随着经济和社会的发展，我国的水资源逐年减少而环境日趋恶化。化工行业是水资源消耗的大户同时也是产生废水的主要来源，其水分配网络设计的合理与否直接决定着企业用水成本和对环境污染程度的高低。因此，化工过程水分配网络的优化与设计具有十分重要的意义和价值。本文在分析水分配网络研究现状和发展趋势的基础上，对用水网络和废水处理网络以及二者同步优化设计进行了研究，以期对化工行业的节水减排提供一些帮助。本文主要作了如下几个方面的工作： 首先，本文以水源-水阱匹配关系作为约束条件，建立用水网络的混合整数线性规划模型。通过逐步调整水源-水阱匹配关系矩阵[Zi,j]，把混合整数规划问题转化成多步的线性规划问题。在最小新鲜水用量相同的条件下，设计出水源-水阱匹配关系数少，流程结构简单、投资成本少的用水网络。应用两个实例说明了本文方法的有效性。 再次，水分配网络的分步设计不能全面考虑用水网络和废水处理网络之间的相互作用，而同步设计能够更多地减少新鲜水用量、废水排放量和处理费用。本文在研究水分配网络分步设计的基础上，对同步设计方法进行了探讨。先确立一个包括所有可能方案的水分配网络同步设计超结构，然后以总费用最小为优化目标建立数学优化模型，再利用列队竞争算法进行求解。最后，与分步设计的结果比较说明所用方法的有效性。 最后，对于水分配网络同步设计中所形成的非凸非线性规划问题，本文提出了利用列队竞争算法求解的策略。它克服了常规算法找不到可行解而收敛困难或容易陷入局部解的局限性，在进化过程中始终保持着独立并行进化的家族，通过家族内部的生存竞争和家族间的地位竞争这两种不同的竞争方式，使群体快速进化到最优或接近最优的区域。非凸非线性规划测试函数和实例结果表明列队竞争算法算法具有很好的收敛速度和以更大概率找到全局最优解的能力。