城市污水管网优化设计研究

论文摘要

在市政与环境工程建设中,城市污水管网所占总投资的比例很大,对污水管网进行优化设计,寻求满足各种技术条件,且能使整个系统的敷设或运营费用最低的方案,不仅具有丰富优化设计理论和拓展优化设计方法的价值,而且具有明显的经济和社会效益。本文基于道路规划及相关地理信息,着重研究了污水管网的平面布置,因为污水管网的最优布局为支状结构,根据图论理论建立了城市污水管网系统布置双向网图模型,并用改进的Floyd算法求得污水管网系统的最优布置方案。在污水管网平面布置确定的基础上,根据污水管网水力特性,通过建立污水管网水力计算的基本数学模型,综合运用两项优化法和全局优化的基本思想,在污水管道优化设计中选择尽可能小的设计流速尽可能大的设计充满度,分别从管径优化的选择、管材优化选择和管道衔接方式优化三方面选择提出了最优敷设方式,并通过污水管网工程投资费用计算比较,在每条管道投资费用比较的同时,兼顾整个管网的总投资,达到全局优化的目的,使工程投资最小。笔者利用以上优化思想采用Matlab语言,编制了优化设计程序,对污水管网进行优化。同时,本文通过对污水管网费用函数各因素的分析,结合实际工程应用,以《市政工程投资估算指标》第四册排水工程(2007年版)和陕西工程材料管理信息2009年第5期为数据来源,用多元线性回归方法确定出适合于西安地区的钢筋混凝土管、高密度聚乙烯(HDPE)双壁波纹管和污水提升泵站的费用函数。将最后研究成果应用于陕北某县城的污水管网优化设计中,通过优化对比分析使工程投资降低了8.40%,通过实践表明本文提出的优化方法及费用函数具有可行性与实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 给水排水优化设计的两个阶段
• 1.2.2 污水管网优化设计的方法
• 1.3 本文工作内容及技术路线
• 2 污水管网模型及特性
• 2.1 管网模型的水力特性
• 2.1.1 节点流量方程
• 2.1.2 管段能量方程
• 2.2 管网水力模型
• 2.2.1 水力模型建立
• 2.2.2 约束条件
• 2.3 管网结构模型
• 2.3.1 污水管网结构分析
• 2.3.2 流量组成分析
• 2.3.3 节点接递归法计算流量
• 3 污水管网费用函数
• 3.1 污水管网费用函数分析
• 3.1.1 建立费用函数原则与步骤
• 3.1.2 建立费用函数的方法
• 3.1.3 费用函数分析
• 3.2 排水管网费用函数的影响因素
• 3.2.1 土方费用
• 3.2.2 管材费用
• 3.2.3 管道基础费用
• 3.2.4 管道敷设费用
• 3.2.5 检查井费用
• 3.2.6 沟槽排水
• 3.2.7 管道支撑及拆除挡板
• 3.3 工程量计算规则
• 3.3.1 土方体积换算表
• 3.3.2 放坡系数
• 3.3.3 管道基础
• 3.4 陕西省污水管网费用函数推求
• 3.4.1 费用函数的推求
• 3.4.2 多元线性回归的费用函数拟合
• 3.4.3 费用函数拟合结果
• 3.5 污水泵站费用函数拟合
• 4 基于图论理论的污水管网系统平面布置优化
• 4.1 污水管网图形网络分析
• 4.1.1 图和有向图
• 4.1.2 连通图及加权图
• 4.1.3 图的矩阵表达
• 4.1.4 污水系统网络特性
• 4.2 优化设计的数学模型
• 4.2.1 污水管网网络图建立
• 4.2.2 污水管网目标函数建立
• 4.2.3 管网权值确定
• 4.3 优化设计数学模型求解
• 4.3.1 Floyd算法
• 4.3.2 改进的Floyd算法及实现
• 5 基于两相优化法的污水管网系统水力参数优化
• 5.1 两相优化法基本思想
• 5.1.1 设计流速
• 5.1.2 最大充满度
• 5.1.3 全局优化思想
• 5.2 优化目标函数
• 5.2.1 重力流系统费用函数
• 5.2.2 设有提升泵站的管网系统的费用函数
• 5.2.3 优化约束条件
• 5.3 两相优化算法的实现
• 5.3.1 管径优化选择
• 5.3.2 管材优化选择
• 5.3.3 管道衔接方式优化
• 5.3.4 优化设计流程图
• 6 实例应用
• 6.1 工程概况
• 6.2 工程优化设计
• 6.2.1 管网布置优化
• 6.2.2 管网优化计算
• 7 结论及展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录