0 q ：一一 工业企业生活污水及淋浴污水设计流量( u s ) a 。一般车间最大班职工人数( c a p ) 爿：一一热车间最大班职工人数( c a p ) 毋。一般车间职工生活污水定额，以2 5 ( l c a p 班) ) 计 b ：一热车间职工生活污水定额，以3 5 ( i c a p 班) ) 计 k 。一般车间生活污水量时变化系数，以3 0 计 k ：一一 热车间生活污水量时变化系数，以2 5 计 武汉理工大学硕士学位论文 c 。一一一般车间最大班使用淋浴的职工人数( c a p ) c ：一一热车间最大班使用淋浴的职工人数( c a p ) d ，一般车间的淋浴污水定额，以4 0 ( i c a p 班) ) 计 d ：一一高温、污染严重车间的淋浴污水定额，以6 0 ( u c a p 班) ) 计 r 一一每班工作时数( h ) 淋浴时间以6 0 m i n 计 3 工业废水设计流量 工业废水设计流量按下式计算 q ，= m 磊x m 矿x k z q ，一一工业废水设计流量( i j s ) m 一一生产过程中每单位产品的废水量( u 单位产品) ； m 一一产品的平均i _ 1 产量： r 一一每日生产时数( h ) ： k ，一一总变化系数。 4 地下水渗入量 在地下水较高的地区，因当地土质、管道及接口材料，施工质量等因 素的影响，一般均存在地下水渗入现象，污水管道系统宜适当考虑地下水 渗入量。地下水渗入量q 4 一般以单位管道长度( 延长米) 或单位服务面积( 公 顷1 计算。日本规程( 指针) 规定采用经验数据：按每人每日最大污水量的 1 0 一2 0 计算【”。 武汉理工大学硕士学位论文 5 城市污水设计总流量计算 城市污水总的设计流量是居住区生活污水、工业企业生活污水和工业 废水设计流量三部分之和。在地下水位较高地区，还应加入地下水渗入量。 因此，城市污水设计总流量一般为： q - q l + q 2 + q 3 + q 4 上述求污水总设计流量的方法，是假定排出的各种污水，都在同一时 间内出现最大流量的。污水管道设计即采用这种累加法来计算流量的【1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 第四章两相优化法 4 1 优化思想 4 1 1 概述 从| i 述可知，最优化方法一般分为两种：间接优化法和直接优化法。 间接优化也称解析优化，它是建立在最优化数学模型的基础上，通过优化 计算求出最优解；而直接优化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。虽然污水管 网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；最大设计充满度的限制又与管径大小有关：关于 最小设计流速及其与管径之间关系的约束条件等都很复杂。因此，很难建 立一个完整的求解最优化问题的数学模型，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问题就方便多了，并且有更直接、更直观、 容易验证等优点。 两相优化法是直接优化法的一种，所谓两相，一是指在污水管道优化 设计中选择尽可能小的设计流速；二是优化设计中选择尽可能大的设计充 满度【2 2 l 。 1 设计流速 污水管道的埋深对工程早价有具有重要的影响。总的来说，管道埋深 越大，造价越高，施工越困难，施工期越长。而且埋深对造价的影响比管 径对埋深的影响要大，当埋深较大时，埋深造价是管径造价的好几倍。此 外，由于管到连接和埋设的连续性，可以说，在一般情况下某一管段的埋 深增加了o 5 米，该条管道上的下游所有管段( 甚至其下游的若干条管道) 都将增大埋深0 5 米。如果每个管段都尽可能地减小埋深，那么对于减小整 个管网的工程造价来说具有很大的意义。 污水管道所采用的均匀流基本公式为： v ；三月2 ”1 1 7 2 ( 4 1 】 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 2 ) q 一设计流量( m 3 s ) ； 式中v 设计流速( m s ) ： n 管壁粗糙系数，取n = o 0 1 4 r 水力半径 ，水力坡度，等于管底坡度，也称管道( 段) 坡度： 珊过水断面面积m 2 在一定条件下，决定管道埋深大小的关键因素是管道坡度。我们知道， 当流速减小时，水力半径r 增大，从公式( 4 2 ) 来看，当r 增大时，i 减小， 即减小流速能有效地减小管底坡度和埋深。但是在污水管道约束条件中 除了对最小管径的管底坡度以外，没有关于管底坡度大小的具体规定，因 而无法以管底坡度作为优化选择的决策变量。而对于设计流速却有明确的 约束条件，在满足设计流速约束条件的前提下，选择一个尽可能小的设计 流速是对设计参数进行优化选择的重要内容。 2 设计充满度 在污水管道设计中，减小管径也能减小管材与工程造价。由此可见， 尽可能选择一个较小的管径也是十分重要的。但是，在根据污水管道设计 的约束条件，除了最小管径，也没有对管径大小作出具体的要求，而对设 计充满度却有严格的规定，因而无法直接选取一个最优管径来满足有关约 束条件。如果在已知设计流量并初步确定了流速的情况下，选择一个尽可 能接近最大充满度的管径，那么，这个管径就是该条件下可以选择的最小 管径。 更有意义的是，这种优化选择接近最大设计充满度的方法，不仅可以 减少管材等工程造价，而且可以在一定程度上减小管底坡度和埋深。从式 ( 4 1 ) 来看，首先确定了一个尽可能小的设计流速v 后，n 为常数，水力 半径r 越大，管底坡度i 越小。根据水力学中水力半径和充满度之间的关 系可知，充满度为0 8 1 左右以下时，水力半径随充满度增大而增大。由于 各种管径的最大充满度都不大于0 7 5 ，所以，选择尽可能大的设计充满度也 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 就是选择了尽可能大的水力半径，其结果是减小了管道坡度和埋深。 表4 1无压圆形管道的水力因素 充满度面积水力半径流速流量 h | dr r矿p q q 1 0 010 0i _ 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 0 0 9 0o 9 4 91 1 9 01 0 3 01 1 2 31 0 6 5 0 8 00 8 5 61 2 1 41 0 3 31 1 3 90 9 7 6 0 7 00 7 4 61 1 8 31 0 2 91 1 1 90 8 3 5 0 6 00 6 2 51 1 1 01 0 1 81 0 7 20 6 7 1 0 5 0o 51 0 ( ) 01 0 0 0