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(gè)經(jīng)濟(jì)、合理的污水處理系統(tǒng),減少污染,是當(dāng)前重要而緊迫的任務(wù)。本文通過分析實(shí)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(jìn)行探討,以期通過本文的闡述在實(shí)踐中達(dá)到減小污水管網(wǎng)的埋設(shè)深度,降低工程造價(jià)的目的。【關(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(shí)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(shí)、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(jìn)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。完善的污水管網(wǎng)系統(tǒng)是一個(gè)城市現(xiàn)代化的標(biāo)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(cái)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(dá)國家相比,仍有很大的差距。因此,大力進(jìn)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(gè)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(dá)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(gè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jì)計(jì)算模型中的約束條件和目標(biāo)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(diǎn)序列逼近非線性規(guī)劃的最優(yōu)解。它的缺點(diǎn)是把管徑當(dāng)作連續(xù)變量來處理,存在計(jì)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(zhǔn)備工作量大,且難以保證結(jié)果的計(jì)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(diǎn),可以解出離散的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)計(jì)算模型中目標(biāo)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(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行敏感性分析。但是該方法極大地限制了目標(biāo)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(diǎn)與罰函數(shù)離散思想相聯(lián)系,可以排除不合理的設(shè)計(jì)方案,以管系末端管底標(biāo)高為全局控制因素,建立與目標(biāo)函數(shù)的可行解對應(yīng)關(guān)系,并通過同時(shí)進(jìn)行整體控制與局部控制的水力計(jì)算方法,遍歷目標(biāo)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(jì)方案。該方法由于對管道系統(tǒng)的各種可行解進(jìn)行遍歷,在解決大型管網(wǎng)問題時(shí),必然存在運(yùn)行時(shí)間長和內(nèi)存占用量大的缺點(diǎn)。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(biāo)的變化,通過直接對各種方案或可調(diào)參數(shù)的選擇、計(jì)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(yàn)證的優(yōu)點(diǎn)。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(jì)數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的功能進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化的。它提供了一種啟發(fā)式費(fèi)用估算方法,利用這種方法,用戶可尋找最小費(fèi)用的設(shè)計(jì)。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(jì)規(guī)范的要求。般在直接優(yōu)化算法中,注重設(shè)計(jì)人員對管網(wǎng)計(jì)算的宏觀控制和局部干預(yù),所設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)際問題,包含著很多復(fù)雜的因素,往往是一個(gè)多變量、多目標(biāo)、多層次的復(fù)雜系統(tǒng)。如何把一個(gè)實(shí)際的給排水系統(tǒng),科學(xué)地簡化為一個(gè)能反映其關(guān)鍵要素及其基本特征,又便于進(jìn)行定量表達(dá)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(biāo)目標(biāo)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(jià)依據(jù)。主要是探明該系統(tǒng)所涉及的各種目標(biāo)和綜合目標(biāo):識別各目標(biāo)的重要性。并表達(dá)其中值得追求目標(biāo)的屬性指標(biāo):建立目標(biāo)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(jì)性最佳時(shí)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行方案、總費(fèi)用現(xiàn)值等。3.3建立數(shù)學(xué)模型在上述階段工作的基礎(chǔ)上,建立定量表達(dá)給排水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型是設(shè)計(jì)問題抽象化了的數(shù)學(xué)形式的表現(xiàn),它反映了設(shè)計(jì)問題中各主要因素間內(nèi)在聯(lián)系的一種數(shù)學(xué)關(guān)系。數(shù)學(xué)模型通常需引入設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)三個(gè)基本要素。(1)設(shè)計(jì)變量:通常一個(gè)設(shè)計(jì)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(jì)問題而定。在設(shè)計(jì)時(shí),有些參數(shù)可以根據(jù)工藝、運(yùn)行和使用要求預(yù)先給定;而另一些則需要在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行選擇,這部分參數(shù)可看做變量,稱為設(shè)計(jì)變量。這種變量是一種相互獨(dú)立的基本參數(shù)。當(dāng)設(shè)計(jì)變量不是連續(xù)變化時(shí)稱為離散設(shè)計(jì)變量。然而,由于按離散變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)比較困難,因此,目前的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中大多數(shù)還是按連續(xù)設(shè)計(jì)變量來處理。(2)約束條件:在設(shè)計(jì)空間中,所有設(shè)計(jì)方案并不是工程實(shí)際都能接受的。因此,在優(yōu)化設(shè)計(jì)中,必須根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求,對設(shè)計(jì)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(jì)約束一般表達(dá)為設(shè)計(jì)變量的不等式約束函數(shù)和等式約束函數(shù)。(3)目標(biāo)函數(shù):設(shè)計(jì)變量選定之后,設(shè)計(jì)所要達(dá)到的指標(biāo),如經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、效率指標(biāo)等,可以表示成設(shè)計(jì)變量的函數(shù),這個(gè)函數(shù)就稱為目標(biāo)函數(shù),即F(X)=F(X1,Ⅹ2AAXn)在工程優(yōu)化設(shè)計(jì)中,被優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)有兩種表述方式:目標(biāo)函數(shù)的極小化和目標(biāo)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(yàn)實(shí)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(jià)目標(biāo)只是一個(gè)定量指標(biāo)(通常是費(fèi)用),且可變的方案很多又無法簡單一一列舉時(shí),則要運(yùn)用最優(yōu)化方法求出其最優(yōu)解。(2)評價(jià)目標(biāo)只是一個(gè)定量指標(biāo),而備選的方案不多,則可以較方便地逐一對備選方案進(jìn)行模擬計(jì)算,并從中擇優(yōu)選定。(3)評價(jià)目標(biāo)不只一個(gè),多種目標(biāo)之間彼此又有矛盾,這時(shí)需要運(yùn)用多目標(biāo)最優(yōu)化方法,通過各目標(biāo)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(xué)模型中的函數(shù)性質(zhì),選用合適的數(shù)值計(jì)算優(yōu)化法,并作出相應(yīng)的程序設(shè)計(jì),然后利用計(jì)算機(jī)的快速分析與計(jì)算,得出最優(yōu)值。優(yōu)化數(shù)學(xué)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(shí)問題來說,則還可能是不完全合乎理想優(yōu)化的實(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)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(jì)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(jì)的理論和方法,以期在實(shí)踐中達(dá)到減小污水管網(wǎng)的埋設(shè)深度,降低工程造價(jià)的目的。參考文獻(xiàn):1]郭迎慶,王文標(biāo).直接優(yōu)化法優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)算程序設(shè)計(jì)的全局優(yōu)化.中國給水排水,1994,4