城镇污水管道工程是事关社会民生的重点工程,也是关系到国家经济和社会可持续发展的城镇重要基础设施之一。将城镇污水即时、安全、通畅地收集、输送至污水处理设施,经净化处理后达标排放至承泄区,从优化设计源头上,控制并降低污水管道工程系统投资成本与运行成本具有重要的现实意义。由于城镇污水管道工程系统其管网线路较长,管网分布范围广,污水输送主管流量大,加压泵站和污水处理厂布局受环境影响较大,是一项复杂的系统工程;加上整个污水收集、输送、处理和再生水回用项目建设成本和运行成本较高,因此,如何科学和合理地利用有限的资金,综合考虑污水加压泵站、污水处理厂规划布局、再生水回用加压泵站与管网工程优化,实现污水管道工程系统基础设施投资效益的最优化,已成为投资者关注的焦点问题,也是科研工作者需要面临的一个重要研究课题。论文以城镇污水管道工程系统优化设计为研究对象,在认真学习并总结了国内外有关污水管道工程系统工程优化理论成果的基础上,利用大系统分解-聚合、正交试验选优等方法,对城镇污水管道工程系统优化问题开展了全面研究,建立一系列优化数学模型,提出了相应的求解方法,主要研究内容和研究成果如下:(1)针对城镇污水收集支、干管管网工程优化设计问题,在其管道铺设型式、材质、布局、长度已定情况下,建立了城镇污水收集支、干管管网工程优化设计非线性数学模型,提出了大系统分解-动态规划聚合求解方法,为非满流重力式管网工程管径优化设计问题的研究提供了参考。(2)针对城镇污水收集支、干、主管管网工程优化设计问题,在其管网工程管道铺设型式、材质、布局、长度已定情况下,建立了管段首末允许水头损失已定城镇污水收集支、干、主管管网工程优化设计数学模型,提出了大系统二级分解-动态规划聚合求解方法,该方法的应用研究为进一步丰富和发展大系统优化理论具有十分重要的现实意义。(3)针对城镇污水输送管网工程系统优化设计问题,建立了污水输送有(无)压管网工程系统优化设计非线性数学模型,提出了污水输送加压管网工程泵站设计扬程离散枚举-管径一维动态规划优化求解方法,和污水输送无压管网工程一维动态规划求解方法,通过对有压、无压输送方案进行比选,确定最终设计方案,为城镇污水输送管网工程系统优化设计探索了一条新方法。(4)针对加压泵站布局待定的污水输送有压管网工程系统优化设计问题,建立了加压泵站与管网工程系统优化设计非线性数学模型,提出了大系统试验选优-子系统动态规划求解方法。该方法可解决各加压泵站规模和对应管网工程各分管段管径优化问题,若加压泵站设置0设计扬程水平,还可解决加压泵站个数与位置最优化问题。该方法可为城镇排水管网工程与排水泵站系统规划优化提供一种新途径。(5)针对城镇污水处理厂布局与泵站管网工程系统优化设计问题,建立了污水处理厂与泵站管网工程系统优化设计复杂非线性数学模型,提出了大系统二级试验选优-子系统动态规划求解方法,该方法可解决污水处理厂布局(即污水处理厂个数与位置)和各污水泵站设计扬程优化问题,以及对应管网工程各分管段管径优化问题,可为城镇污水处理厂规划布局优化方法的理论研究提供参考。(6)针对再生水回用输水管网工程系统优化设计问题,建立了加压泵站与输水管网工程优化设计复杂非线性数学模型,提出了加压泵站设计扬程枚举和管径大系统分解-动态规划聚合求解方法,通过对加压泵站不同设计扬程进行方案比选,可解决加压泵站设计扬程和输水管网工程管径最优问题,对城镇供水管网工程及加压泵站的优化设计问题提供了理论参考。论文通过案例分析对建立的数学模型和提出的求解方法进行了合理性验证,从而形成了 一套全面的城镇污水管道工程系统工程优化设计方法和优化理论体系,为城镇雨水排水工程和城镇饮水供水工程优化设计提供了理论参考。