摘 要：本文介紹了包含圖論法和遺傳算法的平面布置優(yōu)化，包含直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法的管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化和利用水力水質(zhì)模型進(jìn)行評(píng)估改進(jìn)的老舊管網(wǎng)優(yōu)化。研究這些排水管網(wǎng)優(yōu)化方法，旨在為管道設(shè)計(jì)和改造提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：排水管網(wǎng);管網(wǎng)優(yōu)化;最優(yōu)化;管網(wǎng)模型

市政給排水工程的規(guī)劃和設(shè)計(jì)與生活在都市里的人息息相關(guān)，必須依照前瞻性的觀念對(duì)市政給排水工程的構(gòu)建進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，才可以實(shí)現(xiàn)城市給排水工程的可持續(xù)發(fā)展和利用。

1 排水管網(wǎng)的作用與建設(shè)問題

1.1 排水管網(wǎng)的作用

（1）環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展方面：排水工程在一定程度上可以保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境，削弱污水給人們帶來的壞處。伴隨著現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程以及人口數(shù)量的持續(xù)增長，污水中的有害成分也越來越復(fù)雜。目前在中國或其他國家，環(huán)境污染問題一直被人們所重視，由于污廢水所帶來的污染也是不容小覷。

（2）衛(wèi)生方面：污水處理項(xiàng)目的建設(shè)，可以高效地保護(hù)人們的身體健康。污水主要從兩個(gè)方面影響著人類的身體健康：首先是直接影響，水中攜帶的部分細(xì)菌具有傳染性，通過飲水的過程進(jìn)入人們體內(nèi)，危害人類健康;其次是間接影響，水中的有毒物質(zhì)并不具有致命性，但會(huì)在人的身體內(nèi)部累積，當(dāng)達(dá)到一定量的時(shí)候會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，也可能影響到下一代的健康。

（3）經(jīng)濟(jì)方面：當(dāng)前，很多水污染嚴(yán)重的國家，它的供水能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其需水量，因此不得不投入大量的資金進(jìn)行污水凈化工程的建設(shè)。加大排水管網(wǎng)的建設(shè)力度可以很大程度上的避免這些問題，避免不必要的資金浪費(fèi)。

1.2 存在的問題

（1）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)的規(guī)劃、建造方面有一定的局限性

在我國的城市排水問題中，首先要解決的問題是管網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工的局限性。大多數(shù)城市開始設(shè)計(jì)管網(wǎng)時(shí)，根本沒有認(rèn)真思考過城市的發(fā)展時(shí)會(huì)遇到的問題。因此，在開始施工時(shí)，由于建設(shè)投資的原因，排水量、管網(wǎng)的深度及寬度不可以滿足余量。同時(shí)，管網(wǎng)使用中經(jīng)常發(fā)生阻塞或沉積的現(xiàn)象導(dǎo)致了嚴(yán)重的污染，這嚴(yán)重破壞了城市環(huán)境。而且，因?yàn)槌鞘信潘芫W(wǎng)的損壞不易覺察，近年來，投資者傾向于對(duì)管道、交通、園林綠化等基礎(chǔ)設(shè)施建造進(jìn)行投資。但是，沒有多少投資人想投資城市排水管網(wǎng)。

（2）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)與污水處理廠的建造脫節(jié)

在排水管網(wǎng)建造和完善中，首先要面對(duì)的問題就是污水處理廠與城市排水管網(wǎng)不匹配所造成的水資源難以循環(huán)利用。構(gòu)建污水處理廠可以凈化生活污水和工業(yè)廢水，使其出水后能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，出水能循環(huán)利用，這不僅能解決城市環(huán)境污染，還能促進(jìn)水資源的合理利用。然而，城市污水處理廠不能與城市排水管網(wǎng)相對(duì)應(yīng)，污水不能夠完全進(jìn)入到污水處理廠進(jìn)行處理卻是一個(gè)在城市排水管網(wǎng)建造中難以解決的問題。

（3）城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)建造規(guī)劃水平低

現(xiàn)代城市建設(shè)要發(fā)展，必須要解決一個(gè)問題，那就是排水管網(wǎng)建設(shè)水平低、沒有辦法實(shí)現(xiàn)維修工作的信息化管理。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，城市智能化管理的程度變高，但城市排水管網(wǎng)管理工作還處于一個(gè)相對(duì)落后的狀態(tài)。不僅在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，迎合不了城市現(xiàn)代化的要求，而且迎合不了城市建設(shè)的需要。

2 排水管網(wǎng)優(yōu)化方法

2.1 新建管網(wǎng)優(yōu)化

2.1.1 平面布置優(yōu)化

（1）圖論法

基于最小生成樹理論的Dijkstra算法，目標(biāo)函數(shù)為最小投資成本，把排水管網(wǎng)鋪設(shè)的優(yōu)化設(shè)計(jì)成構(gòu)建N棵以污水處理廠為根節(jié)點(diǎn)的最小生成樹。Dijkstra算法作為一種最小生成樹法，它是在權(quán)值不僅是確定的，而且是一種簡便而高效的且不小于零的條件下構(gòu)建的。

（2）遺傳算法

近些年來，越來越多的排水管網(wǎng)布局優(yōu)化的研究開始采用遺傳算法。它在解決離散組合優(yōu)化問題和復(fù)雜的非線性問題時(shí)具有明顯優(yōu)勢，這是因?yàn)樗梢岳每傮w的信息。在進(jìn)行排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，這種方法能夠提供相關(guān)的可能條件，并且在針對(duì)排水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化問題的處理上具有很高的效率。

2.2.2 管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化

（1）直接優(yōu)化法

常用的直接優(yōu)化法有：電子表格法和兩相優(yōu)化法。在進(jìn)行管道優(yōu)化的時(shí)候使用某種操作系統(tǒng)來統(tǒng)計(jì)和分析數(shù)據(jù)的功能叫做電子表格法。先選擇最經(jīng)濟(jì)的流量以及最大的充滿度，再通過排水管道的水力計(jì)算方法計(jì)算出最佳的管徑和最小的梯度從而最大程度地減少埋深的方法稱為兩相優(yōu)化法。

（2）間接優(yōu)化法

間接優(yōu)化方法是根據(jù)最佳數(shù)學(xué)模型，計(jì)算后得到最佳解。根據(jù)探討液壓約束條件和適合的選擇， 構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，合理地運(yùn)用多種數(shù)學(xué)工具得到的數(shù)學(xué)模型來求得最佳解。

2.2 老舊管網(wǎng)優(yōu)化

老城區(qū)的排水管網(wǎng)建設(shè)具有時(shí)間早、標(biāo)準(zhǔn)低、維護(hù)難度大等特點(diǎn)。與此同時(shí)，老城區(qū)地塊調(diào)整難度較大，這也給老舊管網(wǎng)的優(yōu)化帶來了阻礙。所以，老舊管網(wǎng)的優(yōu)化可以從局部改善著手。利用水力水質(zhì)模型對(duì)老舊排水管網(wǎng)進(jìn)行模擬評(píng)估，對(duì)現(xiàn)狀管網(wǎng)運(yùn)行中的問題提出技術(shù)上可行性的優(yōu)化方案，討論管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵位置的管道水質(zhì)變化規(guī)律和影響因素，用于指導(dǎo)城市排水管網(wǎng)的優(yōu)化改造和規(guī)劃管理。

結(jié)束語

探討了排水管網(wǎng)的優(yōu)化方法，包括新建管網(wǎng)和老舊管網(wǎng)。對(duì)于新建管網(wǎng)，平面布置優(yōu)化中可以用到圖論法、遺傳算法等;管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化分為直接優(yōu)化法和間接優(yōu)化法，通過不同的算法，對(duì)埋深、管徑、坡度等具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)于老舊管網(wǎng)，采用水力水質(zhì)模型法，利用模型對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)重點(diǎn)管道提出優(yōu)化方案。

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作者簡介：沈鑫（1995-）， 男，設(shè)計(jì)師，碩士研究生，主要研究方向：給水排水。