给排水系统优化课程讲稿

给排水系统优化课程汇报汇报人：李XX导

师：裴XX

教授整理课件给排水系统优化一、给水工程优化二、给排水管网优化整理课件给水工程优化给水工程，是为满足城乡居民及工业生产等用水需要而建造的工程设施。它的任务是自水源取水，并将其净化到所要求的水质标准后，经输配水系统送往用户。给水工程包括四个方面：水源、取水工程、净水工程、输配工程。整理课件水源地下水源包括潜水（无压地下水）、自流水（承压地下水）和泉水。地表水源包括江河、湖泊、水库和海水。整理课件取水工程取水工程是整个给水工程中重要的组成部分，涉及到水源的选择，以及水源的合理利用，水源地的保护。由于地下水与地表水的水质、水量等条件的不同，所以在选择水源、水资源分配以及建设取水构筑物的时候都要有相应的措施。整理课件水源选择与水资源合理利用所选水源应当水质良好、水量充沛、便于防护。水质不仅要考虑现状还要考虑远期变化趋势，

对于水量而言，除了要保证当前生活、生产需

水量之外，也要满足远期发展所必需的水量。符合卫生要求的地下水，应优先作为饮用水水源，城市公共用水与工业用水优先考虑选用地表水。整理课件水源地的保护1、配合经济计划部门制定水资源开发利用规划；2、加强水源管理；3、进行流域面积内的水土保持工作；4、纺织水源水质收污染；5、水源地卫生防护地带的范围和防护措施应按照我国《生活饮用水卫生标准》的规定。整理课件净水工程给水工程中的净水工程与废水处理方法有许多是相同的。取自任何水源的水中，都不同程度的含有各种各样的杂质。根据水源地水质标准和给水对象的用水要求的不同，给水工程的处理工艺可以进行适当的删减。以饮用水为例：预处理与深度处理的主要原理就是吸附、氧化、生物降解、膜滤。整理课件输配工程输水和配水系统是保证输水到给水区内并且配水到所有用户的全部设施。包括：输水管渠、配水管网、泵站、水塔和水池等。给水工程优化的主要内容就是输配工程的优化，涉及到管径、水头损失、管网水力、管网技术

经济等的计算。整理课件给水工程优化的实用方法随着城市的发展，在给水工程优化中，对已有工程的优化是亟待解决的问题。价值工程是目前国际上公认的最有效的现代工业系统管理和评价方法。对给水工程进行设计优化，是提高产品功能，降低投资成本，运用有限的投资解决城市给水问题的有效方法。整理课件价值工程的工作过程就是针对功能与成本提出问题、分析问题、解决问题的过程。可以明确的分为七个部分，工作程序如下表：整理课件给水工程方案评价的价值工程方法技术路线整理课件给水工程功能系统示意图对于给水工程而言，按照一定的原则和方式将系统个功能连接起来，从单个到局部，再由局部到整体形成一个完整功能体系。整理课件F与C的计算按构成给水工程的功能重新分配，得出各个功能Fi的显示成本Ci和总成本C，今儿计

算出成本指数Ci，计算公式：K,代表参加功能评价的人数。P，代表个功能区能实现的程度，整理课件功能评价在F和C的计算基础上，按照公式V=F/C，得

出评价指标V，建立评价体系，选择功能价值较低、改善期望值大的功能作为价值工程活动的对象，为给水工程优化设计、改扩建提供决策依据。整理课件工程实例某中型城市给水厂现有供水能力为30万m3/d，随着用水量日益增加，现有供水能力已不能满足城市的用水要求。该市决定对城市的给水工程进行投资扩能改造，使水厂的供水能力达到

40万m3/d，设计单位做出了初步设计方案，投资预算为5

500万元。整理课件功能权重的计算方法，两功能区之间相互比较相对重要的记1，相对不重要的记0。之后避免0分出现，加1修正，各自的得分除以总分既得各功能权重。整理课件上述V的计算值可以根据以下评价原则对给水工程设计方案各功能进行评价：当V=1时，表示设计方案的现有功能与成本相匹配，不需要改进，是理想状态。当V<1时，1、成本过高，实现现有功能所花费的成本过大；2、功能不足，某些方面不能满足其应有的功能。当V

>1时，1、存在过剩功能，给水系统内的贮存流量、贮存能量可能给过剩；2、成本偏低。整理课件从功能评价的结果可以看出，此方案的总体评价是可行的，但是有两项功能存在成本偏高或者功能不足的情况（输送能力F2和平面布置F4)；有两项功能存在功能过生或成本偏低的情况（贮存能力F3和环境保护F5），需要进行改进。水处理工艺及输水管线应作适当调整，以

降低运行成本，重新进行水力计算，调整

管网供水布局，充分考虑管网的贮存能力，合理搭配工艺设备的选型配置，适当减小

清水池的体积。整理课件给排水管网优化给排水管网系统是市政管网的重要组成部分，是一个由各种管道、泵站、水塔、调节阀、沉淀池等多种设施构成的输送水系统。从管线方案、使用材料、更新换代、设备配置等方面都从属于这个系统构成，任何一个方面出现错误，都会影响到整个管网系统的正常运行，因此，做好给排水管网的优化配置，可以明显降低管网投资与运行维护成本，提高管网系统可靠性，降低能耗，促进新技术的发展。整理课件当前城市市政给排水管网的现状分析一、系统布置不合理：

1、主要基础设施的规划设计与管理工作明显滞后；2、工程管线设计中设计成果受相关人员的经验与能力限制较大；3、设计工作思路上历史惯性，工作效率较低，优化的切入点存在困难；4、对于高层建筑，给排水系统常常在设计方面未考虑其功能上的专门优化。二、环境变化及材质优化不足导致存在漏失现象：我国大多数城市使用的城市主管网基本可以追溯到20世纪或者更早，必然会出现管材老化、超期服役等问题，最终造成供水管网漏失，造成供水浪费与环境污染。整理课件三、当前配置尚不能完全满足突发事件的要求：1、工程资料数据不全提高了爆管的可能性；2、管网的污染问题；

3、排涝问题在我国也没有得到重视。整理课件管网优化设计的内容一、给水管网优化设计给水管网优化设计实在已定线下寻求管径与水力参数的最优化组合的解，目标是降低管网年费用折算值。给水管网优化设计的指导思想就是：在一定的管网中，合理分配管网流量，或在分配流量的管网基础上，采用优化算法，优化管网设计管径大小，或采用不同压力范围供水，在你满足用户用水的基础上使整个系统的运行费用最低。整理课件二、排水管网优化设计排水管网的优化设计主要可分为排水管网的平面布置与已定线下管网参数优化。主要是解决管径和埋深以及不同管段见的设计参数优化问题。在排水管网优化设计中，虽然排水管网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，最小设计流速、流速变化、及其与管径之间的关系的约束条件都很复杂，所以很难建立数学模型来求解，用直接优化法来解决这些问题具有直接、直观和容易验证等特点。整理课件管网优化设计方法的发展给水排水管网系统优化设计计算主要分为直接优化法和间接优化法。直接优化发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;而间接优化法也称解析最优化，它是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。常用的优化方法主要有线性规划法、非线性规划法、动态规划法、遗传算法等。整理课件线性规划法线性规划是决策系统的静态最优化数学规划方法之一。Alperovits

and

Shamir于1977年提出所谓线性规划梯度法，并给出了其在复杂管网系统以及多水力工况下的应用。线性规划方法是对于可行域内最优解的线性逼近，由于管网系统的优化结果倾向于管网树状化，加入最小管径约束只能保证管网的环，并不能实现真正意义上的管网可靠性问题，因而如何在线性模型中实现可靠度的思想日益为研究者所关注。整理课件非线性规划法非线性规划是现代应用数学的一门重要学科，它的研究对象是非线性函数的数值最优化问题。由于管网优化设计计算问题本身具有的非线性性质，因而也可直接采用非线性规划法解决。非线性规划法基于求导原则，即目标函数的导数为零的点，就是所求的最优解。类似于线性规划方法，不同算法在或是计算时间或是概念涵盖方面都有各自的缺点或长处而分别适用于解决某一特定类型的问题。整理课件动态规划法动态规划的实质是分治思想和解决冗余，因此，动态规划是一种将问题实例分解为更小的、相

似的子问题，并存储子问题的解而避免计算重

复的子问题，以解决最优化问题的算法策略。许多问题的阶段划分并不明显，一般来说，只要该问题可以划分成规模更小的子问题，并且原问题的最优解中包含了子问题的最优解（即满足最优子化原理），则可以考虑用动态规划解决。整理课件动态规划在给排水管网系统优化中的应用在应用中，主要有两个分支：1、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。2、以管径为状态变量，通过流速和充满度组合进行优化搜索。由于标准管径的数目有限，比以节点埋深为决策变量的方法在计算机存储和计算时间上有显著优势。最初的动态规划任意选取一组标准管径集中的管径，但并一定是可行管径。整理课件遗传算法遗传算法是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。优点：算法思路简单，不但可以避免线性规划解的”瓶颈”问题，也避免了非线性规划最后对连续管径进行”圆整”带来的麻烦与偏差；由于遗传算法从一组方案出发，扩大了搜索寻优的范围，减少了传统规划方法线式寻优产生局部最优解与全局最优解差距较大的风险。整理课件遗传算法的应用尹学农等将遗传算法用于污水管网的设计，

徐刚用模拟退火遗传算法的方法研究管网优化设计，张黎明提出了适于离散变量组合优化并能应用于管网优化设计计算的改进混合遗传算法。

周荣敏应用单亲遗传算法对树状管网进行了优化布置；许文斌基于枝解法退火遗传算法的树状管网优化法对某农村供水管网进行了设计。整理课件遗传算法的基本操作步骤1、将问题编码化，即将问题转化成数字编码的形式，确定初始种群的个数（n）、各染色体的长度（即染色体中基因的个数）等。2、对初始种群Vk(k=1,2,……,n)进行评估，并进行选择操作，通过选择概率确定出后一代种群Vk+1(k=1,2,……,n)，其中适应度函数的确定是很关键的一步。3、确定交叉率Pc，对后一代种群进行交叉操作，目的是为了扩大搜索空间，可以使遗传算法在全局进行搜索。整理课件4、确定变异率Pm，对种群进行变异操作，目的是为了使遗传算法在局部具有搜索最小解的能力和维持种群的多样性，防止超级染色体霸占种群，出现网络过早收敛的现象。5、完成一次迭代，检查迭代次数是否满足要

求，若满足就完成；若不满足进行第二次迭代。整理课件工程实例以农村供水管网为例，验证遗传算法模型用于树状管网管径优化的优越性。建立数学模型在已知管网布置形式的条件下，以达到管网造价和管理费用之和最低为目标建模，并满足管网各节点的最小压力水头及各管段流速和管径的约束。整理课件以一年为基础求出年折算费用，即有条件地将造价折算为一年的费用，则年折算费用数学模型表示为：管网各节点水压力约束为：整理课件管道流速约束为:管段管径约束为:式中:W(D)为年折算费用，元;N为树状管网的节点数(不包括水源点);Di为离散的管径变量，mm;a，b，c分别为管道造价系数和指数，随管材和当地施工条件而异;Li为给

i节点供水的管道长度，m;β

为设计年限内供水能量变化系数;e为电价，元/(kW·h);Q为进入管网的总流量m3/h;H0为水泵扬程，m，hi为第i管段的水头损失，m;E为水源水面标高，mm;

Ek为树状管网第k

个节点处的地面高程，m;

为第k

个节点处的允许最低水压，m;

Vmin和Vmax为管道中允许的最小和最大流速，m2/s;Dmin和Dmax为管段所允许的最小和最大管径，mm。整理课件遗传算法计算流程图整理课件编码方式在遗传算法执行过程中，编码的方法会直接影响选择、交叉、变异等运算性能。目前应用遗传算法进行管网优化设计时，通常采用二进制编码方式，但是这种方式存在编码长、计算工作量大等缺点。采用改进的十进制证书编码，加快传统遗传算法的运算速度，更方便更实用。例如：9个管段的可用标准管径规格为{90、90、90、110、110、125、125、125、160}，用整数编码方式可表示为{1,1,1,2,2,3,3,3,4}。整理课件目标函数转化为适应度函数通过罚函数法使管网有约束的目标函数变为无约束问题，故构造适应度函数如下：式中:Ffit为适应度函数整理课件式中:λ

为惩罚因子，取一个能保证在g(i)＜0时使Ffit较大的有限值。整理课件某农村饮水安全工程供水管网，共有17个节点，16个管段，各节点关联情况见下图。整理课件管网最高时总供水量Q=40.65

L/s，各节点流量、地面标高、管段长度、最低自由水头和各种规格管径单位长度造价已知，管材采用

PE管，水头损失计算采用海曾－威廉公式:式中:C为海曾威廉系数，塑料管取值为150。整理课件运用遗传算法进行优化设计，控制参数组合为:

群体规模100，最大迭代次数200，交叉率0.5，变异率0.01，采用赌轮盘法进行选择。考虑到流量相同时，流速相对较小，