中國給水排水2004 Vol. 20CHINA WATER & WASTEWATERNo.12設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)張新波'，趙新華'， 從月賓’(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072; 2.天津市市政工程建設(shè)公司，天津300070)摘要:對于污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) ,采用了困論中樹形結(jié)構(gòu)的理論來描述污水管網(wǎng),提出用三叉樹的形式來處理污水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),把管段當(dāng)作樹的節(jié)點(diǎn)作為研究對象;利用樹的遍歷中的后序法(即節(jié)點(diǎn)遞歸算法)進(jìn)行水力計(jì)算,在優(yōu)化計(jì)算時采取了枚舉標(biāo)準(zhǔn)管徑法來選取管徑,可以.提高運(yùn)算速度;在優(yōu)化程序中尋求造價最低、最優(yōu)的同時考慮了管道費(fèi)用和泵站費(fèi)用。采用Delphi語言編制了污水管網(wǎng)優(yōu)化程序,并且用天津某一小區(qū)的污水管網(wǎng)對此程序進(jìn)行了實(shí)例考核。其優(yōu)化設(shè)計(jì)思路可推廣到雨水管道。關(guān)鍵詞:污水管網(wǎng); 樹形結(jié)構(gòu); 后序法; 優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號: TU992文獻(xiàn)標(biāo)識碼: C文章編號: 1000 - 4602(2004)12 -0056 -04Optimization Design of Sewer NetworkZHANG Xin-bo' ，ZHAO Xin-hua' ，CONG Yue-bin2(1. School of Enuironmental Science and Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072 ,China;2. Tianjin Municipal Engineering Construction Co.， Tianjin 300070, China)Abstract: With respect to the optimization design of sewer network , tree structured theory was usedto depict the sewer network , termary tree forn was proposed to treat the sewer network structure , and pipesection was regarded as node in this study. The post- order transversal ( nodal recursive algorithm) was ap-plied to make hydraulic calculation. In optimization of calculation ，pipe diameter was selected by enumera-ting the standard pipe diameter，so as to raise the operational speed. Both the lowest and optimal construc-tion cost and the cost of pipe and pump station shall be considered in optimizing program. Delphi languagewas used for programming the optimizer of sewer network. The program was checked by sewer network ina vllage of Tianjin. The optimizing philosophy can also be used in storm sewer design.Key words: sewer network; tree structure; post-order transversal; optimization design1三叉樹形 結(jié)構(gòu)優(yōu)布局必為樹狀結(jié)構(gòu),但是目前多數(shù)污水管網(wǎng)的計(jì)污水管網(wǎng)由支管流人千管,再由主干管流人水算程序沒有利用圖論中的樹形結(jié)構(gòu)理論來獲得和存體或污水處理廠,管渠系統(tǒng)由小到大,分布類似樹枝儲管網(wǎng)信息數(shù)據(jù),故難以掌握整個污水管網(wǎng)的信息狀,管渠內(nèi)的流量也由小到大,因此污水管網(wǎng)呈樹形以及節(jié)點(diǎn)與管段的銜接關(guān)系,在多管段交叉點(diǎn)處也網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。陳森發(fā)等論證了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的最難以通過自動判斷和計(jì)算確定上、下游管段的有關(guān)中國煤化工基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50178046)MHCNMHG.56.2004 Vol. 20中國給水排水No. 12標(biāo)高等水力參數(shù)。息中，即存儲在圖3中的Info中。.通過研究樹以及二叉樹的樹形結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),樹形把管段當(dāng)作樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)(把管段的起始點(diǎn)結(jié)構(gòu)適合于描述污水管網(wǎng),雖然二叉樹和樹之間可與管段當(dāng)作一個整體)作為研究對象,利用樹形結(jié)以互相轉(zhuǎn)化,即污水管網(wǎng)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最終可以構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲方式描述管網(wǎng)形狀,用周游樹中的后轉(zhuǎn)化成二叉樹,并用之來描述污水管網(wǎng),但是實(shí)際應(yīng)序法即節(jié)點(diǎn)遞歸法進(jìn)行水力計(jì)算,經(jīng)--次計(jì)算即可用比較繁瑣。針對污水管網(wǎng)一般最多是四段管段相完成對整個管網(wǎng)計(jì)算的優(yōu)化,并且還可有效地控制銜接的情況，提出簡單實(shí)用的三叉樹的概念來表示某些節(jié)點(diǎn)的水力參數(shù);另外樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲方式污水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。在樹形結(jié)構(gòu)的概念中,最主要的容易判斷有無分支,且自動判斷每個管段的流向,可就是樹形結(jié)構(gòu)的周游和存儲。因?yàn)槲鬯芫W(wǎng)的計(jì)算以從任意一段管 段開始重新進(jìn)行計(jì)算。是從上游到下游依次進(jìn)行,因此可以采用遍歷樹中2費(fèi)用模型的后序法(即節(jié)點(diǎn)遞歸法)來進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。以圖1所示的污水管網(wǎng)為例,轉(zhuǎn)換成樹形結(jié)構(gòu)后的形態(tài)見在對污水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時,最終的優(yōu)化計(jì)圖2,用在節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置指針指向該節(jié)點(diǎn)子女的方式算結(jié)果是通過尋求費(fèi)用最低而得出來的。表示樹,則每個節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置三個指針字段,每個節(jié)點(diǎn)污水管網(wǎng)系統(tǒng)的費(fèi)用是整個管網(wǎng)在服務(wù)年限內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)見圖3。的基建投資和經(jīng)營費(fèi)用現(xiàn)值的總和(主要包括管網(wǎng)投資、泵站投資及運(yùn)行費(fèi)用)。程序設(shè)計(jì)采用如下H形式的費(fèi)用函數(shù):cdFroE-dc=(ZC.L +字C,)+k(主y)(1)式中C一整個管網(wǎng) 系統(tǒng)總費(fèi)用的現(xiàn)值,元L,- -各管段的長度,m|Kk一 運(yùn)營費(fèi)用折算成現(xiàn)值的現(xiàn)值系數(shù)Y;一各泵站的運(yùn)營費(fèi)用,可取其主要部分圖1部分污水管網(wǎng)圖(電費(fèi))代替,元/座Fig.1 Some part of a sewer networkm,n--分別為 系統(tǒng)內(nèi)的管段數(shù)和泵站數(shù)@C,C-分別為各 管段和各泵站的單價3節(jié)點(diǎn)遞歸算法與優(yōu)化計(jì)算向污水管網(wǎng)的水力計(jì)算按照重力流進(jìn)行。把管段Q當(dāng)作節(jié)點(diǎn)作為研究對象并采用節(jié)點(diǎn)遞歸算法中的后序法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,其優(yōu)點(diǎn)在于無論污水管網(wǎng)的規(guī)模大小都適用,不僅適用于新建管網(wǎng)的設(shè)計(jì),更能適用于多數(shù)城市污水管網(wǎng)的擴(kuò)建工程。0節(jié)點(diǎn)遞歸算法的步驟如下:①從數(shù)據(jù)庫中尋找整個污水管網(wǎng)最末端的節(jié)圖2污水管網(wǎng)轉(zhuǎn)化為 三叉樹的樹形結(jié)構(gòu)點(diǎn)(即管網(wǎng)最后一個管段),依次往前尋找,一直找Fig.2 3-Ray tree shaped structure of the sewer network到整個管網(wǎng)的起始節(jié)點(diǎn)(起始管段) ,并記錄整個管網(wǎng)的形狀。LlinkInfoRlink②判斷是否為起點(diǎn)管段 ,若是則轉(zhuǎn)③繼續(xù),否Mlink則轉(zhuǎn)④繼續(xù)。圈3數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)③根據(jù)服務(wù)面積計(jì)算管段本段流量,并判斷有無集由布是笛出管船的設(shè)計(jì)流量。按起點(diǎn)埋Fig.3 Data stucture of3-ay tree對于圖2,用后序法進(jìn)行周游的結(jié)構(gòu)為:深直接YH中國煤化工管道費(fèi)用,找出下CJFEKLIHDBCA。管段的所有信息都存儲在節(jié)點(diǎn)信游節(jié)點(diǎn)CNMHG.57.2004 Vol. 20中國給水排水No. 12④判斷其上游管段是否計(jì)算完畢,若是則轉(zhuǎn)通過費(fèi)用比較得出最小費(fèi)用下的污水管網(wǎng)的各項(xiàng)數(shù)⑤繼續(xù),否則轉(zhuǎn)②繼續(xù)。據(jù),并得出經(jīng)濟(jì)埋深。埋深限制設(shè)置了4、4.5、5、5.⑤搜尋該節(jié)點(diǎn) 上游所有的管段,根據(jù)所有上5.6.6.5 m六個數(shù)值,通過比較得出:當(dāng)最大埋深限游管段流量和本段流量計(jì)算該管段的設(shè)計(jì)流量;確制為6 m時整個管網(wǎng)的造價最低,即6 m為整個管定該節(jié)點(diǎn)所有上游管段中最大埋深或最小管內(nèi)底標(biāo)網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)埋深。計(jì)算結(jié)果見表1。高的管段,并記下其管徑和管內(nèi)底標(biāo)高以及最小水2段?面標(biāo)高流速等必要的水力參數(shù),找出下游管段并進(jìn)②行水力計(jì)算,同時根據(jù)埋深限制是否加提升泵站;計(jì)9A公算管段費(fèi)用,如有提升泵站計(jì)算提升泵站的費(fèi)用,找0司出計(jì)算管段的下游節(jié)點(diǎn),返②繼續(xù)。⑥所有 管段計(jì)算完畢后計(jì)算污水管網(wǎng)的總費(fèi)八飛用。了國面⑦比較不同埋深限制下的污水管網(wǎng)費(fèi)用,尋匈求最優(yōu)。結(jié)束。4工程實(shí)例下百009以天津市東麗區(qū)某- -小區(qū)的污水管網(wǎng)(見圖4)為例,整個污水管網(wǎng)共包括36個節(jié)點(diǎn)、35根設(shè)計(jì)管段。圖4天津市某小區(qū)污水管網(wǎng)布置圖使用該優(yōu)化程序?qū)Υ诵^(qū)的污水管網(wǎng)進(jìn)行了計(jì)Fig4 Layout of the sewer network of a reeidential算,求出了不同埋深限制下的管道費(fèi)用和泵站費(fèi)用，area in Tianjin表1優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Tab.1 The result of optimal calculation管段管段長度|設(shè)計(jì)流量管徑流速管內(nèi)底標(biāo)高( m)埋深(m)總造價編號(m)(L/m)( mm)( m/s)充滿度上端「下端上端下端10-1141249. 830. 800. 790.602. 412. 303.543.63144 483. 997-8，203160. 670. 700. 760.543.563.372.532.68138 466. 493-47037. 730.500.720.311.881.514.274.63171 110. 591-26.900. 200.700. 365.003.211.202.9770 912.6234-116675. 340.740.390.36 0.265.645.6792 771.7733 -3458674. 230. 600.730. 390.364.90761 790. 9432-3353555.920.40.0.59.2.28 1. 403.874.70438 243.0830-311203.410.200.554.521.6713 709.7031 -3273926.930.400.710.344.322.381.873.77363 703. 1235-3220.620.294.751.402.52105 179. 7036 -3313. 150.300.324.83 3.981.302.1242 774.8215-621343. 130.481:180.764.94.5.34214 886. 0014-1567034. 780.423.464.91533 566.3513-1455016.83.0.254. 802. 751.40.3.39218 469. 4616-14206.860.36.4. 954.181. 9617 513.9317 -152103.174.924.082.0332 138.6518-8 .3756.424.88 2.473.59119 051. 809-10600247.850. 782. 863.14573 272. 508-9420170.180.770.563.352.96| 2. 703.04315 708. 566-7215156.870.750.53中國煤化工.53136 696. 315-684122. 660.44YHCNMHG二282 862 983. 88.58.2004 Vol. 20中國給水排水No.12續(xù)表1管段管段長度設(shè)計(jì)流量管徑流速充滿度管內(nèi)底標(biāo)高(m)埋深( m)總造價編號(m)(Lm)(mm)(m/s)上端下端.上端 下端(元)4-535658.730.500.730.43 .1.45 0.85 4.695.28406 741.432-340031. 080. 500.710.282.911.903.274.25333 662. 2320-4.16610.230. 200.70 ，0.454.954.20T 1.20T 1.9323 656. 2819-22005.680.700.325.00 3.48 1.20 2.7044 817.9428-920479. 940.414.24 4.45214 199. 3226 -281267.670. 600.720.372.16 I 1.85 3.94 4. 21207 508. 8325-2656050.460. 400. 553.31] 2.36 2. 823. 74333 048. 0624- 2519. 490.400.28，4.75 3.41 1. 402. 72128 770.601607. 430.200.364.90 T 3.97 1 1.20 2. 1326 168. 7029 -2835117.530.25.4.71 3.47 1.40 2.59 108 188.9422-5 .2645.54.3.49T 2.15T 2.71 3.98530 277.5621 -222107.455.00 3.79 1.20 2. 4140 765.2323- 222. 800.55 _5.004.16 1.20 2.0432 364. 1311-1250306.120.900.800.582. 202.16 3.73 3.74 61 517. 739 859121.225結(jié)論的同時,增加了人機(jī)對話功能,加強(qiáng)了設(shè)計(jì)人員對管①提出用三叉樹來描述污水管網(wǎng)，把管段當(dāng)網(wǎng)計(jì)算的宏觀控制與局部干預(yù),使污水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)作樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)作為研究對象，采用樹形結(jié)構(gòu)的得以進(jìn)一步優(yōu)化。該程序適用于任何規(guī)模的污水管數(shù)據(jù)存儲方式來存儲管網(wǎng)數(shù)據(jù)描述管網(wǎng)形狀,運(yùn)用網(wǎng)的優(yōu)化計(jì)算。其程序設(shè)計(jì)思路還可推廣到雨水管了遍歷樹中的后序法(即節(jié)點(diǎn)遞歸算法)來進(jìn)行污道的優(yōu)化,為排水管網(wǎng)的全局優(yōu)化提供了一種有效水管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算,經(jīng)一次計(jì)算即可完成對整個管網(wǎng)的方法。計(jì)算的優(yōu)化，并且還可有效地控制某些節(jié)點(diǎn)的水力參數(shù)。而且用樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲方式容易判斷有無參考文獻(xiàn):分支,且自動判斷每個管段的流向,并可以從任意一[1] 陳森發(fā),朱德炯,顧興富,等城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)布局段管段開始重新進(jìn)行計(jì)算。的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].運(yùn)籌與管理, 1997 ,6(2):38 -42.②在管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算時采取 了枚舉標(biāo)準(zhǔn)管徑法[2]伊學(xué)農(nóng) ,劉遂慶.節(jié)點(diǎn)遞歸算法用于污水管網(wǎng)的優(yōu)化來選取管徑,大大提高了運(yùn)算速度;針對目前大多數(shù)設(shè)計(jì)[J].中國給水排水,2002,18( 10) :58 -60.排水管網(wǎng)優(yōu)化軟件在優(yōu)化計(jì)算時只是考患了管道費(fèi)[3]周玉文,趙洪賓. 排水管網(wǎng)理論與計(jì)算[M].北京:中用的缺點(diǎn),該程序在比較造價最低尋求最優(yōu)時同時國建筑工業(yè)出版社,000.考慮了管道費(fèi)用和泵站費(fèi)用,這使得優(yōu)化計(jì)算結(jié)果[4]費(fèi)忠民. 實(shí)用污水管網(wǎng)計(jì)算軟件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].蘇更為合理。.州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報(bào),000,13(4) :80 -84.③采用Delphi語言來編寫污水管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)[s] 王同勝. 計(jì)算機(jī)技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[ M].天津:天津大學(xué)算軟件,充分利用了Delphi語言的可視化功能,引出版社1999進(jìn)了數(shù)據(jù)庫“記錄”的概念,管網(wǎng)原始數(shù)據(jù)的輸人、管段的計(jì)算結(jié)果、計(jì)算結(jié)果修改后的數(shù)據(jù)都可以作電話:(022)27400830為“記錄”實(shí)時存人數(shù)據(jù)庫,該優(yōu)化程序在滿足規(guī)范E - mail:zhangxinbo78@ hotmail. com限定的約束條件對各管段的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇收稿日期:2004-07 -16.歡迎訂閱中國給7中國煤化工HCNMHG， 59.