城市污水管网系统优化研究

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　　【摘要】随着城市人口的增长和工业企业的发展，污水排放量不断增加，致使城市下游河段污染加剧，因此，建设一个经济、合理的污水处理系统，减少污染，是当前重要而紧迫的任务。本文通过分析实施污水管网系统优化的意义，对其优化方法及程序进行探讨，以期通过本文的阐述在实践中达到减小污水管网的埋设深度，降低工程造价的目的。
　　【关键词】污水网管；系统优化；排水管道
　　1.对污水管网系统实施优化的意义
　　污水管网就是由污水管道，污水检查井等组成的管网系统，其基本任务就是及时、安全、通畅地收集、输送污水到污水处理设施，避免环境受到污染，保障人民的健康和正常生活，促进工农业生产的顺利进行。
　　完善的污水管网系统是一个城市现代化的标志。我国多数城市污水管道没有形成完善的系统，有的利用街道，河道排水，有的污水随意排放，影响环境卫生。有的虽有管道，但排水能力低，极不适应日益发展的城市建设，对人民的生活、生产带来很大的影响。
　　近几年来。我国在城市基础建设方面投入了巨大的物力和财力，我国大多城市的污水管网系统也得以提升和改善，但是，与发达国家相比，仍有很大的差距。因此，大力进行污水管网建设，形成完善、通畅的污水管网系统，可大大提高一个城市的人居环境和城市文明，加快城市发展，缩小我国和发达国家的差距。
　　2.污水管网系统优化的方法
　　就管线平面布置已定情况下的污水管网各个参数的优化设计，主要有以下几种方法：
　　2.1线性规划法
　　线性规划法是优化技术中最常用的一种方法。它对于污水管网设计计算模型中的约束条件和目标函数的非线性，分别用它们的一级泰勒展开式代替，将之化为线性规划问题，用线性规划的解作为问题的近似解，反复迭代，使迭代点序列逼近非线性规划的最优解。它的缺点是把管径当作连续变量来处理，存在计算管径与市售规格管径相矛盾的问题。把非线性函树转为线性函数，前期准备工作量大，且难以保证结果的计算精度。
　　混合整数规划法，作为线性规划法发展形式，克服了线性规划的部分缺点，可以解出离散的标准管径，但由于整形变量过多，往往难以求解，从而应用受到限制。
　　2.2非线性规划法
　　非线性规划法是为了适应排水管道系统优化设计计算模型中目标函数和约束条件的非线性特征而提出来的。它可以优化选择排水管道的直径和埋深，以及中途泵站的位置。其假定管径是离散的，易于对目标函数和约束条件进行敏感性分析。但是该方法极大地限制了目标函数和约束条件的形式。
　　罚函数离散优化法将排水工程的特点与罚函数离散思想相联系，可以排除不合理的设计方案，以管系末端管底标高为全局控制因素，建立与目标函数的可行解对应关系，并通过同时进行整体控制与局部控制的水力计算方法，遍历目标函数的可行解及局部最优解，从而得到管系的全局最优设计方案。该方法由于对管道系统的各种可行解进行遍历，在解决大型管网问题时，必然存在运行时间长和内存占用量大的缺点。
　　2.3直接优化法
　　直接优化法是根据排水管道系统性能指标的变化，通过直接对各种方案或可调参数的选择、计算和比较，来得到最优解或满意解，它具有直接、直观和容易验证的优点。直接优化法主要包括电子表格法和两相优化法。电子表格法是利用“电子表格”统计数据和分析数据的功能进行管网优化的。它提供了一种启发式费用估算方法，利用这种方法，用户可寻找最小费用的设计。它并不涉及太复杂的算法，在动态规划中的许多简化假设显得不太必要。能够得出比动态规划法要好的结果，并能更加符合设计规范的要求。
　　一般在直接优化算法中，注重设计人员对管网计算的宏观控制和局部干预，所设计的最优方案将因人而异，所求结果一般是满意解而不一定是最优解。
　　3.污水管网系统优化的程序
　　在实际工作中常用数值方法来解决给水排水系统优化问题，一般需经过下列程序，其基本内容是：
　　3.1构成问题
　　大多数给排水工程的实际问题，包含着很多复杂的因素，往往是一个多变量、多目标、多层次的复杂系统。如何把一个实际的给排水系统，科学地简化为一个能反映其关键要素及其基本特征，又便于进行定量表达和模拟优化的替代系统，这是优化过程首要和关键的一步，它将在很大程度上影响优化结果的合理性。构成问题的过程，也可称为“系统的概念化”，简称“系统化”。
　　3.2确定目标
　　目标的确定是给排水工程系统化的重要内容，也是系统优化的评价依据。主要是探明该系统所涉及的各种目标和综合目标：识别各目标的重要性。并表达其中值得追求目标的属性指标：建立目标随基本变量(或所考虑的关键因素)变化的函数关系。
　　最常遇到的给排水优化问题，是在给定的技术与社会条件下，寻求系统经济性最佳时的设计、运行方案、总费用现值等。
　　3.3建立数学模型
　　在上述阶段工作的基础上，建立定量表达给排水系统的数学模型。优化设计的数学模型是设计问题抽象化了的数学形式的表现，它反映了设计问题中各主要因素间内在联系的一种数学关系。数学模型通常需引入设计变量、约束条件和目标函数三个基本要素。
　　（1）设计变量：通常一个设计方案可以用一组基本参数的数值来表示。选取哪些参数，因各设计问题而定。在设计时，有些参数可以根据工艺、运行和使用要求预先给定；而另一些则需要在设计过程中进行选择，这部分参数可看做变量，称为设计变量。这种变量是一种相互独立的基本参数。
　　当设计变量不是连续变化时称为离散设计变量。然而，由于按离散变量进行优化设计比较困难，因此，目前的工程优化设计中大多数还是按连续设计变量来处理。
　　（2）约束条件：在设计空间中，所有设计方案并不是工程实际都能接受的。因此，在优化设计中，必须根据实际设计要求，对设计变量的取值加以种种的限制。这种限制称为约束条
　　件(或约束)。设计约束一般表达为设计变量的不等式约束函数和等式约束函数。
　　（3）目标函数：设计变量选定之后，设计所要达到的指标，如经济指标、效率指标等，可以表示成设计变量的函数，这个函数就称为目标函数，即
　　F（X）＝F（X1，X2ΛΛXn）
　　在工程优化设计中，被优化的目标函数有两种表述方式：目标函数的极小化和目标函数的极大化，即F（X）→min或F（X）→mix。
　　3.4优化模型的求解与检验
　　实际工作中求最优解(或满意解)可能有以下几种情况：
　　（1）评价目标只是一个定量指标(通常是费用)，且可变的方案很多又无法简单一一列举时，则要运用最优化方法求出其最优解。
　　（2）评价目标只是一个定量指标，而备选的方案不多，则可以较方便地逐一对备选方案进行模拟计算，并从中择优选定。
　　（3）评价目标不只一个，多种目标之间彼此又有矛盾，这时需要运用多目标最优化方法，通过各目标之间的权衡和协调加以优选。
　　最优化方法可根据数学模型中的函数性质，选用合适的数值计算优化法，并作出相应的程序设计，然后利用计算机的快速分析与计算，得出最优值。优化数学模型的晟优解，只是对所有模型来说为最优。而对现实问题来说，则还可能是不完全合乎理想。
　　优化的实际目的在于追求“满意解”而不是“最优解”。因此。采用试算法得到一连串的解，并通过灵敏度分析来确定影响求解的关键要素和参数，以找到一个较为合乎理想的满意解。
　　4.结束语
　　污水管网系统的优化是给排水工程优化的一个重要分支，近年来，国内科研人员在污水管网优化方面进行了大量的研究工作，得出了不少关于污水管网优化设计的方法。本文在此基础上，经过系统研究污水管网设计的理论和方法，以期在实践中达到减小污水管网的埋设深度，降低工程造价的目的。

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