给水管网优化设计研究综述

1999年6月第15卷第2期

陕西工学院学报

JOURNAL OF SHAANXI INSTITU TE OF TECHNOLO GY J une 11999Vol 115　No 12【文章编号】1002-3410(1999)02-0046-04

给水管网优化设计研究综述3

王晓峰　(陕西师范大学旅游与环境学院99#,陕西西安　710062)

【摘　要】　本文详细叙述了给水管网优化设计国内、外的研究现状,针对目前研究中存在的一些问题,作者提出了一些观点和解决问题的办法,和读者共同探讨。

【关　键　词】　给水管网;　优化设计;　综述

【中图分类号】　TU991.32 【文献标识码】　A

收稿日期:1999-03-13

作者简介:王晓峰(1972—

),男,陕西师范大学助教。3陕西省第二农业区开发项目:陕农发(1989)25号

1　前　言

给水管网是给水设计的重要组成部分,在该系统中,管网的投资很高。因此,人们对管网设计以使其产生最大的经济效益。然而,给水管网设计的任务是艰巨而复杂的。在设计过程中涉及到大量的需要认真考虑的相关因素。如今,优化设计更趋艰难,主要是因为在设计过程中,要将费用效益及可靠性同步考虑。其复杂性通过以下几个因素来体现:(1)决策变量的离散性(如有效经济管径);(2)与管材、劳动力、管道布置和开挖等费用有关的复杂离散函数;(3)设计中涉及到的多种需水量荷载形式;(4)在加压系统中,为了计算能量费用所需管道流量及压力方面的一系列知识。

2　研究现状

自从20世纪60年代人们就开始用系统分析方法设计给水管网,并将优化程序应用于其中。最早的给水管网设计模型是为树状网设计的,如Karmeli et al (1968)、Schaake 和Lai (1969)。这些模型没有考虑类似阀门的附属物,但根据水力特性说明了其影响。其它非线性模型在当时也被提出,如Schaake 和Lai (1969)。以上这些模型仅用于树状网系统,没有线性规划法的计算优势,不能得出比较好的结果。1977年Alperovits 和Shamir 提出了一个基本线性规划公式的、能引入任何理论和产生实际兴趣的第一个环状系统模型,其中使用了保证环状网水力连续性的附加约束(如围绕环的水头损失代数和等于零),这说明线性规划法具有强大的实用性。在1979年Quindry et al.对该模型进行了修正。

自从20世纪70年代以来,大量的管网优化设计技术被相继提出。Walski (1985)、Walters (1988)以及G oulter (1992)在他们的论文中提出了最中肯最有发展前途的建议。Alperovit 和Shamir (1977)应用梯度搜索法得出给水系统中满足最小总费用的流量形式Quindryal et al (1981)用两阶段法设计给水管网。在优化结构中,两阶段法在模型中的使用代表了管网优化

设计模型研究的一个新阶段。在该阶段,Rowell 和Barnes (1982)用两阶段法来确定管网布置及管道尺寸。之后,Bhave 和Larn (1983)对L P G 法中的变量进行了研究。

Morgan 和G oulter (1985)对Hardy -Cross 网络解算器和优化布置、新系统的设计及规划系统扩建结合起来。1989年Lansey 和Mays 将一般降阶法和一个现存的给水模拟模型结合起来优化管网、估计泵站及水箱尺寸,该法计算集中,但在优化模型和模拟模型之间需要大量的迭代运算,而且每一步都要考虑梯度项。1994年Eiger et al 扩充了该法,用广义二元论计算普通优化解的下限值。

可靠性是在可能机械损坏情况下满足需水流速的概率。研究给水系统可靠性是必不可少的。1986年G oulter 和Coals 提出了两种定量法来评估管网可靠性。1987年Su.et al 将一个稳定可靠的模拟模型与一个优化模型结合起来阐明基于风险性之上的管网设计。Lansey et al (1989)使用随机约束模型进行设计,其中包括需水量、水压力以及管道强度系数的不确定性。Bao 和Mays (1990)提出使用Monte carlo 来模拟测量系统可靠性。

在过去十年里,对大型给水系统建模的能力没有得到多大的改善,由于计算机的广泛使用,建立、运行数学表达式或管网模拟型是很廉价的,然而费用没有减少,这主要因为在校核模型和收集数据时,参数估计不准确,造成模拟模型失真,基于模拟分析之上的设计和运行决策严重出错。1988年K evine nsry 和Chuda Basnet 精确地提出了非线性规划法来解决估计管网模型参数。在不同荷载条件下检测给水管网性能时,估计参数相当重要。1996年P.V.Niranjan Reddy 和K.Sridharan 、P.V.Rao 研究出了基于G auss -Newton 最小化技术的最小平方权重法(WL S )来估计给水管网的参数,该项研究的一个行要特点是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。该法在现实生活的三个管网中得到应用。

在环状给水管网设计系统中选择优化法进行灵活量化是非常必要的。Heekyung Park 和Jon C.Liebman 把个别管道损坏引起的缺水作为测量可靠性的一种方法,该法与管道损坏频率K 、周期及其严重性相结合。在此基础上他们研究出了改变梯度的线性规划模型,该模型控制管网中每个管网的缺水不大于指定的需水量指标。

通过以上阐述,我们可知有许多优化模型来设计给水管网,但是这些模型还不能用于市政水利工程,主要是缺乏合适的“包装”。令人满意的模拟和优化技术应该和决策支持系统(DSS )相结合,才能处理大量的决策数据,并且和现实问题结合起来,以上这些暗示了对高效的空间数据管理及分析工具的需要,例如地理信息系统(GIS )。GIS 提供函数来研究开发把准确的空间信息输入到管网优化设计模型中,并使空间分析及评估结果的输出更趋简单。如果给定参数的空间及时间变量,GIS 就会执行费用分析、管网定线和布置,并且用有效的彩色图形显示出结果。

1991年Zick 将G eo/SQL 及AutoCAD 合并入给水系统分析器WADISO (Walski et al.1990)来给用户提供改变给水管网后影响的瞬息反馈。后来人们提出了一种典型的决策支持系统———WADSOP (给水系统优化程序),该系统为承担给水工程规划设计提供了一种灵活且有价值的工具。其中用非线性规划技术作管网解算器,比传统方法(Hardy -Cross 、Newton -Raphson 等)具有明显的收敛速度快的优点。

我国给水管网优化设计研究最近几年也取得很大进展。方永忠用生成树变换法求输配水系统最短供水路线,解决了多水源输配水系统中有一个以上节点流量为负值的最短供水路线

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