城市给水管网的数值计算与优化设计

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1、西华大学硕士学位论文第一章绪论1．1课题的来源本课题来源于四川省重点学科和一企业委托项目。1．2课题研究的目的和意义几十年来，我国给水事业的迅速发展。各地城市均具规模，城市给水管网在其新建成的一定时期内，其供水能力是可以满足用户用水要求的。由于给水工程在工业建设和人民生活中占有重要地位，随着城市的发展、用水人口的不断增加和人民生活水平的日益提高，城市用水量急剧增长，给水管网供水能力逐渐不能适应用水最增长的需要，同时，由于给水管网规模的不断扩大，管线改造、铺设缺乏统一规划，大规模给水管网系统在管线连接、构筑物设置等方面存在诸多不合理之处，增大了供水能耗，并使部分供水

2、区域水最欠缺、低压区不断扩大、供水安全性降低。这一系列问题成为我国各城市面临的供水管网扩建优化的重大问题和难题【l捌。以往的城市给水管网工程设计往往是根据工程师的经验用手工计算进行的。自20世纪60年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐渐建立起各种给水工程的数学模式，发展到了以定量和半定量为标志的给水管网“合理设计和管理”阶段。与此同时，随着系统分析方法，数学优化技术和计算机的发展，开展了对包括给水管网的优化在内的给水排水系统优化的研究和实践。给排水工程的最优化设计，是运用系统分析原理和最优化技术设计出效率高、能耗低、费用小、可靠性适当的给排水系统。最优

3、化设计与常规设计相比，有以下优点：1．可以从系统的各种可能结构和参数中找到最佳匹配，使整体效能最佳，从而提高系统的效率，降低投资和运行费用。2．可以对系统及其过程进行定量化的状态模拟，提供各种状态下的大量信息，从而提高所优选状态的可靠性和稳定性。3．可以为实现计算机辅助设计和自动化运行管理提供良好的基础。4．可以成为缺乏工程经验的人员的一个有力的辅助工具。西华大学硕士学位论文给水管网系统，不仅基建投资占给水工程总投资的60％-80％；而且运行电费高，一般要占制水成本的30n,6-5096。与此同时，由于配水管网全部埋于地下，其隐蔽性相当强，即使是大口径的管线，只要

4、满足供水要求，就不会被发现，严重的材料浪费不易暴露出来，不容易引起人们的重视和注意。给水管网系统的另一个特点是不管设计的合理与否，一旦实旌，更改困难，这就要求在设计过程中，尽量多考虑可能出现的事故发生时，所能提供的供水能力。要达到投资少、能耗低、可靠性适当的优化目标，必须首先优化配水管网的设计、运行方案不仅从费用效益而言，一般给排水优化设计可比传统设计节省5-2006，因此，给水管网的优化设计在给水工程中具有很大的实际意义。1．3给水管网优化技术的发展给水管网是一个由管道、泵站、水塔等部分所构成的复杂系统，设计变量主要有管段管径、水泵扬程、节点压力等。管道的水头损

5、失计算模型决定了管网是一个非线性的网络，设计变量往往受到一组非线性方程的约束。管网优化设计计算，主要是为了进行新建或扩建管网的规划设计和初步设计，使其达到在基本建设投资(主要表现为管径组合)及常年运行费用(水泵扬程)最小的情况下，满足用户对水量和水压的要求。管网的优化设计计算，通过建立经济模型和优化计算数学模型，并加以多个约束条件后，通过一定的数学算法，得出最经济的管径及水泵扬程【jJ。自从60年代Carmdita以及Shake等人提出利用系统分析的方法，尤其是优化算法进行给水管网设计的课题以来，前人在该领域已经做了大量的研究和探索工作。研究者们建立了大量的管网优

6、化模型，在如何建立和求解管网优化模型方面进行了一些探索。其中研究的热点和难点问题之一是研究更加有效的管网优化模型求解方法。优化技术是一种以数学为基础，用于求解各种工程闯题优化解的应用技术。作为一个重要的科学分支，它一直受到人们的广泛重视。并在诸多工程领域得到迅速推广和应用，如优化设计、系统最优规划、系统控制、人工智能、模式识别、生产调度和计算机工程等。实现生产过程的最优化，对提高生产效率与效益、节省资源具有重要的作用。同时，优化方法的理论研究对改进算法性能、拓宽算法应用领域、完善算法体系同样具有重要作用[41。因此，优化理论与算法的研．2．西华大学硕士学位论文究是

7、一个同时具有理论意义和应用价值的重要课题。20世纪80年代以来，一些新颖的优化算法，如人工神经网络、混沌、遗传算法、进化规划、模拟退火、禁忌搜索及其混合优化策略等，通过模拟或揭示某些自然现象或过程而得到发展，其思想和内容涉及数学、物理学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等方面，为解乏起复杂闯题提供了新的思路和手段。这些算法独特的优点和机制，引起了国内外学者的广泛重视并掀起了该领域的研究热潮，且在诸多领域得到了成功应用。在优化领域，由于这些新的算法构造的直观性及其与自然机理的一致性，因而通常被称作智能优化算法，或称现代启发式算法。a．优化算法及其分类：所谓优化

8、算法，其实