排水管網(wǎng)優(yōu)化方法研究

摘 要：本文介紹了包含圖論法和遺傳算法的平面布置優(yōu)化，包含直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法的管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化和利用水力水質模型進行評估改進的老舊管網(wǎng)優(yōu)化。研究這些排水管網(wǎng)優(yōu)化方法，旨在為管道設計和改造提供理論基礎和技術支撐。

關鍵詞：排水管網(wǎng);管網(wǎng)優(yōu)化;最優(yōu)化;管網(wǎng)模型

市政給排水工程的規(guī)劃和設計與生活在都市里的人息息相關，必須依照前瞻性的觀念對市政給排水工程的構建進行設計和規(guī)劃，才可以實現(xiàn)城市給排水工程的可持續(xù)發(fā)展和利用。

1 排水管網(wǎng)的作用與建設問題

1.1 排水管網(wǎng)的作用

（1）環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展方面：排水工程在一定程度上可以保護和改善生態(tài)環(huán)境，削弱污水給人們帶來的壞處。伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)進程以及人口數(shù)量的持續(xù)增長，污水中的有害成分也越來越復雜。目前在中國或其他國家，環(huán)境污染問題一直被人們所重視，由于污廢水所帶來的污染也是不容小覷。

（2）衛(wèi)生方面：污水處理項目的建設，可以高效地保護人們的身體健康。污水主要從兩個方面影響著人類的身體健康：首先是直接影響，水中攜帶的部分細菌具有傳染性，通過飲水的過程進入人們體內(nèi)，危害人類健康;其次是間接影響，水中的有毒物質并不具有致命性，但會在人的身體內(nèi)部累積，當達到一定量的時候會對人體產(chǎn)生危害，也可能影響到下一代的健康。

（3）經(jīng)濟方面：當前，很多水污染嚴重的國家，它的供水能力已經(jīng)遠遠小于其需水量，因此不得不投入大量的資金進行污水凈化工程的建設。加大排水管網(wǎng)的建設力度可以很大程度上的避免這些問題，避免不必要的資金浪費。

1.2 存在的問題

（1）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的規(guī)劃、建造方面有一定的局限性

在我國的城市排水問題中，首先要解決的問題是管網(wǎng)設計和施工的局限性。大多數(shù)城市開始設計管網(wǎng)時，根本沒有認真思考過城市的發(fā)展時會遇到的問題。因此，在開始施工時，由于建設投資的原因，排水量、管網(wǎng)的深度及寬度不可以滿足余量。同時，管網(wǎng)使用中經(jīng)常發(fā)生阻塞或沉積的現(xiàn)象導致了嚴重的污染，這嚴重破壞了城市環(huán)境。而且，因為城市排水管網(wǎng)的損壞不易覺察，近年來，投資者傾向于對管道、交通、園林綠化等基礎設施建造進行投資。但是，沒有多少投資人想投資城市排水管網(wǎng)。

（2）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)與污水處理廠的建造脫節(jié)

在排水管網(wǎng)建造和完善中，首先要面對的問題就是污水處理廠與城市排水管網(wǎng)不匹配所造成的水資源難以循環(huán)利用。構建污水處理廠可以凈化生活污水和工業(yè)廢水，使其出水后能達到標準，出水能循環(huán)利用，這不僅能解決城市環(huán)境污染，還能促進水資源的合理利用。然而，城市污水處理廠不能與城市排水管網(wǎng)相對應，污水不能夠完全進入到污水處理廠進行處理卻是一個在城市排水管網(wǎng)建造中難以解決的問題。

（3）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)建造規(guī)劃水平低

現(xiàn)代城市建設要發(fā)展，必須要解決一個問題，那就是排水管網(wǎng)建設水平低、沒有辦法實現(xiàn)維修工作的信息化管理。隨著現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，城市智能化管理的程度變高，但城市排水管網(wǎng)管理工作還處于一個相對落后的狀態(tài)。不僅在網(wǎng)絡設計中，迎合不了城市現(xiàn)代化的要求，而且迎合不了城市建設的需要。

2 排水管網(wǎng)優(yōu)化方法

2.1 新建管網(wǎng)優(yōu)化

2.1.1 平面布置優(yōu)化

（1）圖論法

基于最小生成樹理論的Dijkstra算法，目標函數(shù)為最小投資成本，把排水管網(wǎng)鋪設的優(yōu)化設計成構建N棵以污水處理廠為根節(jié)點的最小生成樹。Dijkstra算法作為一種最小生成樹法，它是在權值不僅是確定的，而且是一種簡便而高效的且不小于零的條件下構建的。

（2）遺傳算法

近些年來，越來越多的排水管網(wǎng)布局優(yōu)化的研究開始采用遺傳算法。它在解決離散組合優(yōu)化問題和復雜的非線性問題時具有明顯優(yōu)勢，這是因為它可以利用總體的信息。在進行排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計時，這種方法能夠提供相關的可能條件，并且在針對排水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問題的處理上具有很高的效率。

2.2.2 管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化

（1）直接優(yōu)化法

常用的直接優(yōu)化法有：電子表格法和兩相優(yōu)化法。在進行管道優(yōu)化的時候使用某種操作系統(tǒng)來統(tǒng)計和分析數(shù)據(jù)的功能叫做電子表格法。先選擇最經(jīng)濟的流量以及最大的充滿度，再通過排水管道的水力計算方法計算出最佳的管徑和最小的梯度從而最大程度地減少埋深的方法稱為兩相優(yōu)化法。

（2）間接優(yōu)化法

間接優(yōu)化方法是根據(jù)最佳數(shù)學模型，計算后得到最佳解。根據(jù)探討液壓約束條件和適合的選擇， 構建數(shù)學模型，合理地運用多種數(shù)學工具得到的數(shù)學模型來求得最佳解。

2.2 老舊管網(wǎng)優(yōu)化

老城區(qū)的排水管網(wǎng)建設具有時間早、標準低、維護難度大等特點。與此同時，老城區(qū)地塊調(diào)整難度較大，這也給老舊管網(wǎng)的優(yōu)化帶來了阻礙。所以，老舊管網(wǎng)的優(yōu)化可以從局部改善著手。利用水力水質模型對老舊排水管網(wǎng)進行模擬評估，對現(xiàn)狀管網(wǎng)運行中的問題提出技術上可行性的優(yōu)化方案，討論管網(wǎng)系統(tǒng)關鍵位置的管道水質變化規(guī)律和影響因素，用于指導城市排水管網(wǎng)的優(yōu)化改造和規(guī)劃管理。

結束語

探討了排水管網(wǎng)的優(yōu)化方法，包括新建管網(wǎng)和老舊管網(wǎng)。對于新建管網(wǎng)，平面布置優(yōu)化中可以用到圖論法、遺傳算法等;管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化分為直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法，通過不同的算法，對埋深、管徑、坡度等具體設計參數(shù)進行計算，以獲得最優(yōu)設計方案。對于老舊管網(wǎng)，采用水力水質模型法，利用模型對管網(wǎng)進行評估，針對重點管道提出優(yōu)化方案。

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作者簡介：沈鑫（1995-）， 男，設計師，碩士研究生，主要研究方向：給水排水。