直接优化法优化设计城市污水管道系统

直接优化法优化设计城市污水管道系统郭迎庆王文标提要污水管道在城市排水系统的总投资中占有较大的比例因此如何在满足规定的各种约束条件下合理设计城市污水管道系统是设计中必须重视的问题。介绍了直接优化法的程序优化思想对于污水管道的设计具有-定的实用意义。关键词污水管道系统 约束条件直接优化法0引言础上通过最优化计算求出最优解,但是由于管径的作为现代化城市重要的基础设施污水管道系可选择尺寸不是连续变化的不能任意选择管径,最统是城市水污染防治的骨干工程,在整个排水系统大充满度的限制又与管径大小有关关于最小设计投资中占有相当大的比例。因此，设计时如何在满流速、流速变化及其与管径之间的约束条件等都很足规定的各种约束条件下尽量降低污水管网系统复杂，也不能用数学公式来描述故很难建立一个完的费用是设计工作必须重视的问题。污水管道的优整的求解最优化问题的数学模型。直接优化法是根化设计包括两方面内容:①管线平面布置的优化选.据性能指标的变化,确定- - 个目标函数以给各方案择②在管线平面布置已定情况下进行管段、管径及提供一个统-标准作比较,通过直接对各种方案或埋深的优化设计。对于后者前人多采用线性规划可调参数的选择、计算和比较来得到最优解或满意法、非线性规划法、动态规划法、遗传算法等间接优解3]。由于污水管网是一个相对独立又比较完整的化的方法并编制了相应的程序1] ,针对污水管道忽工程系统管网中的各条管道以及管道中的各个管略和简化了某些约束条件和控制变量,因而往往得段的设计计算是相互联系和相互制约的。因此在不到最优解。设计计算优化选择的程序设计中既要尽量减少每1优化设计 方法的拟定-管段的工程造价更要有全局观点，,以减少整个管依据现行的《室外排水设计规范》污水管道可网的工程造价为总目标。为此在对各管段的设计采用均匀流公式来计算，且应满足管径、流速、充满参数进行优化选择的同时为了全局的利益增加人度、埋深、衔接方式等方面的约束条件。具体参见文机对话功能,以加强设计人员对管网计算的宏观控献2]此外考虑到管道之间的连接增加了一个制与局部干预,使各管段设计参数优化选择服从尽约束条件即管道管内底标高应小于(接纳支管时)可能降低整个管网工程总造价这个全局目标。本程或大于(接至干管时)谋-设定标高值。序将污水管道的费用函数作为目标函数其函数形污水管道的优化设计是指在满足上述约束条件式如下:的前提“下在确定排水体制及管网定线后以充满度和流速为决策性变量，以降低工程造价为最终目标,M = 2}(D; I; L; ,Jo; ,Ho;) (1)来进行管径、坡度等-系列数据的计算。其基本算式中M--污水管道总费用;法与人工计算基本相同即按污水流动方向先计算D;一 第i管段设计管径;支管后计算干管和主干管通过从上游至下游依次中国煤化工重;对各设计管段进行计算继而完成一条管道 以及整MHCNMH庋;个管网的计算。最优化方法-般分为两种:间接优化法和直接Io;-第i管段地面坡度;优化法。间接优化法是在建立最优化数学模型的基Ho;一第i 管段起点埋深;给水排水Vol.28 No.2 2002 37设计管段数。2.3优化设计对污水管道的优化就是求1成的最小值Mnino为了满足整个工程系统为最优这个全局利益,2优化程序的设计 思想往往要求工程系统中的某些局部(或子系统利益作在进行优化程序的设计时着重从以下几方面出-定的牺牲例如对于地面坡度较大、地形局部考虑参数的选择。变陡或其它复杂的地形条件下,如果只对所计算管2.1设计流速段的几个设计参数进行优化选择而不考虑该管段由于污水管道的埋深对工程造价具有最重要的的流速和坡度对下游所有管道的影响则有可能使影响在一定条件下决定管道埋深大小的唯一直接下游管道的工程造价大大增加,此时需要设计者根因素是管道坡度,而从污水管道计算所采用的均匀据特殊的地形特点、整体的管网布局对流速、坡度、流基本公式( 2 )成和( 3 )成来看,当水力半径不变管埋深、是否需要跌水、是否需要设计泵站等参数进行底坡度与流速的平方成正比,即减小流速能更大幅综合平衡,以作出一个对全局极为有利的判断程序度地减小管底坡度和埋深。在这种场合下的作用-是提供用户的操作界面二是迅速对用户所作的决定进行计算，并将计算结果v =--R2/3q/2(2)反馈给用户，让用户进-步判断。Q= Av=1AR2/31/2(3)3应用实例依据上述原则,结合延安市市区的地形地貌特式中v设计流速m/s;点、城市特征、总体规划的要求,确定如下控制性参管壁粗糙系数;.数:-水力半径m;(1皮管最小管径: 300 mm。.I一-水力坡度 等于管底坡度也称管道(段)(2 )起端最小埋深道路下管道- 1.00 m(相对坡度;于路面)河床下管道-0.90m(相对于河床)Q一设计流量 m'/s;(3 )最大埋深:埋深≤3 m不提示;3 m≤埋深A-过水断面 面积m2。≤5 m提示出埋深值;5 m≤埋深≤7 m提示出埋另-方面在前面的约束条件中除了对最小管深值并询问是否设泵站埋深=7m必须设泵站。径的管底坡度规定以外没有关于管底坡度大小的(4 )最小流速: 300 mm~500 mm ,v=具体规定,因而无法以管底坡度作为优化选择的决0.70 m/s; 600 mm~ 1 100 mm ,v= 0.80m/s;策变量。而关于设计流速的约束条件很多在满足> 1 100 mm ,7=0.90 m/s。所有设计流速的约束条件的前提下选择一个尽可(5)充满度: 300 mm~500 mm 0.25≤能小的设计流速是对设计参数进行优化选择的重要h/d≤0.70 ; 600 mm~ 1 100 mm 0.30≤h/d内容在程序设计中也很容易实现。.≤0.75 ;> 1 100 mm 0.35≤h/d≤0.80。2.2设计充满度(6 )总变化系数:K,=2.7/Q0.11 ,Q为集污流在管道设计中,减小管径也能减小管材与工程量单位L/s。造价。由此可见尽可能选择一个较小的管径也是(7 )每人每日排污量:400 L人口密度450人/十分必要的。但是,在约束条件下除了最小管径hm2比流量qn=1.91 L/(s hm2 )外,也没有对管径大小的具体要求，而对设计充满度(8)日平均排水量超过1000m3的单位作为排却有严格的规定,因而无法直接选取一个最优管径污大户甘泫导古培坡是十孙流量计算。中国煤化工来满足有关约束条件。如果在已知设计流量并初步二6其它规范按管网布确定了流速的情况下，选择-个尽可能接近最大设MHCNMH(行方案的比较，利用局及是山以是小叫-计充满度的管径,则该管径就是该条件下可以选择程序经过反复迭代计算确定出污水管网的最小管的最小管径。径为300 mm最大管径为1400 mm管网不设中途38给水排水 Vo1.28 No.2 2002杭州市九溪水厂加氯加氨工艺的改进邵迎提要在杭州市九溪水厂 试运行期间发现滤前水余氯过低、出厂水余氯不稳、耗氯量高等问题,通过试验分析对加氨、加氯工艺作了改进不仅保证了出厂水水质也降低了氯耗。,关键词给水厂加氨加氯工艺0前言(1)滤前水余氯过低,有时夜间余氯只达到杭州九溪水厂紧靠钱塘江,设计能力为60万0.1 mg/L。m2/d是目前浙江省规模最大的自来水厂,水厂 自( 2 )根据化验室每2 h随机取样化验分析发现即2000年6月正式投产以来-直运行正常，出厂水质使滤前水余氯、氨氮均稳定在0.8 mg/L及0.3 mg/L各项指标达到了建设部2000年科技进步规划中要左右但出厂水余氯却极不稳定,有时甚至比滤前水求一类水司标准。下面就1999年6月至2000年6余氯还要低，只有0.3 mg/L左右。月试运行期间所发现的问题及改进做-介绍。以上问题无论是通过加大加氯量还是调整氯、九溪水厂制水工艺流程见图1。该厂消毒剂采氨投加比例均不能有效地从根本上解决严重影响用氯和氨前加氯投加点为原水流量计出口10 m处了出厂水水质氯的消耗量也非常大达7.5 mg/L加氯井内后加氯投加点为滤池出水渠堰口处原后之多。加氨投加点为出水机房吸水井内。2问题分析氯的消耗分成杀灭水中藻类、细菌、有机物、还前加氟加矾后加氯后加氨原性物质等的消耗挥发的消耗和剩余氯(即出厂水it|V城余氯等方面。在排除了原水浊度、原水氨氮含量、市盟H网原水pH加氯量的影响后技术人员初步分析滤前图1水厂工艺流程水余氯过低可能与挥发过多有关,为此技术人员取1产生现象水样做了分析(见表1 )试运行后发现存在以下问题:由于该厂沉淀池长110 m ,以进水流量0.87万泵站污水进处理厂再集中提升的管网费用为最低参考文献的设计方案。1李树平刘遂庆.城市排水管道系统设计计算的进展.给水排水,4结语1999 25 10)9~ 12应用直接优化法进行污水管道的优化设计,在2 孙慧修主编.排水工程(上).第四版.北京中国建筑工业出版社,1999满足规范限定的约束条件的同时，,对管内底标高也3彭永臻崔福义.给水排水工程计算机程序设计.北京:中国建筑做了约束在对各管段的设计参数进行优化选择的工业出版社,1994同时增加了人机对话功能加强了设计人员对管网计算的宏观控制与局部干预使污水管网的设计得:O作者通讯处213016常州市江苏石油化工学院中国煤化工以进-步优化。相对于间接优化法，该法具有直接、直观、更趋近最优解的优点。其程序设计思路可推HY HCNMHG80H)E-mail yingqing@263 . net广到雨水管道的优化，为排水管网的全局优化提供王文标200092 上海同济规划建筑设计研究院了-种有效的方法。修回日期2001-7-2给水排水Vol.28 No.2 2002 39