城市排水管网的优化程序及方法

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1、城市排水管网的优化程序及方法　　【摘要】排水管网的优化在当前条件下尤为必要，其一般的程序要经过系统简化、确定目标、建立模型、求解与检验等环节，其方法主要有直接优化法和间接优化法，在实际运用中，要根据具体情况选择恰当的方法，以达到优化城市排水系统、降低排水系统工程投资、方便管养的目的。　　【关键词】排水管网；优化；程序；方法　　　　城市排水管网进行优化不仅能够提高排水管网的经济性与合理性，而且更为重要的是能够促进城市水系统的步入良性循环的轨道。但是，排水管网的优化，必须要遵循一定的程序，使用一定的方法，只有这样，才能使管网的优化达到既定的目

2、标。　　采用数值方法对排水管网进行优化，一般都要经过如下步骤：　　系统简化　　城市排水是多方面因素相互影响、相互制约的复杂系统。排水管道优化的关键是将排水系统科学地简化为一个替代系统，为了确保优化结果的合理性，这样的替代系统能够反映排水系统的关键要素及基本特征，同时又要便于定量表达和模拟优化。　　确定目标　　这是排水管网系统优化的重要内容。其主要工作内容在于确定系统所涉及的各种目标及其重要性，建立目标随着基本变量变化的函数关系。　　建立数学模型　　优化设计的数学模型是设计问题抽象化的数学形式表现，它表现了设计问题的各主要要素之间的数学联系

3、。建立数学模型通常需要引入三个基本要素，即，设计变量、约束条件以及目标函数。设计变量是指在设计过程中，不能预先给定，只能在设计过程中进行选择的一些参数，这些参数之间往往相互独立，为了简化计算，这些变量通常都是按照连续变量来进行处理。约束条件是指在优化设计过程中，根据实际需要对设计变量的取值的限制，通常表达为设计变量的不等式或不等式约束函数。目标函数是设计的各项指标与设计变量之间的函数关系式，可表示为F=F　　优化模型的求解与检验　　在实际工作中，寻找最优解通常有以下几种情况：　　评价目标只有一个定量指标，而可变的方案很多，无法一一列举，此

4、时要用最优化的方法求最优解。　　评价目标只有一个，但是可变方案不多，可一一对可变方案模拟计算，选择最优。　　评价目标有多个，要采用多目标最优化方法，通过权衡、协调目标而得出最优解。　　值得一提的是，此处的最优解，只是针对模型来说的，对于现实工程中的排水管网系统来说，可能不是最合乎理想的，因此，必须通过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，以便于找到一个较为合理的满意解。　　排水管网的优化内容主要包括管线平面布局以及管道参数的优化设计。两方面优化的目的，采用的方法也不同。　　平面布局的优化设计　　排水管网平面

5、布局的优化以管线短、管道工程量小、水流通畅且节省能量为目的。正确的定线是经济合理设计排水管网的基础。定线要尽可能利用地势，干管支管要尽可能走直线，设计时要减少管道埋深，中途要减少提升泵站的设置。具体到某种排水管道的平面布置方案是否最优，取决于定线埋深优化设计计算的结果。　　目前，排水管网的平面优化方法主要有决策图法、优化树法以及简约梯度法，每种方法都能够有效提高排水管网的科学性。以决策图法为例，决策图是一种常用于系统优化的数学方法,它将方案决策问题用决策图加以解决，以最短路算法来简化计算，这样，方案决策的问题实际上就是求从A到B的最短路问

6、题。　　在市政排水管网平面布局的优化设计中，采用决策图法建立决策图模型就是假定所有流量都汇集于规定的若干节点，用决策网络表示排水管网的方案集，寻找节点流量导入出水口的最短路而找出最经济的管道布置方案。采用这种方法，可以提高设计的经济性，并且采用决策图网络模型，考虑了水力因素以及地形因素，简化了计算工程，减少了优化设计的工作量。　　管道参数的优化设计　　当管道的平面布局优化之后，为了使得排水管道进一步优化，还需要对管道的管径、埋深以及不同管段之间的设计参数等进行进一步的优化。通常，管径与管材费用成正比、与坡度及埋深成反比。因此，尽管在流量确

7、定的情况下，管径与埋深之间有多种组合，最终选择投资最小、效果最好的最优组合。因此，对管径及埋深等管道参数进行优化，就非常重要。　　就目前来说，管道参数的优化方法主要有直接优化法和间接优化法两类。　　直接优化法　　由于管径的可选尺寸不是连续变化的，最大充满度的限制又与管径大小相关，而设计流速以及流速的变化与管径大小之间的关系又非常复杂，不能用数学公式来描述，这就导致建立完整的求解最优化问题的数学模型往往并不现实、有效，因此需要直接对各种方案或可调参数的选择设计计算和比较来得到最优解。直接优化法具有直观和容易验证的优点，其主要方法有电子表格法

8、及两相优化法，以两相优化法为例，它是确定设计流量后，在满足约束条件的前提下，选取最经济流速和最大充满度，得到最优管径和最小坡度，从而降低管道埋深。由于直接优化法与人工算法基本相同，因此，这种方