污水管道为城市中重要的基础设施,但管道中的硫化氢、甲烷与一氧化碳等有害性气体严重影响污水管道的正常运行。搭建相关数学模型,计算管道中危害性气体的浓度,进而使相关工作者了解污水管道内危害性气体的浓度分布规律有重要的意义。目前相关模型的研究对象多为压力流污水管道,未考虑管道中的气液传质过程,不能预测重力流污水管道中危害性气体的浓度;另外,一氧化碳为管道中的一种常见的危害性气体,但目前的模型不能计算其浓度。本研究以重力流污水管道为研究对象,以管道内的生化反应与传质过程为基础,对管道内各物质组分进行物料衡算,建立可计算管道内硫化氢、甲烷与一氧化碳的综合模型—HGCD(Hazardous Gas Concentration Distribution)模型。选取某市一段长为4100 m的污水管道(案例管道1)并实测数据,校准与验证模型。改变管道的设计参数,进而改变管道的水力条件(水力停留时间与管道比表面积),利用经验证的HGCD模型计算不同水力条件下管道内危害性气体的浓度,分析管道的水力条件对危害性气体浓度的影响。污水管道的设计参数影响管道内硫化氢浓度,影响管道的腐蚀速率,进而影响管道的维护费用。本研究以污水管道内的硫化氢浓度为基础搭建管道的维护费用函数,并结合管道的建设费用函数构造管道总费用函数,搭建管道优化设计模型。选取遗传算法实现污水管道优化设计模型,并在遗传算法中耦合HGCD模型以计算管道沿线硫化氢浓度,进而得到管道的维护费用。选取某市一段长为1380 m的污水管道(案例管道2)进行案例研究,在管道沿线实测数据并进行HGCD模型的校准与验证,利用遗传算法优化案例管道的设计参数,降低管道总费用。本研究得出的主要结论如下:(1)HGCD模型计算值与案例管道1沿线实测值变化趋势一致,相关系数最高达0.99以上,模型的准确度较高。(2)水力停留时间与管道比表面积变化趋势相反,在两者变化的过程中,管道内危害性气体浓度先减小后增大。存在一个最优的(水力停留时间与管道比表面积)组合,使污水管道内危害性气体浓度最低。(3)利用污水管道优化设计模型设计案例管道2,经优化设计的管道的总费用比原管道的总费用降低了10%。