污水管網(wǎng)的優(yōu)化設計

中國給水排水2004 Vol. 20CHINA WATER & WASTEWATERNo.12設計經(jīng)驗污水管網(wǎng)的優(yōu)化設計張新波'，趙新華'， 從月賓’(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072; 2.天津市市政工程建設公司，天津300070)摘要:對于污水管網(wǎng)的優(yōu)化設計 ,采用了困論中樹(shù)形結構的理論來(lái)描述污水管網(wǎng),提出用三叉樹(shù)的形式來(lái)處理污水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構,把管段當作樹(shù)的節點(diǎn)作為研究對象;利用樹(shù)的遍歷中的后序法(即節點(diǎn)遞歸算法)進(jìn)行水力計算,在優(yōu)化計算時(shí)采取了枚舉標準管徑法來(lái)選取管徑,可以.提高運算速度;在優(yōu)化程序中尋求造價(jià)最低、最優(yōu)的同時(shí)考慮了管道費用和泵站費用。采用Delphi語(yǔ)言編制了污水管網(wǎng)優(yōu)化程序,并且用天津某一小區的污水管網(wǎng)對此程序進(jìn)行了實(shí)例考核。其優(yōu)化設計思路可推廣到雨水管道。關(guān)鍵詞:污水管網(wǎng); 樹(shù)形結構; 后序法; 優(yōu)化設計中圖分類(lèi)號: TU992文獻標識碼: C文章編號: 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 design1三叉樹(shù)形 結構優(yōu)布局必為樹(shù)狀結構,但是目前多數污水管網(wǎng)的計污水管網(wǎng)由支管流人千管,再由主干管流人水算程序沒(méi)有利用圖論中的樹(shù)形結構理論來(lái)獲得和存體或污水處理廠(chǎng),管渠系統由小到大,分布類(lèi)似樹(shù)枝儲管網(wǎng)信息數據,故難以掌握整個(gè)污水管網(wǎng)的信息狀,管渠內的流量也由小到大,因此污水管網(wǎng)呈樹(shù)形以及節點(diǎn)與管段的銜接關(guān)系,在多管段交叉點(diǎn)處也網(wǎng)絡(luò )結構。陳森發(fā)等論證了城市排水管網(wǎng)系統的最難以通過(guò)自動(dòng)判斷和計算確定上、下游管段的有關(guān)中國煤化工基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50178046)MHCNMHG.56.2004 Vol. 20中國給水排水No. 12標高等水力參數。息中，即存儲在圖3中的Info中。.通過(guò)研究樹(shù)以及二叉樹(shù)的樹(shù)形結構發(fā)現,樹(shù)形把管段當作樹(shù)形結構的節點(diǎn)(把管段的起始點(diǎn)結構適合于描述污水管網(wǎng),雖然二叉樹(shù)和樹(shù)之間可與管段當作一個(gè)整體)作為研究對象,利用樹(shù)形結以互相轉化,即污水管網(wǎng)的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò )結構最終可以構的數據存儲方式描述管網(wǎng)形狀,用周游樹(shù)中的后轉化成二叉樹(shù),并用之來(lái)描述污水管網(wǎng),但是實(shí)際應序法即節點(diǎn)遞歸法進(jìn)行水力計算,經(jīng)--次計算即可用比較繁瑣。針對污水管網(wǎng)一般最多是四段管段相完成對整個(gè)管網(wǎng)計算的優(yōu)化,并且還可有效地控制銜接的情況，提出簡(jiǎn)單實(shí)用的三叉樹(shù)的概念來(lái)表示某些節點(diǎn)的水力參數;另外樹(shù)形結構數據存儲方式污水管網(wǎng)的結構。在樹(shù)形結構的概念中,最主要的容易判斷有無(wú)分支,且自動(dòng)判斷每個(gè)管段的流向,可就是樹(shù)形結構的周游和存儲。因為污水管網(wǎng)的計算以從任意一段管 段開(kāi)始重新進(jìn)行計算。是從上游到下游依次進(jìn)行,因此可以采用遍歷樹(shù)中2費用模型的后序法(即節點(diǎn)遞歸法)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化計算。以圖1所示的污水管網(wǎng)為例,轉換成樹(shù)形結構后的形態(tài)見(jiàn)在對污水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計算時(shí),最終的優(yōu)化計圖2,用在節點(diǎn)內設置指針指向該節點(diǎn)子女的方式算結果是通過(guò)尋求費用最低而得出來(lái)的。表示樹(shù),則每個(gè)節點(diǎn)內設置三個(gè)指針字段,每個(gè)節點(diǎn)污水管網(wǎng)系統的費用是整個(gè)管網(wǎng)在服務(wù)年限內的數據存儲結構見(jiàn)圖3。的基建投資和經(jīng)營(yíng)費用現值的總和(主要包括管網(wǎng)投資、泵站投資及運行費用)。程序設計采用如下H形式的費用函數:cdFroE-dc=(ZC.L +字C,)+k(主y)(1)式中C一整個(gè)管網(wǎng) 系統總費用的現值,元L,- -各管段的長(cháng)度,m|Kk一 運營(yíng)費用折算成現值的現值系數Y;一各泵站的運營(yíng)費用,可取其主要部分圖1部分污水管網(wǎng)圖(電費)代替,元/座Fig.1 Some part of a sewer networkm,n--分別為 系統內的管段數和泵站數@C,C-分別為各 管段和各泵站的單價(jià)3節點(diǎn)遞歸算法與優(yōu)化計算向污水管網(wǎng)的水力計算按照重力流進(jìn)行。把管段Q當作節點(diǎn)作為研究對象并采用節點(diǎn)遞歸算法中的后序法進(jìn)行優(yōu)化計算,其優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)論污水管網(wǎng)的規模大小都適用,不僅適用于新建管網(wǎng)的設計,更能適用于多數城市污水管網(wǎng)的擴建工程。0節點(diǎn)遞歸算法的步驟如下:①從數據庫中尋找整個(gè)污水管網(wǎng)最末端的節圖2污水管網(wǎng)轉化為 三叉樹(shù)的樹(shù)形結構點(diǎn)(即管網(wǎng)最后一個(gè)管段),依次往前尋找,一直找Fig.2 3-Ray tree shaped structure of the sewer network到整個(gè)管網(wǎng)的起始節點(diǎn)(起始管段) ,并記錄整個(gè)管網(wǎng)的形狀。LlinkInfoRlink②判斷是否為起點(diǎn)管段 ,若是則轉③繼續,否Mlink則轉④繼續。圈3數據存儲結構③根據服務(wù)面積計算管段本段流量,并判斷有無(wú)集由布是笛出管船的設計流量。按起點(diǎn)埋Fig.3 Data stucture of3-ay tree對于圖2,用后序法進(jìn)行周游的結構為:深直接YH中國煤化工管道費用,找出下CJFEKLIHDBCA。管段的所有信息都存儲在節點(diǎn)信游節點(diǎn)CNMHG.57.2004 Vol. 20中國給水排水No. 12④判斷其上游管段是否計算完畢,若是則轉通過(guò)費用比較得出最小費用下的污水管網(wǎng)的各項數⑤繼續,否則轉②繼續。據,并得出經(jīng)濟埋深。埋深限制設置了4、4.5、5、5.⑤搜尋該節點(diǎn) 上游所有的管段,根據所有上5.6.6.5 m六個(gè)數值,通過(guò)比較得出:當最大埋深限游管段流量和本段流量計算該管段的設計流量;確制為6 m時(shí)整個(gè)管網(wǎng)的造價(jià)最低,即6 m為整個(gè)管定該節點(diǎn)所有上游管段中最大埋深或最小管內底標網(wǎng)的經(jīng)濟埋深。計算結果見(jiàn)表1。高的管段,并記下其管徑和管內底標高以及最小水2段?面標高流速等必要的水力參數,找出下游管段并進(jìn)②行水力計算,同時(shí)根據埋深限制是否加提升泵站;計9A公算管段費用,如有提升泵站計算提升泵站的費用,找0司出計算管段的下游節點(diǎn),返②繼續。⑥所有 管段計算完畢后計算污水管網(wǎng)的總費八飛用。了國面⑦比較不同埋深限制下的污水管網(wǎng)費用,尋匈求最優(yōu)。結束。4工程實(shí)例下百009以天津市東麗區某- -小區的污水管網(wǎng)(見(jiàn)圖4)為例,整個(gè)污水管網(wǎng)共包括36個(gè)節點(diǎn)、35根設計管段。圖4天津市某小區污水管網(wǎng)布置圖使用該優(yōu)化程序對此小區的污水管網(wǎng)進(jìn)行了計Fig4 Layout of the sewer network of a reeidential算,求出了不同埋深限制下的管道費用和泵站費用，area in Tianjin表1優(yōu)化計算結果Tab.1 The result of optimal calculation管段管段長(cháng)度|設計流量管徑流速管內底標高( m)埋深(m)總造價(jià)編號(m)(L/m)( mm)( m/s)充滿(mǎn)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中國煤化工.53136 696. 315-684122. 660.44YHCNMHG二282 862 983. 88.58.2004 Vol. 20中國給水排水No.12續表1管段管段長(cháng)度設計流量管徑流速充滿(mǎn)度管內底標高(m)埋深( m)總造價(jià)編號(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結論的同時(shí),增加了人機對話(huà)功能,加強了設計人員對管①提出用三叉樹(shù)來(lái)描述污水管網(wǎng)，把管段當網(wǎng)計算的宏觀(guān)控制與局部干預,使污水管網(wǎng)的設計作樹(shù)形結構的節點(diǎn)作為研究對象，采用樹(shù)形結構的得以進(jìn)一步優(yōu)化。該程序適用于任何規模的污水管數據存儲方式來(lái)存儲管網(wǎng)數據描述管網(wǎng)形狀,運用網(wǎng)的優(yōu)化計算。其程序設計思路還可推廣到雨水管了遍歷樹(shù)中的后序法(即節點(diǎn)遞歸算法)來(lái)進(jìn)行污道的優(yōu)化,為排水管網(wǎng)的全局優(yōu)化提供了一種有效水管網(wǎng)優(yōu)化計算,經(jīng)一次計算即可完成對整個(gè)管網(wǎng)的方法。計算的優(yōu)化，并且還可有效地控制某些節點(diǎn)的水力參數。而且用樹(shù)形結構數據存儲方式容易判斷有無(wú)參考文獻:分支,且自動(dòng)判斷每個(gè)管段的流向,并可以從任意一[1] 陳森發(fā),朱德炯,顧興富,等城市排水管網(wǎng)系統布局段管段開(kāi)始重新進(jìn)行計算。的優(yōu)化設計[J].運籌與管理, 1997 ,6(2):38 -42.②在管網(wǎng)優(yōu)化計算時(shí)采取 了枚舉標準管徑法[2]伊學(xué)農 ,劉遂慶.節點(diǎn)遞歸算法用于污水管網(wǎng)的優(yōu)化來(lái)選取管徑,大大提高了運算速度;針對目前大多數設計[J].中國給水排水,2002,18( 10) :58 -60.排水管網(wǎng)優(yōu)化軟件在優(yōu)化計算時(shí)只是考患了管道費[3]周玉文,趙洪賓. 排水管網(wǎng)理論與計算[M].北京:中用的缺點(diǎn),該程序在比較造價(jià)最低尋求最優(yōu)時(shí)同時(shí)國建筑工業(yè)出版社,000.考慮了管道費用和泵站費用,這使得優(yōu)化計算結果[4]費忠民. 實(shí)用污水管網(wǎng)計算軟件的設計和應用[J].蘇更為合理。.州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報,000,13(4) :80 -84.③采用Delphi語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)污水管網(wǎng)優(yōu)化計[s] 王同勝. 計算機技術(shù)及應用基礎[ M].天津:天津大學(xué)算軟件,充分利用了Delphi語(yǔ)言的可視化功能,引出版社1999進(jìn)了數據庫“記錄”的概念,管網(wǎng)原始數據的輸人、管段的計算結果、計算結果修改后的數據都可以作電話(huà):(022)27400830為“記錄”實(shí)時(shí)存人數據庫,該優(yōu)化程序在滿(mǎn)足規范E - mail:zhangxinbo78@ hotmail. com限定的約束條件對各管段的設計參數進(jìn)行優(yōu)化選擇收稿日期:2004-07 -16.歡迎訂閱中國給7中國煤化工HCNMHG， 59.