中國給水排水2004Vol.20CHINA WATER WASTEWATER設(shè)計經(jīng)驗咚 88s智污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計張新波!,趙新華,從月賓2(1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,天津3000723;2.天津市市政工程建設(shè)公司,天津300070)摘要:對于污水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計,采用了圖論中樹形結(jié)構(gòu)的理論來描述污水管網(wǎng),提出用三叉樹的形式來處理污水管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),把管段當作樹的節(jié)點作為研究對象;利用樹的遍歷中的后序法(即節(jié)點遞歸算法)進行水力計算,在優(yōu)化計算時采取了枚舉標準管徑法來選取管徑,可以提高運算速度;在優(yōu)化程序中尋求造價最低、最優(yōu)的同時考慮了管道費用和泵站費用。采用Delφhi語言編制了污水管網(wǎng)優(yōu)化程序,并且用夭津某一小區(qū)的污水管網(wǎng)對此程序進行了實例考核。其優(yōu)化設(shè)計思路可推廣到雨水管道。關(guān)鍵詞:污水管網(wǎng);樹形結(jié)構(gòu);后序法;優(yōu)化設(shè)計中圖分類號: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-bin1. School of Environmental Science and Engineering, Tianyin University, Tianyin 300072, China;2. Tianjin Municipal Engineering Construction Co., Tianyin 300070, ChinaAbstract: With respect to the optimization design of sewer network, tree structured theory was usedsewer network, temary tree form 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 applied to make hydraulic calculation In optimization of calculation, pipe diameter was selected by enumerating the standard pipe diameter, so as to raise the operational speed. Both the lowest and optimal construction 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 village of Tianjin. The optimizing philosophy can also be used in storm sewer design.Key words sewer network; tree structure; post-order transversal; optimization design1三叉樹形結(jié)構(gòu)優(yōu)布局必為樹狀結(jié)構(gòu),但是目前多數(shù)污水管網(wǎng)的計污水管網(wǎng)由支管流入干管,再由主干管流入水算程序沒有利用圖論中的樹形結(jié)構(gòu)理論來獲得和存體或污水處理廠,管渠系統(tǒng)由小到大分布類似樹枝儲管網(wǎng)信息數(shù)據(jù),故難以掌握整個污水管網(wǎng)的信息狀,管渠內(nèi)的流量也由小到大,因此污水管網(wǎng)呈樹形以及節(jié)點與管段的銜接關(guān)系,在多管段交叉點處也網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。陳森發(fā)等論證了城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)的最難以通過自動判斷和計算確定上、下游管段的有關(guān)基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50178046)2004Vol.20中國給水排水No.12標高等水力參數(shù)息中,即存儲在圖3中的Info中。通過研究樹以及二叉樹的樹形結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),樹形把管段當作樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點(把管段的起始點結(jié)構(gòu)適合于描述污水管網(wǎng),雖然二叉樹和樹之間可與管段當作一個整體)作為研究對象,利用樹形結(jié)以互相轉(zhuǎn)化即污水管網(wǎng)的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最終可以構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲方式描述管網(wǎng)形狀,用周游樹中的后轉(zhuǎn)化成二又樹并用之來描述污水管網(wǎng)但是實際應(yīng)序法即節(jié)點遞歸法進行水力計算,經(jīng)一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單實用的三叉樹的概念來表示某些節(jié)點的水力參數(shù);另外樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲方式污水管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。在樹形結(jié)構(gòu)的概念中,最主要的容易判斷有無分支,且自動判斷每個管段的流向,可就是樹形結(jié)構(gòu)的周游和存儲。因為污水管網(wǎng)的計算是從上游到下游依次進行,因此可以采用遍歷樹中以從任意一段管段開始重新進行計算。的后序法(即節(jié)點遞歸法)來進行優(yōu)化計算。以圖12費用模型所示的污水管網(wǎng)為例,轉(zhuǎn)換成樹形結(jié)構(gòu)后的形態(tài)見在對污水管網(wǎng)進行優(yōu)化計算時,最終的優(yōu)化計圖2,用在節(jié)點內(nèi)設(shè)置指針指向該節(jié)點子女的方式算結(jié)果是通過尋求費用最低而得出來的。表示樹,則每個節(jié)點內(nèi)設(shè)置三個指針字段每個節(jié)點污水管網(wǎng)系統(tǒng)的費用是整個管網(wǎng)在服務(wù)年限內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)見圖3。的基建投資和經(jīng)營費用現(xiàn)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(shè)計采用如下形式的費用函數(shù)C=(點C+On)+k)式中C—整個管網(wǎng)系統(tǒng)總費用的現(xiàn)值,元L—各管段的長度,mk——運營費用折算成現(xiàn)值的現(xiàn)值系數(shù)Y—各泵站的運營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(tǒng)內(nèi)的管段數(shù)和泵站數(shù)C,C分別為各管段和各泵站的單價3節(jié)點遞歸算法與優(yōu)化計算污水管網(wǎng)的水力計算按照重力流進行。把管段當作節(jié)點作為研究對象并采用節(jié)點遞歸算法中的后序法進行優(yōu)化計算,其優(yōu)點在于無論污水管網(wǎng)的規(guī)模大小都適用,不僅適用于新建管網(wǎng)的設(shè)計,更能適用于多數(shù)城市污水管網(wǎng)的擴建工程。節(jié)點遞歸算法的步驟如下①從數(shù)據(jù)庫中尋找整個污水管網(wǎng)最末端的節(jié)圖2污水管網(wǎng)轉(zhuǎn)化為三叉樹的樹形結(jié)構(gòu)點(即管網(wǎng)最后一個管段)依次往前尋找,一直找Fig 2 3-Ray tree shaped structure of the sewer network到整個管網(wǎng)的起始節(jié)點(起始管段),并記錄整個管Link網(wǎng)的形狀。Mlink②判斷是否為起點管段若是則轉(zhuǎn)③繼續(xù),否則轉(zhuǎn)④繼續(xù)。圖3數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)③根據(jù)服務(wù)面積計算管段本段流量,并判斷Fig 3 Data structure of 3-ray tree有無集中流量算出此管段的設(shè)計流量。按起點埋對于圖2,用后序法進行周游的結(jié)構(gòu)為:深直接進行水力計算,同時計算出管道費用,找出下GJFEKLIHDBCA。管段的所有信息都存儲在節(jié)點信游節(jié)點轉(zhuǎn)②繼續(xù)。2004Vol.20中國給水排水④判斷其上游管段是否計算完畢,若是則轉(zhuǎn)通過費用比較得出最小費用下的污水管網(wǎng)的各項數(shù)⑤繼續(xù),否則轉(zhuǎn)②繼續(xù)。據(jù),并得出經(jīng)濟埋深。埋深限制設(shè)置了4、4.5、5、5⑤搜尋該節(jié)點上游所有的管段根據(jù)所有上566.5m六個數(shù)值,通過比較得出:當最大埋深限游管段流量和本段流量計算該管段的設(shè)計流量;確制為6m時整個管網(wǎng)的造價最低,即6m為整個管定該節(jié)點所有上游管段中最大埋深或最小管內(nèi)底標網(wǎng)的經(jīng)濟埋深。計算結(jié)果見表1。高的管段,并記下其管徑和管內(nèi)底標高以及最小水面標高、流速等必要的水力參數(shù),找出下游管段并進行水力計算,同時根據(jù)埋深限制是否加提升泵站;計算管段費用如有提升泵站計算提升泵站的費用,找出計算管段的下游節(jié)點,返②繼續(xù)。⑥所有管段計算完畢后計算污水管網(wǎng)的總費Q230用⑦比較不同埋深限制下的污水管網(wǎng)費用,尋求最優(yōu)。結(jié)束。34工程實例以天津市東麗區(qū)某一小區(qū)的污水管網(wǎng)(見圖4)為例,整個污水管網(wǎng)共包括36個節(jié)點、35根設(shè)計管圖4天津市某小區(qū)污水管網(wǎng)布量圖使用該優(yōu)化程序?qū)Υ诵^(qū)的污水管網(wǎng)進行了計Fig 4 Layout of the sewer network of a residential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(jié)果Tab. 1 The result of optimal calculation編號(m)(Lm)(m)(m)充滿度售內(nèi)底標高(m)埋深(m)管段管段長度設(shè)計流量管徑流速總造價上端下端上端下端10-11141249,830.800.790.602412.303.543.63144997-8203160.670700760.543.563.372.5326813846493-41703730500720311:81.5142746317110590.365.003211.202.9770912.6275.340600740.390360.265.645679271.7774.23600730391.200364905.6476170.9%432-353555920400720592.281403:874704382308「30-311203410.200.700.555004.521.201.67137007031-32792690.400710344.322.381.873m363703.1220620402936-320013.150.300700324833.981.302.12427.8215-62134330.400720481:180764945.3424860014-150.4004216.83024802751.403.396.860.200700.364954.181.201.%17513.9317-152103170200.700.554.924.081.2020332138651880.200700.32482.471.203.591905180.850.800.780.602.862413143.54573272.5070.180.700.70.563352.962.703.04315708.5625156.870.700750.33.763562342.531569631122.660.444.433.821.702.282862983.882004Vol.20中國給水排水No.12續(xù)表1管段管段長度設(shè)計流量管徑流述充滿度管內(nèi)庭標高m)里(m總造價mn上端下端上端下端0730406741.4310.23700454954.201.201.9323656.281925.680.200.700.325003.481.202.70489428-979.941821.554.24445214199.32161944.21207508.8325-2650460400710553.312.362.82374330824-254019.490.4000084753411.40272_12870607430.200.700.364903971.202.1326168.7029-2817530400.700.354713471.4025911081889422-54540.500.710.363492:152713.98530275621-2207.450.200700.365.00371.202.4140765232102800.200.70.55500461.202043236.1311-1250306.120.900.582.202.163.733.7461517.73L9859121.225結(jié)論的同時,增加了人機對話功能加強了設(shè)計人員對管①提出用三叉樹來描述污水管網(wǎng),把管段當網(wǎng)計算的宏觀控制與局部干預(yù),使污水管網(wǎng)的設(shè)計作樹形結(jié)構(gòu)的節(jié)點作為研究對象,采用樹形結(jié)構(gòu)的得以進一步優(yōu)化。該程序適用于任何規(guī)模的污水管數(shù)據(jù)存儲方式來存儲管網(wǎng)數(shù)據(jù)描述管網(wǎng)形狀,運用網(wǎng)的優(yōu)化計算。其程序設(shè)計思路還可推廣到雨水管了遍歷樹中的后序法(即節(jié)點遞歸算法)來進行污計算的優(yōu)化,并且還可有效地控制某些節(jié)點的水力的話為排水管網(wǎng)的全局優(yōu)化提供了一種有效道的優(yōu)化水管網(wǎng)優(yōu)化計算,經(jīng)一次計算即可完成對整個管網(wǎng)參數(shù)。而且用樹形結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存儲方式容易判斷有無分支,且自動判斷每個管段的流向并可以從任意參考文獻:[1]陳森發(fā)朱德炯顧興富等城市排水管網(wǎng)系統(tǒng)布局段管段開始重新進行計算。的優(yōu)化設(shè)計[門],運籌與管理,19976(2):38-42②在管網(wǎng)優(yōu)化計算時采取了枚舉標準管徑法來選取管徑大大提高了運算速度;針對目前大多數(shù)2]伊學(xué)農(nóng),劉遂慶節(jié)點遞歸算法用于污水管網(wǎng)的優(yōu)化排水管網(wǎng)優(yōu)化軟件在優(yōu)化計算時只是考慮了管道費[3y]周玉文趙洪賓排水管網(wǎng)理論與計算[M],北京:中用的缺點,該程序在比較造價最低尋求最優(yōu)時同時國建筑工業(yè)出版社,2000考慮了管道費用和泵站費用這使得優(yōu)化計算結(jié)果(4]費忠民實用污水管網(wǎng)計算軟件的設(shè)計和應(yīng)用[蘇更為合理州城建環(huán)保學(xué)院學(xué)報,2000,13(4):80-84.③釆用 Delphi語言來編寫污水管網(wǎng)優(yōu)化計5]王同勝計算機技術(shù)及應(yīng)用基礎(chǔ)[M]天津:天津大學(xué)算軟件,充分利用了Deph語言的可視化功能,引出版社,1999進了數(shù)據(jù)庫“記錄”的概念,管網(wǎng)原始數(shù)據(jù)的輸人管段的計算結(jié)果、計算結(jié)果修改后的數(shù)據(jù)都可以作電話:(022)27400830為“記錄”實時存入數(shù)據(jù)庫該優(yōu)化程序在滿足規(guī)范E-mail:zhangxinbo78@hotmail.com限定的約束條件對各管段的設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化選擇收稿日期:2004-07-16歡迎訂閱中國給水排水雜志