污水管网的优化设计

中国给水排水2004 Vol. 20CHINA WATER & WASTEWATERNo.12设计经验污水管网的优化设计张新波'，赵新华'， 从月宾’(1.天津大学环境科学与工程学院，天津300072; 2.天津市市政工程建设公司，天津300070)摘要:对于污水管网的优化设计 ,采用了困论中树形结构的理论来描述污水管网,提出用三叉树的形式来处理污水管网的网络结构,把管段当作树的节点作为研究对象;利用树的遍历中的后序法(即节点递归算法)进行水力计算,在优化计算时采取了枚举标准管径法来选取管径,可以.提高运算速度;在优化程序中寻求造价最低、最优的同时考虑了管道费用和泵站费用。采用Delphi语言编制了污水管网优化程序,并且用天津某一小区的污水管网对此程序进行了实例考核。其优化设计思路可推广到雨水管道。关键词:污水管网; 树形结构; 后序法; 优化设计中图分类号: TU992文献标识码: C文章编号: 1000 - 4602(2004)12 -0056 -04Optimization Design of Sewer NetworkZHANG Xin-bo' ，ZHAO Xin-hua' ，CONG Yue-bin2(1. School of Enuironmental Science and Engineering , Tianjin University ,Tianjin 300072 ,China;2. Tianjin Municipal Engineering Construction Co.， Tianjin 300070, China)Abstract: With respect to the optimization design of sewer network , tree structured theory was usedto depict the sewer network , termary tree forn was proposed to treat the sewer network structure , and pipesection was regarded as node in this study. The post- order transversal ( nodal recursive algorithm) was ap-plied to make hydraulic calculation. In optimization of calculation ，pipe diameter was selected by enumera-ting the standard pipe diameter，so as to raise the operational speed. Both the lowest and optimal construc-tion cost and the cost of pipe and pump station shall be considered in optimizing program. Delphi languagewas used for programming the optimizer of sewer network. The program was checked by sewer network ina vllage of Tianjin. The optimizing philosophy can also be used in storm sewer design.Key words: sewer network; tree structure; post-order transversal; optimization design1三叉树形 结构优布局必为树状结构,但是目前多数污水管网的计污水管网由支管流人千管,再由主干管流人水算程序没有利用图论中的树形结构理论来获得和存体或污水处理厂,管渠系统由小到大,分布类似树枝储管网信息数据,故难以掌握整个污水管网的信息状,管渠内的流量也由小到大,因此污水管网呈树形以及节点与管段的衔接关系,在多管段交叉点处也网络结构。陈森发等论证了城市排水管网系统的最难以通过自动判断和计算确定上、下游管段的有关中国煤化工基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178046)MHCNMHG.56.2004 Vol. 20中国给水排水No. 12标高等水力参数。息中，即存储在图3中的Info中。.通过研究树以及二叉树的树形结构发现,树形把管段当作树形结构的节点(把管段的起始点结构适合于描述污水管网,虽然二叉树和树之间可与管段当作一个整体)作为研究对象,利用树形结以互相转化,即污水管网的树形网络结构最终可以构的数据存储方式描述管网形状,用周游树中的后转化成二叉树,并用之来描述污水管网,但是实际应序法即节点递归法进行水力计算,经--次计算即可用比较繁琐。针对污水管网一般最多是四段管段相完成对整个管网计算的优化,并且还可有效地控制衔接的情况，提出简单实用的三叉树的概念来表示某些节点的水力参数;另外树形结构数据存储方式污水管网的结构。在树形结构的概念中,最主要的容易判断有无分支,且自动判断每个管段的流向,可就是树形结构的周游和存储。因为污水管网的计算以从任意一段管 段开始重新进行计算。是从上游到下游依次进行,因此可以采用遍历树中2费用模型的后序法(即节点递归法)来进行优化计算。以图1所示的污水管网为例,转换成树形结构后的形态见在对污水管网进行优化计算时,最终的优化计图2,用在节点内设置指针指向该节点子女的方式算结果是通过寻求费用最低而得出来的。表示树,则每个节点内设置三个指针字段,每个节点污水管网系统的费用是整个管网在服务年限内的数据存储结构见图3。的基建投资和经营费用现值的总和(主要包括管网投资、泵站投资及运行费用)。程序设计采用如下H形式的费用函数:cdFroE-dc=(ZC.L +字C,)+k(主y)(1)式中C一整个管网 系统总费用的现值,元L,- -各管段的长度,m|Kk一 运营费用折算成现值的现值系数Y;一各泵站的运营费用,可取其主要部分图1部分污水管网图(电费)代替,元/座Fig.1 Some part of a sewer networkm,n--分别为 系统内的管段数和泵站数@C,C-分别为各 管段和各泵站的单价3节点递归算法与优化计算向污水管网的水力计算按照重力流进行。把管段Q当作节点作为研究对象并采用节点递归算法中的后序法进行优化计算,其优点在于无论污水管网的规模大小都适用,不仅适用于新建管网的设计,更能适用于多数城市污水管网的扩建工程。0节点递归算法的步骤如下:①从数据库中寻找整个污水管网最末端的节图2污水管网转化为 三叉树的树形结构点(即管网最后一个管段),依次往前寻找,一直找Fig.2 3-Ray tree shaped structure of the sewer network到整个管网的起始节点(起始管段) ,并记录整个管网的形状。LlinkInfoRlink②判断是否为起点管段 ,若是则转③继续,否Mlink则转④继续。圈3数据存储结构③根据服务面积计算管段本段流量,并判断有无集由布是笛出管船的设计流量。按起点埋Fig.3 Data stucture of3-ay tree对于图2,用后序法进行周游的结构为:深直接YH中国煤化工管道费用,找出下CJFEKLIHDBCA。管段的所有信息都存储在节点信游节点CNMHG.57.2004 Vol. 20中国给水排水No. 12④判断其上游管段是否计算完毕,若是则转通过费用比较得出最小费用下的污水管网的各项数⑤继续,否则转②继续。据,并得出经济埋深。埋深限制设置了4、4.5、5、5.⑤搜寻该节点 上游所有的管段,根据所有上5.6.6.5 m六个数值,通过比较得出:当最大埋深限游管段流量和本段流量计算该管段的设计流量;确制为6 m时整个管网的造价最低,即6 m为整个管定该节点所有上游管段中最大埋深或最小管内底标网的经济埋深。计算结果见表1。高的管段,并记下其管径和管内底标高以及最小水2段❾面标高流速等必要的水力参数,找出下游管段并进②行水力计算,同时根据埋深限制是否加提升泵站;计9A公算管段费用,如有提升泵站计算提升泵站的费用,找0司出计算管段的下游节点,返②继续。⑥所有 管段计算完毕后计算污水管网的总费八飞用。了国面⑦比较不同埋深限制下的污水管网费用,寻匈求最优。结束。4工程实例下百009以天津市东丽区某- -小区的污水管网(见图4)为例,整个污水管网共包括36个节点、35根设计管段。图4天津市某小区污水管网布置图使用该优化程序对此小区的污水管网进行了计Fig4 Layout of the sewer network of a reeidential算,求出了不同埋深限制下的管道费用和泵站费用，area in Tianjin表1优化计算结果Tab.1 The result of optimal calculation管段管段长度|设计流量管径流速管内底标高( m)埋深(m)总造价编号(m)(L/m)( mm)( m/s)充满度上端「下端上端下端10-1141249. 830. 800. 790.602. 412. 303.543.63144 483. 997-8，203160. 670. 700. 760.543.563.372.532.68138 466. 493-47037. 730.500.720.311.881.514.274.63171 110. 591-26.900. 200.700. 365.003.211.202.9770 912.6234-116675. 340.740.390.36 0.265.645.6792 771.7733 -3458674. 230. 600.730. 390.364.90761 790. 9432-3353555.920.40.0.59.2.28 1. 403.874.70438 243.0830-311203.410.200.554.521.6713 709.7031 -3273926.930.400.710.344.322.381.873.77363 703. 1235-3220.620.294.751.402.52105 179. 7036 -3313. 150.300.324.83 3.981.302.1242 774.8215-621343. 130.481:180.764.94.5.34214 886. 0014-1567034. 780.423.464.91533 566.3513-1455016.83.0.254. 802. 751.40.3.39218 469. 4616-14206.860.36.4. 954.181. 9617 513.9317 -152103.174.924.082.0332 138.6518-8 .3756.424.88 2.473.59119 051. 809-10600247.850. 782. 863.14573 272. 508-9420170.180.770.563.352.96| 2. 703.04315 708. 566-7215156.870.750.53中国煤化工.53136 696. 315-684122. 660.44YHCNMHG二282 862 983. 88.58.2004 Vol. 20中国给水排水No.12续表1管段管段长度设计流量管径流速充满度管内底标高(m)埋深( m)总造价编号(m)(Lm)(mm)(m/s)上端下端.上端 下端(元)4-535658.730.500.730.43 .1.45 0.85 4.695.28406 741.432-340031. 080. 500.710.282.911.903.274.25333 662. 2320-4.16610.230. 200.70 ，0.454.954.20T 1.20T 1.9323 656. 2819-22005.680.700.325.00 3.48 1.20 2.7044 817.9428-920479. 940.414.24 4.45214 199. 3226 -281267.670. 600.720.372.16 I 1.85 3.94 4. 21207 508. 8325-2656050.460. 400. 553.31] 2.36 2. 823. 74333 048. 0624- 2519. 490.400.28，4.75 3.41 1. 402. 72128 770.601607. 430.200.364.90 T 3.97 1 1.20 2. 1326 168. 7029 -2835117.530.25.4.71 3.47 1.40 2.59 108 188.9422-5 .2645.54.3.49T 2.15T 2.71 3.98530 277.5621 -222107.455.00 3.79 1.20 2. 4140 765.2323- 222. 800.55 _5.004.16 1.20 2.0432 364. 1311-1250306.120.900.800.582. 202.16 3.73 3.74 61 517. 739 859121.225结论的同时,增加了人机对话功能,加强了设计人员对管①提出用三叉树来描述污水管网，把管段当网计算的宏观控制与局部干预,使污水管网的设计作树形结构的节点作为研究对象，采用树形结构的得以进一步优化。该程序适用于任何规模的污水管数据存储方式来存储管网数据描述管网形状,运用网的优化计算。其程序设计思路还可推广到雨水管了遍历树中的后序法(即节点递归算法)来进行污道的优化,为排水管网的全局优化提供了一种有效水管网优化计算,经一次计算即可完成对整个管网的方法。计算的优化，并且还可有效地控制某些节点的水力参数。而且用树形结构数据存储方式容易判断有无参考文献:分支,且自动判断每个管段的流向,并可以从任意一[1] 陈森发,朱德炯,顾兴富,等城市排水管网系统布局段管段开始重新进行计算。的优化设计[J].运筹与管理, 1997 ,6(2):38 -42.②在管网优化计算时采取 了枚举标准管径法[2]伊学农 ,刘遂庆.节点递归算法用于污水管网的优化来选取管径,大大提高了运算速度;针对目前大多数设计[J].中国给水排水,2002,18( 10) :58 -60.排水管网优化软件在优化计算时只是考患了管道费[3]周玉文,赵洪宾. 排水管网理论与计算[M].北京:中用的缺点,该程序在比较造价最低寻求最优时同时国建筑工业出版社,000.考虑了管道费用和泵站费用,这使得优化计算结果[4]费忠民. 实用污水管网计算软件的设计和应用[J].苏更为合理。.州城建环保学院学报,000,13(4) :80 -84.③采用Delphi语言来编写污水管网优化计[s] 王同胜. 计算机技术及应用基础[ M].天津:天津大学算软件,充分利用了Delphi语言的可视化功能,引出版社1999进了数据库“记录”的概念,管网原始数据的输人、管段的计算结果、计算结果修改后的数据都可以作电话:(022)27400830为“记录”实时存人数据库,该优化程序在满足规范E - mail:zhangxinbo78@ hotmail. com限定的约束条件对各管段的设计参数进行优化选择收稿日期:2004-07 -16.欢迎订阅中国给7中国煤化工HCNMHG， 59.