（模式识别与智能系统专业论文）广州市番禺区市桥区域污水系统优化研究.pdf

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 在市政与环境工程建设中 城市污水管网所占总投资的比例很大 对污水管网 进行优化设计 寻求满足各种技术条件 且能使整个系统的敷设或运营费用最低的设 计方案 不仅具有重要的理论和应用价值 而且具有明显的经济和社会效益 市桥区域是广州市番禺区的中心区域 是番禺区的行政 经济 文化教育中心 珠江三角洲中部重要商贸网络节点 市桥区域污水系统的建设是广州市番禺区整个污 水系统中重要的一个环节 做好市桥区域的污水规划 对提高周边区域的水环境质量 实现城市的科学发展 具有重要的意义 本文选取广州市番禺区市桥区域的污水收集 系统做为研究对象 从以下几个方面进行研究 1 污水量预测 本论文在对研究区域污水量的预测选取了三种预测方法 即不同性质建设用地 指标法 多元线性回归和灰色理论g m 1 1 通过以上三种方法 分别对研究区 域规划年2 0 1 0 年和2 0 2 0 年的污水量进行预测 并分析预测结果 最后通过加权平均 得出研究区域的规划年2 0 1 0 和2 0 2 0 年污水量 2 研究区域的污水排放方案 确定研究区域的排水体制 将研究区域划分为六个排水流域 并提出研究区域 的两个污水排放方案 即高水高排和西水合排方案 3 方案优选 对两个污水排放方案的污水管网进行简化 提出污水管网优化的数学模型 通 过m a t l a b 软件中的遗传算法工具箱 g a d s 建立管径和埋深的研究区域管网费用函 数 同时 对两个方案的泵站工程分别进行投资估算 利用管网费用函数计算结果和 泵站投资估算结果加和得出两个方案总费用结果 根据总费用的结果对两个方案进行 优选 最后 结合现状道路及道路实施规划 提出优选方案的分期实施计划 关键词 污水管网 多元线性回归 灰色理论g m 1 1 方案优选 遗传算 法 m a t l a b i 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 gs e w a g ea f t e r b e i n gu s e db yp e o p l e a n db e c o m e sa sw a s t ew a t e ra f t e rb e i n gu s e db yi n d u s t r ya n d e 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 dt r a n s p o r tw a s t ew a t e rt o s e w a g em a n a g i n ge q u i p m e n ti nd u ec o u r s e s e c u r i t ya n dw i t h o u ta n y b l o c k i nt h em u n i c i p a la n de n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n u r b a ns e w a g ep i p e n e t w o r ka c c o u n t sf o ral a r g ep r o p o r t i o no ft h et o t a li n v e s t m e n t m a k i n gao p t i m i z e dd e s i g n a c c o r d i n gt ot h es e w a g ep i p en e t w o r k a n ds e e k i n gt h ee c o n o m i ca n dr e a s o n a b l ed e s i g n s c h e m e h a st h ee x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c e s h i q i a oa r e a a st h ea d m i n i s t r a t i v e e c o n o m i c c u l t u r ea n de d u c a t i o n a lc e n t e ro fp a n y u d i s c r i c t g u a n g z h o uc i t y w h i c hi st h em i a nb u s i n e s sn e t w o r kn o d ei nt h em i d d l ep a r to f t h e p e a r ld e l t a t h ec o n s t r u c t i o no ft h es e w a g es y s t e r mf o rs h i q i a oa r e ai sa l li m p o r t a n tp a r to f t h ew h o l es e w a g es y s t e r mf o rg u a n g z h o uc i t y m a k i n gag o o dp l a n n i n go ft h es e w a g e s y s r e r mf o rs h i q i a oa r e ah a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ew a t e r e n v i r o n m e n ti nt h es u r r o u d i n ga r e a sa n di m p l e m e n tu r b a ns c i e n t i t i f i cd e v e l o p m e n g t t h i s a r t i c l ei n t e n d st os t u d ys e w e r a g es y s t e mo fs h i q i a oa r e a p a n y ud i s t r i c t g u a n g z h o uc i t y i tm a i n l yd e a l sw i t ht h ef o l l o w i n g a s p e c t s 1 f o r e c a s tf o rs e w a g eq u a n t i t y t h i sa i t i c l ec h o o s e dt h r e ef o r e c a s t i n gm e t h o d st of o r e c a s ts e w a g eo ft h es t u d ya r e a i n d i c a t o r so ft h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o nl a n d s m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n g r a yt h e o r y g m r e s p e c t i v e l yp r e d i c t e dt h eq u a n t i t yo fs e w a g ei n2 0 10a n d2 0 2 0o ft h es t u d yr e g i o n a l a n da n a l y z e dt h er e s u l t s t h r o u g ht h ea b o v e m e n t i o n e dt h r e em e t h o d s f i n a l l y g e tt h e s e w a g eq u a n t i t y f o r2 010a n d2 0 2 0o ft h es t u d ya r e ab yw e i g h t e da v e r a g e sm e t h o d 2 t h ep r o g r a mf o rs e w a g es y s t e r mo ft h es t u d ya r e a d e t e r m i n e dt h ed r a i n a g es y s t e mo ft h es t u d ya r e aa n dd i v i d e d e di ti n t os i xd r a i n a g e b a s i n t w od r m n a g ep r o g r a m sa r ep r e f e r r e d t h a ti s h i g h w a t e rh i g h r a n k e dp r o g r a ma n d w e s th y d r a t i o nt o g e t h e r r a n k e dp r o g r a m 3 p r o g r a mo p t i m i z a t i o n s i m p l i f i e dt h es e w a g ep i p en e t w o r kf o r t h et w os e w a g ep r o g r a m m a d em a t h e m a t i c a l m o d e lf o rt h es e w a g ep i p en e t w o r ko p t i m i z a t i o n e s t a b l i s h e dt h en e t w o r kc o s tf u n c t i o n b a s e do nd i a m e t e ra n dd e p t ht h r o u g hg e n e t i ca l g o r i t h mt o o l b o x g a d s o fm a t l a b a t t h es a n l et i m e i n v e s t e d p u m p i n gs t a t i o np r o j e c ts e p a r a t e l y f o rt h et w od r a i n a g e p r o g r a m s 功es u m m a t i o no ft h ec o s to ft h eu s eo fp i p en e t w o r ka n dp u m p i n gs t a t i o ni st h e i i t o t a lc o s t o p t i m i z e dt h et w op r o g r a m st h r o u g ht h et w o t o t a lc o s t s f i n a l l y p r o p o s e da p h a s e di m p l e m e n t a t i o np l a nf o rt h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mb yt h ei m p l e m e n t a t i o na n d p l a n n i n gs t a t u so ft h er o a d k e yw o r d s s e w a g ep i p en e t w o r k m u l t i v a r i a t el i n e a rr e g r e s s i o n g r e yg m 1 1 p r o g r a mo p t i m i z a t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m m a t l a b 1 1 1 论文独创性声明 本人声明 本人所呈交的学位论文是在导师的指导下 独立进行研究 工作所取得的成果 除论文中已经注明引用的内容外 对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 哆才确 1 年 月如日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品 知识产权归属 学校 学校享有以任何方式发表 复制 公开阅览 借阅以及申请专利 等权利 本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时 署名单位仍然为长安大学 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文作者虢多暑 碱 导师签名 历名乞矮 1 年j 碉细 e 7 年厂蜀3 t 匠 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 中国的水资源总量位居世界的前列 但是由于中国人口数量大 我国的人均水资源 量不足世界人均水资源量的1 4 t 1 1 而随着人口的增加 工农业的发展以及城市规模的 扩大 城市对水的需求也在不断的增加 因此而产生的污水也在日益增加 现阶段我国 城市污水排放量己达到4 1 4 亿吨 儿乎与城市供水量相等 与此相对应的是我国污水处 理率一直处于较低的水平 截止到2 0 0 3 年初 我国己建污水处理设施4 0 0 余座 城市 污水处理率仅3 0 一级处理率仅1 5 t 一方面 由于城市发展迅速 污水收集系统 不完善 不能有效的收集污水 另一方面则是污水处理厂数量和规模不够 不能将收集 的污水进行处理 要让一个城市有一个健康良好的水环境 维持水资源的可持续利用 实现城市的可持续发展战略 就应该建立合理完善的排水工程 在排水系统投资中占据 5 0 7 5 份额的污水和雨水管道系统显得举足轻重 因此合理地优化排水管网平面布局 设计 使其在技术上更具可行性 同时又降低投资和运行管理维护费用 是一个重要的 研究课题 广州作为中国的 南大门 f 2 华南地区的区域性中心城市 2 0 1 0 年亚运会的举办 城市 其城市基础设施建设正在全面提速 地铁 机场 高速公路 污水处理等重大城 市基础设施建设进度正在不断加快 广州市区江环水绕 河网纵横 水域面积7 4 4 万公 顷 占全市土地面积的1 0 0 k 3 1 广州提出 青山绿地 蓝天碧水 嘲工程 保护饮用 水资源 防治城市水污染 建立良好的生态水环境才能最终实现这一工程 番禺区位于 广州市的南部 为实施可持续发展战略 番禺区政府加大环境整治力度 投入大量人力 物力抓紧兴建番禺区污水收集和处理系统 市桥区域是番禺区的中心区域 是番禺区的 行政 经济 文化教育中心 珠江三角洲中部重要商贸网络节点 市桥区域污水系统的 建设是广州市番禺区整个污水系统中重要的一个环节 做好市桥区域的污水规划 对提 高周边区域的水环境质量 实现城市的科学发展 具有重要的意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 污水预测方法 科学地预测污水量是合理确定污水管道系统 中途泵站规模及污水处理厂规模最重 要的前提和基础 在一般的工程设计中通常采用的方法是分类水量指标法和不同性质建 设用地指标法 近年来 数学模型也正在广泛地应用于污水量预测 线性回归模型 b p 第一章绪论 神经网络模型 灰色理论等都在污水预测方面具有可行性 1 分类水量指标法 分类水量指标法f 4 是根据水量指标分别对综合生活污水量和工业废水量进行预测 其中综合生活污水量根据规划人口 选取适当的综合生活污水量指标计算 工业废水量 则是根据工业规划用地面积和工业废水量指标求解 城市污水量是综合生活污水量和工 业废水量之和 设计污水量 平均同 则是城市污水量与地下水渗入量之和 即 q 综台生活污水量2 k 综合生活污水量指标 p 规划人口 q 工业废水量 k 工业废水量指标 s 工业用地面积 q 城市污水量2q 综合生活污水量 q 工业废水量 q 设计污水量 平均日 2q 城市污水量 q 地下水渗入t 2 不同性质建设用地指标法 不同性质建设用地指标法1 4 是按照每单位建设用地的综合用水量指标及确定的污 水排放系数来预测综合污水量 预测方法为 q 综合用水量 1 t l i f 日 s 不同性质用地面秘 k 最高日用水量指标 q 综台用水量 平均日 5 q 综合用水量 i i l f e t k 日变化系数 q 综合污水量2 2 q 综合用水量 k 蜓市污水捧放系敷 q 地下水渗入量2q 综合污水量 平均日 k 地下水渗入事 q 污承厂处理水量2q 综台污水量 平均日 q 地下水渗入量 3 线性回归 线性回归预测法是分析自变量与因变量之间的相互关系 根据自变量的数字变化 预测因变量数字变化的一种方法 也可以称为相关分析预测法 5 1 它分为一元线性回归 和多元线性回归预测 一元线性回归预测法 就是利用预测对象的统计资料经过分析 确定一个与预测对象主要相关的 呈线性关系的因数 建立两者的一元线性回归方程 以相关因素的一个确定值带入一元线性回归方程 求得预测对象一个对应值即为预测 值 多元线形回归预测法 则是挑选预测对象统计资料中与预测对象相关的多个因素 建立二元或者二元以上的回归方程 最后求得与多个因素相关的对应值 4 灰色理论 灰色系统理论经过多年的发展 已基本建立起 r 新兴学科的结构体系 其主要内 容包括以灰色朦胧集为基础的理论体系 以灰色关联空间为依托的分析体系 以灰色序 2 长安大学硕士学位论文 列生成为基础的方法体系 以灰色模型 g m 为核心的模型体系 以系统分析 评估 建 模 预测 决策 控制 优化为主体的技术体系 6 灰色系统不同于模糊系统 模糊系统内涵明确而外延模糊 灰色系统外延明确而内 涵不为人们所掌握 灰色理论是华中理工大学的邓聚龙教授创造的 运用灰色系统理论 通过建立灰色模型所进行的预测即为灰色预测 注意点是灰色预测所直接使用的不是原 始数据序列 而是用由原始数据序列所产生的灰色模块 这个是由于原始序列中常常混 入随机量或噪声 在灰色预测中对原始序列的处理相当于滤波的处理方法 即建立灰色 模块 灰色预测理论能够将一些累加的曲线呈规律变化 但是计算时有点困难 5 b p 神经网络 神经网络 n n 是由大量神经元 又称为节点 相互连接而成的非线性复杂网络系统 是对人脑若干基本特征的抽象和模拟 是以一种简单计算的处理单元为节点 采用某种 网络拓扑结构构成的活性网络 7 1 可以用来描述几乎任意的非线性系统 b p b a c k p r o p a g a t i o n 网络的基本思想是利用l m s l e a s tm e a ns q u a r e 学习算法 通过梯度搜 索技术使得网络的实际输出与希望输出的均方误差最小 8 1 很多的实验和理论研究表明 b p 神经网络算法具备处理非线性问题的能力 但是b p 神经网络又存在着一些弱点 比 如收敛速度慢 容易陷入局部极值点 且具有很大的随机性 导致求得的全局最优可能 性较小 结合以上方法的优缺点 本论文主要采用不同性质建设用地指标法以及多元线性回 归方法和灰色理论g m 1 1 方法预测污水量 1 2 2 优化模型 1 国外优化模型 国外污水管网优化模型的研究可以分为两个明显的阶段 1 2 0 世纪6 0 年代 给水排水工程半定量 合理设计和管理 阶段 国外在经验总结和数理分析基础上 逐步建立起了各种给水排水系统及过程的 数学模型 开始以定量或者半定量为标志的给水排水工程研究 与此同时 随着系 统分析方法 计算技术 电子计算机手段的发展 对各种类型的给水排水系统 国 外开展了最优化的研究和实践 2 7 0 年代至今 计算机辅助优化定量阶段 在这个阶段 在给排水管道及水处理工程方面 美国 日本 欧洲等一些发达 国家 不仅在方法学 计算机程序上取得了各种研究成果 而且日益广泛的将所研 3 第一章绪论 究的各种计算程序软件应用于给水排水工程的计算机辅助优化设计中 目前在国外应用于给水排水工程设计的优化模型方面的软件主要有 9 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 是由动态规划法在实际工程中发展应用而形成的 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p s e w e r 由y e n 等把d d d p 发展成为i l s d 它们都可以用来设计污水管网 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 et r e a t m e n to v e r f l o wr u n o f f m o d e l 是由美国工程设计集 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 它可以使用于检查系统由于连续的时 间作用而引起的反应 但是它只适用于于初步设计而不适用于施工设计 4 s w a n 可以用于已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的特性 5 1 9 9 5 年 qa w a i t e r s 和c p a l m e r 利用遗传算法对树状管网进行系统布 置 得到一组优化布置方案 1 0 1 1 1 2 国内优化模型 国内从7 0 年代起 同济大学的杨钦教授和刘遂庆教授 哈尔滨工业大学的彭永臻 教授等分别对给排水管网系统展开了定量优化的研究 李贵义 1 2 1 用解有约束的非线性凸规划问题的简约梯度法进行优化 考虑到水力因 素 但是该问题并非严格的凸规划问题 求解过程存在缺陷 陈森发将优化过程分解成为主干管布局 次干管布局两个阶段 提出了递阶优化设 计法 分别用d i j k s t r a 算法和p r i m 算法来求解 然后又进一步考虑引入新管段对下 游管段敷设费用的影响 提出了优化树的修正逐步生成法 1 4 由于其在求解过程中利用 了费用指数来代替实际管段费用 所以不能确保得到总体的最优解 张景国 1 5 1 以初始管线布置方案的优化设计结果做为基础 来寻求流量的最优分配 刘永淞 16 1 则是以单位排水量管网建设费用做为判据指标 求得最短路径 程奕 1 7 1 提 出了排水管网优化设计的决策图模型 简化为定权问题来求解 李树平 1 以随机生成的管网平面布置图做为初始群体 在已定管线前提下 用优化 算法求解项目的工程造价 最后得出系统布置的优化方案 杨宏军 1 9 以污水有向网络图 4 长安大学硕士学位论文 为出发点 以污水管网系统投资最小化为目标 利用遗传算法的概率寻优特点 对可能 的形式进行比较 最后求得最优布局 郭建生 2 0 利用费用因子的等效线性化 建立线性规划模型 讨论在城市街道约束和 地形地势约束这两个条件下 城市管网系统布局的最优设计方法 在郭建生的基础上 杨元明 2 1 引入了新的经济参数 并且把设计变量区域离算成为网格 使用改进的直接网 格方法来对污水系统进行求解 但是这种方法 在实际工程设计的具体操作中存在一定 的难度 张景国1 2 2 1 张云1 2 3 等人采用规格管径做为状态变量 利用遗传算法同时搜索可行 解空间内的许多点 得出优化方案 但是他们在计算中没有考虑充满度的约束 周荣敏 2 4 采用管径及设计充满度做为决策变量 采用二维混合编码方案来进行方案表达 污水 管网水力计算基本公式进行管路的计算 这样有效地提高了遗传算法的进化过程 陈胜 兵 2 5 采用管径和坡度做为状态变量 利用各种约束条件建立可行空间 能可以求出满足 工程实际的较优解 缺点是其适用性受管网规模的限制 伊学农利用节点递归算法 将 遗传算法应用于中型城市的污水管网系统优化 获得较为满意的结果 2 矾 王磊 2 7 采用 规格管径做为离散型变量组合 利用蚁群算法寻优 大大减少了计算机的运算时间 提 高了工作效率 1 9 8 9 年 彭永臻教授提出两相优化法 2 8 2 9 0 3 1 其在满足约束条件的前提下 选取 最经济流速和尽可能大的充满度 得到最优管径和最小坡度 这样能最大限度的降低管 道埋深 在解决平坦地形地区污水管网的优化设计中取得了较好的效果 对于地面坡度 较缓甚至逆坡铺管的情况 张绍园 3 1 l 则提出需要采用最小充满度和不淤流速作为控制条 件 才能得到最优结果 郭迎庆 3 2 1 在应用直接优化法时 同时对管内底标高做了约束 增加了人机对话功能 加强了设计人员对管网计算的宏观控制和局部干预 使污水管网的设计得到了进一步优 化 张联民 3 3 1 调整了尾速 权衡埋深 管径对造价的综合效应 提出了流速控制法 周 琦 3 4 认为影响埋深的主要因素是管径和管道坡度 从坡度出发 在两相优化法的基础上 做了改进 何亚南 3 5 1 黄怀友 3 6 引入管段平均坡度的概念 并以平均坡度的某一变化 范围作为控制条件 求得所有的管段敷设组合 然后拟定不同的控制埋深 计算相应的 管径 坡度 埋深和造价的优化组合 得出最优方案 受计算机语言发展的限制 国内专家最开始编写的污水管网优化设计程序采用的是 f o r t r a n 或b a s i c 等语言 3 7 3 8 3 9 1 这些程序的可视化功能较差 数据输入输出比较麻烦 5 第一章绪论 人机对话功能不足 后来 研究人员开始将这些程序转化为w i n d o w s 版本的计算软件或 直接利用e x c e l 软件进行污水管网的水力计算 4 0 4 1 4 2 4 3 1 增强了可视化功能 缺点是 大多数软件只能计算没有分支管网的情况 2 0 0 0 年 费忠民 4 4 谰v i s u a lb a s i c 语言编写 实用污水管网计算软件 利用标签方式判断是否有分支 适用于只有一个分支的情况 黄怀友 3 6 1 用c 语言中的结构体和指针建立链表 每个链上的节点环环相扣 方便了整 个管段的优化 但利用链表随机存取数据的效率不高 针对污水管网枝状的图形特征 何亚南f 3 6 1 用树形结构建模 将污水管网的树形网络 结构转化成二叉树 解决管网关系的智能分析及存储问题 但在实际应用中比较繁琐 在这之后 张新波 4 5 j 提出三叉树概念 把管段当作树形结构的节点 利用周游树中的后 序法进行水力计算 通过一次计算就可以完成对整个管网计算的优化 但在将管网转化 为树型结构时还依然不太方便 近年来 国内很应用于污水管网设计的软件都是 以a u t o c a d 为操作平台 主要 有 鸿业市政管线h y s zv 4 0 中国建筑科学研究w h e t 北京皓辰公司i n t e r g p v 4 0 给排水等 这些软件的工作界面友好 管线布置灵活 数据输入方便 自动绘图功能强 大 但是存在优化设计功能明显不足的缺点 此外 采用a u t o c a d 平台不能进行空间 分析 使得规划辅助效率相对较低i 4 6 4 7 4 8 4 9 5 0 5 1 5 2 随着国外软件公司进入国内市场 国内的研究利用了很多国外的软件 美国 h a c e s t a d m e t h o d 公司研制的s e w e r c a d 英国w a l l i n gf o r d 公司开发的i n f o w o r k s c s 英 国m i c r o d r a i n g e 公司开发的w i n d e s 和w i n d a p 美国p i z z e r 公司开发的h y d e r a s e w e r m o l d i n g 等 在这些软件中最具代表性的是美国海斯德特公司开发的s t o r m c a d 软件包 和英国威廉福特公司开发的工n f o w o r k s c s 雨污集水系统软件包 5 3 1 国外的这些软件能 实现计算和绘图的一体化 功能强大 支持a u t o c a d 和g i s 操作平台 但是国外的软 件采用的规划与国内的规范有不一致的地方 并不适用于国内的污水管网优化 需要做 出改进 1 3 本课题研究的主要内容和技术路线 1 3 1 研究主要内容 本文选取广州市番禺区市桥区域污水管网系统设计做为研究对象 调查了解研究区 域的基本概况 搜集研究区域的人口 给水工程 排水工程等现状资料 主要从两个方 面切入进行研究 1 污水量预测 6 长安大学硕士学位论文 本研究中研究区域的污水量预测选取了三种预测方法 即不同性质建设用地指标 法 多元线性回归和灰色理论g m 1 1 通过以上三种方法 选取相应的设计参数 和数学模型计算程序 分别对研究区域规划年2 0 1 0 年和规划年2 0 2 0 年的污水量进行预 测 对三种方法的预测结果进行分析 确定最终的研究区域预测污水量 2 提出研究区域的污水排放方案 讨论研究区域的排水体制 结合地形等自然条件 将研究区域划分为六个小分区 根据小分区污水的去向 提出研究区域排污的两个可实施方案 3 方案优选 对两个污水排放方案的污水管网进行简化 提出污水管网优化的目标函数 通过 m a t l a b 软件中的遗传算法工具箱 g a d s 建立管径和埋深的研究区域管网费用函数 利用泵站工程投资估算的相关规范分别对泵站工程进行投资估算 结合管网费用函数计算结果和泵站投资估算结果 得出优选方案 结合现状道路及道路实施规划 提出优选方案的分期实施计划 1 3 2 技术路线 本文以广州市番禺区市桥区域的污水管网设计做为研究对象 引入数学模型进行污 水量预测 利用优化模型进行方案优选 技术路线见图1 1 7 第一审绪论 图1 1 研究技术路线 8 长虫大学碗十学位论文 第二章研究区域基本概况 2 1 研究区域范围 广州市番禺区市桥区域位于广东省中南部 珠江二角洲中部河网地带 在北纬 2 2 2 6 2 3 0 5 东经1 1 3 1 4 一1 1 3 4 2 之间 总面积3 35 8 平方公旱l 矧 东与番禺区石暮镇相邻 两以陈村水道和洪奇沥为界 与佛山l 仃相接 北与番禺区南 村镇 钟村镇相邻 南以f h 桥水道为分界线 与沙湾镇相接 市桥区域由西区沙头街 和中区市桥街两个街道组成 番禺区人民政府设于 仃桥街 m 珠e f 一 武 h 番禹医 口 n i 口 5 t n 圈2 1 研究区域范豳圈 22 研究区概况 2 2 1 人口状况 i 仃桥街共辖行政村8 个 社区居委会5 1 个 采取 街道 社区片管理处 杜区居 委 三级管理模式 共分为4 个社区片 其中 琊q 1 东片含桥福 康泰 珠电 侨丰 社学 园丰 东秀 沙园 德安 东并 盛泰 东方花园 东丽 东沙 德兴等1 5 个社区居委会甫i 黄编村 沙一村 沙一村 东郊村等4 个行政村 面积约5 平方公里 2 中片含田心 先锋 桥东 万丰 东涌 大市 瑞和园 石街等8 个杜区 居委会 而积约1 平方公晕 9 第二章研究区域基 辛 概况 3 西片含西秀园 禺山 西城 西坊 晒布 华侨城 三堂 涌边南 西涌 西兴苑 侨宫苑等1 1 个社区居委会和西郊村1 个行政村 面积约1 5 平方公里 4 北片含侨基 富都 康富 丹桂 康裕北 康裕二 富华 康乐 怡乐 鸿成 康裕一 禺秀 北丽 侨联 圻润 繁华 新城等1 7 个社区居委会和云星村 丹山村 北郊村等3 个行政村 面积约2 8 平方公里 据统计 2 0 0 4 年市桥街户籍人口为1 3 6 8 1 3 人 暂住入口 半年以上 5 4 4 1 7 入 合计总人口为1 9 1 2 万人 另据番禺区公安分局 区出租屋暂住人口管理办公司提供 资料 2 0 0 5 年末市桥街户籍人口为1 3 8 5 5 5 人 暂住人口4 9 0 1 0 人 合计总人口为1 8 7 6 万人 表2 1 沙头街各村人口统计 2 0 0 6 年6 月 村名 常住户口村民总人口 入 暂住人员数 人 沙头村 2 7 l o9 8 1 5 大平村 1 4 1 94 4 5 8 小平村 1 0 0 56 7 9 5 汀根村 2 8 3 94 2 3 7 横江村 2 7 6 33 1 6 5 南舣玉村 1 9 5 4 6 5 l 莲湖村 自然村 7 1 56 0 0 3 大富村 自然村 2 7 8 1 6 5 北海村 自然村 1 9 72 8 3 大罗村 1 1 2 29 8 7 3 小罗村 8 8 97 5 1 5 榄山村1 2 7 2 6 9 4 6 沙头居委 1 9 1 71 2 9 8 骏兴居委 4 5 0 64 8 l 合计2 3 5 8 66 1 6 8 5 沙头街规划范围内共有9 个行政村和2 个社区居民委员会 其中行政村有小罗 大罗 丹山 榄山 沙头 大平 小平 汀根 横江 南双玉等9 个 居委有沙头居 委 骏兴居委2 个 其中自然村莲湖村属横江村管辖 而自然村北海村和大富村属沙 头居委管辖 据番禺区公安分局 区出租屋暂住人口管理办公司提供资料 2 0 0 5 年 末沙头街户籍人口为1 9 5 9 2 人 暂住人口5 9 8 3 7 入 合计总人口为7 9 4 万人 到2 0 0 6 年6 月止 沙头街的常住入口总计2 3 5 8 6 入 暂住人口6 1 6 8 5 人 总人口有8 5 2 7 1 1 0 长安人学硕士学位论文 人 各村人口统计见表2 1 就该区域现状农业人口而言 近年来由于其乡镇企业 三资及私营企业发展迅猛 农村剩余劳动力就业出路较多 实际从事农业活动的人数 已越来越少 规划区内人口城市化趋势明显 2 2 2 土地利用现状 随着番禺经济 社会 城市建设的迅猛发展 市桥街的土地已成为稀有资源 空 置土地已极少 在东部有部分未建土地也多有业主 由于缺乏统一的规划和管理 现状的某些用地的使用性质和建设标准都与市桥街 的功能定位有所冲突 与周边用地的关系不协调 需要进行极大的调整 随着番禺撤市设区 广州 南拓 城市规模的扩张 将原农村地区圈入城市 在市桥街已出现多处 城中村 随着土地价值的升值 在缺乏有效管制的情况下 诱发众多的社会与环境问题 沙头街的用地总况为西 北环山 大夫山系 西 南临水 市桥水道 四至界 定明确 且具有良好的景观界面 地势略呈西北高 东南低 区内主要有大夫山系和 孑子岗等山体 且树木植被较好 此外 本区地基承载力较大 地下水位较低 本区现状用地中 非建设用地多为菜地 果园 荒地 可谓十分经济的建设用地 区内有一自西南至北的大夫山系 区内有西河涌一条 且西南临市桥水道 山水条件 较好 属景观生态敏感区 区内西面有大夫山森林公园 该公园良好的山水景观环境 对吸引投资商开发本区极具吸引力 沙头街总用地约2 1 2 9 k m 2 目前已建设用地约6 8 0 k m 2 其中 村镇建设用地 1 6 7 k m 2 占已建设用地的2 4 5 5 工业用地2 6 1 k m 2 占已建设用地的3 8 4 6 因 而 村镇建设用地和工业用地是本区已建设用地中最主要的两类用地 此外 未建设 用地约1 4 4 9k m 2 其中 可直接开发建设的用地 抛荒菜地和耕地 约4 6 7 k m 2 水体 2 7 6 k m 2 林地7 0 7 k m 2 5 4 1 2 2 3 给水设施现状 目前向市桥区域供水的水厂有区属沙湾水厂和区属东涌水厂 市桥街已建成较为 完善的给水管网 沙头街现西环路下有d n l 6 0 0 和d n l 0 0 0 两条供水主干管 禺山西 路下有一条d n 4 0 0 和d n 6 0 0 供水干管 区属沙湾水厂 位于沙湾水道与紫坭水道交界处 沙湾水道北岸 水源取自沙湾 水道上游 属饮用水源一级保护区 建成规模为5 6 万m 3 d 现状实际供水5 8 1 4 第二章研究区域基本概况 万m 3 d 与区属东涌水厂联网向番禺全区范围供水 占地2 7 7 h a 已征用地达3 3 3 h a 发展用地预留到1 0 0 万m 3 d 的规模 区属东涌水厂 位于沙湾水道中游南岸 蕉门水道与沙湾水道交接处 从沙湾水 道取水 建成规模为2 0 万m 3 d 实际供水量5 2 万m 3 d 与沙湾水厂联网向番禺全 区供水 水厂占地3 3 3 公顷 5 0 亩 由于冬季有3 4 个月取水口受咸潮影响而停 产 现正在沙湾水道上游新建取水口 2 2 3 排水设施现状 近几年来 市桥街污水收集系统建设较早 截污主干管系统已基本成形 排水支 管的现状特点是没有统一规划 就近向区内现有河涌排放 管网布置较为分散 目前 市桥街排水系统基本上为雨污合流制 污水主要向市桥水道及其支流排放 再由合流 暗渠或涌边截污干管收集输送 市桥街西北部主要排入丹山河和西涌河 在河沿岸分 散设置排污口 集中后经九联水闸流入市桥水道 市桥街中部主要排入环城河 已改 成暗渠 集中于排灌站排入市桥水道 约占污水量的3 0 市桥街东部主要由罗家 涌和沙墟涌排入市桥水道 沙头街排水管道的现状特点是没有统一的规划 管网布置较为分散 基本为雨污 合流制系统 并且规划范围内沙头街排水管道数量很少 不成系统 就近向区内现有 河涌排放 对沙头街及周边水体环境已造成了较严重的污染 前锋净水厂一期工程主要收集市桥街的合流污水 2 0 0 1 年至2 0 0 4 年问 为配合 前锋净水厂一期工程 对市桥街西北部的新 旧丹山河及西涌河 中部的环城河 已 改成暗渠 东部的罗家涌和沙圩涌以及市桥水道北岸实施了截污工程 目前市桥的 污水收集系统已经基本形成 厂区一期工程投产运行后 市桥中心城区收集的合流污 水通过清河东路d i 3 5 0 一d 1 6 5 0 的主干管以及前锋村道d n l 6 0 0 玻璃钢夹砂管 主干 管输送至前锋净水厂处理 市桥的污水已经收集到污水处理厂处理 番禺市桥中心区部分河涌的整治及截污情况见表2 2 f 5 4 1 表2 2 番禺市桥中心区部分河涌整治概况 编号河涌名称 整治情况 l 黄编涌 已全部覆盖 涌u 截污已完成 2 1 日丹山河拟整治 已截污 3 新丹山河 拟整治 已截污 4 两涌河拟移治 拟截污 5 环城河 已全部覆盖 涌口截污已完成 6 沙圩涌平康路以北朱整治 以南部分堤岸已整治 7 罗家涌 清河东路以北已覆盖 拟整治 拟截污改造 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 自然条件 2 3 1 气候条件 市桥区域属南亚热带海洋性季风气候 夏无酷暑 冬无严寒 雨量充沛 日照充 足 年均积温在7 9 0 0 8 1 0 0 之间 全年最冷月为1 月 平均1 3 3 最热月份为 7 月 平均2 8 5 0 年平均气温为2 2 市桥区域的北部地区气温比南部稍高1 受南海暖湿气流和台风影响 番禺雨量充沛 旱雨季分明 降雨集中在4 9 月 降雨 量占全年总量的8 1 由于地势高低不同 受季风影响程度不一及台风线路关系 市桥区域年均降雨量为1 4 0 0 1 6 0 0 毫米 全年盛行风向为偏东风或东南风 各季平均 风速相差不大 影响本地区的台风多集中在7 9 月 5 4 1 2 3 2 地质条件 市桥区域境内地质的发育演变 可追溯到距今5 亿年的古生代寒武纪 其北部低 丘 台地 称市桥台地 地质发育较早 岩层较老 市桥台地基岩属中生代燕山期形 成的花岗岩 上面一层为更新世的红色风化壳 市桥区域的台地属这一地史 市桥区 域的三角洲平原 即沙田 围田区 成陆较晚 第四系地层广泛发育 地质构造以沉 积为主 沉积类型有冲积 海积 海陆混合堆积等 三角洲平原下普遍存在腐木层 泥炭层及海相蚝壳层 说明市桥区域地形在发育过程中经历过地壳下降运动 市桥区域位于粤中拗褶断束的南部 经历了各期的地壳运动 构成不同展布方向 的断裂 穿越市桥区域的断裂带有市桥断陷和沙湾断裂 市桥断裂主要分布在市桥以 北 近东 西向 北东 西南向 有片震旦系 寒武系出露 构成北东走向丘陵台地 沙湾断裂北起花都市白坭 东南至蕉门 走向3 1 0 3 3 0 倾向南西 岩层在沙湾 附近为上白垩系砂砾岩 砂岩 泥岩等 5 4 1 2 3 3 地貌条件 市桥区域的地势由北 西北向东南倾斜 北部主要是5 0 米以下的台地 南部是 连片的三角洲平原 研究区域正处在这两种地貌的交界地带 台地主要分布在市莲公 路以北 沙湾西部为低丘 其境内的高岗有大乌岗 海拔2 2 6 6 米 青萝嶂 海拔 1 9 8 2 米 市桥台地久经侵蚀 风化壳厚 地形略有起伏 但相对高度不大 坡度平 缓 且地基土承载力较大 是优良的城镇建设用地 建国后近村缓坡多开发耕作 8 0 年代以后 随着番禺的发展 大石至市桥 市桥至莲花山 市桥至南村 新造公路沿 线的不少低山 经人工推平 已作建设用地 市莲公路以南 包括石暮南部和沙湾东 部 为三角洲平原 其地势低平 有连片的耕地 并有残丘点缀其间 区内水网密布 1 3 第二章研究区域皋奉概况 土壤肥沃 是良好的农耕地 5 4 j 2 3 4 水文概况 1 水系 5 4 番禺区内河网密布 沙湾水道和市桥水道流经市桥区域最后汇入狮子洋 两条水 道水资源均较为丰富 从水质来看 沙湾水道为国家地面水环境质量二类水质标准 现为市桥区域供水水源 市桥水道为四类水质标准 有机质污染严重 已不能作为饮 用水源 地下水资源方面 市桥台地有浅层地下淡水 但储量不大 不能作为工农业 和生活供水的主要来源 市桥区域的河流位于东 西 北江下游 为珠江三角洲河网的一部分 河流多由 西北向东南流经本区进入珠江八大口门的虎门 蕉门 洪奇门三大口门出海 主要为 市桥水道 莲花山水道 干支流属珠江水系下游的平原河流 水流平缓 潮夕明显 潮差平均2 4 米 最高洪水位3 8 0 米 1 9 9 4 年 珠基高程 每年九月到次年四月咸 潮上涌 河水含盐份在千分之二以上 一般每年最咸时间有4 5 至6 0 天 境内浅 中 层地下水资源比较贫乏 南部广大平原地区为冲积平原孔隙含水层 地下水质差 铁 质和氨氮含量高 北部和东南部丘陵地区为浅变质和沉积砂砾岩裂隙含水层 富水性 较差 但水质良好 紧临本研究区域南边是市桥水道 再往南是与市桥水道基本平行的沙湾水道 东 面是莲花山水道 市桥水道 自石壁闸 外接陈村水道 起经屏山 市桥至三沙口止 长3 8 k m 平 均江宽1 7 3 m 水深2 2 m 汇入沙湾水道下段 沙湾水道 自九如围西对岸西沙角起 经八塘尾止 汇入狮子洋 长2 9 k m 平 均江宽3 7 8 m 水深6 1 m 径流量9 0 1 亿m 3 沙湾水厂设于上段的沙湾大桥附近 往下游有东涌水厂 石暮水厂的取水口 莲花山水道 为狮子洋的分支 宽度在6 0 0 m 至8 0 0 m 之间 这些水道均属感潮河段 河水往复流动 在枯水期因上游径流减少而受潮汐控制 2 河流污染现状 本研究区域内的市桥水道和沙湾水道分别从番禺区中部和南部穿过 之间还存在 众多的小型河涌 沙湾水道 市