遗传算法在排水管网优化设计中的应用分析

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1、郑州大学硕士学位论文第二章排水管网优化的基本思想和方法第二章排水管网优化的基本思想和方法2．1优化问题的提出排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染和城市排渍防涝的骨干工程。其中，生活住宅区和工矿企业的雨水和污水管道系统投资一般占整个排水系统投资的70％左右【9j。为了不断的提高人民的物质生活水平和保护环境，我国还将建设大量的排水管道。因此，设计时如何在满足规定的各种技术条件下，尽量利用优化方法降低管道系统的基建费用是实际工作中的一个重要课题。随着计算机的普及和优化理论的不断完善，如何在排水系统设计中应用优

2、化设计方法已成为市政工程设计中十分关注的课题，传统排水管网系统的设计计算方法是：实际人员在掌握了较为完整可靠的设计基础资料后，按照管道定线和平面布置的原则，确定出一种较为合理的污水管道平面布置图。然后计算出各种设计管段的设计流量，以有关的设计规定作为控制条件，从上游到下游依次进行个设计管段的水力计算，求出各管段的管径、坡度以及在检查井处的管底标高和埋设深度。计算中，一般知识凭经验对管段的管径和坡度进行适当的调整，以求达到经济合理的目的，但其合理程度受到设计人员个人能力的限制：另一方面，大多数计算采用反复查阅图和表的方法进行，

3、工作效率低，时间长，不利于设计方案的优化。要想从根本上解决这一问题就只能通过计算机进行优化设计。排水管网系统是一个庞大而复杂的系统，从已有的研究成果来看，其设计计算主要涉及到四方面的内容：一个城市的最佳排水分区数量和集水范围的确定；最佳管线布置的确定：管线布置形式给定条件下，不同管径、坡度组合的优化；雨水径流模型的建立。合流制排水系统通常具有溢流设施，用以限制输送至当地污水处理厂的水量。由于溢流出来的雨水也就近排入河道，因此从水量角度而言，合流制排水系统对于排水区域的影响与分流制雨水系统实际上是相同的。2．2管网优化设计的基

4、本数学模型优化设计的基本数学模型包括目标函数和约束条件。就水力计算阶段来说，污水管网、雨水管网和合流制管网的目标函数是相同的，而约束条件则有一定的一5-郑州大学硕士学位论文第二幸排水管网优化的基本思想和方法差别。2．2．1函数的建立1．重力流系统在初步设计阶段，只需要了解管网的总投资，可以采用较简单的目标函数。F=minW(Y)：min{芝cl—L)‘2—1’式中P⋯最优解；W-一目标函数；￡厂一第j管段的费用；厶⋯一第j管段的管长。当考虑年折旧费用时，可以用以下形式的目标费用函数：F=min矿(章)=min{兰(1+e1T

5、)Q—L)‘2_2’式中e广一管网的年折旧率；卜一投资偿还期(a)。在技术设计或施工图设计阶段，需要考虑管网的构筑物费用，其目标函数的形式为：F=rain形(譬)=miIl霞cl—L++兰q，』)(2--3)i=l扛I式中G厂～第／个构筑物的(如检查井)费用；m⋯一设计管段数；Ⅳ一一构筑物的个数。年折旧费用的目标函数为：F=minW(舅)=millf芝(1+龟即cl，；t+兰(1+。：r)G，，)c2—4’i=I卢1式中e2～一构筑物的年折旧率。2．设有提升泵站的管网系统需要设置提升泵站时，应在目标函数中增加泵站的基建费用和

6、运行管理费，郑州大学硕士学位论文第二章排水管网优化的基本思想和方法如果管网的目标函数用毋或彬(i)表示，而泵站的目标函数用尼或％(譬)表示时，其泵站的年折算费用目标函数为：E=min％(譬)：min商l+e3DG，。+rA}‘2—5’式中旬⋯～泵站的年折旧及维修率。c3t一一第k座泵站的基建年折旧费用(元)；蚝～一第k座泵站的运行动力费(元)。当提升泵站设置的位置靠近管网的上游时，泵站的费用乃变小，而管网的费用由于下游大管径部分的埋深增加而毋变大，所以有提升泵站的排水管网优化问题是一个多目标优化问题，其目标函数为：，=min

7、塌+E)(2—6)2．2．2约束条件在进行污水管管网水力计算时，要满足水力学和设计规范方面对设计参数的有关规定，它们可以概括成如下条件：1．对管径的要求管径对水力计算的约束反映在两个方面，其一是规定了最小管径(即可选管径的下限)，具体规定是：街坊或厂区内为200ram，街道下面为300ram。其二是管径的递增或递减方式。由于管道规格的限制，在计算过程中，管径的递增或递减是非连续或非均匀的；当管径小于500mm时，管径的递增或递减以50mm为一级，当管径大于500mm时，则以100mm为一级递增或递减。即：Di≥DminDf∈

8、QD觑+，≥功一(O．05～O．10)(研≥O．2～O．5m)口+1≥Di一(0．1～0．2)(D，>10．6m)2．对流量的要求在确定管径时，应避免小流量选大管径，故应明确各种管径对应的最小流速和数能通过的最小流量，详见表2．1。当管段设计流量小于某一管径的最小流量时，只能选小一级的管径