芻議城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

范高哲

【摘 要】給水管網(wǎng)在城市建設(shè)發(fā)展中占據(jù)重要位置，直接關(guān)系到國計民生。對此，管網(wǎng)設(shè)計施工時必須要予以高度重視，保證供水的可靠性與優(yōu)質(zhì)性，采取合理的措施，最大程度的減少水資源浪費，節(jié)約成本，保證水質(zhì)，提供供水保障的同時促進水資源的可持續(xù)發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】城市給水；管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計；改造

隨著社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市供水系統(tǒng)的安全性和可靠性日益顯得重要，對人們的正常生活和工作以及企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。城市給水系統(tǒng)主要包括三大部分，分別是取水部分、凈水部分和輸配管網(wǎng)部分，其中占據(jù)投資比例最大的就是輸配管網(wǎng)部分，高達60%到80%，由此可見，給水管網(wǎng)的設(shè)計對于供水工程的實施來說有著重要的現(xiàn)實意義。合理的管網(wǎng)設(shè)計可以保證供水的安全性和經(jīng)濟性，從根本上節(jié)約成本，降低水資源浪費，保證城市供水工程的經(jīng)濟效益得到有效提高。

一、城市給水管網(wǎng)存在的問題

（一）自來水給水管網(wǎng)規(guī)劃布局不科學(xué)

城市自來水給水管網(wǎng)設(shè)計是一項極具綜合性的系統(tǒng)工程，涉及到很多方面的內(nèi)容，需要科學(xué)的設(shè)計理念、先進的專業(yè)技術(shù)、大量的人力參與以及巨額的資金投入才能完成。我國目前在此方面還存在一定的欠缺，經(jīng)驗缺乏，設(shè)計理念傳統(tǒng)，技術(shù)相對滯后，沒有對給水系統(tǒng)進行科學(xué)的規(guī)劃和布局，尤其是一些大城市的老城區(qū)表現(xiàn)尤為明顯，無法滿足眼下的城市快速發(fā)展需求。

（二）設(shè)備發(fā)展滯后

相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，在多數(shù)發(fā)展時間較長的城市中供水系統(tǒng)發(fā)展滯后現(xiàn)象十分明顯，尤其是在一些老城區(qū)。絕大多數(shù)的管網(wǎng)使用時間已經(jīng)超過了30年，與此同時在管道的養(yǎng)護與維修方面也比較欠缺，導(dǎo)致給水管道堵塞、漏損現(xiàn)象時有出現(xiàn)，嚴(yán)重時發(fā)生爆管，不僅增加管理成本，也浪費大量的水資源，造成巨大的經(jīng)濟損失。

（三）供水效益亟待提高

在滿足用戶用水需求的前提下，必須盡量降低供水成本。管網(wǎng)漏失水量在計算供水成本時往往被視，2013年中國城市供水總量 為396.8億m3，漏損總量為 60.89億m3，平均漏損率為15.35%，大于CJJ92-2002要求的漏損率平均基準(zhǔn)值12%。其中，東北三省的平均供水產(chǎn)銷差率大于30%。因此管網(wǎng)水漏失率也應(yīng)是影響供水企業(yè)經(jīng)濟效益的最重要因素，一般采用供水產(chǎn)銷差代替漏失量進行統(tǒng)計分析。供水產(chǎn)銷差過大是長期困擾我國供水行業(yè)的一個“老大難”問題。近年來隨著勞動力價格的提高，勞動力成本成為供水成本中一個不可忽視的因素。因此，在管網(wǎng)動態(tài)水力模型基礎(chǔ)上建立給水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度、優(yōu)化運行和漏損控制能有效提高供水效益。

二、城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)和原則

我國城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計相關(guān)研究起步較晚，但近年來發(fā)展速度較快?？傮w而言，給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計經(jīng)歷了從單一型向復(fù)合型發(fā)展的過程，主要包括經(jīng)典優(yōu)化理論及應(yīng)用→啟發(fā)式算法研究及發(fā)展→多方法優(yōu)化→地理信息系統(tǒng)。隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，一些新型算法不斷應(yīng)用于管網(wǎng)優(yōu)化計算中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等，這些新技術(shù)促進了可視化技術(shù)和集成GIS的開發(fā)當(dāng)前，在我國的大城市中，給水管網(wǎng)已經(jīng)形成了大型化、復(fù)雜化和多樣化的管網(wǎng)規(guī)模，這對建設(shè)管網(wǎng)和進行管網(wǎng)的管理而言提出了更高的要求。

（一）給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)

城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計指的是在自來水廠規(guī)模和位置已經(jīng)確定的環(huán)境下，通過不斷分析和計算來制定成本低、能耗少、安全性高的管網(wǎng)設(shè)計方案。具體設(shè)計任務(wù)如下：

1.管網(wǎng)優(yōu)化布置。

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)要素就是保證合理的管網(wǎng)優(yōu)化布局，這個環(huán)節(jié)對給水系統(tǒng)運行的可靠性和經(jīng)濟性有著重要影響。在管網(wǎng)的優(yōu)化布置中，要注意不同類型的城市采取不同的供水方式，具體串聯(lián)或并聯(lián)要根據(jù)實際情況決定，同時做好加壓站的設(shè)置，盡可能的降低供水系統(tǒng)的運行費用。

2.管徑優(yōu)化設(shè)計。

管徑的大小與管網(wǎng)系統(tǒng)的布局和所承擔(dān)的根本任務(wù)有著很大的聯(lián)系，例如：生活供水、生產(chǎn)供水、消防供水對管徑要求均不相同等。因此必須要考慮到多方面的影響因素，爭取以最優(yōu)管網(wǎng)布置為基礎(chǔ)。

（二） 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計原則

1.考慮到城市近期建設(shè)和未來發(fā)展的要求。根據(jù)城市的整體規(guī)劃合理確定供水管網(wǎng)系統(tǒng)的布置。

2.在設(shè)計的過程中要保證具有較強的針對性，做好用水情況調(diào)查，根據(jù)存在的實際問題選擇合理的設(shè)計方案。

3.在滿足眼下城市供水要求的前提下要力求成本節(jié)約、節(jié)能降耗。

4.重視對現(xiàn)狀管道的合理、充分利用，避免大拆大建造成不必要的資源浪費。

三、城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的相關(guān)措施

（一）實施輸配水管網(wǎng)管理方案

1.分區(qū)輸水方法。供水管網(wǎng)主要包括輸水管、配水管以及街區(qū)內(nèi)管三部分，管道數(shù)量較多，相互交錯，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，循環(huán)回流現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。對于這種問題首先要做的是明確各種管道的功能，然后實施分區(qū)輸水法，按照壓力、水量等采取不同的分配，建立起獨立的輸水干管配水區(qū)，同時規(guī)劃內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除此之外也要根據(jù)實際情況建立監(jiān)測點，一旦發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)出現(xiàn)問題要立即進行維修、改造，避免造成大的損失。

2.加強管網(wǎng)信息化水平。城市建設(shè)快速發(fā)展，使得城市地下供水管網(wǎng)愈加錯綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工管理方式已無法滿足供水安全、經(jīng)濟、高效運行。供水管網(wǎng)系統(tǒng)管理應(yīng)運用信息化手段進行分析、建模、管理，如采用計算機管理技術(shù)，建立管網(wǎng)圖紙數(shù)字化數(shù)據(jù)庫，對日常運營數(shù)據(jù)進行規(guī)范化管理，建立和完善高標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)信息化管理系統(tǒng)。

3.輸水管應(yīng)盡量避免穿越河谷、重要鐵路、沼澤、工程地質(zhì)不良的地段，若無法避免時，必須采取有效措施，以保證管道能夠安全輸水。

4.輸水管線的條數(shù)（即單線或雙線），應(yīng)根據(jù)給水系統(tǒng)的重要性、輸水量大小、分期建設(shè)的安排等因素，全面考慮確定。當(dāng)允許間斷供水或水源不只一個時，一般可以設(shè)一條輸水管線；當(dāng)不允許間斷供水時，一般應(yīng)設(shè)兩條，或者設(shè)一條輸水管，同時修建有相當(dāng)容量的安全貯水池，以備輸水管線發(fā)生故障時供水。

5.當(dāng)采用兩條輸水管線時，為避免輸水管線因某段損壞而使輸水量減少過多，需要在管線之間設(shè)連通管相互聯(lián)系，并裝設(shè)閥門。連通管直徑可以與輸水管相同或比輸水管小20%～30%，以保證在任何一段輸水管發(fā)生事故時，仍能通過70%的設(shè)計流量。在輸水管和連通管上裝設(shè)必要的閥門，以縮小發(fā)生事故時的斷水范圍。當(dāng)供水可靠性要求較低時，閥門數(shù)可以適當(dāng)減少。閥門應(yīng)安放在閥門井內(nèi)。

6.輸水管的最小坡度應(yīng)大于1.5D（D為管徑，以mm計）。管線坡度小于1：1000時，應(yīng)每隔0.5～1km，在輸水管線的最高點安裝排氣閥（管內(nèi)無水時，能自動打開；管內(nèi)有水時，能自動關(guān)閉），以便及時排除管內(nèi)空氣，或在輔水管放空時引入空氣；在輸水管線的低洼處設(shè)置泄水閥及泄水管，泄水管接至河道或地勢低洼處。

7.管線埋深應(yīng)考慮地面荷載情況和當(dāng)?shù)乇鶅錾疃?，防止管道被壓壞或凍壞?/p>

在輸水管選線與布置時，有時上述要求難以同時滿足，此時應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟比較，以確定最佳的輸水管線和布置方案。

（二）配水管網(wǎng)設(shè)計

配水管網(wǎng)是將輸水管線送來的水，配給城市用戶的管道系統(tǒng)。在配水管網(wǎng)中，由于各管線所起的作用各不相同，因而其管徑也各不相同，因此可將管線分為干管、分配管（或稱配水管）、接戶管（或稱進戶管）三類。干管的主要作用是輸水至城市各用水地區(qū)，同時也為沿線用戶供水，其管徑均在lOOmm以上。大城市中，則在200mm以上。為簡化起見，配水管網(wǎng)的布置和計算，通常只限于干管。分配管的主要作用是把干管輸送來的水，配給接戶管和消火栓。此類管線均敷設(shè)在每一條街道或工廠車間的前后道路下面，其管徑均由消防流量來確定，一般不予計算。為了滿足安裝消防栓所需要的管徑，以免在消防時管線水壓下降過多，通常規(guī)定分配管的最小管徑：中小城市采用100～150mm大城市采用150～200mm。接戶管就是從分配管接到用戶去的管線，其管徑視用戶用水的多少而定。

（三）選擇最優(yōu)計算法

給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計方法，目前國內(nèi)外主要有經(jīng)典優(yōu)化法、線性規(guī)劃法、界限流量法、動態(tài)規(guī)劃法、廣義簡約梯度法、遺傳算法、優(yōu)選管徑法[8]，這些優(yōu)化方法各有利弊，要根據(jù)具體的工程來選擇。以下一有關(guān)一些重要算法的簡單介紹：

1.生物進化規(guī)劃和遺傳算法。

隨著生物工程的發(fā)展，遺傳算法已經(jīng)介入到工程領(lǐng)域，其主要在有泵管網(wǎng)、管網(wǎng)擴建與改建等課題中也開始有應(yīng)用，在給水管網(wǎng)設(shè)計中是一種策略枚舉法，以單工況，單水源的簡單情況為例：第一步對工程中所限定的不同標(biāo)準(zhǔn)管徑進行編碼，從而不同的管徑組合方案會形成不同的代碼串。第二步對每一個代碼串進行解碼，由水利計算子程序求出該方案下管網(wǎng)水利特性。第三步運用遺傳算法對產(chǎn)生的初始方案進行選擇、重組，進一步產(chǎn)生新一代個體，然后仿照生物的進化過程演化下去，最終得到滿足需要的最優(yōu)個體，解碼后即為該課題最優(yōu)方案。

2.直接優(yōu)化法。

直接優(yōu)化法是對方案和方案中的一些數(shù)據(jù)進行直接的選擇計算并得到最優(yōu)結(jié)果。直接優(yōu)化法有利有弊，優(yōu)點是直觀和方便，缺點是由于設(shè)計人員的能力有限，結(jié)果不盡相同，并不一定是最優(yōu)解。

直接優(yōu)化法主要方法是電子表格法和兩廂優(yōu)化法，其中，兩廂優(yōu)化法是針對管道埋深來說的，它基于設(shè)計流量確定后，在約束條件滿足的情況下，通過選取最經(jīng)濟流速等來確定管徑大小和最優(yōu)坡度。

3.動態(tài)優(yōu)化法。

動態(tài)優(yōu)化法是目前市政管網(wǎng)設(shè)計上比較常用的優(yōu)化方法，它主張將市政管網(wǎng)管道設(shè)計分階段，然后再對每一階段的管道進行優(yōu)化設(shè)計。，動態(tài)優(yōu)化設(shè)計主要有兩個方面：一是節(jié)點埋深間隔要小，增加存儲量和時間間隔。二是以管徑為狀態(tài)變量， 通過流速和充滿度決策。

4.增設(shè)加壓泵站。

在管網(wǎng)地面標(biāo)高相差較大的區(qū)域，供水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計也存在一定的難度。管網(wǎng)各部分地面標(biāo)高相差過大，高程較低的地區(qū)管網(wǎng)內(nèi)部壓力會過高，導(dǎo)致管道損壞或者爆管現(xiàn)象；而高程較高的地區(qū)則會出現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)部壓力不足，無法滿足實際供水需要的情況。針對此類情況，必須要實施分區(qū)供水，同時加設(shè)加壓泵站及調(diào)節(jié)構(gòu)筑物，進行中途加壓。這樣一來只需要保證二級泵站的揚程滿足加壓泵站附近管網(wǎng)的服務(wù)水壓即可。在供水系統(tǒng)運行的過程中可以起到明顯的節(jié)水作用，同時也可保證管網(wǎng)內(nèi)部供水壓力更均勻，不僅為用戶提供便利，也在很大程度上降低管網(wǎng)的事故率。

在進行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過程中，要盡可能根據(jù)實際情況進行科學(xué)、合理的選擇，因為城市給水管網(wǎng)加壓泵房運行過程中，會產(chǎn)生加大的噪音，這樣噪音會沿著墻柱進行一定的范圍的傳播，從而對周圍居民的正常生活產(chǎn)生一定的影響。因此在進行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過程中，居住的小區(qū)最好將泵房選擇在居住建筑外的動力站內(nèi)，而且最好設(shè)置在一層，這樣不僅可以有效緩解噪音對居民的影響，而且還能滿足泵房的通風(fēng)、采光和排水要求。同時，城市給水管網(wǎng)加壓泵房的上層不要有浴室、廚房、廁所、污水處理間等。部分地區(qū)或城市對城市給水管網(wǎng)加壓泵房有特殊的要求，如要求其距離室外化糞池、排水檢查井的距離要大于15米。因此在進行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過程中，要對建筑周圍的實際情況進行系統(tǒng)的分析，并制定與之對應(yīng)的給水管網(wǎng)加壓泵房規(guī)劃與設(shè)計，從而確保后續(xù)工程的順利進行，提高其使用效率。

4.結(jié)束語

綜上所述，從目前的情況來看，我國在城市給水管網(wǎng)的設(shè)計方面還存在很多問題，對此，供水企業(yè)必須要加強管理，合理規(guī)劃和布局，根據(jù)實際情況選擇最合適的設(shè)計方案，同時做好后期的維修和養(yǎng)護，避免管道出現(xiàn)滲漏、爆裂等現(xiàn)象，盡可能在節(jié)省成本的同時提高經(jīng)濟效益，滿足社會的用水需求。

參考文獻：

[1]崔恩恒.自來水供水中存在的問題及建議[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（03）.

[2]潘鴻作.城市給排水工程問題的探討[J].城市建設(shè)與商業(yè)網(wǎng)點，2009（11）.

[3]鄭瑞文，王亞曉.論現(xiàn)代城市排水給水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計[J].科協(xié)論壇，2009（06）.