[发明专利]一种针对复杂雨水管网的快速多目标工程优化设计方法

说明书

本发明提供一种针对复杂雨水管网的快速多目标工程优化设计方法，包括：选定暴雨强度公式及其参数，给定暴雨重现期，选取典型降雨过程曲线；建立雨水管网水力模型，并将降雨过程曲线导入模型中的降雨模块；确定充满度解集；计算雨水管网的管径，调整计算管径，确定雨水管网初始优化设计方案集，建立雨水管网多目标优化模型，启动优化算法，以快速获得雨水管网帕累托优化解集。本发明具有原创性，是对雨水管网优化设计研究领域的一个重要补充，可为城市内涝防控和海绵城市建设提供了重要的技术支撑，因此具有很好的推广和实际工程应用价值。

技术领域

本发明涉及市政工程和城市雨水管网领域。

背景技术

近年来，全国多处城市出现内涝现象，导致城市交通瘫痪、电力供应中断等问题，给人民日常生产和社会经济造成巨大影响。造成城市内涝的因素很多，如气候变化、城市化下垫面硬化、下游水位顶托等。雨水管网的不合理设计也是城市内涝的一个重要因素，如雨水管道设计标准偏低，往往不能在有效时间内将雨水排出，造成城市内涝灾害。因此，雨水管网的合理设计对于城市内涝的有效防控具有重要意义。

针对雨水管网设计问题，国内工程界普遍采用推理公式法，并基于管道满管流设计，虽然该方法具有简单方便的优点，但未考虑真实降雨过程，导致所设计的管网往往不能满足预定的重现期排水目标。这个问题在气候变化背景下变的更加突出，这是因为暴雨峰值在气候变化驱动下呈现显著上升的趋势。为解决这个问题，有专家学者提出了雨水管网的多目标优化，即在雨水管网设计中不仅考虑经济性目标，也要考虑基于降雨过程曲线的设计充满度优化目标。管网设计的充满度越低，其应对气候变化导致的暴雨不确定性能力越强，城市内涝风险越小，但其管网造价越高，这就需要设计者在多目标优化中根据实际情况选出最合理的设计方案。

尽管多目标优化已开始在城市雨水管网设计中尝试应用，但其普遍存在优化效率低下的问题，尤其是在解决大型复杂雨水管网的设计问题时，优化效率已经是一个重要的瓶颈问题。这是因为考虑降雨过程线需要反复的调用雨水管网水力模型进行目标函数计算，导致优化效率低下。例如，使用智能算法对某城市局部地区雨水管网进行优化设计，该雨水管网包含102个节点、102根管道和1个排水口。如用计算机(2.9GHz Dell PC(InterR))基于SWMM排水管网水力模型迭代100000次目标函数(即调用100000次雨水管网水力模型)，每次运行需要7秒钟，则总共需要194.4小时(约8天)，如此低效的优化计算使算法很难进行实际应用。由此可见，如何提高复杂雨水管网多目标优化设计效率，已成为排水研究领域的关键科学瓶颈问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：提供一种针对复杂雨水管网的快速多目标工程优化设计方法，该方法结合推理公式法和过程优化法，可大幅度提高优化求解效率。本方法的核心技术方案如下：

(1)根据雨水管网所在地区选定其对应的暴雨强度公式及其参数，依据雨水管网设计要求给定暴雨重现期P，并从降雨历史记录数据选取与之相对应的典型降雨过程曲线。

(2)建立雨水管网水力模型，并将步骤(1)中的降雨过程曲线导入该模型中的降雨模块。

(3)确定充满度解集E，可表达如下:

E＝[e₁,e₂,...,e_n]^T 式1

式中，e_i为管道设计充满度，取值范围为0.60～1.00，i＝1,2,…,n，表示n个不同的设计充满度。

(4)根据步骤(1)的推理公式参数及确定的管网布局，可计算管道设计流量Q，进而通过管道非满流水力计算公式，为每一个设定的充满度e_i计算雨水管网中每一根管道的管径d_k(e_i),k＝1,2,…,K(K为雨水管道总数)，结果可用公式表达如下：