優(yōu)化計算在排水管網(wǎng)課程設(shè)計教學(xué)中的實踐應(yīng)用

基金項目]2022年度教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“排水管道水力與水質(zhì)狀況數(shù)值模擬實驗”（220604697273926）

[作者簡介]（1972—），男，河北永年人，博士，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授，主要從事給水排水工程設(shè)計與運行最優(yōu)化研究；（1979—），男，浙江寧波人，博士，同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事環(huán)境規(guī)劃與管理研究。

[中圖分類號]G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A [文章編號]1674-9324（2025）31-0045-0

[收稿日期]2024-07-06

引言

排水管網(wǎng)課程設(shè)計是給排水科學(xué)與工程專業(yè)課程教學(xué)中的重要實踐性環(huán)節(jié)之一，其目的是使學(xué)生熟悉和掌握排水管網(wǎng)設(shè)計的原則、步驟和方法，加深對排水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、運行管理等專業(yè)理論知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生運用專業(yè)理論綜合分析和解決實際工程設(shè)計問題的能力，訓(xùn)練和提高學(xué)生在設(shè)計、計算、繪圖、查閱資料和實用設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范等方面的基本技能。

以往排水管網(wǎng)課程設(shè)計是按照常規(guī)教學(xué)要求布置任務(wù)的，包括污水管網(wǎng)設(shè)計和雨水管網(wǎng)設(shè)計兩部分。其中，污水管網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容為：劃分排水流域，進(jìn)行管道定線；根據(jù)設(shè)計人口數(shù)、污水量標(biāo)準(zhǔn)等計算污水設(shè)計流量；進(jìn)行污水管道水力計算，確定管道斷面尺寸、設(shè)計坡度、埋設(shè)深度等設(shè)計參數(shù)；繪制污水管道平面圖和剖面圖。雨水管網(wǎng)設(shè)計內(nèi)容為：進(jìn)行雨量分析；雨水管網(wǎng)總平面圖布置;進(jìn)行雨水管網(wǎng)流量與水力分析計算；繪制雨水管道平面圖和剖面圖。

給排水科學(xué)與工程專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)之一是學(xué)生能夠利用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具對給水排水工程復(fù)雜問題進(jìn)行分析、模擬和預(yù)測，并能夠理解其局限性[']。因此，根據(jù)該培養(yǎng)目標(biāo)要求，學(xué)校將其作為教學(xué)改革內(nèi)容的一部分，結(jié)合2023年開發(fā)的“污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer”，在以往課程設(shè)計任務(wù)的基礎(chǔ)上，在2023一2024學(xué)年第二學(xué)期的排水管網(wǎng)課程設(shè)計教學(xué)實踐中，添加了污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算部分，內(nèi)容為：熟悉TJSew-er程序用戶手冊；熟悉示例文件操作，了解輸入文件和報告文件內(nèi)容；輸入污水設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計算污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計方案；將優(yōu)化設(shè)計方案與手工設(shè)計方案進(jìn)行比較，書寫心得體會。

以下將分別介紹污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算方法、污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer和課程設(shè)計實踐效果。

一、污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算方法

污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計是在滿足規(guī)范要求的條件下，實現(xiàn)污水管網(wǎng)建設(shè)投資和運行費用最低。從數(shù)學(xué)上分析，基于費用函數(shù)的污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算模型是一個帶有整數(shù)約束的多階段組合優(yōu)化模型，常采用遺傳算法求解[2]。

計算過程中，學(xué)生首先根據(jù)管段流量，確定符合設(shè)計準(zhǔn)則的可行管徑集；然后在確定污水管道中各管段的可行管徑集的基礎(chǔ)上，把設(shè)計管段的可行管徑映射成遺傳算法中的編碼。通過對這些編碼進(jìn)行選擇、交叉和變異等遺傳操作，就可以應(yīng)用遺傳算法解決已定管線下污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算問題。

遺傳算法在排水管道系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用，注重整個系統(tǒng)各管段間的協(xié)調(diào)和總體目標(biāo)，可以解決已定管線下優(yōu)化設(shè)計計算中應(yīng)注意的四個問題。利用可行管徑集的概念，直接把標(biāo)準(zhǔn)管徑映射成遺傳算法的基因編碼，不存在對非標(biāo)準(zhǔn)管徑“圓整”的問題；一般在排水管道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計模型中，目標(biāo)函數(shù)和約束條件大多是非線性關(guān)系式。遺傳算法對于待尋優(yōu)函數(shù)基本無限制，既不要求函數(shù)連續(xù)，也不要求函數(shù)可微，適合目標(biāo)函數(shù)和約束條件大多是非線性模型的尋優(yōu)；遺傳算法在世代更替過程中，管段直徑所對應(yīng)的群體中各個個體上的基因編碼在發(fā)生變化，而整個群體所占用的計算機(jī)內(nèi)存保持不變，不會出現(xiàn)像動態(tài)規(guī)劃那樣隨問題復(fù)雜度增加而出現(xiàn)的“指數(shù)爆炸”，因此遺傳算法更適合于大規(guī)模復(fù)雜問題的優(yōu)化；對于各種設(shè)計方案的選擇，均由計算機(jī)完成，減少了人為干預(yù)。

二、污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSeWer簡介

根據(jù)污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算方法，研究人員開發(fā)了污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer，該程序用于新建或改擴(kuò)建城市污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算[3]TJSewer程序的水力計算能力包括：能夠處理無限制規(guī)模尺寸的管網(wǎng)（即對管段數(shù)、節(jié)點數(shù)的上限無要求）；可利用圓形斷面的管道進(jìn)行計算；使用恒定流方程求解。

TJSewer程序針對輸入過程、水量分析、水力求解、優(yōu)化計算和報告生成等環(huán)節(jié)，具備獨立的代碼模塊。分析管網(wǎng)的數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示。本流程圖描述的處理步驟總結(jié)如下。

1.輸入文件閱讀器模塊接收來自外部輸入文件（.INP）的被模擬污水管網(wǎng)的描述。文件的內(nèi)容被分析、解釋和保存在共享內(nèi)存區(qū)域。

2.水量分析器計算節(jié)點和管段的水量。

3.水力求解器進(jìn)行排水管網(wǎng)的水力分析，確定管段流速、檢查井標(biāo)高、管段埋深等。

4.優(yōu)化計算器利用遺傳算法進(jìn)行管徑、埋深優(yōu)化計算，將計算結(jié)果寫入格式化（二進(jìn)制）輸出文件（.OUT）。

5.如果需要，報告書寫器模塊從二進(jìn)制輸出文件（.OUT讀回計算結(jié)果，將所選數(shù)值寫入非格式化報告文件（.RPT）。運行過程中產(chǎn)生的錯誤和警告信息也將寫入該文件。

TJSewer程序可以在DOS視窗內(nèi)作為控制臺應(yīng)用程序，使用命令提示符方式運行。

三、課程設(shè)計和教學(xué)實踐情況

在本次排水管網(wǎng)課程設(shè)計中，污水管網(wǎng)服務(wù)面積為 5.92km² 。設(shè)計通過管道定線，劃分子匯水區(qū)約80個、節(jié)點約100個、管段約100條。學(xué)生在完成課程設(shè)計作業(yè)時，按照設(shè)計任務(wù)書要求，首先利用常規(guī)設(shè)計計算方法計算管段流量、節(jié)點標(biāo)高；其次采用優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer進(jìn)行一次計算；最后比較常規(guī)設(shè)計計算與優(yōu)化設(shè)計計算的結(jié)果，并總結(jié)心得體會。針對優(yōu)化設(shè)計計算程序應(yīng)用的心得體會總結(jié)如下。

1.整個課程設(shè)計計算過程涉及按照室外排水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求不斷調(diào)整管段參數(shù)，程序?qū)崿F(xiàn)了快速計算，提高了工作效率。

2.軟件帶有錯誤提示功能，便于檢查輸入數(shù)據(jù)錯誤。

3.計算結(jié)果更加經(jīng)濟(jì)合理。

4.除了進(jìn)行水力計算和埋深計算外，還增加了管網(wǎng)平均密度、平均坡度、平均管徑、單位管長平均造價等信息的統(tǒng)計。

5.該程序提供了更大的設(shè)計靈活性，學(xué)生認(rèn)識到單個管段設(shè)計參數(shù)的變化可能會影響整個系統(tǒng)的性能和成本。學(xué)生通過程序能夠輕松調(diào)整輸入?yún)?shù)，在短時間內(nèi)獲得多種設(shè)計方案的計算結(jié)果。

6.結(jié)果準(zhǔn)確，不存在人為計算錯誤。學(xué)生對優(yōu)化設(shè)計計算程序給予了肯定，認(rèn)識到信息技術(shù)的重要性，同時加深了對優(yōu)化計算基本內(nèi)涵的理解，認(rèn)識到工程成本是工程中必須考慮的問題。由于管道內(nèi)污水采用重力非滿管流輸送，與成本相關(guān)的因素體現(xiàn)在兩個方面：管徑和埋深。當(dāng)管段內(nèi)流量一定時，如果采用較小管徑，則意味著坡度較大，管道埋深會逐漸增大；當(dāng)采用較大管徑時，坡度可取較小值，使管道的埋深增大變緩。因此，為了降低污水管網(wǎng)投資成本，存在一個優(yōu)化計算過程。

學(xué)生掌握了優(yōu)化設(shè)計計算程序的使用方法和步驟。學(xué)生首先學(xué)習(xí)了TJsewer程序用戶手冊內(nèi)容，然后將管網(wǎng)基本設(shè)計信息輸入軟件中，如街坊信息、人口密度、污水定額、節(jié)點標(biāo)高、管段編號和長度等，使用命令提示符運行，很快得出了優(yōu)化設(shè)計計算成果。由于本程序的輸入、運行和輸出是按照給水排水管網(wǎng)常規(guī)軟件（如EPANET、SWMM）的通用方式處理的，本程序的學(xué)習(xí)也增進(jìn)了學(xué)生對這些常規(guī)軟件輸入文件格式、操作流程和結(jié)果分析的初步認(rèn)識[4]

學(xué)生通過比較手工計算結(jié)果和優(yōu)化程序計算結(jié)果，有助于增進(jìn)對排水管網(wǎng)設(shè)計計算理論的理解和認(rèn)識。例如：優(yōu)化方案中許多管段的設(shè)計充滿度接近該管段直徑所允許的最大設(shè)計充滿度，充分利用了管道的過流能力；優(yōu)化設(shè)計計算不是采用經(jīng)驗上的管段銜接方式（即上下游管段在相同直徑情況下采用水面平接，在不同直徑情況下采用管頂平接），而是根據(jù)下游管段起端的水平和管內(nèi)底都不得高于上游管段終端的水面和管內(nèi)底標(biāo)高來確定管道銜接方式。

結(jié)語

為落實“能夠利用現(xiàn)代工程工具和信息技術(shù)工具對給水排水工程復(fù)雜問題進(jìn)行分析、模擬和預(yù)測并能夠理解其局限性”的專業(yè)培養(yǎng)要求，本研究結(jié)合“污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer”，在排水管網(wǎng)課程設(shè)計中添加了污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算內(nèi)容。本研究在對污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算方法、污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSewer進(jìn)行介紹的基礎(chǔ)上，總結(jié)了課程設(shè)計中優(yōu)化計算在排水管網(wǎng)課程設(shè)計中的教學(xué)實踐情況，

通過教學(xué)實踐，學(xué)生認(rèn)識到信息技術(shù)的重要性，加深了對優(yōu)化計算基本內(nèi)涵的理解，掌握了優(yōu)化設(shè)計計算程序的使用方法和步驟，同時增進(jìn)了對排水管網(wǎng)設(shè)計計算理論的理解和認(rèn)識。本研究認(rèn)為在排水管網(wǎng)課程設(shè)計中采取手工計算與優(yōu)化計算相結(jié)合的方式有益于提高本課程的教學(xué)質(zhì)量。手工計算培養(yǎng)了學(xué)生的細(xì)心和耐心，有助于學(xué)生掌握專業(yè)知識、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生完成工程師應(yīng)具有的基本品質(zhì)，而優(yōu)化計算讓學(xué)生增加了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較方面的基本知識，同樣有助于管網(wǎng)計算結(jié)果的優(yōu)化和驗證。

在教學(xué)過程中，本研究也發(fā)現(xiàn)了TJSewer程序的一些不足，后續(xù)將對其進(jìn)行適當(dāng)修改和升級。例如不同直徑、不同埋深下的費用表是直接嵌入程序的，通用性較差，后續(xù)將把其作為用戶輸入數(shù)據(jù)集進(jìn)行修改。本文僅對污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算進(jìn)行了實踐，還需要進(jìn)一步開發(fā)雨水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序。

致謝

感謝同濟(jì)大學(xué)給排水科學(xué)與工程專業(yè)2021級學(xué)生在本次實踐教學(xué)改革中的參與與支持。

參考文獻(xiàn)

[1]高等學(xué)校給水排水工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會.高等學(xué)校給排水科學(xué)與工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：4.

[2]李樹平.城市水系統(tǒng)[M].2版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2024：152-156.

[3]李樹平.污水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計計算程序TJSEWER用戶手冊[M].1.0版.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，2023：1-5.

[4]李樹平.基于EPANET本地化的給水管網(wǎng)教學(xué)軟件開發(fā)[J].給水排水，2011，47（7）：161-164.

PracticeofOptimization Calculation in TeachingofDesignDrainageNetwork LI Shu-ping，LU Zhi-bo

（CollegeofEnvironmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 2ooo92，China）

Abstract： The course Design of Drainage Network is one of the important practical teaching links in the teaching of water supply and drainage scienceand engineering courses; One of the training objectives of the Water Supply and Drainage Science and Engineering major is to be able to use modern engineering tools and information technology tools to analyze，simulate，and predict complex problems in water supplyanddrainage enginering，and tounderstand their limitations.Onthe basis of previous course design tasks，the teaching research of this course has added the calculationcontent of sanitary sewer network optimization design.Firstly，the mathematical theory and programfor optimizing the design of sanitary sewer networks were introduced.Then，based on thestudents' experience in the course design，the effctivenessof this teaching practice was summarized， including deepening the understanding of the basic connotation of optimization calculation and mastering the usage methods and steps of optimization design calculation programs. It is believed that the combination of manual calculation and optimization calculation in the design of drainage network courses is beneficial for improving the teachingquality of this practical course.

Key words： drainage network; course design; optimization calculation