输配水管网系统是城市重要的基础设施,承担着将自来水按质保量的从净水厂安全输配给用户的任务,其可靠性研究对于保证城市供水安全性、可靠性及服务水平有积极而又重要的意义。本文在总结分析国内外管网可靠性研究成果的基础上,利用系统工程、图论和优化算法理论,综合考虑影响可靠性的各种因素和不确定性来源,深入地研究了管网可靠性的评估方法及其在管网优化设计中的应用,为管网的设计及运行提供了理论依据和决策支持。首先,根据管网水力学基础理论,利用节点实际可利用流量与压力之间的关系式,基于EPANET水力计算引擎,提出了一种用于事故状态下的管网水力分析的方法。为了对事故状态下的管网进行拓扑结构分析,基于图论中的深度优先搜索算法,提出了一套新的关阀搜索和事故影响区域判定的算法,为探索阀门对可靠性的影响奠定了坚实的理论基础。其次,针对现有研究中普遍存在的忽视阀门数量和泵站适应性控制等影响因素的问题,从复杂系统可靠性的基础理论出发,考虑到影响系统可靠性的各种因素和不确定性来源,分别建立了基于最小割集法和蒙特卡罗法的管网可靠度计算模型,并将其用于中型管网的可靠性评估。算例的结果证实了阀门数量和泵站适应性控制对于可靠性有显著影响。再次,以流量熵作为水在管网流动不确定性的度量,间接表征系统的可靠性,建立了管网可靠性熵值代理模型;从能量角度出发,将系统克服或消减事故造成影响的能力量化为可恢复性指数,建立可恢复性指数代理模型。将两种模型应用于算例管网的可靠性分析中,结果验证了流量熵、可恢复性指数两种代理指标与系统可靠性存在正相关关系,同时也证明了两种代理模型的高效性和易用性。最后,首次将管径和阀门的位置作为决策变量,建立了以管网投资和运行费用最小、系统可靠度最大为目标的管网多目标优化设计模型。通过引入Pareto外部档案存储策略并借鉴NSGA-II的非劣和拥挤距离排序方法,将单目标的混合蛙跳算法扩展至多目标,并应用于管网多目标优化设计模型的求解。通过中国北方某开发区管网优化设计的应用实例,证明了多目标优化设计模型的可行性和混合蛙跳算法的高效性。