给水输配系统优化设计的-研究

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1、第一章绪论费力、效率低、精度差，难以对各种新建和扩建方案进行全局比较。近年来，电子计算机及有关应用软件的普及与发展，为管网的各种设计方案比较提供了有利的条件。但是，我国大多供水企业在管网的新建和扩建中应用电子计算机还仅停留在进行管网平差计算上，仍不能有效的摆脱设计者主观意图对所选方案的影响。这样凭经验确定的方案回避了严格的科学分析、计算，虽然使设计过程简化，但很难在众多的可行方案中找出最为经济合理的方案。在现代经济技术和生产管理中，许多实际生产问题都可以应用运筹学的方法表示成最优化的数学模型，然后据此提出最优解。给水工程中，随着工程与技术的日益复杂化、大型化与精密化，设计与管

2、理的科学化，综合化与经济合理化，使得一个设计与决策的好坏，直接对项目的经济效果有重大的影响。因此，最优化技术在这个领域已越来越引起了人们的重视。当前，我国正在实行改革开放，各行各业都面临着发展的机遇与挑战。城市给水行业如何利用有限的基本建设投资，精心设计，避免浪费，使国家的资金投入发挥更好的经济效益，已成为人们关心的重点。所以，我们有必要对有关给水输配系统经济计算问题进行深入研究，综合分析系统中各组成部分的密切关系及相互影响，建立包含管网、送水泵站、加压泵站等在内的管网系统的经济计算数学模型，提出快捷有效的优化计算方法，使我们在进行输配系统的新建、扩建设计时，能够方便的进行各

3、种方案的计算和比较。在满足用户用水要求的前提下，寻求一个或几个比较经济的方案，从而使给水行业达到国家提出的“优质、高效、低耗、安全”的供水目标。1．2国内外研究概况在国外，给水管网水力分析的理论研究最早开始于三十年代的哈代·克罗斯(Hardy-Cross)，其分析方法是以管网回路的水头损失平衡为标准，解线性化的回路校正流量方程，方程数等于网内环数，由直接解得的各环校正流量可推得全管网的流量分配，由于采用迭代方法，逐环计算，便于手工操作。在五十年代以前，这～管网分析方法得到广泛的应用。进入五十年代以后，管网分析的理论与方法有了很大的发展，这时，一方面，随着计算机技术的出现与发展

4、，促进了管网水力分析的理论研究，如Zaoghamme提出的管网电算程序用牛顿法求解环方程；其后不少计算机程序以节点方程取代了环方程的求解，推出了修2第一章绪论正牛顿法并进行了应用。六十年代后，KeeaVan、Wood等人利用图论来建立管网分析的回路方程组与节点方程组，并进行了计算机求解等。另一方面，由于管网分析理论的发展，分析对象日益大型化、复杂化等，对计算机速度、精度等也提出了更高的要求，这也从一个方面促进了计算机与应用程序设计的发展与提高。总之，这些成果不仅大大减轻了繁重的手工计算工作，将设计者从繁琐的管网计算中解脱出来，而且也使计算机进行管网设计方案的比较成为可能。经过

5、几十年的发展变化，国外各种管网电算程序在生产实际应用中日益广泛与深入，管网电算分析己Et趋成熟。从解决技术问题的角度来看，不管是供水管网新建、扩建的设计、管网系统的调整规划以及运行、监控等，它都有用武之地。从区域范围来看，从小到几万人的小区配水系统到若干城市连为一体的区域给水系统，它都可满足使用要求。并可对大型或超大型管网进行高速的计算分析，收敛性良好。给水管网的优化设计国外自四十年代开始，从经典的拉格朗日条件极值理论到现代的运筹学理论的研究与应用，其间经历了三十余年，到七十年代可以说是供水管网优化设计取得实质性进展的阶段。在这一阶段中，国外许多研究者采用不同的优化方法，对管

6、网进行了研究比较，并将各自的方法应用于实际管网，尽管也存在一些局限性与缺憾，但主要方法都取得了一定的成功，这些方法可归纳为以下三种：1．线性规划法i2．非线性规划法；3．动态规划法。供水管网优化设计实际上是一个非线性规划问题，但也有不少研究者试图用线性规划的数学模型来描述管网设计优化问题。在这类方法中，根据线性规划理论，对枝状管网与非连续的规格化管径，每一设计管段由一组适当的标准管径组成，而将各管径相应长度视为设计变量。由于各管段分配流量已知，这一数学模型的目标函数与约束条件均为线性，所以用线性规划模型求解树枝网的优化设计是很成功的。但对于环状管网来说，需要将树枝中非线性函数

7、近似线性化，转为线性规划模型。而不同的流量分配将得到不同的线性规划模型，优化也就有不同的结果。据文献[rDesignofoptimalwaterDistribution)']研究，若假定的流量分配不合适，也可能造成规划问题无解。总之，线性规划法对于目标函数和约束条件的形式有着严格的要求，目标函数为线性或为可分离的非线性3第一章绪论函数，约束条件全部为线性函数。同时，由非线性规划近似转化为线性规划不能保证获全局最优解。但是，由于非线性规划的数学模型比较真实、完整的表达了管网优化问题的实质，国外一些学者则运