城市給水管網優化設計探討

孟祥東

摘要：本文介紹了管網優化技術的發展歷程及趨勢，提出了城市給水管網優化設計的原則，探討了給水工程規劃設計及給水管網改造工程中管網優化設計工作的方法和步驟。

關鍵詞：城市給水管網；優化；原則；規劃設計；改造

中圖分類號：TU991.33 文獻標識碼：B 文章編號：1674-3954（2013）21-0138-02

1 引言

隨著社會經濟快速發展和城鎮化進程的加快，城市規模不斷擴大，建設經濟適用、安全可靠的給水系統，對保障城市正常生產生活越發顯得重要。城市給水系統主要包括取水、凈水和輸配管網三大部分，其中輸配管網約占整個給水工程總投資的60～80%，管網運行能耗費用一般為制水成本的30～50%。因此，在城市給水工程規劃設計工作中，管網優化設計具有重要的現實意義，它不僅可以提高管網系統的布局合理性、運行經濟性和供水安全可靠性，還能夠起到節約工程投資、降低管網運行能耗和管理維護費用，從而提高給水工程的經濟效益。

2 管網優化技術研究的發展歷程及趨勢

管網優化設計在國外始于20世紀60年代，我國管網優化設計的研究起初較滯后，但近年來發展很快。管網優化技術研究經歷了從單一型向復合型的發展歷程，主要為：經典優化理論及應用，主要有線性規劃、非線性規劃、動態規劃法等；啟發式算法研究及發展，主要有遺傳算法、人工神經網絡法；多方法優化，主要有模糊數學、動態規劃、遺傳算法相結合的方法，以及地理信息系統（GIS）等計算機軟件相結合的方法。

隨著計算機輔助設計技術的發展，遺傳算法、人工神經網絡法、模擬退火算法和和蟻群算法等新型算法己成為管網優化計算的主要方法，探索和開發了可視化技術、集成GIS、優化算法等多種管網優化軟件。管網優化研究的領域不斷拓展，涉及到管網運行可靠性和經濟性的優化、環狀管網、環狀與樹狀相結合的混合管網的優化布置與設計等。目前，我國城市給水管網特別是大城市，己形成管網規模大型化、復雜化和形式多樣化，對管網的建設和管理都提出了更高的要求，管網優化必將成為城市給水工程規劃設計中研究的重要方向之一。

3 給水管網優化設計的任務和原則

3.1 給水管網優化設計的任務

給水管網優化設計一般是指在既定條件下（即水廠規模和位置己確定），通過建立管網優化模型和運行工況模擬計算，尋求投資少、能耗低、安全可靠性高的管網系統（包括管網布置、管徑選擇、供水分區劃分及加壓站設置等）最優設計方案。給水管網優化設計的任務主要有以下兩個方面：

（1）管網優化布置。管網優化布置是管網優化設計的基礎，管網布置的合理與否，直接關系到給水系統的安全可靠性和技術經濟合理性。在管網的優化布置中，對地形高差大分區供水的城市，還應注意對供水分區及其供水方式進行優化，合理選擇串聯供水或并聯加壓供水方式，合理設置加壓站，以使得加壓供水系統的運行費用最低。

（2）管徑優化設計。管網中每個管段管徑的大小，與管網系統布局和該管段在管網系統中承擔的任務密切相關，管徑優化設計需要以最優管網布置為基礎，通過管網優化模型求解。

3.2 給水管網優化設計原則

城市給水工程是一個復雜的系統工程，在給水網優化設計中應把握好以下原則：

（1）要兼顧未來城市發展（特別是近期）對給水系統建設的要求。優化設計宜結合城市總體規劃，合理確定城市近、遠期供水量及規劃布局給水干管系統。

（2）優化設計的針對性要強，應重點解決好城市給水網系統現狀存在的主要問題。結合現狀城市給水調查，對管網及其運行中存在的問題進行深入分析，研究對主要問題的解決措施。

（3）通過優化設計，在滿足供水需求、保障管網運行安全可靠的前提下，力求節省投資、降低能耗，且具有實際可操作性。

（4）重視對現狀管道的合理利用和充分利用，避免大拆大建。

4 城市給水管網優化設計

4.1 城市給水工程規劃設計中的管網系統優化設計

給水管網具有輸送、存儲、分配水資源的功能，擔負著為城市各生產和生活用戶供水的重要任務，其建設投資大、運行能耗高。因此，在城市給水工程設計中對給水管網系統進行優化設計十分重要。在城市給水工程規劃設計中，給水管網優化設計一般采取以下方法和步驟：

（1）結合城市總體規劃，合理確定近遠期的供水范圍、城市用水量、供水水源及規模。

《室外給水設計規范））GB50013提出，給水工程設計應按遠期規劃、近遠期結合、以近期為主的原則進行設計，近期設計年限宜采用5～10年，遠期規劃設計年限宜采用10～20年。因此，城市供水范圍、用水量、供水水源及規模必須結合城市總體規劃進行確定。

（2）研究城市規劃布局和地形地勢，劃分供水分區，布置給水管網系統，建立給水管網結構數據庫。

相對于小城市而言，大型城市一般城市建設區的面積都很大，各區域之間存在有不同程度的地形高差，給水系統往往很復雜，管網系統布置有多種形式，需要對不同布局方案進行技術經濟比較，才能尋找到最優的管網布置方案。

管網布局方案一般主要考慮輸配水干管，而對于次要的、水力條件影響較小的給水支管，則可以忽略。輸配水干管的布置和定線應根據城市規劃布局、水源及調節池位置、供水區地形地勢、大用戶的分布，以及河流、鐵路、橋梁等的位置等進行合理確定。

（3）建立給水管網優化設計模型，設定管網優化模型的目標函數和約束條件。

管網優化設計的數學模型以經濟性為目標函數，將其余的作為約束條件，據此建立目標函數和約束條件表達式。傳統的城市給水管網優化是一種造價單目標優化，采用的是線性規劃的模型，其優化的結果是系統管段管徑的合理配置。目前，給水管網優化設計大多采用包含管網、泵站投資建設和運行維修等費用的非線性規劃模型，通過數學方法進行管網優化計算，在同時滿足設定約束條件的情況下，求解目標函數最小化，使得整個管網系統投資及相應的運行維修費用最低。

（4）選擇優化計算方法

優化計算方法主要有局部優化和全局優化算法兩大類。局部優化算法主要有線性規劃、非線性規劃等；全局優化計算方法主要有遺傳算法、蟻群算法等，優化計算可采用遺傳算法、模擬退火算法，這兩種算法是近年來發展比較快的優化計算方法，在給水管網優化設計計算中使用較普遍。

（5）對管網優化結果分析總結。

4.2 城市給水網改造工程的優化設計

隨著城市的發展和人口的增長，城市用水量和給水管網規模不斷擴大，舊城區供水出現了管網布置不合理、管徑偏小、管道老化及漏損嚴重、局部區域供水壓力低等諸多問題，為提高供水質量和保障安全供水，許多城市都迫切需要對給水管網進行改造。

城市給水管網的改造工程，一般主要涉及到新增供水干管、調整管道的管徑、更換老化和漏損嚴重的管道、擴建和增設加壓泵站等幾個方面，經優化設計，可有效減少人為主觀因素的影響，使管網改造方案更加趨于經濟節約和科學合理。城市給水管網改造優化設計方式有多種，但目的只有一個即：根據優化的目標體系構造模型，運用最優化理論和方法，確定合理的設計參數和投資最小、可靠性高、運行效果佳的管網系統改造方案。給水管網改造優化設計一般采取以下方法和步驟：

（1）調查和收集城市供水量、城市用水量、水廠、管網等基礎資料，建立給水管網結構數據庫。

（2）根據城市近、遠期供目標，規劃布局給水管網系統，建立管網水力優化設計模型，進行運行工況模擬，通過管網運行工況模擬發現管網系統存在的問題，分析管網改造需求及可行性。

（3）根據管網運行工況模擬計算及分析結果，分析和評估方案的技術、經濟、安全性能，從而尋求最優改造方案，以達到較好的綜合效益。

（4）確定現狀管網系統改造范圍，制定管網改造方案。結合現狀城市供水存在的突出問題，分輕重緩急，合理安排給水管網改造計劃，有序開展新建供水干管、現狀管道管徑調整、更換老化和漏損管道、擴建或增加加壓泵站等工作。

5 結束語

城市給水管網的優化設計與應用具有重大的經濟效益和社會效益，本文對優化設計的一些基本原則和方法進行了探討，為城市給水網管道的優化設計提供了技術指導。雖然目前城市給水管網優化理論研究已經取得很大進展，優化設計及計算方法日趨完善和精確，但在實際應用中仍然存在一些問題和缺陷，還需城市給水工作者努力探索和研究。

參考文獻

[1]室外給水設計規范GB50013-2006

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