城市給水管網優(yōu)化設計的方法探討

摘要：本文主要針對城市給水管網優(yōu)化設計的方法展開了探討，對管網優(yōu)化技術研究的發(fā)展歷程、趨勢以及任務原則作了系統的概述，并詳細研究分析了城市給水管網的優(yōu)化設計，以期能為有關方面的需要提供參考借鑒。

關鍵詞：城市給水管網;優(yōu)化;設計方法

0"引言

隨著社會經濟的快速發(fā)展以及城市化進程的加快，人們對于給水量需求逐漸增大，這導致城市給水網對于城市的建設也越來越重要。但是現今的城市給水管網改擴建存在很大的問題，必須要對城市給水管網改擴建進行相應的優(yōu)化設計，才能夠真正的保證城市給水的安全可靠，促進城市的穩(wěn)定發(fā)展。基于此，本文就城市給水管網優(yōu)化設計的方法進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

1"管網優(yōu)化技術研究的發(fā)展歷程以及趨勢

管網優(yōu)化設計在國外始于二十世紀六十年代，但是在我國，對于管網設計優(yōu)化設計的研究還比較的落后，但是隨著不斷的研究，管網優(yōu)化技術在我國也不斷的發(fā)展。現今我國的管網優(yōu)化技術已經從單一型的研究轉向了復合型的研究，主要的研究方向有：

（1）經典優(yōu)化理論以及應用分為：有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、以及動態(tài)規(guī)劃法;

（2）啟發(fā)式算法研究及其發(fā)展，主要有遺傳算法、以及人工神經網絡法;

（3）多方法的優(yōu)化主要分為：模糊數學法、動態(tài)規(guī)劃與遺傳算法相互結合的方法，以及與地理信息系統等計算機軟件之間的相互結合的方法。

隨著計算機網絡輔助技術的發(fā)展，管網優(yōu)化的主要計算方法有：遺傳算法、人工神經網絡法、摸擬算法以及蟻群算法等新型算法。并且相關的研究人員經過不斷的探索，開發(fā)了很多的可視化技術、集成GIS以及優(yōu)化算法等多種管網優(yōu)化軟件。管網優(yōu)化的領域在不斷的擴展，主要涉及到的方面有：管網運行的可靠性與經濟性的優(yōu)化、環(huán)狀管網、環(huán)狀與樹狀相互結合的混合式管網優(yōu)化配置。

2"給水管網優(yōu)化設計的任務原則

2.1"技術管網優(yōu)化設計的任務

對于給水管網優(yōu)化的設計主要是指在一定的條件之下，水廠的規(guī)模以及位置都要確定好，通過建立管網優(yōu)化模型以及運行之中工況進行模擬計算，從而來尋求投資少、耗能低并且安全性比較高的管網系統。對于管網系統，主要包括：管網布置、管徑選擇、供水分區(qū)劃分及加壓站設置等設計方案，而給水管網優(yōu)化的主要任務有以下兩個方面。

2.1.1"管網優(yōu)化布置

管網優(yōu)化布置主要是指在管網優(yōu)化設計的基礎之上，對管網進行合理的布置。管網布置的合理與否，主要是影響著給水系統的安全可靠性和技術經濟合理性。在管網的優(yōu)化布置中，對于地形差異比較大的地區(qū)與城市，供水的方式必須要進行合理的優(yōu)化，選擇適合本地區(qū)的供水方式，并且要合理的選擇串聯或是并聯的加壓供水的方式。對于一些給水加壓泵站進行合理的布置，并且要盡量降低供水系統的成本費用。

2.1.2"管徑優(yōu)化設計

在管網中，每個管網中的管段管徑的大小，直接與管網系統的布局有著相應的影響，并且管徑優(yōu)化設計必須要以最佳的管網布置方式為基礎，并且最后利用管網優(yōu)化模型進行相應的求解。

2.2"給水管網優(yōu)化的設計原則

城市的給水工程是一項十分復雜的工程，因此必須要堅持以下的原則：

（1）必須能夠適應未來城市發(fā)展的需要，對給水管網系統進行優(yōu)化設計的時候，要結合城市的規(guī)劃，從而確定好城市近期或遠期對于給水系統的要求，從而來優(yōu)化管網設計，合理的進行管網的布局;

（2）對于優(yōu)化設計的針對性必須要強，必須要能夠重點的解決城市的給水網絡系統中存在問題，并且要結合現今城市給水調查的現狀，對一些存在的問題深入的分析，并且一定要能夠提出相應的措施去解決問題;

（3）利用優(yōu)化設計方式，滿足供水的需求，從而來保證管網運行安全可靠，以降低能源消耗為主要目標，從而來增強實際的操作性;（4）加強對現狀管道的合理運用，充分的發(fā)揮起作用，避免拆卸重建，這樣會在很大程度上降低成本，提高應用的效率。

2.3"給水網的問題探索

2.3.1"用水量的預測

隨著城市的發(fā)展，居民的生活水平提高，因此對于用水量也在不斷的增大，因此在進行城市給水管網優(yōu)化設計時，一定要能夠對城市居民的用水量進行全面的預測，這是城市給水管網系統優(yōu)化改建的首要工作。

2.3.2"管道管段阻力的計算

在給水管網經過長時間的使用時，在管道內部會產生大量的微生物以及鐵銹等沉積物，因此必須要對管道內部的阻力進行相應的計算，來避免對其的不利影響。

2.3.3"管網等水壓線的繪制

要根據各個節(jié)點的壓力來進行給水管網的圖形繪制，并且通過對現狀的管網的技術進行相應的改造。在新區(qū)進行管網設計時，必須要繪制管網的等水壓圖，在等水壓線密集的地方，說明水力坡度陡降，這段管道的負荷比較大。相反，如果等水壓線的稀疏處，則是說明水力坡度比較平緩，則是該管道的負荷比較小。對于現狀管網進行改造時，繪制管網等水壓線圖來判斷出管網的薄弱之處，可以設計相應的合理的計劃方案。

3"城市給水管網優(yōu)化設計

3.1"城市給水工程規(guī)劃設計中的管網優(yōu)化設計

給水管負擔著分配水資源，用水的輸送和水資源的儲存等重要功能，為城市龐大的人口群體提供這生活中必不可少的生活用水和生產中所需要的水量。所以可想而知，城市水管的建設是一項重要而且十分龐大的工程，它所需要的建設投資相當大，運輸和運行能耗極高，施工方面也需要耗費相當的財力和人力，而且施工過程中還要嚴格遵守相關的規(guī)章制度和準則才能順利合格的完成。因此，城市中的公共給水工程建設對給水管網絡系統進行的優(yōu)化和設計等一系列步驟是十分重要的，所以在城市的水管建設中要有一套完整且科學的網絡優(yōu)化才能更好的發(fā)揮城市水管的功能。在城市給水的巨大工程中，要有科學的規(guī)劃建設，因此在城市的給水管建設中，一般要采取以下系列步驟和措施。

（1）在城市水管的建設當中，要根據城市的具體情況，先實地考察，了解城市的基本地質和建設結構，根據人口密度的分布和水資源的分布，以及水資源的提供范圍，居民生活用水和生產用水量等客觀條件，制定相應和完整的可行方案及計劃。要充分了解城市近遠期合理的用水范圍，以《室外給水設計規(guī)范》為原則和準則，在不違背法律和規(guī)范的情況下對城市用水的供水范圍和用水量進行規(guī)劃，與城市的實際情況相結合，制定合理的規(guī)劃方案。

（2）根據城市的實際地形和城市布局劃分生活用水的供水區(qū)，布置合理的供水體系，形成穩(wěn)定可靠的供水網絡管道和相應的應急解決方案，以應對在城市正常用水期間面對突如其來的各種問題和狀況。建立穩(wěn)定的系統的城市給水管網絡數據庫，可以以計算機等科技手段進行科學的分析和控制，形成系統的給水數據庫，在相對較大的城市當中給水系統尤為復雜，大城市的供水系統網絡不同于小城市的供水網絡體系，所以面對大城市的給水管建設要更為注意結構的合理性和布局的合理性。

（3）在計劃建造給水管當中，可以設計給水管網絡模型，設定其中給水管網絡的模型的目標函數和約束條件。

（4）根據全局的布局進行給水管網絡的優(yōu)化，運用現代科技和手段進

行水管模擬，通過計算非線性規(guī)劃模擬和線性規(guī)劃模擬，有效合理的進行全局的水管網絡優(yōu)化。

（5）對規(guī)劃出的系統水管方案進行科學嚴謹的分析和總結，利用科學有效的方法進行處理，制定出最為合理的給水管網絡方案。

3.2城市給水網改造工程的優(yōu)化設計

隨著城市的發(fā)展以及人口不斷的增長，人們生活水平不斷的提高，城市的用水量與給水管網的規(guī)模不斷的擴大，在舊城區(qū)的一些給水管網的布置十分的不合理，嚴重的影響了水流的暢通。很多的給水網管徑都是偏小，并且管道老化的狀況十分嚴重，很容易發(fā)生泄漏以及破損，在局部的一些地區(qū)造成供水的壓力很低，無法保證供水的質量和安全。現今的很多城市都面臨著這一問題，因此對于給水管網的改造十分重要。

對于城市給水管網的改造工程，主要涉及到的方面有：新增的供水干管、調整管道的管徑、更換老化以及漏損的管道，以及對加壓泵的擴建與增設等方面。對這些方面進行優(yōu)化設計，在很大程度上減少了人為主觀因素的影響，使管網改造的方案更加的科學化、節(jié)約化、合理化。對于城市給水網管的優(yōu)化設計主要有以下幾個程序。

（1）對城市的供水量進行合理全面的調查，同時對于城市的用水量以及水廠、管網等基礎資料進行調查，從而建立給水管網的模型數據庫。

（2）要明確城市的近期遠期的供水目標，合理設計給水管網系統，建立相應的給水管網系統優(yōu)化設計模型，并且進行運行工況模擬，利用管網運行工況模擬系統來對管網系統中存在的問題進行相應測試，并且針對其問題進行解決，分析其根本原因，從而來對管網的改造需求進行探討。

（3）在管網運行工況模擬系統進行工作的同時，對計算的結果進行相應的分析，分析和評估設計方案的技術以及安全性能，從而來尋求最優(yōu)的改造方案，以此來取得最好的經濟效益。

（4）確定出現階段管網系統的改造的范圍，并且要制定相應的一些方案。同時一定要結合城市供水存在的一些重大問題都要有著全面的研究，對待問題要有輕重緩急，必須要利用最合理科學的方案，來對給水管網進行相應的改造從而來保證改造工作的順利進行，有序的開展新建的供水干管，對現存的一些管道要能夠進行相應的調整，對一些老化或破損的管道進行更換，以及對加壓泵的增加等工作。

4展望

由于實際給水管網具有很大的復雜性，并且給水管網改建優(yōu)化設計屬于一種大型且多元多約束的工程，具有很多復雜的非線性系統工程問題。因此，對于給水網改造的工作是一項十分困難的項目，經過相關人員理論和實踐相結合的研究，并且取得了一定的硏究成果，同時做到了創(chuàng)新與突破，但是要想完全解決這個難題，對于現階段我國來說，仍有一些工作有待進一步深入研究。對于給水管網的優(yōu)化設計可以利用遺傳算法方式進行相應的計算，但是其中也存在著問題，比如該如何加快收斂的速度以及效果，怎樣利用管網水力計算本身的特點來確定約束的條件，并且對一些存在問題的成果進行相應的改正。對于給水管網的擴建是逐步建成的，必須要對其進行完整的規(guī)劃，才能夠保證工程順利的進行，要對施工過程進行策劃，比如哪些部分需要先建，哪些部分需要后建。并且要對改建之后的規(guī)劃進行設計，對長遠的目標進行策劃，一定要兼顧遠期發(fā)展規(guī)劃的目標，做到統籌兼顧。因此，必須將管網的經濟性作為主要目標函數，將其他的因素作為約束的條件，從而來建立使用度函數，以此來對個體的適應度進行評價。這樣的結果會使給水安全性不夠完善。所以必須要根據工程的實際情況來對遺傳的算法計算的結果進行相應的修正，在經濟以及安全至上尋求一個平衡點，從而來做到管網的優(yōu)化設計。

5"結語

綜上所述，在如今社會發(fā)展日益加快的今天，城市給水管網的優(yōu)化設計與應用具有重大的經濟效益和社會效益。因此，為了保障城市用水的安全可靠，就需要我們重視城市給水管網的優(yōu)化設計工作，以不斷提高給水管網給城市帶來的經濟及社會效益。

參考文獻：

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