水利工程論文-基于給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的研究摘要：針對(duì)給水管網(wǎng)的不同分別建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，并詳盡說明了各模型的差異及意義。關(guān)鍵詞：給水管網(wǎng)；管網(wǎng)優(yōu)化；數(shù)學(xué)模型1引言自從60年代Carmelita以及Shake等人提出利用系統(tǒng)分析的方法，尤其是優(yōu)化算法進(jìn)行給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的課題以來，前人在如何建立管網(wǎng)優(yōu)化模型方面已經(jīng)做了大量的研究和探索工作。給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮到4個(gè)方面：即保證供水所需的水量和水壓、水質(zhì)安全、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算就是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)而將其余的作為約束條件，據(jù)此建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件的表達(dá)式以求出最優(yōu)管徑或水頭損失。由于水質(zhì)安全性不容易定量的進(jìn)行評(píng)價(jià)，正常時(shí)和損壞時(shí)用水量會(huì)發(fā)生變化，二級(jí)泵房的運(yùn)行和流量分配等有不同方案，所有這些因素都難以用數(shù)學(xué)式表達(dá)。因此，管網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)計(jì)算主要是在考慮各種設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下求出一定設(shè)計(jì)年限內(nèi)管網(wǎng)建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和為最小時(shí)的管段直徑或水頭損失，也就是求出經(jīng)濟(jì)管徑或經(jīng)濟(jì)水頭損失。2數(shù)學(xué)優(yōu)化模型2.1壓力流單水源環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型起點(diǎn)水壓未給的管網(wǎng)需要供水動(dòng)力費(fèi)用，而動(dòng)力費(fèi)用隨泵站的流量和揚(yáng)程而定，揚(yáng)程則決定于控制點(diǎn)要求的最小服務(wù)水頭，以及輸水管和管網(wǎng)的水頭損失等。水頭損失又和管段長(zhǎng)度、管徑、流量有關(guān)。所以，管徑由管網(wǎng)的建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和為最低的條件確定，這時(shí)目標(biāo)函數(shù)為:該數(shù)學(xué)模型是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，將其余條件作為約束條件(水力約束和可靠性約束)。由于水質(zhì)的可靠性指標(biāo)難以量化，故未考慮水質(zhì)的約束條件，同樣由于可靠性指標(biāo)的度量問題，水壓的約束也僅僅是要求水源泵站揚(yáng)程必須滿足控制點(diǎn)的水壓要求，只要控制點(diǎn)的壓力在最高用水時(shí)可以達(dá)到最小服務(wù)水頭，整個(gè)管網(wǎng)就不會(huì)存在低壓區(qū)。此外，也要考慮管徑的范圍約束，以保證管網(wǎng)的水量和水壓。2.2多水源環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型多水源管網(wǎng)供水安全，可以節(jié)省造價(jià)和電能。其優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算原理與單水源時(shí)相同，目標(biāo)函數(shù)為:該數(shù)學(xué)模型與上述系統(tǒng)不同的是，每一水源的供水量，隨著供水區(qū)用水量、水源的水壓以及管網(wǎng)中的水頭損失而變化，從而存在各水源之間的流量分配問題，即要考慮到水源的水量約束條件。2.3設(shè)加壓泵站環(huán)狀網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為滿足管網(wǎng)中局部地區(qū)的水壓應(yīng)在管網(wǎng)中設(shè)置加壓泵站。當(dāng)加壓泵站位置靠近水源泵站時(shí)，水源水泵降壓快，而加壓泵加壓流量大；加壓泵站遠(yuǎn)離水源泵站時(shí)，水源水泵降壓慢，而加壓泵加壓流量小。這樣，目標(biāo)函數(shù)在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮水源泵站和加壓泵站兩項(xiàng)動(dòng)力費(fèi)用。因此建立如下數(shù)學(xué)模型:該數(shù)學(xué)模型與上述系統(tǒng)不同的是：在滿足管網(wǎng)水力約束和可靠性約束的同時(shí)要滿足加壓揚(yáng)程約束。加壓泵站流量屬于待求的未知數(shù)，可近似取為所屬管段的管段流量。對(duì)上述系統(tǒng)采用優(yōu)化的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，最終求得系統(tǒng)最優(yōu)時(shí)的管徑、管段流量、流速、水力坡度、水泵揚(yáng)程、各節(jié)點(diǎn)的水壓等。3結(jié)束語給水管網(wǎng)是給水工程中投資最大的子系統(tǒng)，一般要占到工程總造價(jià)的50%-80%。在工程總投資有限的前提下，在保證整個(gè)供水系統(tǒng)中水量、水壓、水質(zhì)安全以及供水可靠性的基礎(chǔ)上，以整個(gè)系統(tǒng)的總造價(jià)或年費(fèi)用為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求目標(biāo)函數(shù)最小的設(shè)計(jì)方案,對(duì)加強(qiáng)安全可靠性、降低工程成本、提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。參考文獻(xiàn)1.城市配水系統(tǒng)宏觀模型的研究J.中國(guó)給水排水，1988,4，(2).2.城市配水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)J.中國(guó)給水排水,1987,(5):48-53.3Saabs.L.T.LinearTheoryMethodsforPipeNetworkAnalysisofHydraJ.ASCE,Vol.98,1972,1191-1201.4P.F.Limericks.