淺談城市污水管網系統優化
導讀：非線性規劃法是為了適應排水管道系統優化設計計算模型中目標函數和約束條件的非線性特征而提出來的。目標的確定是給排水工程系統化的重要內容，也是系統優化的評價依據。
關鍵詞：污水網管，排水管道，系統優化
1.對污水管網系統實施優化的意義
污水管網就是由污水管道，污水檢查井等組成的管網系統，其基本任務就是及時、安全、通暢地收集、輸送污水到污水處理設施，避免環境受到污染，保障人民的健康和正常生活，促進工農業生產的順利進行。
完善的污水管網系統是一個城市現代化的標志。我國多數城市污水管道沒有形成完善的系統，有的利用街道，河道排水，有的污水隨意排放，影響環境衛生。有的雖有管道，但排水能力低，極不適應日益發展的城市建設，對人民的生活、生產帶來很大的影響。
近幾年來。。我國在城市基礎建設方面投入了巨大的物力和財力，我國大多城市的污水管網系統也得以提升和改善，但是，與發達國家相比，仍有很大的差距。因此，大力進行污水管網建設，形成完善、通暢的污水管網系統，可大大提高一個城市的人居環境和城市文明，加快城市發展，縮小我國和發達國家的差距。
2.污水管網系統優化的方法
就管線平面布置已定情況下的污水管網各個參數的優化設計，主要有以下幾種方法：
2.1線性規劃法
線性規劃法是優化技術中最常用的一種方法。它對于污水管網設計計算模型中的約束條件和目標函數的非線性，分別用它們的一級泰勒展開式代替，將之化為線性規劃問題，用線性規劃的解作為問題的近似解，反復迭代，使迭代點序列逼近非線性規劃的最優解。它的缺點是把管徑當作連續變量來處理，存在計算管徑與市售規格管徑相矛盾的問題。把非線性函樹轉為線性函數，前期準備工作量大，且難以保證結果的計算精度。
混合整數規劃法，作為線性規劃法發展形式，克服了線性規劃的部分缺點，可以解出離散的標準管徑，但由于整形變量過多，往往難以求解，從而應用受到限制。
2.2非線性規劃法
非線性規劃法是為了適應排水管道系統優化設計計算模型中目標函數和約束條件的非線性特征而提出來的。它可以優化選擇排水管道的直徑和埋深，以及中途泵站的位置。其假定管徑是離散的，易于對目標函數和約束條件進行敏感性分析。但是該方法極大地限制了目標函數和約束條件的形式。。
罰函數離散優化法將排水工程的特點與罰函數離散思想相聯系，可以排除不合理的設計方案，以管系末端管底標高為全局控制因素，建立與目標函數的可行解對應關系，并通過同時進行整體控制與局部控制的水力計算方法，遍歷目標函數的可行解及局部最優解，從而得到管系的全局最優設計方案。該方法由于對管道系統的各種可行解進行遍歷，在解決大型管網問題時，必然存在運行時間長和內存占用量大的缺點。
2.3直接優化法
直接優化法是根據排水管道系統性能指標的變化，通過直接對各種方案或可調參數的選擇、計算和比較，來得到最優解或滿意解，它具有直接、直觀和容易驗證的優點。直接優化法主要包括電子表格法和兩相優化法。電子表格法是利用“電子表格”統計數據和分析數據的功能進行管網優化的。它提供了一種啟發式費用估算方法，利用這種方法，用戶可尋找最小費用的設計。它并不涉及太復雜的算法，在動態規劃中的許多簡化假設顯得不太必要。能夠得出比動態規劃法要好的結果，并能更加符合設計規范的要求。
一般在直接優化算法中，注重設計人員對管網計算的宏觀控制和局部干預，所設計的最優方案將因人而異，所求結果一般是滿意解而不一定是最優解。
3.污水管網系統優化的程序
在實際工作中常用數值方法來解決給水排水系統優化問題，一般需經過下列程序，其基本內容是：
3.1構成問題
大多數給排水工程的實際問題，包含著很多復雜的因素，往往是一個多變量、多目標、多層次的復雜系統。如何把一個實際的給排水系統，科學地簡化為一個能反映其關鍵要素及其基本特征，又便于進行定量表達和模擬優化的替代系統，這是優化過程首要和關鍵的一步，它將在很大程度上影響優化結果的合理性。構成問題的過程，也可稱為“系統的概念化”，簡稱“系統化”。
3.2確定目標
目標的確定是給排水工程系統化的重要內容，也是系統優化的評價依據。主要是探明該系統所涉及的各種目標和綜合目標：識別各目標的重要性。并表達其中值得追求目標的屬性指標：建立目標隨基本變量(或所考慮的關鍵因素)變化的函數關系。
最常遇到的給排水優化問題，是在給定的技術與社會條件下，尋求系統經濟性最佳時的設計、運行方案、總費用現值等。
3.3建立數學模型
在上述階段工作的基礎上，建立定量表達給排水系統的數學模型。優化設計的數學模型是設計問題抽象化了的數學形式的表現，它反映了設計問題中各主要因素間內在聯系的一種數學關系。數學模型通常需引入設計變量、約束條件和目標函數三個基本要素。
(1)設計變量：通常一個設計方案可以用一組基本參數的數值來表示。選取哪些參數，因各設計問題而定。在設計時，有些參數可以根據工藝、運行和使用要求預先給定;而另一些則需要在設計過程中進行選擇，這部分參數可看做變量，稱為設計變量。這種變量是一種相互獨立的基本參數。
當設計變量不是連續變化時稱為離散設計變量。然而，由于按離散變量進行優化設計比較困難，因此，目前的工程優化設計中大多數還是按連續設計變量來處理。
(2)約束條件：在設計空間中，所有設計方案并不是工程實際都能接受的。因此，在優化設計中，必須根據實際設計要求，對設計變量的取值加以種種的限制。這種限制稱為約束條件(或約束)。設計約束一般表達為設計變量的不等式約束函數和等式約束函數。
(3)目標函數：設計變量選定之后，設計所要達到的指標，如經濟指標、效率指標等，可以表示成設計變量的函數，這個函數就稱為目標函數，即
在工程優化設計中，被優化的目標函數有兩種表述方式：目標函數的極小化和目標函數的極大化，即
或
3.4優化模型的求解與檢驗
實際工作中求最優解(或滿意解)可能有以下幾種情況：
(1)評價目標只是一個定量指標(通常是費用)，且可變的方案很多又無法簡單一一列舉時，則要運用最優化方法求出其最優解。
(2)評價目標只是一個定量指標，而備選的方案不多，則可以較方便地逐一對備選方案進行模擬計算，并從中擇優選定。
(3)評價目標不只一個，多種目標之間彼此又有矛盾，這時需要運用多目標最優化方法，通過各目標之間的權衡和協調加以優選。
最優化方法可根據數學模型中的函數性質，選用合適的數值計算優化法，并作出相應的程序設計，然后利用計算機的快速分析與計算，得出最優值。
優化數學模型的晟優解，只是對所有模型來說為最優。而對現實問題來說，則還可能是不完全合乎理想。優化的實際目的在于追求“滿意解”而不是“最優解”。因此。。采用試算法得到一連串的解，并通過靈敏度分析來確定影響求解的關鍵要素和參數，以找到一個較為合乎理想的滿意解。
4.結束語
污水管網系統的優化是給排水工程優化的一個重要分支，近年來，國內科研人員在污水管網優化方面進行了大量的研究工作，得出了不少關于污水管網優化設計的方法。本文在此基礎上，經過系統研究污水管網設計的理論和方法，以期在實踐中達到減小污水管網的埋設深度，降低工程造價的目的。
【參考文獻】
[1]郭迎慶,王文標.直接優化法優化設計城市污水管道系統.給水排水.2002,2.
[2]彭永臻等.排水管網計算程序設計的全局優化.中國給水排水.1994,4.
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