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排水系统是现代化城市不可缺少的重要基础设施，也是城市水污染防治和城市排渍防
涝、防洪的骨干工程。如果把给水工程称为城市“动脉”的话，那么排水工程就是城市的
“静脉”。很难设想，现代文明城市能够离开排水工程而独立存在。在排水工程的建设中，
雨水和污水管道系统投资占整个排水系统总投资的70％左右。因此，在满足规定的各种技
术条件下，尽量降低管道系统的基建费用是工程设计中的一个重要课题。
通过对排水管道系统的水力特性和费用函数的分析，结合《室外排水设计规范TJ14-
87》及《给水排水工程设计手册》中对排水管道系统设计的规定和要求，吸收了以往优化
设计计算方法的优点，首次以城市排水管道系统规划的基本思想为依据，从暴雨强度公式
和排水管道费用函数参数推求，到已定管线下的雨污分流制管道系统、合流制排水管渠系
统的优化设计，以及排水管道系统的平面优化布置，分别应用进化算法计算，形成了一个
完整的排水管道系统优化设计计算体系。
在对以往采用的计算方法和已有研究成果论述的基础上，总结出排水管道系统优化设
计计算中应注意的六大问题：(1)管段直径的不连续性；(2)计算模型的非线性特征；(3)
优化时间长和内存占用量大；(4)管段设计参数不满足“无后效性”：(5)人为干预的程度；
(6)平面优化布置中的可选管段变权问题等。
进化算法是基于自然界生物体通过自身的演化就能适应于特定生存环境的进化思想发
展起来的一类随机搜索算法的统称。遗传算法、进化规划和进化策略是彼此独立发展起来
的三种典型进化算法，这三种算法均具有不限制寻优函数形式和善于处理大规模复杂问题
的优点，都特别适用于求解组合优化问题。
暴雨强度公式是雨水管渠设计的重要基础公式，排水管道费用函数一般是进行优化设
计的目标函数。从数学表达形式上看，它们都是非线性函数，对这两个公式的地方参数选
用是否适当，将直接影响到排水管道设计计算的可靠性。用遗传算法对其参数推求，具有
简单、易于操作和使用灵活、通用的特性，可实现全局寻优的效果。
已定管线下的排水管道系统优化设计计算是一个典型的组合优化问题，本文引入可行
管径集的概念，直接利用标准管径，应用遗传算法求解，在优化设计计算中注重整个系统
中各管段间的协调和总体目标，合理地解决了已定管线下优化设计计算的五个问题，为进
一步解决排水管道平面优化布置提供了必要的条件。
排水管道平面优化布置仍然可以看作是一个组合优化问题，在各个排水点确定后，其
间管段的连接方式和水流方向的不同形成了各种不同的平面布置方案。基于图论中的树与
图的理论，以各可选管段作为优化变量，应用树发育算法，产生随机可行设计方案。各可
行方案的工程造价由遗传算法求得。进而应用进化策略，找出最优平面布置方案，从而解
决了可选管段变权问题。
另外，本文运用系统观点描述了排水管道系统的目的性、集合性、关联性、阶层性、
整体性和环境适应性；解决了排水管道平面可行布置方案总数的计算问题；首次应用虚节
点概念讨论了多出水口管网的优化设计计算。
应用5个典型算例进行了考核和评价，计算结果节约工程投资，完全满足设计规范要
求。充分说明了遗传算法和进化策略这两种进化算法解决排水管道优化设计计算的合理性、
可靠性和有效性。
关键词：排水管道系统，进化算法，遗传算法，进化策略，优化设计，费用函数，暴雨强度公式