[发明专利]一种提高雨水管网设计方案适用性的工程优化方法

说明书

本发明公开了一种提高雨水管网设计方案适用性的工程优化方法，包括以下步骤：建立雨水管网模型；确定雨水管网初始方案；根据雨水管网初始方案，应用公式为每一根管道建立概率密度函数；确定每一根管道的初始管径分布概率；建立雨水管网拓扑关系矩阵，并按照上下游关系对管道进行编号；基于初始管径分布概率，为蚁群算法产生初始种群，选取典型降雨过程曲线，建立雨水管网单目标优化算法模型，设置总迭代代数G，启动蚁群算法；在蚁群算法种群迭代更新过程中，按照管道编号顺序从上游到下游为每一根管道进行优化迭代。本发明能够确保生成的每个设计方案都满足工程要求，提高优化方法的工程适用性。

技术领域

本发明涉及市政工程和城市雨水管网领域，具体涉及一种提高雨水管网设计方案适用性的工程优化方法。

背景技术

近年来，全国多处城市频繁发生内涝灾害，导致城市交通瘫痪和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。相关统计数据显示，2010-2016年，我国平均每年有185座城市受到城市内涝的威胁。自2010年以来，5年中有4年洪涝灾害造成的经济损失超过1998年流域型大洪水。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。雨水管网设计不合理是内涝发生的一个重要原因，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，造成严重城市内涝灾害。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的意义。

目前城市复杂雨水管网的设计主要采用推理公式法，虽然该方法具有简单方便的优点，但这一设计方法未考虑降雨的过程曲线，使得设计方案不能完全满足实际需求。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。

近年来，智能算法越来越多地应用于雨水管网设计。相比于依靠工程经验的推理公式法，智能优化算法一般会结合雨水管网水力模型，并将降雨过程曲线考虑在内，使得设计方案更加合理。但是这些算法也存在诸多问题，其中一个突出问题是优化解的工程适用性差。比如说，在雨水管网实际工程设计中，下游管道管径不能小于其上游管径，但这个约束条件往往没有在智能优化算法中体现，导致最后的优化解中存在大量的上游管道管径比下游管道大的现象,这个问题在设计大型复杂雨水管网时，变得尤为突出。目前雨水管网优化设计研究领域主要侧重提高算法的效率，而针对优化解的工程适用性研究很少。例如，使用智能算法对某城市局部地区雨水管网(该雨水管网包含102个节点、102根管道和1个排水口)进行优化设计，发现最后的优化解中有20根管道不符合工程要求，占比约20％，因此，优化方案无法实际应用。由此可见，如何提高优化解的工程适用性，已成为雨水管网优化设计研究领域的关键科学问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种提高雨水管网设计方案适用性的工程优化方法。本发明能够确保生成的每个设计方案都满足工程要求，提高优化方法的工程适用性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种提高雨水管网设计方案适用性的工程优化方法，包括以下步骤：

(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，依据设计标准给定暴雨重现期P，选取典型降雨过程曲线，建立雨水管网水力模型；

(2)根据步骤(1)确定的暴雨强度公式和给定暴雨重现期P，采用推理公式法计算第k根管道的设计流量Q_k，进而通过管道满流水力公式计算雨水管网中第k根管道的管径d_k,k＝1,2,…,K,其中n为曼宁系数，I_k为第k根管道的坡度，由管网布局得到，K为雨水管道总数。由于计算出的管径值d_k为连续值，工程中可用的管径为离散值，确定与d_k最接近的工程管径，并替换该连续管径；

(3)根据步骤(2)所确定的雨水管网初始方案，应用如下公式为每一根管道建立概率密度函数