给水管网优化设计模型简述
给水排水管网模型课件
参数敏感性分析
分析模型参数对模拟结果的影响程度，确定关键参数并进行精确 标定。
参数校准与验证
建立有效的校准和验证方法，确保模型参数的准确性和可靠性。
模型应用的拓展
跨领域应用
将给水排水管网模型应用于其他领域，如环境工程、交通工程等。
模型的应用领域
城市供水
雨水排放
用于模拟城市供水系统的运行状态， 优化调度，提高供水水质和降低运行 成本。
用于模拟城市雨水排放系统的运行状 态，预测暴雨时洪峰流量，优化调度 和控制策略，降低城市内涝风险。
污水处理
用于模拟污水处理厂的运行状态，优 化处理工艺和控制策略，提高污水处 理效率和降低能耗。
给水排水管网模型的建立
模型建立的方法和步 骤
01
02
03
04
确定建模目标
数据收集与处理
明确模型用于解决的具体问题， 如水量预测、水质模拟等。
收集给水排水管网的相关数据， 如管道长度、管径、流量等，
并进行预处理。
模型建立
根据收集的数据，选择合适的 数学模型，如线性回归模型、
神经网络模型等。
模型参数估计
利用已知数据对模型参数进行 估计。
复供水计划，降低事故影响。
给水排水管网模型的局限 性
数据获取的局限性
模型数据不完整
01
由于管网数据的采集和整理存在困难，导致模型所需的数据可
能不完整，影响模型的精度和可靠性。
数据更新不及时
02
给水排水管网数据的变化较快，但数据的更新往往滞后，导致
模型不能反映实际情况。
数据质量参差不齐
03
7第七章给水管网优化设计
当
t时，
i1
8760q p hp
❖ 能量变化系数可以根据泵站扬水量和扬程的变 化曲线进行计算。假设：
▪ a)泵站扬水量与管网用水量同比例变化； ▪ b)在最高日最高时管网用水量和最低日最低
时用水量之间变化范围内，各种用水量出现 的几率相等。
于是可以推导出以下公式：
❖ 1)若泵站扬水至近处水塔或高位水池，扬程基 本不变(hpt≈hp)，即全部扬程为静扬程，则：
(hp0 / hp ) ' (1 hp0 / hp ) ''
泵站总扬程hp中用于满足地形高差和 用户用水压力需要的部分压力。
[例7.2]
❖ 某给水管网用水量日变化系数为Kd＝1.35，时 变化系数为Kh＝1.82，其供水泵站从清水池吸 水，清水池最低水位为76.20m。设计考虑两 种供水方案：方案一泵站供水到前置水塔，估 计水塔高度35.60m，水塔最大水深3.00m， 水塔所在点地面高程79.50m，估计泵站设计 扬程48.40m；方案二不设水塔，供水压力最 不利点地面高程为82.20m，用户最高居住建 筑5层，需要供水压力24mmH2O，最大供水 时的泵站设计扬程47.50m。试分别求两方案 的泵站能量变化系数。
❖ 所以，可得泵站能量变化系数：
24365
24365
24365
qpthpt
q
3 pt
qh3av[(2
Kz
)3
13
K
3 z
]
''
i 1
8760q p hp
i 1
8760q
3 p
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8760K
q3 3
z hav(KzΒιβλιοθήκη 1)2K3 z
给水管网优化设计理论与方法
给水管网优化设计理论与方法1、给水管网优化设计理论与方法给水管网优化设计的研究包括管网优化设计模型和优化算法两个方面，优化设计模型需要相应的优化算法进行求解。
随着计算机的出现及其应用软件的开发，两者在理论和工程实际的应用中都逐渐成熟，应用比较广泛。
1.1给水管网优化设计模型研究给水管网优化设计模型是进行优化设计的基础，其优劣程度决定优化设计是否成功。
因此，所建的模型必须真实地反映管网运行特征及管理要求。
其模型的发展经历单目标函数和多目标函数两个阶段。
20世纪50年代后，国内的研究者开始对管网优化设计模型研究，取得一定成果的有同济大学、哈尔滨工业大学等。
国内研究者一般都以管网年费用折算值最小为目标函数建立管网优化设计数学模型。
此模型没有考虑管网的可靠性约束。
随着研究的深入和实践证明，人们逐渐认识到若仅以经济性作为管网优化设计的目标函数与工程实际相比存在某种欠缺和不足，还需要考虑系统可靠性这一因素。
1.2给水管网优化设计模型求解算法研究给水管网优化设计模型求解方法主要经历了以下三个阶段。
（1）拉格朗日函数优化法。
该方法主要用于求解以管径和水头损失为变量的单目标单工况优化设计模型。
应用拉格朗日未定系数法，将目标函数进行转换，然后用计算机进行求解。
但是由于管径为离散变量，应用此法求得的管径需要进行圆整，化为市售管径，这在某种程度上破坏了解的最优性。
该算法目前应用较少。
（2）数学规划法。
①线性规划。
线性规划法是在一组线性约束条件下，求某个线性目标函数的最小值(最大值)。
该方法只能解决树状管网的优化设计，因此该算法应用较少。
②动态规划法。
动态规划法是一种求解多阶段决策过程最优化方法。
该法对模型中的目标函数和约束条件的形式要求不高，以标准管径为变量计算结果不需要调整。
该方法对小型树状管网能得到最优解;对于简单的环状管网，需预先假设一组管径并进行初始流量分配，将环状网化为树状网;对于复杂管网应用该法不能得到最优解。
给水管网分段线性优化模型
申请同济大学工学顾士论文摘要摘要本文综合叙述并比较了给水管网优化设计中常用的几种算法的优点及其不足之处，对标准优化法没有能在实际工程中广泛应用的原因进行了分析，在此基础上提出了以管段分档为基本思想的分段线性优化模型。
陔优化模型可以避免标准优化法结果为非标准规格管径的不足，而且可以与现有的设计方法相结合，将线性规划的理论应用于现有的设计过程，为优化技术在实际工程中的推广提供了一种新思路。
’在管段管径分档的基础上，将各个子管段的长度作为优化决策变量，通过对目标函数以及给水管网基本约束方程的分析，建立线性规划模型，并采用两阶段单纯形法进行求解。
本文分别从静态和动态两个角度来建立起管网的分段线性优化模型，通过对一个算例优化结果的分析，总结出静态和动态两种方法优化结果的差异之处，并对这种差异的产生原因从数学模型和经济理论两个角度给予解释。
尉于同一个管网，通过不同流量分配方案优化结果的比较，说明了流量分配对最优化结果以及费用函数值的影晌。
卜一ｃ’在本文中，用分段线性优化模型进行了一个工程实例的优化计算，通过对最优解特点的分析，以及与传统的设计方法的比较，说明了该优化方法在工程上的实用性。
、，、，，、，关键词：给水管网。
优化设斧费用函数ｖ管段分段。
线性规划。
单纯形法７静态动态申请同济大学工学硕士论文ＡＢＳＴＲＵＣＴＡＢＳＴＲＵＣＴＳｅｖｅｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄｅｖａｌｕａｔｅｄｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｌｙｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｒｉｎｎｅｒｍｅｒｉｔｓａｎｄｄｅｆｅｃｔｓ．Ｔｈｅｒｅａｓｏｎｔｈａｔｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｉｎｇｌｉｅｓｉｎｉｔｓｓｃａｒｃｅｌｙｕｓｅｄｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｐｌａｎｎｉｎｇｉｍｐｒａｃｔｉｃａｌｏｐｔｉｍｉｚｅｄｒｅｓｕｌｔｓ．ＡｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｗｈｉｃｈｅａｃｈｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｐｉｐｅｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋＷａｓｓｕｂｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｆｉｖｅｓｕｂ－ｐｉｐｅｓＷａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｉｓｗｏｒｋｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｅｄｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｏｕｌｄｍｅｎｄｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔａｎｄａｒｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ·－·－－－·－ｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｉｐｅｄｉａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｕｓｕａｌｌｙｎｏｔａｖａｉｌａｂｌｅｉｎｔｈｅｍａｒｋｅｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｃｏｕｌｄｃｏｍｂｉｎｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｓｔｅｐｓｗｉｔｈｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｏｆｆｅｒａｎｅｗｉｄｅａｉｎｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｄｉｖｉｄｕａｌｐｉｐｅｔｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｕｓｅｄｔｈｅｌｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｓｕｂ－ｐｉｐｅａｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｖａｒｉａｂｌｅｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｍｏｄｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄａｌｉＩｌｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄｆｏｕｎｄｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｂｙｕｓｉｎｇＴｗｏ·ＳｔｅｐｓＳｉｍｐｌｅｘＭｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌＷａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｗｏｗａｙｓ－··－－－ＳｔａｔｉｃａｎｄＤｙｎａｍｉｃ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆａｎｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｒｅａｓｏｎｗａｓｏｆｆｅｒｅｄｆｒｏｍｔｈｅｒｕａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌａｎｄｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｓａｎｇｌｅｓ．Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｌａｎｓｈａｖｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｏｐｔｉｍａｌｅｆｆｅｃｔｓｎｅｔｗｏｒｋ．Ｆｌｏｗｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｌｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｌｌｅｅｖｅｎｔｏａｓａｍｅｗａｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｒｅｓｕｌｔ．Ａｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｗａｓｐｕｔｉｎｔｏｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌａｎｄａｇｏｏｄｏｐｔｉｍａｌｒｅｓｕｌｔｗ船ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋ，ｔｈｅｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｉｅｌｄｓ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＷａｔｅｒＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎＣｏｓｔＦｕｎｃｔｉｏｎＳｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎＬｉｎｅａｒＰｌａｎＳｉｍｐｌｅｘＭｅｔｈｏｄＳｔａｔｉｃＤｙｎａｍｉｃⅡ１．文献综述１．１课题研究背景分析长期以来，给水排水工程基本上是依靠已有装置所取得的经验进行设计、施工、运行和管理的。
简述给排水管网的优化设计
简述给排水管网的优化设计摘要：伴随我国城市化进程的发展，大规模的城市基础设施建设和改造工程逐年累加，给排水管网的设计改造也凸显其重要性。
给排水系统担负着城市输配水、防汛排涝、污水收集输送的重任，是重要的城市基础设施。
如何利用现有的基础设施，并结合未来城市的发展规划和趋势，在给排水管网方面开展进一步的优化设计是当今从业者需要重点关注和研究的问题。
给排水管网的工作效率直接影响着大众的生活质量，因此提升管网给排水能力具有较高的现实意义。
关键词：给排水管网；设计；对策1.给排水管网的应用现状与存在的问题1.1选材与材料优化问题在给排水管网设计的初期阶段，对于所使用的管网管材的选择必须进行预先调研，结合给排水管网设计和规划的使用年限，选择最为稳妥的设计和施工方案。
给排水系统使用时间较长，往往面临着严重老化和管道渗漏的问题。
早期的给排水管网常用灰口铸铁管和镀锌钢管为主要选材，这类材质在经历长时间的地下运行和使用后极易造成渗漏。
根据相关的给排水工程建设和施工标准要求，供水管线主管道上的覆土厚度至少在1.2m以上。
然而，在城市后续的发展和路政施工中，极易因上方道路规划改变而使覆土厚度降低，导致管线出现破裂或渗漏。
1.2管网设计未充分考虑突发事件常见的因给排水管网设计管理不当而造成严重后果的突发事件主要有污染、泄洪和爆管三种类型。
当前阶段的给排水管网系统在设计管理方面对于以上突发事件的处理能力十分有限。
其一，地下管网的布置情况不够明确。
在完成路面的修复施工后，大量的工程数据资料没有得到妥善保存。
在经过较长时间的使用后，如果出现突发情况，就很难明确找到相应管线的具体位置。
其二，对于排涝期间水源恶化严重的问题，如果污水污染了供水管道，将必须以大面积停水作为补偿代价。
最后，对于极端天气导致的城市排水不畅，会造成路面的大量积水，可能危害社会公众的人身财产安全。
2.给水管网优化设计的注意事项2.1计算水力所谓的计算水力就是指确定一天或者一段时间内所需要的水量变化，确定消耗水量的最大值。
给水排水第四章给水排水管网模型详解
树的性质：
定义：无回路且连通的图 G(V,E) 定 义 为 树 ， 用 符 号 T(V,G)表示，组成树的管段称 为树枝。
排水管网和小型的给水管网 通常采用树状管网，其拓扑特 性即为树，如图示。
1）任意删除一条管段，将使管网图成为非连通图。 2）任意两个节点之间必然存在且仅存在一条路径 3）任意两个节点间加上一条管段，则出现一个回路。 4）由于不含回路（L=0），树的节点数N与树枝数M关 系为：M=N-1。
13
3、管网图的连通性 管网图G(V,E)中，任意两个顶点均通过一
系列边及顶点相连通，即从一个顶点出发， 经过一系列相关联的边和顶点，可以到达 其余任一顶点，则称G为连通图，否则为非 连通图。
14
4.2.2 路径与回路（环）
（1）路径：图G(V,E)中，从节点v0到vk的一个节点与管段 交替的有限非零序列v0e1v1e1…ekvk, ，称为行走，如 果行走不含重复的节点，称为路径。管段数k为路径的长 度，v0与vk分别为路径的起点和终点。
Байду номын сангаас
简化前
简化后
3
4.1.2 给水排水管网模型元素
模型基本元素：管段和节点
（1）管段：两节点之间的管线。
管道只输送水量，中间不允许有流量输入或输出，但因 有管道阻力，所以有能量改变。
沿线流量： 指供给（收集）该管段两侧用户所需（排放） 的流量。应用水力等效原则折算到管道两端的节点上。
节点流量：从沿线流量折算得出的并且假设是在节点集 中流出的流量。给水管网将沿线流量平均分到管道两端节点 上。排水管网则将沿线收集水量折算到端点上。
管网模型：模拟或表达给水排水管网的拓扑特 性和水力特性。表达水流的路径和运动状态。
城市供水系统网络模型优化与管网设计
城市供水系统网络模型优化与管网设计城市供水系统是现代城市的基础设施之一，为居民提供清洁、安全的饮用水是保障居民生活质量的重要任务。
为了有效管理和运营城市供水系统，提高供水的可靠性和效率，建立一个优化的网络模型和设计合理的管网是至关重要的。
首先，城市供水系统的网络模型优化是指通过建立数学模型和利用优化算法来最大程度地减少供水系统的损耗并提高其运行效率。
网络模型是对供水系统中的管道、泵站、水箱等设施进行建模和优化的过程。
在网络模型优化中，需要考虑以下几个方面。
首先是管道的布局设计，包括管道的路线和规格的选择。
合理的管道布局可以降低系统的压力损失和泄漏风险，提高供水系统的运行效率。
其次是泵站的位置和功率的选择。
泵站的合理位置和适当的功率可以确保供水系统的稳定运行，并减少能源消耗。
最后是水箱的容量和位置的选取。
水箱的容量要能够满足用户的需求，并且位置要合理，方便供水系统的管理与维护。
优化城市供水系统网络模型的方法有很多。
一种常用的方法是使用智能算法，例如遗传算法、粒子群算法等。
这些算法可以根据不同的优化目标和约束条件，自动地搜索到全局或局部最优的解决方案。
另外，还可以利用模拟软件进行仿真实验，通过调整管道的参数和设施的位置等，评估不同方案的性能并选择最优解。
除了网络模型优化之外，合理的管网设计也是城市供水系统的重要组成部分。
管网设计是指在满足供水需求的前提下，合理选择管道的直径、材质以及布局，以减少水源浪费和维护成本。
在管网设计中，需要考虑供水系统的规模、用水量、压力要求等因素，同时要兼顾供水系统的可靠性和经济性。
在管网设计中，可以采用多种方法来确定管道的直径和布局。
一种常用的方法是利用水力计算模型，基于供水系统的参数，计算出管道的流量、速度和压力等参数，并根据这些参数选择合适的管径。
另外，还可以借助地理信息系统（GIS）和优化算法等工具，对供水系统的空间布局进行优化，并确定最优的管道布置方案。
总之，城市供水系统的网络模型优化和管网设计是提高供水系统运行效率和可靠性的关键。
给水排水管道系统第七章给水管网优化设计
给水排水管道系统第七章给水管网优化设计第七章给水管网优化设计7.1 给水管网优化设计数学模型7.1.1 目标函数的组成给水管网优化设计的目标是降低管网年费用折算值。
年费用折算值就是管网建设投资偿还期内的管网建设投资费用和运行管理费用之和的年平均值。
7.1.2 管网造价计算管网造价只考虑各管段的管道造价。
7.1.3 泵站年运行电费计算管网中泵站年运行电费为管网中所有泵站年运行电费之和，泵站年运行电费按全年个小时运行电费累计计算；7.1.4 约束条件（1）水力约束条件（2）节点水头约束条件（3）供水可靠性和管段设计流量非负约束条件（4）非负约束条件7.1.5 给水管网优化设计数学模型7.2 环状网管段设计流量分配的近似优化7.2.1 管段设计流量分配优化数学模型管段设计流量分配优化涉及到管网输水经济性和供水可靠性。
管网经济性目标函数：管网安全性目标函数：7.2.2 管段设计流量分配近似优化计算管网优化数学模型是一个凸规划问题，其目标函数的极值就是最小值。
只要找到一种能够使目标函数值逐步减小的方法，就能获得其最小值解。
管段设计流量分配近似优化算法与管网水头平差算法相似。
7.3 已定设计流量下的管网优化计算7.3.1 已定设计流量下的管网优化数学模型7.3.2 不设泵站管网节点水头优化当管网不设泵站是，管网年费用折算值只随该节点水头的变化而变化。
7.3.3 设置泵站管网节点水头优化泵站的优化属于管段局部优化问题。
作为设泵站的方案，泵站扬程越大，则管径可以越小，反之，泵站扬程越小，管径越大，前者使电费增加，管网造价降低，后者使电费降低，但管网造价提高，其间必有一个平衡点，此点的电费与造价综合费用——即管段年费用折算值最小。
7.3.4 对节点水头优化解的几点讨论（1）虚流量的分布规律：对所有节点虚流量之总和必为零。
（2）上控制点：这些节点水头进一步提高还可以使管网年费用折算值降低，但节点水头受到了上限约束，技术上不允许再提高了。
城市供水管网优化模型研究综述
供水管网优化 设计 应该 考虑 四个 方面 ， 即保 证供 水量 ） 和经济性 。由于水 质安 全性不 容易 定量地进 行 评价 ， 常时和损坏时用水 量会发生 变化 、 正 二级泵房 的
使 。后 来 研究人 水所需的水量和水 压 、 质安 全、 水 可靠性 （ 保证 事故时 联 系起来 ， 管 网优化设 计成 为 可能 Ｊ 有一定参考价 值和 指导 意义 的大概 有下 面几个 模型 ： 它 们 分 别 由 Ａｐ ｍ ｉ 等 人 Ｍ ｒａ 等 人 及 ｌｅ ｖｔ ｓ ｏｇｎ
Ａｐｒｖ ｓ Ｓ ａ ｉ 提 出一 个 基 于 线 性 规 划 公 式 的 ｌｅｏｉ Ｌ 和 ｈｍ ｒ ｔ６
型进行 分析探讨 ， 并对各种模型 的优化方法进行 比较研究。 关键词 ： 城市供水管 网
１ 引 言
供水 工程包 括取 水 工程 、 净水 工程 和管 网工程 三 大部分 ， 其中 ， 网工程造价约 占整个 给水 工程 总投资 管 的 ５ ％ 一 ０ ｌ ， 中了 国家大量社会财富． ０ ８ ％【】集 如何使其
江
西
化
工
２０ ０９年第 ４期
城 市供 水 管 网优 化 模 型 研 究综 述
刘 丽 刘 桂 海 周 博
（ 江西师范大学城市建设学院 ， 昌 南 摘 ３０ ２ ） ３ ０２ 要： 在研究 国内外城市供水管网优化模型发展 的基础 上 ， 对具 有代表性 的优 化模 优化模型 综述 的， 例如 Ｋ ｒ ｉ １６ ） Ｓ ｈａｅａｄｈｉ １ ６ ） 这些模 ａｅ （９ ８ ，ｃａｋ ｎ （９ ９ ， ｌ 型可 以寻求最优解 ， 然而 由于其 仅仅适 用于树状 管 网， 因而对城 市环 状管 网设 计并 无 太 大价 值 Ｊ ９ ７年 。１７
第7章-给水管网优化设计-2
1 n m i
k ( q H i 1
N 1
n m i i
l) q
1 m
n m i
7.5
近似优化计算
工程意义： 在前述给水管网优化设计中，无论是设计流量分 配的优化还是节点水头的优化，都采用了一些假 设和简化处理，计算所得最优管径往往不是标准 管径，所以严格意义上的优化管径实际上是不可 行的。 为了减少人工计算工作量，在工程可以采取近似 方法，只要运用优化设计的一些理论指导，方法 使用得当，可以保证一定精度。
7.1.5 给水管网优化设计数学模型
给水管网优化设计数学模型：
1 p Min W wi [( )(a bDi )li Pi qi h pi ] T 100 i 1 i 1 kqin H Fi H Ti m li h pi Di ( q i ) Q j 0 is j H min j H j H max j qi q min i Di 0 h pi 0 i 1,2, , M j 1,2, , N j 1,2, , N i 1,2, , M i 1,2, .1
管段设计流量的近似优化分配
原则：
1 ）平行主干管，设计流量相差不要太大（如不超过 25 ％），以便在事故时可以相互备用。 2 ）连通管上有一定的流量（如不少于主干管流量的 50 ％ ～75％） ）。 3）以较短的路线流向大用户和主要供水区域；多水源管 网应拟定各水源大致供水范围并划出供水分界线。 4）保证节点流量连续性条件满足。 5）避免出现设计流量特别小的管段和明显不合理的管段 流向（如环流）。
(7.44)
S j 为与j节点连接的管段集合。
1 hi H j 1
基于给水管网优化设计模型的研究
摘要：针对给水管网的不同分别建立了优化设计数学模型，并详尽说明了各模型的差异及意义。
关键词：给水管网；管网优化；数学模型1 引言自从60年代Carmelita以及Shake等人提出利用系统分析的方法，尤其是优化算法进行给水管网设计的课题以来，前人在如何建立管网优化模型方面已经做了大量的研究和探索工作。
给水管网的优化设计，应考虑到4个方面：即保证供水所需的水量和水压、水质安全、可靠性和经济性。
管网技术经济计算就是以经济性为目标函数而将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件的表达式以求出最优管径或水头损失。
由于水质安全性不容易定量的进行评价，正常时和损坏时用水量会发生变化，二级泵房的运行和流量分配等有不同方案，所有这些因素都难以用数学式表达。
因此，管网技术经济计算主要是在考虑各种设计目标的前提下求出一定设计年限内管网建造费用和管理费用之和为最小时的管段直径或水头损失，也就是求出经济管径或经济水头损失。
2 数学优化模型2.1 压力流单水源环状网的优化设计数学模型起点水压未给的管网需要供水动力费用，而动力费用随泵站的流量和扬程而定，扬程则决定于控制点要求的最小服务水头，以及输水管和管网的水头损失等。
水头损失又和管段长度、管径、流量有关。
所以，管径由管网的建造费用和管理费用之和为最低的条件确定，这时目标函数为:该数学模型是以经济性为目标函数，将其余条件作为约束条件(水力约束和可靠性约束)。
由于水质的可靠性指标难以量化，故未考虑水质的约束条件，同样由于可靠性指标的度量问题，水压的约束也仅仅是要求水源泵站扬程必须满足控制点的水压要求，只要控制点的压力在最高用水时可以达到最小服务水头，整个管网就不会存在低压区。
此外，也要考虑管径的范围约束，以保证管网的水量和水压。
2.2 多水源环状网的优化设计数学模型多水源管网供水安全，可以节省造价和电能。
其优化设计计算原理与单水源时相同，目标函数为:该数学模型与上述系统不同的是，每一水源的供水量，随着供水区用水量、水源的水压以及管网中的水头损失而变化，从而存在各水源之间的流量分配问题，即要考虑到水源的水量约束条件。
第四章-给水排水管网模型
Q4
q8,h8 Q5
q9,h9 Q6
任意设定，不一定等于管段中水流的流向。实际流 向与设定方向不一致，用负值表示。
（3）节点流量方向的设定 流出节点为正，流入为负值。
管网节点数N和管段数M的关系
两大类管网：树状网和环状网 ▪ 树状网：M=N-1 ▪ 环状网：M=L+N-1（L为内环数）
（7）
Q7
[1]
管网模型的标识
（7）
Q7
[1]
（1）节点和管段编号 q1,h1 （1） [2] （2） [3]
节点（1）,（2）…
Q1
q2,h2 Q2
q3,h3
管段[1],[2]…
[5] q5,h5
[9]
（8） [4]
（3） q4,h4Q8 Q3 [7] q7,h7
（6）
（2）管段方向的设定
简化原则：宏观等效原则；最小误差原则。
简化方法： 1）删除次要管线，保留主管线； 2）交叉点近可合并为同一交叉点； 3）将全开阀门去掉，将管线从全闭阀门处切断； 4）采用水力等效原则将不同管材和规格等效为单一
管材和规格； 5）并联管线可简化为单管线； 6）大系统可拆分为多个小系统。
附属设施简化： 1）删除不影响全局水力特性的设施； 2）将同一处的多个相同设施合并。
▪ 节点：管线交叉点、端点或大流量出入点的抽象形 式。水的能量唯一，但有流量的输入或输出。
管段和节点的属性
管段属性
▪ 构造属性：管长、直径、粗糙系数。 ▪ 拓扑属性：管段方向、起点、终点。 ▪ 水力属性：流量、流速、扬程、摩阻，压降。
节点属性
▪ 构造属性：高程、位置。 ▪ 拓扑属性：与节点关联的管段及其方向、节点的度； ▪ 水力属性：节点流量、节点水头、自由水头。
给水管网模型系统中供水流量的建模与优化
给水管网模型系统中供水流量的建模与优化在给水管网模型系统中，供水流量的建模与优化是一个关键的任务。
通过正确的建模和优化策略，可以有效提高供水系统的运行效率，提供可靠的供水服务。
首先，我们需要建立一个准确的供水流量模型。
供水流量是指供水管网中水流通过的速率，它取决于供水系统中的各个要素以及用户的需求。
为了建立可靠的模型，我们需要收集和分析系统的基本数据，包括供水管网的拓扑结构、管道的材质和尺寸、泵站的特性以及用户的用水情况等。
基于收集到的数据，我们可以使用数学模型来描述供水管网的行为。
常用的模型包括连续方程模型和离散方程模型。
连续方程模型利用流体力学原理，通过偏微分方程来描述供水管网中的水流变化。
离散方程模型则将管道网络离散化为节点和管段的网络结构，利用代数方程描述水流的传输过程。
在建立模型的基础上，我们可以进行供水流量的优化。
优化的目标是在满足用户需求的情况下，最大化供水系统的效率。
为了实现这一目标，我们可以采取以下几种策略。
首先，优化供水管网的拓扑结构。
通过改变管道的布局和连接方式，可以减少管道总长度，降低水流的阻力和泄漏，从而提高供水系统的效率。
拓扑优化可以使用图论和优化算法来实现。
其次，优化管道的尺寸和材质。
管道的尺寸和材质会直接影响水流的速度和阻力。
通过选择适当的管径和材质，可以降低水流的能耗和泄漏风险，提高供水系统的效率。
另外，优化泵站的运行策略也是提高供水系统效率的重要手段。
通过合理控制泵站的启停和流量调节，可以最大化泵站的效率，减少能耗和设备的磨损。
最后，通过智能化的监测和控制系统来实时优化供水流量也是一种有效的策略。
通过安装传感器和数据采集系统，可以实时监测供水系统的运行状态，并根据实际需求进行动态调整，提高供水系统的自适应性和响应能力。
综上所述，给水管网模型系统中供水流量的建模与优化是一个复杂而关键的任务。
通过正确建模和合理优化，可以提高供水系统的效率和可靠性，更好地满足用户的需求。
给水管网模型系统中供水压力的建模与优化
给水管网模型系统中供水压力的建模与优化可行性研究及优化探讨介绍随着城市化进程的不断加速，城市供水系统的规模和复杂性也在不断增长。
给水管网模型系统作为一个集供水、输水、分配和管理于一体的重要组成部分，对于确保供水压力稳定和高效运行至关重要。
本文将围绕给水管网模型系统中供水压力的建模及优化展开讨论，旨在提出有效的解决方案来改善供水压力问题。
一、供水压力建模在给水管网模型系统中，供水压力建模是实现高效供水的关键步骤。
为了准确地模拟管网的供水压力分布，我们需要首先收集并处理管网的拓扑结构、水源信息、管道参数等关键数据。
然后，通过建立管网的数学模型，使用求解算法来预测和计算供水压力的分布。
常用的供水压力建模方法有：管网拓扑法、传输线法、管网参数法等。
1.1 管网拓扑法管网拓扑法是一种较为简单且常用的建模方法。
它基于管道之间的连接关系，将整个管网拓扑结构划分为节点和连线构成的网络。
通过设定节点的压力值，利用节点和连线的关系方程来计算管道上的压力变化。
然而，由于仅考虑了管道的连接关系和水流方向，缺少对其他因素的综合考虑。
1.2 传输线法传输线法是一种基于水流动力学理论的建模方法。
它将管道视为一种传输线，根据水流的物理特性和运动规律，通过求解管道上的连续动力学方程，计算管道上的压力分布。
传输线法考虑了管网的力学特性和水流动力学规律，能够更准确地模拟供水压力的分布。
1.3 管网参数法管网参数法是一种基于统计分析和实测数据的建模方法。
它通过收集和分析实际运行的管网数据，建立经验模型来估算供水压力的分布。
管网参数法可以更好地适应不同管网的实际情况，但对数据的准确性和完整性要求较高。
二、供水压力优化供水压力优化是在供水管网模型系统中实现高效供水的重要任务之一。
通过优化供水压力，可以进一步改善供水系统的整体性能，提高供水效率和稳定性。
以下是一些常用的供水压力优化方法。
2.1 管道布局优化管道布局优化是通过优化管网的拓扑结构和布置方式，来改善供水压力分布的方法。
4 给水排水管网模型
之间画上直线段或曲线段表示管段，所构成
的图形表示一个管网图。(2) [2] (3)
(2)
只要线段所联系的点不 [1]
[3] (1)
(3)
变，改变点的位置或改
变线段的长度与形状等，(1) [4] (4)
(4)
均不改变管网图。如图， 图A
图B
A、B两图都表示同一个管网图，因为它们 的节点与管段的关联关系不变。
以图4.2所示的管网模型为例，经过标识的管网
模型如图4.3所示。
(7)水塔
(3) [3] (4) [4] (5) [5] [6]
(6)
[2]
[7]
[8]
[9]
(1) 泵站 [1] (2) [10] (8) [11] (9) [12] (10)
[13]
[14] [15]
[16]
(11) [17] (12) [18] (13) [19] (14)
节点vi,vj称为这管段ek的端点，称管段 ek=(vi,vj) 与节点vi,vj相互关联，称节点vi与 vj为相邻节点。
以图4.5为例，该管网图的集合表示G(V,E) ，节 点集合为:
V={1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12} 而管段集合为:
E={(1,2),(2,3),(3,4),(4,5),(5,6),(6,7),(8,3),(9,10),
G的连通分支数记为P，显然，对于连通图G，
P=1。如图4.6所示为非连通图（P74），且
P=3。
15
2
6
48
37
图4.6 非连通图
显然，管网图一般都是连通图，但有时为了进 行特性分析处理，可能从管网图中删除一些管 段，使管网成为非连通图。以图4.5所示管网图 为例，若删除任意一条管段，该管网图就不再 连通。
给水管网模型知识点
给水管网模型知识点一、引言给水管网是城市水务系统中至关重要的组成部分，它负责供水管道的布局、水流传输、消防安全等重要功能。
为了更好地设计和管理给水管网，需要建立相应的模型来模拟和预测水流行为。
本文将介绍给水管网模型的相关知识点，包括模型类型、模型要素和模型应用等。
二、给水管网模型类型1. 简化模型简化模型是给水管网模型中最基本的形式，它通常使用几何图形来代表管道和节点，并将流量和压力等参数简化为一维变量。
简化模型的优点是计算速度快，适用于较小规模的管网系统。
然而，由于其对网络复杂性的简化，精度相对较低。
2. 节点分析模型节点分析模型是一种基于节点的方法，通过将管路系统中每个节点看作一个独立的元素，以节点为中心进行分析。
该模型考虑到了管道的流量平衡、流向和压力损失等因素，能够提供较为准确的结果。
然而，节点分析模型无法考虑管线之间的相互作用，对于大规模管网系统的分析存在一定的局限性。
3. 辐射模型辐射模型是一种以出水口或泵站为中心，向四周辐射出管道的模型。
通过模拟给水管网中的水流扩散过程，辐射模型能够更准确地预测管道的压力和流量分布情况。
该模型适用于具有较复杂供水结构的大型管网系统。
4. 落差模型落差模型是一种基于垂直高差的模型，通过考虑管道的高度差来模拟水流的压力变化。
该模型适用于山区地区或存在高差巨大的供水系统。
落差模型能够更精确地预测管道的水力特性，但对于水平管道的分析相对较弱。
三、给水管网模型要素1. 管道参数管道参数是给水管网模型中非常重要的要素，包括管道的直径、长度、材质和摩阻系数等。
这些参数直接影响水流的阻力和压力损失，对于模型的准确性至关重要。
2. 边界条件边界条件是指给水管网模型中确定的边界情况，比如供水压力、出水口位置和流量等。
正确设置边界条件可以更准确地模拟实际情况，并对管道网络进行优化和调整。
3. 节点属性节点属性是给水管网模型中的节点信息，包括节点的水力特性、水质状况和消防需求等。
给排水系统的管网设计与优化方法
给排水系统的管网设计与优化方法给排水系统是建筑物中不可或缺的基础设施之一，它的设计与优化直接关系到建筑物的安全运行和环境保护。
在管网设计与优化中，需要考虑的因素包括水质、流量、水力特性以及排水效率等。
本文将介绍给排水系统的管网设计与优化方法，以提高系统的工作效率和节能减排。
一、管网设计1. 确定水质要求：根据工程的需要，确定给排水系统所需处理的水质要求，包括饮用水、工业用水等。
根据水质要求选择管材，以保证水质的安全和稳定。
2. 流量计算：根据建筑物的类型和功能，计算出给排水系统的水流量。
通过考虑每个设备、每个房间和每根管道的水流量来确定整体的管径设计，确保管网可以满足最大流量的要求。
3. 管径设计：根据流量计算结果，选择合适的管径。
通常情况下，较大的水流量需要更大的管径，而较小的水流量则可以选择较小的管径。
合理的管径设计可以降低系统的阻力，增加运行效率。
4. 布置方式：根据建筑物的布局和使用要求，合理安排给排水设备的布置，以便于设备之间的联通和使用。
注意给排水设备的位置，避免堵塞、滞流等问题。
5. 止回阀和排气阀的设置：在管网设计中，要合理设置止回阀和排气阀，以防止倒流和空气堆积。
这样可以确保系统的稳定工作和排水效率。
二、管网优化1. 降低系统阻力：通过合理的布置和优化管径设计，降低管网的阻力，减少能源损失。
可以采用降低管道长度、增加流体截面积等方法来减小管网的流阻。
2. 节能减排：在给排水系统中，运行泵站需要消耗大量的能源。
通过优化泵站的设计和控制策略，可以降低能耗和二氧化碳排放。
使用变频技术、平衡供水、减少压力损失等方法可以实现节能减排的目标。
3. 应用智能控制技术：利用现代智能控制技术，对给排水系统进行实时监测和控制，可以提高系统的运行效率和稳定性。
通过在线监测流量、压力等参数，及时调整管道的流量分配和泵站的运行状态，实现系统的优化控制。
4. 管网水力模拟：利用水力模拟软件，对给排水系统进行模拟分析，寻找系统中的瓶颈和问题，并提出相应的优化方案。
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给水管网优化设计模型简述
中图分类号：tu2文献标识码：a
输配水管道系统作为城市给水系统中的重要组成部分，承担着将水资源安全、可靠的输送至各类用户，同时保证输配水管网内输水量、水压的稳定。
因此对给水管网系统设计进行深度优化研究，有助于提高城市给水管网系统的供水可靠性，降低供水能耗，节约管网系统的建设和运行成本。
给水管网优化设计模型是进行管网优化设计的基础，给水管网的任务是向用户按质按量供水,因此,给水管网优化设计模型必须能真实地反映管网特征和正常的供水要求。
给水管网的设计必须满足三个条件:
一是水力条件(即节点方程和环方程；
二是可靠性(即用户对流量和水压的要求)；
三是经济性(费用最省)。
由于经济性以外的其他因素较难定量评价,因此优化设计的数学模型常以经济性为目标函数,将其余的作为约束条件,据此建立目标函数和约束条件表达式,以求出最优的管径和水头损失。
给水管网优化设计问题包含了水源、管线和泵站等组成部分。
为了充分发挥整个系统的功能,优化设计模型一般以年折算费用值最小为目标函数,在水力与可靠性等约束条件下,求出送水泵站的最优流量分配及扬程、最优管径。
这些约束条件可表达为:
l)水力约束:满足节点流量方程和能量方程。
2)节点压力和节点流量必须满足用户的需求。
3)管段流速和管径也要满足约束条件:
vmin<v<vmax
dmin<d<dmax
优化模型不但要包括费用因素,而且要能包括管网的水力平衡条件和用户对水质、水量的要求，优化设计模型均与一定的求解方法相应,与当时的数学发展水平是密切相关的最早的管网优化设计模型是莫什宁及罗巴乔夫建立的适用于环状管网的优化模型。
该模型以管网建造费及运行费之和作为目标函数,以水力平衡关系为约束条件。
对实际管网而言,它显得过于简单,难以应用到实际工程中去,但该模型具有开创性的意义在于它首次在管网设计中引入经济观点,并巧妙地利用“资金偿还期”和“总经营费用”的概念将两种性质不相容、难以比较的费用联系起来,使管网的优化设计成为可能。
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goulter( 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, row ell 和barnes 用两阶段法来确定管网布置及管道尺寸。
之后, bhave 和larn对lpg 法中的变量进行了研究。
morgan 和goulter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eig er 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。
goulter 和coals 提出了两种定量法来评估管网可靠性。
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 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提出使用monte carlo 来模拟测量系统可靠性。
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。
kevine e. lansry 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。
p. v.n iranjan reddy 和k. sridharan、p. v. rao 研究出了基于gauss- new ton 最小化技术的最小平方权重法(wls) 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。
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