城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化研究楊國偉廣東東莞:523000【摘要】隨著城市人口的增長和工業(yè)企業(yè)的發(fā)展,污水排放量不斷增加,致使城市下游河段污染加劇,因此,建設(shè)一個經(jīng)濟、合理的污水處理系統(tǒng),減少污染,是當前重要而緊迫的任務(wù)。本文通過分析實施污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的意義,對其優(yōu)化方法及程序進行探討,以期通過本文的闡述在實踐中達到減小污水管網(wǎng)的埋設(shè)深度,降低工程造價的目的?！娟P(guān)鍵詞】污水網(wǎng)管;系統(tǒng)優(yōu)化;排水管道1.對污水管網(wǎng)系統(tǒng)實施優(yōu)化的意義污水管網(wǎng)就是由污水管道,污水檢査井等組成的管網(wǎng)系統(tǒng),其基本任務(wù)就是及時、安全、通暢地收集、輸送污水到污水處理設(shè)施,避免環(huán)境受到污染,保障人民的健康和正常生活,促進工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進行。完善的污水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個城市現(xiàn)代化的標志。我國多數(shù)城市污水管道沒有形成完善的系統(tǒng),有的利用街道,河道排水,有的污水隨意排放,影響環(huán)境衛(wèi)生。有的雖有管道,但排水能力低,極不適應(yīng)日益發(fā)展的城市建設(shè),對人民的生活、生產(chǎn)帶來很大的影響。近幾年來。我國在城市基礎(chǔ)建設(shè)方面投入了巨大的物力和財力,我國大多城市的污水管網(wǎng)系統(tǒng)也得以提升和改善,但是,與發(fā)達國家相比,仍有很大的差距。因此,大力進行污水管網(wǎng)建設(shè),形成完善、通暢的污水管網(wǎng)系統(tǒng),可大大提高一個城市的人居環(huán)境和城市文明,加快城市發(fā)展,縮小我國和發(fā)達國家的差距。2.污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的方法就管線平面布置已定情況下的污水管網(wǎng)各個參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計,主要有以下幾種方法:2.1線性規(guī)劃法線性規(guī)劃法是優(yōu)化技術(shù)中最常用的一種方法。它對于污水管網(wǎng)設(shè)計計算模型中的約束條件和目標函數(shù)的非線性,分別用它們的一級泰勒展開式代替,將之化為線性規(guī)劃問題,用線性規(guī)劃的解作為問題的近似解,反復(fù)迭代,使迭代點序列逼近非線性規(guī)劃的最優(yōu)解。它的缺點是把管徑當作連續(xù)變量來處理,存在計算管徑與市售規(guī)格管徑相矛盾的問題。把非線性函樹轉(zhuǎn)為線性函數(shù),前期準備工作量大,且難以保證結(jié)果的計算精度混合整數(shù)規(guī)劃法,作為線性規(guī)劃法發(fā)展形式,克服了線性規(guī)劃的部分缺點,可以解出離散的標準管徑,但由于整形變量過多往往難以求解,從而應(yīng)用受到限制。2.2非線性規(guī)劃法非線性規(guī)劃法是為了適應(yīng)排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計計算模型中目標函數(shù)和約束條件的非線性特征而提出來的。它可以優(yōu)化選擇排水管道的直徑和埋深,以及中途泵站的位置。其假定管徑是離散的,易于對目標函數(shù)和約束條件進行敏感性分析。但是該方法極大地限制了目標函數(shù)和約束條件的形式。罰函數(shù)離散優(yōu)化法將排水工程的特點與罰函數(shù)離散思想相聯(lián)系,可以排除不合理的設(shè)計方案,以管系末端管底標高為全局控制因素,建立與目標函數(shù)的可行解對應(yīng)關(guān)系,并通過同時進行整體控制與局部控制的水力計算方法,遍歷目標函數(shù)的可行解及局部最優(yōu)解,從而得到管系的全局最優(yōu)設(shè)計方案。該方法由于對管道系統(tǒng)的各種可行解進行遍歷,在解決大型管網(wǎng)問題時,必然存在運行時間長和內(nèi)存占用量大的缺點。2.3直接優(yōu)化法直接優(yōu)化法是根據(jù)排水管道系統(tǒng)性能指標的變化,通過直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇、計算和比較,來得到最優(yōu)解或滿意解,它具有直接、直觀和容易驗證的優(yōu)點。直接優(yōu)化法主要包括電子表格法和兩相優(yōu)化法。電子表格法是利用“電子表格”統(tǒng)計數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的功能進行管網(wǎng)優(yōu)化的。它提供了一種啟發(fā)式費用估算方法,利用這種方法,用戶可尋找最小費用的設(shè)計。它并不涉及太復(fù)雜的算法,在動態(tài)規(guī)劃中的許多簡化假設(shè)顯得不太必要。能夠得出比動態(tài)規(guī)劃法要好的結(jié)果,并能更加符合設(shè)計規(guī)范的要求。般在直接優(yōu)化算法中,注重設(shè)計人員對管網(wǎng)計算的宏觀控制和局部干預(yù),所設(shè)計的最優(yōu)方案將因人而異,所求結(jié)果一般是滿意解而不一定是最優(yōu)解。3.污水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的程序在實際工作中常用數(shù)值方法來解決給水排水系統(tǒng)優(yōu)化問題,一般需經(jīng)過下列程序,其基本內(nèi)容是:3.1構(gòu)成問題大多數(shù)給排水工程的實際問題,包含著很多復(fù)雜的因素,往往是一個多變量、多目標、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)。如何把一個實際的給排水系統(tǒng),科學地簡化為一個能反映其關(guān)鍵要素及其基本特征,又便于進行定量表達和模擬優(yōu)化的替代系統(tǒng),這是優(yōu)化過程首要和關(guān)鍵的一步,它將在很大程度上影響優(yōu)化結(jié)果的合理性。構(gòu)成問題的過程,也可稱為“系統(tǒng)的概念化”,簡稱“系統(tǒng)化”。3.2確定目標目標的確定是給排水工程系統(tǒng)化的重要內(nèi)容,也是系統(tǒng)優(yōu)化的評價依據(jù)。主要是探明該系統(tǒng)所涉及的各種目標和綜合目標:識別各目標的重要性。并表達其中值得追求目標的屬性指標:建立目標隨基本變量(或所考慮的關(guān)鍵因素)變化的函數(shù)關(guān)系。最常遇到的給排水優(yōu)化問題,是在給定的技術(shù)與社會條件下,尋求系統(tǒng)經(jīng)濟性最佳時的設(shè)計、運行方案、總費用現(xiàn)值等。3.3建立數(shù)學模型在上述階段工作的基礎(chǔ)上,建立定量表達給排水系統(tǒng)的數(shù)學模型。優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型是設(shè)計問題抽象化了的數(shù)學形式的表現(xiàn),它反映了設(shè)計問題中各主要因素間內(nèi)在聯(lián)系的一種數(shù)學關(guān)系。數(shù)學模型通常需引入設(shè)計變量、約束條件和目標函數(shù)三個基本要素。(1)設(shè)計變量:通常一個設(shè)計方案可以用一組基本參數(shù)的數(shù)值來表示。選取哪些參數(shù),因各設(shè)計問題而定。在設(shè)計時,有些參數(shù)可以根據(jù)工藝、運行和使用要求預(yù)先給定;而另一些則需要在設(shè)計過程中進行選擇,這部分參數(shù)可看做變量,稱為設(shè)計變量。這種變量是一種相互獨立的基本參數(shù)。當設(shè)計變量不是連續(xù)變化時稱為離散設(shè)計變量。然而,由于按離散變量進行優(yōu)化設(shè)計比較困難,因此,目前的工程優(yōu)化設(shè)計中大多數(shù)還是按連續(xù)設(shè)計變量來處理。(2)約束條件:在設(shè)計空間中,所有設(shè)計方案并不是工程實際都能接受的。因此,在優(yōu)化設(shè)計中,必須根據(jù)實際設(shè)計要求,對設(shè)計變量的取值加以種種的限制。這種限制稱為約束條件(或約束)。設(shè)計約束一般表達為設(shè)計變量的不等式約束函數(shù)和等式約束函數(shù)。(3)目標函數(shù):設(shè)計變量選定之后,設(shè)計所要達到的指標,如經(jīng)濟指標、效率指標等,可以表示成設(shè)計變量的函數(shù),這個函數(shù)就稱為目標函數(shù),即F(X)=F(X1,Ⅹ2AAXn)在工程優(yōu)化設(shè)計中,被優(yōu)化的目標函數(shù)有兩種表述方式:目標函數(shù)的極小化和目標函數(shù)的極大化,即F(X)→min或F(X)m1Ⅹ。3.4優(yōu)化模型的求解與檢驗實際工作中求最優(yōu)解(或滿意解)可能有以下幾種情況(1)評價目標只是一個定量指標(通常是費用),且可變的方案很多又無法簡單一一列舉時,則要運用最優(yōu)化方法求出其最優(yōu)解。(2)評價目標只是一個定量指標,而備選的方案不多,則可以較方便地逐一對備選方案進行模擬計算,并從中擇優(yōu)選定。(3)評價目標不只一個,多種目標之間彼此又有矛盾,這時需要運用多目標最優(yōu)化方法,通過各目標之間的權(quán)衡和協(xié)調(diào)加以優(yōu)選。最優(yōu)化方法可根據(jù)數(shù)學模型中的函數(shù)性質(zhì),選用合適的數(shù)值計算優(yōu)化法,并作出相應(yīng)的程序設(shè)計,然后利用計算機的快速分析與計算,得出最優(yōu)值。優(yōu)化數(shù)學模型的晟優(yōu)解,只是對所有模型來說為最優(yōu)。而對現(xiàn)實問題來說,則還可能是不完全合乎理想優(yōu)化的實際目的在于追求“滿意解”而不是“最優(yōu)解”。因此。采用試算法得到一連串的解,并通過靈敏度分析來確定影響求解的關(guān)鍵要素和參數(shù),以找到一個較為合乎理想的滿意解。4.結(jié)束語污水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化是給排水工程優(yōu)化的一個重要分支,近年來,國內(nèi)科研人員在污水管網(wǎng)優(yōu)化方面進行了大量的硏究工作,得出了不少關(guān)于污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法。本文在此基礎(chǔ)上,經(jīng)過系統(tǒng)研究污水管網(wǎng)設(shè)計的理論和方法,以期在實踐中達到減小污水管網(wǎng)的埋設(shè)深度,降低工程造價的目的。參考文獻:1]郭迎慶,王文標.直接優(yōu)化法優(yōu)化設(shè)計城市污水管道系統(tǒng)給水排水,2002,2.[2]彭永臻,等.排水管網(wǎng)計算程序設(shè)計的全局優(yōu)化.中國給水排水,1994,4