近年来我国的城市化发展迅猛,导致供排水行业中存在“重建设、轻管理”的现象,使得给水排水管网系统缺乏合理的规划设计和科学管理,系统长期处于低效运行状态,这不仅增加了企业的运行维护成本,也难以向用户提供满意的服务。此外,经济发展带来了严重的环境问题,可持续的给水排水管网系统问题未能引起人们的重视。因而本文引入了耐受度理论,建立了给水排水管网系统耐受度的评价指标,应用在给水排水管网系统的经济性、耐受度和可持续性的多目标优化问题中。本文指出给水管网在低压运行工况时,基于水量驱动的给水管网水力模型的计算偏差问题,开发了基于压力驱动需水量模型,与给水管网全局梯度(GGA)平差方法结合,改进了原有的EPANET程序,并增加了新的应用程序编程接口(API)。研究排水管网的动力波模型水力演算方法,扩展了排水管网计算引擎(SWMM)的应用程序编程接口。探讨了新型的元启发式优化算法,应用经典的NSGA-II算法和最近提出的BORG混合多目标优化算法,求解给水排水管网优化问题。通过耐受度的理论研究,提出了给水排水管网系统的耐受度概念。建立三个新的给水管网耐受度评价指标,即可用能量耐受度指标、管道水力耐受度指标、管径敏感型流量熵指标。在Hanoi基准测试给水管网上,分别建立成本-耐受度给水管网优化设计模型,得到以耐受度为目标的给水管网成本效益平衡关系。考虑节点需水量波动和爆管发生的不确定性,需水量波动不确定性根据拉丁超立方采样方法定量分析,爆管不确定性依据概率方法,遍历所有管道失效的可能组合,构建基于不确定性扰动的耐受度指标评价框架,提出失效工况数、失效节点数和失效程度三个评价指数,分析比较不同耐受度指标的抗扰动能力。结果表明,可用能量耐受度指标和管道水力耐受度指标的抗扰动能力较强,管径敏感型流量熵指标较差,并且它的目标空间比较复杂,需要更多的进化代数才能达到收敛。将耐受度的概念引入到排水管网中,利用排水管道富余的输水能力,建立了排水管网耐受度的评价函数,开发成本-耐受度排水管网优化设计模型,优化排水管道的尺寸与坡度,在FSS基准测试管网上进行实验,得到了成本与耐受度的平衡关系。排水管网系统的不确定性主要从污水量变化方面来讨论,分析污水量变化可能服从的正态分布、均匀分布、对数正态分布和Weilbull分布四种概率密度函数,利用Chi-square拟合优度方法,考察经过排水管网水力演算后,污水量不确定性的传播情况,得出当污水量的不确定性服从正态分布、均匀分布和对数正态分布规律时,特征管道水深统计量的正态性比较好,Weibull分布的正态性较差。考察在不确定污水量的不同分布规律条件下,平均失效管道数、平均过载管道数、总溢流量、检查井平均水深、排水管网受影响程度、排水管网耐受度和成本之间的相关性,得出不确定性扰动越剧烈,管道的受影响程度越大,所有指标之间的相关性越显著。用相关性分析考察节点水量变化的协同性,得出节点水量的相关性越大,排水管道水深波动范围越大,但管道水深均值保持不变。引入实用优化的理念,提出了并行计算技术、建立优化模型的新思路和交互式扰动干预的手段,展开了给水排水管网优化运行工况评估的实际应用。采用消息传递(MPI)并行计算方法,对BORG优化算法进行了并行化处理,组成了分布式的计算集群;采用分解建模的思路,降低决策变量空间或目标空间的复杂度;增加交互式扰动干预策略。提出的三种实用优化技术都可以达到加速优化算法收敛和降低计算时间的目的。分别应用D-Town给水管网系统和W-Town排水管网系统做为实际研究案例,建立成本-耐受度-碳足迹的三目标优化工况评估模型,采用目标函数权重求和方法,从最优解集中选取管网配置方案,分析所得结果较为合理,证明目前的优化技术在小城镇规模的给水排水管网优化问题中实际应用的可行性。