直接優(yōu)化法優(yōu)化設計城市污水管道系統

直接優(yōu)化法優(yōu)化設計城市污水管道系統郭迎慶王文標提要污水管道在城市排水系統的總投資中占有較大的比例因此如何在滿(mǎn)足規定的各種約束條件下合理設計城市污水管道系統是設計中必須重視的問(wèn)題。介紹了直接優(yōu)化法的程序優(yōu)化思想對于污水管道的設計具有-定的實(shí)用意義。關(guān)鍵詞污水管道系統 約束條件直接優(yōu)化法0引言礎上通過(guò)最優(yōu)化計算求出最優(yōu)解,但是由于管徑的作為現代化城市重要的基礎設施污水管道系可選擇尺寸不是連續變化的不能任意選擇管徑,最統是城市水污染防治的骨干工程,在整個(gè)排水系統大充滿(mǎn)度的限制又與管徑大小有關(guān)關(guān)于最小設計投資中占有相當大的比例。因此，設計時(shí)如何在滿(mǎn)流速、流速變化及其與管徑之間的約束條件等都很足規定的各種約束條件下盡量降低污水管網(wǎng)系統復雜，也不能用數學(xué)公式來(lái)描述故很難建立一個(gè)完的費用是設計工作必須重視的問(wèn)題。污水管道的優(yōu)整的求解最優(yōu)化問(wèn)題的數學(xué)模型。直接優(yōu)化法是根化設計包括兩方面內容:①管線(xiàn)平面布置的優(yōu)化選.據性能指標的變化,確定- - 個(gè)目標函數以給各方案擇②在管線(xiàn)平面布置已定情況下進(jìn)行管段、管徑及提供一個(gè)統-標準作比較,通過(guò)直接對各種方案或埋深的優(yōu)化設計。對于后者前人多采用線(xiàn)性規劃可調參數的選擇、計算和比較來(lái)得到最優(yōu)解或滿(mǎn)意法、非線(xiàn)性規劃法、動(dòng)態(tài)規劃法、遺傳算法等間接優(yōu)解3]。由于污水管網(wǎng)是一個(gè)相對獨立又比較完整的化的方法并編制了相應的程序1] ,針對污水管道忽工程系統管網(wǎng)中的各條管道以及管道中的各個(gè)管略和簡(jiǎn)化了某些約束條件和控制變量,因而往往得段的設計計算是相互聯(lián)系和相互制約的。因此在不到最優(yōu)解。設計計算優(yōu)化選擇的程序設計中既要盡量減少每1優(yōu)化設計 方法的擬定-管段的工程造價(jià)更要有全局觀(guān)點(diǎn)，,以減少整個(gè)管依據現行的《室外排水設計規范》污水管道可網(wǎng)的工程造價(jià)為總目標。為此在對各管段的設計采用均勻流公式來(lái)計算，且應滿(mǎn)足管徑、流速、充滿(mǎn)參數進(jìn)行優(yōu)化選擇的同時(shí)為了全局的利益增加人度、埋深、銜接方式等方面的約束條件。具體參見(jiàn)文機對話(huà)功能,以加強設計人員對管網(wǎng)計算的宏觀(guān)控獻2]此外考慮到管道之間的連接增加了一個(gè)制與局部干預,使各管段設計參數優(yōu)化選擇服從盡約束條件即管道管內底標高應小于(接納支管時(shí))可能降低整個(gè)管網(wǎng)工程總造價(jià)這個(gè)全局目標。本程或大于(接至干管時(shí))謀-設定標高值。序將污水管道的費用函數作為目標函數其函數形污水管道的優(yōu)化設計是指在滿(mǎn)足上述約束條件式如下:的前提“下在確定排水體制及管網(wǎng)定線(xiàn)后以充滿(mǎn)度和流速為決策性變量，以降低工程造價(jià)為最終目標,M = 2}(D; I; L; ,Jo; ,Ho;) (1)來(lái)進(jìn)行管徑、坡度等-系列數據的計算。其基本算式中M--污水管道總費用;法與人工計算基本相同即按污水流動(dòng)方向先計算D;一 第i管段設計管徑;支管后計算干管和主干管通過(guò)從上游至下游依次中國煤化工重;對各設計管段進(jìn)行計算繼而完成一條管道 以及整MHCNMH庋;個(gè)管網(wǎng)的計算。最優(yōu)化方法-般分為兩種:間接優(yōu)化法和直接Io;-第i管段地面坡度;優(yōu)化法。間接優(yōu)化法是在建立最優(yōu)化數學(xué)模型的基Ho;一第i 管段起點(diǎn)埋深;給水排水Vol.28 No.2 2002 37設計管段數。2.3優(yōu)化設計對污水管道的優(yōu)化就是求1成的最小值Mnino為了滿(mǎn)足整個(gè)工程系統為最優(yōu)這個(gè)全局利益,2優(yōu)化程序的設計 思想往往要求工程系統中的某些局部(或子系統利益作在進(jìn)行優(yōu)化程序的設計時(shí)著(zhù)重從以下幾方面出-定的犧牲例如對于地面坡度較大、地形局部考慮參數的選擇。變陡或其它復雜的地形條件下,如果只對所計算管2.1設計流速段的幾個(gè)設計參數進(jìn)行優(yōu)化選擇而不考慮該管段由于污水管道的埋深對工程造價(jià)具有最重要的的流速和坡度對下游所有管道的影響則有可能使影響在一定條件下決定管道埋深大小的唯一直接下游管道的工程造價(jià)大大增加,此時(shí)需要設計者根因素是管道坡度,而從污水管道計算所采用的均勻據特殊的地形特點(diǎn)、整體的管網(wǎng)布局對流速、坡度、流基本公式( 2 )成和( 3 )成來(lái)看,當水力半徑不變管埋深、是否需要跌水、是否需要設計泵站等參數進(jìn)行底坡度與流速的平方成正比,即減小流速能更大幅綜合平衡,以作出一個(gè)對全局極為有利的判斷程序度地減小管底坡度和埋深。在這種場(chǎng)合下的作用-是提供用戶(hù)的操作界面二是迅速對用戶(hù)所作的決定進(jìn)行計算，并將計算結果v =--R2/3q/2(2)反饋給用戶(hù)，讓用戶(hù)進(jìn)-步判斷。Q= Av=1AR2/31/2(3)3應用實(shí)例依據上述原則,結合延安市市區的地形地貌特式中v設計流速m/s;點(diǎn)、城市特征、總體規劃的要求,確定如下控制性參管壁粗糙系數;.數:-水力半徑m;(1皮管最小管徑: 300 mm。.I一-水力坡度 等于管底坡度也稱(chēng)管道(段)(2 )起端最小埋深道路下管道- 1.00 m(相對坡度;于路面)河床下管道-0.90m(相對于河床)Q一設計流量 m'/s;(3 )最大埋深:埋深≤3 m不提示;3 m≤埋深A-過(guò)水斷面 面積m2?！? m提示出埋深值;5 m≤埋深≤7 m提示出埋另-方面在前面的約束條件中除了對最小管深值并詢(xún)問(wèn)是否設泵站埋深=7m必須設泵站。徑的管底坡度規定以外沒(méi)有關(guān)于管底坡度大小的(4 )最小流速: 300 mm~500 mm ,v=具體規定,因而無(wú)法以管底坡度作為優(yōu)化選擇的決0.70 m/s; 600 mm~ 1 100 mm ,v= 0.80m/s;策變量。而關(guān)于設計流速的約束條件很多在滿(mǎn)足> 1 100 mm ,7=0.90 m/s。所有設計流速的約束條件的前提下選擇一個(gè)盡可(5)充滿(mǎn)度: 300 mm~500 mm 0.25≤能小的設計流速是對設計參數進(jìn)行優(yōu)化選擇的重要h/d≤0.70 ; 600 mm~ 1 100 mm 0.30≤h/d內容在程序設計中也很容易實(shí)現。.≤0.75 ;> 1 100 mm 0.35≤h/d≤0.80。2.2設計充滿(mǎn)度(6 )總變化系數:K,=2.7/Q0.11 ,Q為集污流在管道設計中,減小管徑也能減小管材與工程量單位L/s。造價(jià)。由此可見(jiàn)盡可能選擇一個(gè)較小的管徑也是(7 )每人每日排污量:400 L人口密度450人/十分必要的。但是,在約束條件下除了最小管徑hm2比流量qn=1.91 L/(s hm2 )外,也沒(méi)有對管徑大小的具體要求，而對設計充滿(mǎn)度(8)日平均排水量超過(guò)1000m3的單位作為排卻有嚴格的規定,因而無(wú)法直接選取一個(gè)最優(yōu)管徑污大戶(hù)甘泫導古培坡是十孫流量計算。中國煤化工來(lái)滿(mǎn)足有關(guān)約束條件。如果在已知設計流量并初步二6其它規范按管網(wǎng)布確定了流速的情況下，選擇-個(gè)盡可能接近最大設MHCNMH(行方案的比較，利用局及是山以是小叫-計充滿(mǎn)度的管徑,則該管徑就是該條件下可以選擇程序經(jīng)過(guò)反復迭代計算確定出污水管網(wǎng)的最小管的最小管徑。徑為300 mm最大管徑為1400 mm管網(wǎng)不設中途38給水排水 Vo1.28 No.2 2002杭州市九溪水廠(chǎng)加氯加氨工藝的改進(jìn)邵迎提要在杭州市九溪水廠(chǎng) 試運行期間發(fā)現濾前水余氯過(guò)低、出廠(chǎng)水余氯不穩、耗氯量高等問(wèn)題,通過(guò)試驗分析對加氨、加氯工藝作了改進(jìn)不僅保證了出廠(chǎng)水水質(zhì)也降低了氯耗。,關(guān)鍵詞給水廠(chǎng)加氨加氯工藝0前言(1)濾前水余氯過(guò)低,有時(shí)夜間余氯只達到杭州九溪水廠(chǎng)緊靠錢(qián)塘江,設計能力為60萬(wàn)0.1 mg/L。m2/d是目前浙江省規模最大的自來(lái)水廠(chǎng),水廠(chǎng) 自( 2 )根據化驗室每2 h隨機取樣化驗分析發(fā)現即2000年6月正式投產(chǎn)以來(lái)-直運行正常，出廠(chǎng)水質(zhì)使濾前水余氯、氨氮均穩定在0.8 mg/L及0.3 mg/L各項指標達到了建設部2000年科技進(jìn)步規劃中要左右但出廠(chǎng)水余氯卻極不穩定,有時(shí)甚至比濾前水求一類(lèi)水司標準。下面就1999年6月至2000年6余氯還要低，只有0.3 mg/L左右。月試運行期間所發(fā)現的問(wèn)題及改進(jìn)做-介紹。以上問(wèn)題無(wú)論是通過(guò)加大加氯量還是調整氯、九溪水廠(chǎng)制水工藝流程見(jiàn)圖1。該廠(chǎng)消毒劑采氨投加比例均不能有效地從根本上解決嚴重影響用氯和氨前加氯投加點(diǎn)為原水流量計出口10 m處了出廠(chǎng)水水質(zhì)氯的消耗量也非常大達7.5 mg/L加氯井內后加氯投加點(diǎn)為濾池出水渠堰口處原后之多。加氨投加點(diǎn)為出水機房吸水井內。2問(wèn)題分析氯的消耗分成殺滅水中藻類(lèi)、細菌、有機物、還前加氟加礬后加氯后加氨原性物質(zhì)等的消耗揮發(fā)的消耗和剩余氯(即出廠(chǎng)水it|V城余氯等方面。在排除了原水濁度、原水氨氮含量、市盟H網(wǎng)原水pH加氯量的影響后技術(shù)人員初步分析濾前圖1水廠(chǎng)工藝流程水余氯過(guò)低可能與揮發(fā)過(guò)多有關(guān),為此技術(shù)人員取1產(chǎn)生現象水樣做了分析(見(jiàn)表1 )試運行后發(fā)現存在以下問(wèn)題:由于該廠(chǎng)沉淀池長(cháng)110 m ,以進(jìn)水流量0.87萬(wàn)泵站污水進(jìn)處理廠(chǎng)再集中提升的管網(wǎng)費用為最低參考文獻的設計方案。1李樹(shù)平劉遂慶.城市排水管道系統設計計算的進(jìn)展.給水排水,4結語(yǔ)1999 25 10)9~ 12應用直接優(yōu)化法進(jìn)行污水管道的優(yōu)化設計,在2 孫慧修主編.排水工程(上).第四版.北京中國建筑工業(yè)出版社,1999滿(mǎn)足規范限定的約束條件的同時(shí)，,對管內底標高也3彭永臻崔福義.給水排水工程計算機程序設計.北京:中國建筑做了約束在對各管段的設計參數進(jìn)行優(yōu)化選擇的工業(yè)出版社,1994同時(shí)增加了人機對話(huà)功能加強了設計人員對管網(wǎng)計算的宏觀(guān)控制與局部干預使污水管網(wǎng)的設計得:O作者通訊處213016常州市江蘇石油化工學(xué)院中國煤化工以進(jìn)-步優(yōu)化。相對于間接優(yōu)化法，該法具有直接、直觀(guān)、更趨近最優(yōu)解的優(yōu)點(diǎn)。其程序設計思路可推HY HCNMHG80H)E-mail yingqing@263 . net廣到雨水管道的優(yōu)化，為排水管網(wǎng)的全局優(yōu)化提供王文標200092 上海同濟規劃建筑設計研究院了-種有效的方法。修回日期2001-7-2給水排水Vol.28 No.2 2002 39