優化計算在排水管網課程設計教學中的實踐應用

基金項目]2022年度教育部產學合作協同育人項目“排水管道水力與水質狀況數值模擬實驗”（220604697273926）

[作者簡介]（1972—），男，河北永年人，博士，同濟大學環境科學與工程學院副教授，主要從事給水排水工程設計與運行最優化研究；（1979—），男，浙江寧波人，博士，同濟大學環境科學與工程學院教授，主要從事環境規劃與管理研究。

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

[收稿日期]2024-07-06

引言

排水管網課程設計是給排水科學與工程專業課程教學中的重要實踐性環節之一，其目的是使學生熟悉和掌握排水管網設計的原則、步驟和方法，加深對排水管網規劃設計、運行管理等專業理論知識的理解，培養學生運用專業理論綜合分析和解決實際工程設計問題的能力，訓練和提高學生在設計、計算、繪圖、查閱資料和實用設計手冊、設計規范等方面的基本技能。

以往排水管網課程設計是按照常規教學要求布置任務的，包括污水管網設計和雨水管網設計兩部分。其中，污水管網設計內容為：劃分排水流域，進行管道定線；根據設計人口數、污水量標準等計算污水設計流量；進行污水管道水力計算，確定管道斷面尺寸、設計坡度、埋設深度等設計參數；繪制污水管道平面圖和剖面圖。雨水管網設計內容為：進行雨量分析；雨水管網總平面圖布置;進行雨水管網流量與水力分析計算；繪制雨水管道平面圖和剖面圖。

給排水科學與工程專業培養目標之一是學生能夠利用現代工程工具和信息技術工具對給水排水工程復雜問題進行分析、模擬和預測，并能夠理解其局限性[']。因此，根據該培養目標要求，學校將其作為教學改革內容的一部分，結合2023年開發的“污水管網優化設計計算程序TJSewer”，在以往課程設計任務的基礎上，在2023一2024學年第二學期的排水管網課程設計教學實踐中，添加了污水管網優化設計計算部分，內容為：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容；輸入污水設計基礎數據，計算污水管網優化設計方案；將優化設計方案與手工設計方案進行比較，書寫心得體會。

以下將分別介紹污水管網優化設計計算方法、污水管網優化設計計算程序TJSewer和課程設計實踐效果。

一、污水管網優化設計計算方法

污水管網優化設計是在滿足規范要求的條件下，實現污水管網建設投資和運行費用最低。從數學上分析，基于費用函數的污水管網優化設計計算模型是一個帶有整數約束的多階段組合優化模型，常采用遺傳算法求解[2]。

計算過程中，學生首先根據管段流量，確定符合設計準則的可行管徑集；然后在確定污水管道中各管段的可行管徑集的基礎上，把設計管段的可行管徑映射成遺傳算法中的編碼。通過對這些編碼進行選擇、交叉和變異等遺傳操作，就可以應用遺傳算法解決已定管線下污水管網優化設計計算問題。

遺傳算法在排水管道系統優化設計中的應用，注重整個系統各管段間的協調和總體目標，可以解決已定管線下優化設計計算中應注意的四個問題。利用可行管徑集的概念，直接把標準管徑映射成遺傳算法的基因編碼，不存在對非標準管徑“圓整”的問題；一般在排水管道系統的優化設計模型中，目標函數和約束條件大多是非線性關系式。遺傳算法對于待尋優函數基本無限制，既不要求函數連續，也不要求函數可微，適合目標函數和約束條件大多是非線性模型的尋優；遺傳算法在世代更替過程中，管段直徑所對應的群體中各個個體上的基因編碼在發生變化，而整個群體所占用的計算機內存保持不變，不會出現像動態規劃那樣隨問題復雜度增加而出現的“指數爆炸”，因此遺傳算法更適合于大規模復雜問題的優化；對于各種設計方案的選擇，均由計算機完成，減少了人為干預。

二、污水管網優化設計計算程序TJSeWer簡介

根據污水管網優化設計計算方法，研究人員開發了污水管網優化設計計算程序TJSewer，該程序用于新建或改擴建城市污水管網優化設計計算[3]TJSewer程序的水力計算能力包括：能夠處理無限制規模尺寸的管網（即對管段數、節點數的上限無要求）；可利用圓形斷面的管道進行計算；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、優化計算和報告生成等環節，具備獨立的代碼模塊。分析管網的數據流程圖如圖1所示。本流程圖描述的處理步驟總結如下。

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

2.水量分析器計算節點和管段的水量。

3.水力求解器進行排水管網的水力分析，確定管段流速、檢查井標高、管段埋深等。

4.優化計算器利用遺傳算法進行管徑、埋深優化計算，將計算結果寫入格式化（二進制）輸出文件（.OUT）。

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

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

三、課程設計和教學實踐情況

在本次排水管網課程設計中，污水管網服務面積為 5.92km² 。設計通過管道定線，劃分子匯水區約80個、節點約100個、管段約100條。學生在完成課程設計作業時，按照設計任務書要求，首先利用常規設計計算方法計算管段流量、節點標高；其次采用優化設計計算程序TJSewer進行一次計算；最后比較常規設計計算與優化設計計算的結果，并總結心得體會。針對優化設計計算程序應用的心得體會總結如下。

1.整個課程設計計算過程涉及按照室外排水設計標準要求不斷調整管段參數，程序實現了快速計算，提高了工作效率。

2.軟件帶有錯誤提示功能，便于檢查輸入數據錯誤。

3.計算結果更加經濟合理。

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

5.該程序提供了更大的設計靈活性，學生認識到單個管段設計參數的變化可能會影響整個系統的性能和成本。學生通過程序能夠輕松調整輸入參數，在短時間內獲得多種設計方案的計算結果。

6.結果準確，不存在人為計算錯誤。學生對優化設計計算程序給予了肯定，認識到信息技術的重要性，同時加深了對優化計算基本內涵的理解，認識到工程成本是工程中必須考慮的問題。由于管道內污水采用重力非滿管流輸送，與成本相關的因素體現在兩個方面：管徑和埋深。當管段內流量一定時，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，為了降低污水管網投資成本，存在一個優化計算過程。

學生掌握了優化設計計算程序的使用方法和步驟。學生首先學習了TJsewer程序用戶手冊內容，然后將管網基本設計信息輸入軟件中，如街坊信息、人口密度、污水定額、節點標高、管段編號和長度等，使用命令提示符運行，很快得出了優化設計計算成果。由于本程序的輸入、運行和輸出是按照給水排水管網常規軟件（如EPANET、SWMM）的通用方式處理的，本程序的學習也增進了學生對這些常規軟件輸入文件格式、操作流程和結果分析的初步認識[4]

學生通過比較手工計算結果和優化程序計算結果，有助于增進對排水管網設計計算理論的理解和認識。例如：優化方案中許多管段的設計充滿度接近該管段直徑所允許的最大設計充滿度，充分利用了管道的過流能力；優化設計計算不是采用經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），而是根據下游管段起端的水平和管內底都不得高于上游管段終端的水面和管內底標高來確定管道銜接方式。

結語

為落實“能夠利用現代工程工具和信息技術工具對給水排水工程復雜問題進行分析、模擬和預測并能夠理解其局限性”的專業培養要求，本研究結合“污水管網優化設計計算程序TJSewer”，在排水管網課程設計中添加了污水管網優化設計計算內容。本研究在對污水管網優化設計計算方法、污水管網優化設計計算程序TJSewer進行介紹的基礎上，總結了課程設計中優化計算在排水管網課程設計中的教學實踐情況，

通過教學實踐，學生認識到信息技術的重要性，加深了對優化計算基本內涵的理解，掌握了優化設計計算程序的使用方法和步驟，同時增進了對排水管網設計計算理論的理解和認識。本研究認為在排水管網課程設計中采取手工計算與優化計算相結合的方式有益于提高本課程的教學質量。手工計算培養了學生的細心和耐心，有助于學生掌握專業知識、規范、標準，培養學生完成工程師應具有的基本品質，而優化計算讓學生增加了技術經濟比較方面的基本知識，同樣有助于管網計算結果的優化和驗證。

在教學過程中，本研究也發現了TJSewer程序的一些不足，后續將對其進行適當修改和升級。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，后續將把其作為用戶輸入數據集進行修改。本文僅對污水管網優化設計計算進行了實踐，還需要進一步開發雨水管網優化設計計算程序。

致謝

感謝同濟大學給排水科學與工程專業2021級學生在本次實踐教學改革中的參與與支持。

參考文獻

[1]高等學校給水排水工程學科專業指導委員會.高等學校給排水科學與工程本科指導性專業規范[M].北京：中國建筑工業出版社，2012：4.

[2]李樹平.城市水系統[M].2版.上海：同濟大學出版社，2024：152-156.

[3]李樹平.污水管網優化設計計算程序TJSEWER用戶手冊[M].1.0版.同濟大學環境科學與工程學院，2023：1-5.

[4]李樹平.基于EPANET本地化的給水管網教學軟件開發[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