污水管网优化设计研究

污水管网优化设计研究
摘要：污水管网系统是居民的生命线工程，它是保证该地区其他工程设施能够正常使用的重要设施之一。

本文分析了污水管网优化设计的重要意义，重点研究了污水管网优化设计的主要内容和步骤，希望可以提高和改善我国污水管网的优化设计水平。

关键词：污水管网；优化设计
Abstract: the sewage pipe network system is the lifeline of residents, it is to ensure that the area of other engineering facilities can be normal use one of the important facilities. This paper analyzes the significance of the sewage pipe network optimization design, mainly studies the main content and steps of the sewage pipe network optimization design, the hope can enhance and improve the sewage pipe network optimization design level in our country.
Key words: sewage pipe network; The optimization design
1. 污水管网优化设计的意义
对于传统的污水管网优化设计而言，首先，在设计人员掌握了系统、全面、完整的设计基础资料的前提下，遵照系统布置和管道定线的原则，凭借设计人员长期积累的设计经验，参照工程实际确定一种比较合理的管网系统布置图；其次，根据工程实际选择合适的方法，计算污水管道各管段的设计流量和水对管壁的压力，并求出各管段的坡度和管径；最后，组织多位专家及设计人员，根据他们的工作经验，对设计的管径和坡度进行检验和修正，通过不断调整设计方案使之满足设计要求。

传统的污水管网优化设计存在很多问题，其一，污水管网优化方案的质量直接受限于设计人员的工作经验和个人能力；其二，传统设计方法的工作效率低，耗费时间长，不利于优化设计方案；其三，传统设计方法可能导致不必要的资金浪费，还可能对污水管道的后期管理与维护带来困难。

随着科学技术的大力发展和计算机技术的不断进步，计算机对各行各业的发展起到了巨大的推动作用，并且提高了工作效率，降低了投入成本。

由于计算机技术、最优化理论以及系统分析方法的逐步成熟与完善，为污水管网优化设计研究提供了必要的理论基础，并为污水管网优化设计的实现提供了保证，逐渐使污水管网的优化设计工作向着智能化方向发展。

在污水管网的优化设计过程中，通过对各种理论、技术、工具的整合与利用，在一定的条件下使污水管网趋于最优化，最大限度的降低工程造价。

污水管网优化设计研究具有明显的经济效益、社会效益、实用效益和现实意义。

2. 污水管网优化设计的内容
污水管网优化设计的内容主要有两方面；一方面是管线平面布置的优化选择；另一方面是在确定了管线平面布置的前提下对管道参数进行优化设计。

1）污水管线平面布局的优化设计。

正确的定线是污水管网优化设计的先决条件，对不同定线方案的优化选择更具有实用价值。

已定管线下的优化设计是平面优化布置的基础。

污水管线平面布置优化设计的原则是：管道工程量趋于最小化，管线趋于最短化，水流通畅且节省能量；
2）管道参数的优化设计。

管道参数的优化设计是指已定管线下污水管网优化设计计算，主要是埋深、坡度和管径以及不同管段间的设计参数优化问题。

设计一段污水管道，确定流量后，可能有多种管径和埋深组合符合设计要求，这时我们要选择投资最小的组合。

在确定了管线平面布置的前提下对管道参数进行优化设计时，最优化方法主要有两种：直接优化法和间接优化法。

直接优化法根据性能指标的变化，直接对影响参数或方案进行计算、比较，得到满意解和最优解，该方法比较简单，但计算量比较大；间接优化法又称为解析优化法，它用数学模型表示工程实际，通过优化计算得到满意解和最优解。

3. 污水管网优化设计的基本步骤
利用数值方法进行污水管网优化设计的基本步骤如下：
3.1 系统的概念化
污水管网是一个复杂系统，在污水管网优化设计过程中，如何科学、简单的用一个替代系统来表示复杂的污水管网系统，并且该替代系统能够反映该污水管网系统的基本特征和关键要素，这是优化设计中最为关键的一步。

替代系统的科学性和合理性对优化结果的有效性影响极大，因此在污水管网优化设计的初期一定要重视污水管网系统的概念化。

3.2 确定目标
确定目标是污水管网系统优化设计的评价依据，也是污水管网系统概念化的重要内容。

确定目标主要是探明污水管网系统的综合目标以及各个分目标，建立替代系统中基本变量（污水管网系统中需要考虑的关键因素）与各目标函数关系。

3.3 数学模型的建立
数学建模是将现实问题抽象为数学问题的过程，数学模型通过数学关系反映设计问题中各主要因素间的内在联系。

数学模型有三要素，分别是设计变量、约
束条件和目标函数。

1）设计变量。

通常情况下用一组基本参量的数值来表示一个设计方案。

在设计过程中，有些参数可以根据设计要求等预先给定，还有一部分参数需要在设计过程中进行选择，因此这部分参数都可以当作变量来处理，称为设计变量。

设计变量分为离散型设计变量和连续型设计变量，但是在现实条件下，利用离散型设计变量进行优化设计难度很大，因此，大多数工程实际问题都是采用连续型设计变量进行处理；
2）约束条件。

在优化设计过程中，我们必须根据实际设计要求，限制设计变量的取值。

这种限制称为约束条件，约束条件一般用等式约束函数和不等式约束函数来表示；
3）目标函数。

选定完设计变量后，设计所要达到的指标可以用设计变量的函数来表示，该设计函数称为目标函数，即G(x)=G(x1,x2,…，xn)。

在污水管网优化设计的过程中，被优化的目标函数有两种表述方式：目标函数的极大化，即G(x）→MAX；目标函数的极小化，即G(x）→MIN。

3.4 优化模型的求解与检验
在工程实际中求解污水管网的最优解可能有以下几种情况：
1）只有一个定量指标作为评价目标，该定量指标通常是工程造价，除此而外有很多可变的方案，这时需要通过最优设计方法求得最优解；
2）只有一个定量指标作为评价目标，并且备选方案不多，这时可以对所有方案进行模拟计算，逐一进行比较，择优选择方案；
3）有多个评价目标且评价目标之间有冲突，这时要用多目标最优化方法，通过在各目标函数之间进行协调与权衡，最终选择最优方案。

4. 总结
随着科学技术的发展和经济水平的提高，我国城市化进行不断加快，与此同时国家投入了大量的人力、物力和财力设计并优化污水管网，使我国污水管网系统得到极大提高和改善，但与西方发达国家相比仍有很大差距。

本文通过对污水管网优化设计的研究，提出了污水管网优化设计的内容和步骤，希望可以不断提高我国污水管网优化设计水平，为居民营造一个美好的居住环境。

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