农村饮水安全集中式供水工程管网优化方法与应用研究

摘要

农村饮水安全工程是我国重大的民生工程，对于改善农村居民生活条件，确保农村饮用水安全，促进和谐社会建设具有重要意义。随着新农村建设的快速发展以及城镇化进程的不断加快，农村生态环境遭到破坏，水污染进一步加剧，发展农村供水、保障农村饮水安全已成为全面建设社会主义新农村的重要任务。供水管网是农村饮水安全工程的重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户并满足用户对水质、水量和水压要求的任务，供水管网的良好运行直接影响社会生产和人民生活的用水安全。因此，如何合理优化农村供水管网以确保农村供水工程可持续性运行、发挥工程最大效益是我们面临的一个重要的问题。 论文以农村饮水安全集中式供水管网优化为研究对象，在总结了国内外管网优化理论成果的基础上，针对输水管道系统、树状供水管网系统优化问题开展研究。论文主要研究内容和研究成果如下: (1)针对农村供水工程输水管道线路优化问题，在各管段线路方案对应投资已知的情况下，提出了带约束的漫游数学家管道线路优化数学模型。该模型以输水管道各管段线路方案为决策变量，以输水管道工程总投资最小为目标函数，以输水管道首末允许水头损失为约束条件。该优化模型和方法在一定程度上解决了农村饮水安全供水管网工程系统中分水口之间有多种路线选择的输水管道线路优化问题，为该类管道定性优化问题的研究提供了参考。 (2)针对农村供水工程输水管道管径优化问题，在输水管道型式、材质、走向、长度已知的情况下，提出了各管段允许水头损失已定的输水管道优化设计非线性数学模型。该模型以各输水管段分管段管径为决策变量，以输水管道工程总投资最小为目标函数，以输水管道首末允许水头损失、管段允许水头损失为约束条件，并采用大系统分解-动态规划聚合方法对该复杂非线性模型进行求解。该优化方法利用了动态规划的全局寻优能力，同时又保证了所获得的方案是具有标准管径的最优方案，对其它类型管道系统的优化设计具有一定的指导意义。 (3)针对农村供水工程输水管道线路与管径综合优化问题，提出了输水管道线路与管径综合优化的定性定量混合非线性数学模型。该模型以输水管道各管段线路方案和管径为决策变量，以输水管道工程总投资最小为目标函数，以输水管道首末允许水头损失、管段允许水头损失为约束条件，并采用定性变量各管段线路方案正交试验选优、定量变量管段直径大系统分解-动态规划聚合选优的综合优化方法对该定性定量非线性数学模型进行求解。该优化方法可以解决一些定性定量复杂非线性模型的优化问题，为其它定性定量复杂非线性系统的最优化方法研究提供了思路。 (4)针对农村供水工程泵站加压式输水管道优化设计问题，在重力式输水管道优化设计数学模型的基础上，提出了各管段允许水头损失已定的泵站加压式输水管道优化设计非线性数学模型。该模型以各输水管段分管段管径、水泵扬程为决策变量，以输水管道系统年折算费用最小为目标函数，以输水管道首末允许水头损失、管段允许水头损失为约束条件，并采用大系统分解-动态规划聚合方法对该复杂非线性模型进行求解。该优化方法对减小水管道系统建设投资费用、降低运行成本以及增加供水效益有明显的作用，为其他类型的管道优化设计问题提供了参考。 (5)针对农村供水工程重力式树状供水管网优化设计问题，在供水管网型式、材质、走向等已知的情况下，建立了各管段允许水头损失已定的重力式树状供水管网优化设计非线性数学模型。该模型以供水管网干、支管段各分管段管径为决策变量，以供水管网系统总投资最小为目标函数，并采用大系统二级分解-动态规划聚合方法对该复杂非线性问题进行求解。该优化方法获得了供水管网各管段管径优选方案，为重力式树状供水管网优化设计探索了一条新途径。 (6)针对农村供水工程泵站式树状供水管网优化设计问题，在重力式树状供水管网优化设计模型的基础上，提出了各管段允许水头损失已定的泵站加压式树状供水管网优化设计非线性数学模型。该模型以供水管网干、支管段各分管段管径和水泵扬程为决策变量，以供水管网系统年折算费用最小为目标函数，采用大系统二级分解-动态规划聚合方法对该复杂非线性问题进行求解。该优化方法获得了供水管网各管段管径优选方案及水泵最优扬程，对输气管网、输油管网工程等优化问题的决策具有一定的指导意义。 论文通过实例对模型和求解方法的合理性进行了验证，最终形成了一系列农村饮水安全集中式供水工程管网优化理论与方法，为农村饮水安全集中式供水工程优化设计提供了应用参考依据。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景

1．1．1 我国农村饮水安全现状

1．1．2 我国农村供水工程的特点

1．2 研究的意义

1．3 国内外研究进展

1．3．1 供水管网优化布置研究进展

1．3．2 供水管网优化设计研究进展

1．3．3 优化算法研究进展

1．4 存在的主要问题

1．5 主要研究内容及技术路线

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 主要技术路线

2 输水管道系统优化研究

2．1 基于漫游数学家模型的输水管道线路优化研究

2．1．1 问题的提出

2．1．2 传统漫游数学家管道线路优化模型的建立与求解

2．1．3 带约束的漫游数学家管道线路优化模型的建立与求解

2．1．4 算例分析

2．2 基于大系统分解-动态规划聚合方法的输水管道优化设计研究

2．2．1 问题的提出

2．2．2 数学模型的建立

2．2．3 大系统分解-动态规划聚合方法求解

2．2．4 算例分析

2．3 基于正交试验选优的输水管道线路与管径综合优化研究

2．3．1 问题的提出

2．3．2 数学模型的建立

2．3．3 线路方案正交试验选优与管道直径大系统分解-动态规划聚合选优的综合优化方法求解

2．3．4 算例分析

2．4 泵站加压式输水管道优化设计研究

2．4．1 问题的提出

2．4．2 数学模型的建立

2．4．3 数学模型的求解

2．4．4 算例分析

2．5 本章小结

3 树状供水管网系统优化研究

3．1 重力式树状供水管网优化设计研究

3．1．1 问题的提出

3．1．2 数学模型的建立

3．1．3 大系统二级分解-动态规划聚合方法求解

3．1．4 算例分析

3．2 泵站加压式树状供水管网优化设计研究

3．2．1 问题的提出

3．2．2 数学模型的建立

3．2．3 数学模型的求解

3．2．4 算例分析

3．3 本章小结

4 研究成果与展望

4．1 研究成果

4．2 主要创新点

4．3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研课题

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