城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

孟祥東

摘要：本文介紹了管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展歷程及趨勢，提出了城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的原則，探討了給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及給水管網(wǎng)改造工程中管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作的方法和步驟。

關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng)；優(yōu)化；原則；規(guī)劃設(shè)計(jì)；改造

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

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，建設(shè)經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠的給水系統(tǒng)，對保障城市正常生產(chǎn)生活越發(fā)顯得重要。城市給水系統(tǒng)主要包括取水、凈水和輸配管網(wǎng)三大部分，其中輸配管網(wǎng)約占整個給水工程總投資的60～80%，管網(wǎng)運(yùn)行能耗費(fèi)用一般為制水成本的30～50%。因此，在城市給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中，管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，它不僅可以提高管網(wǎng)系統(tǒng)的布局合理性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供水安全可靠性，還能夠起到節(jié)約工程投資、降低管網(wǎng)運(yùn)行能耗和管理維護(hù)費(fèi)用，從而提高給水工程的經(jīng)濟(jì)效益。

2 管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展歷程及趨勢

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在國外始于20世紀(jì)60年代，我國管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究起初較滯后，但近年來發(fā)展很快。管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究經(jīng)歷了從單一型向復(fù)合型的發(fā)展歷程，主要為：經(jīng)典優(yōu)化理論及應(yīng)用，主要有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動態(tài)規(guī)劃法等；啟發(fā)式算法研究及發(fā)展，主要有遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法；多方法優(yōu)化，主要有模糊數(shù)學(xué)、動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法相結(jié)合的方法，以及地理信息系統(tǒng)（GIS）等計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合的方法。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模擬退火算法和和蟻群算法等新型算法己成為管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算的主要方法，探索和開發(fā)了可視化技術(shù)、集成GIS、優(yōu)化算法等多種管網(wǎng)優(yōu)化軟件。管網(wǎng)優(yōu)化研究的領(lǐng)域不斷拓展，涉及到管網(wǎng)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化、環(huán)狀管網(wǎng)、環(huán)狀與樹狀相結(jié)合的混合管網(wǎng)的優(yōu)化布置與設(shè)計(jì)等。目前，我國城市給水管網(wǎng)特別是大城市，己形成管網(wǎng)規(guī)模大型化、復(fù)雜化和形式多樣化，對管網(wǎng)的建設(shè)和管理都提出了更高的要求，管網(wǎng)優(yōu)化必將成為城市給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中研究的重要方向之一。

3 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)和原則

3.1 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)

給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是指在既定條件下（即水廠規(guī)模和位置己確定），通過建立管網(wǎng)優(yōu)化模型和運(yùn)行工況模擬計(jì)算，尋求投資少、能耗低、安全可靠性高的管網(wǎng)系統(tǒng)（包括管網(wǎng)布置、管徑選擇、供水分區(qū)劃分及加壓站設(shè)置等）最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)主要有以下兩個方面：

（1）管網(wǎng)優(yōu)化布置。管網(wǎng)優(yōu)化布置是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，管網(wǎng)布置的合理與否，直接關(guān)系到給水系統(tǒng)的安全可靠性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性。在管網(wǎng)的優(yōu)化布置中，對地形高差大分區(qū)供水的城市，還應(yīng)注意對供水分區(qū)及其供水方式進(jìn)行優(yōu)化，合理選擇串聯(lián)供水或并聯(lián)加壓供水方式，合理設(shè)置加壓站，以使得加壓供水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低。

（2）管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。管網(wǎng)中每個管段管徑的大小，與管網(wǎng)系統(tǒng)布局和該管段在管網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)密切相關(guān)，管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)需要以最優(yōu)管網(wǎng)布置為基礎(chǔ)，通過管網(wǎng)優(yōu)化模型求解。

3.2 給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

城市給水工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在給水網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)把握好以下原則：

（1）要兼顧未來城市發(fā)展（特別是近期）對給水系統(tǒng)建設(shè)的要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)宜結(jié)合城市總體規(guī)劃，合理確定城市近、遠(yuǎn)期供水量及規(guī)劃布局給水干管系統(tǒng)。

（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)的針對性要強(qiáng)，應(yīng)重點(diǎn)解決好城市給水網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)狀存在的主要問題。結(jié)合現(xiàn)狀城市給水調(diào)查，對管網(wǎng)及其運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行深入分析，研究對主要問題的解決措施。

（3）通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足供水需求、保障管網(wǎng)運(yùn)行安全可靠的前提下，力求節(jié)省投資、降低能耗，且具有實(shí)際可操作性。

（4）重視對現(xiàn)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(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 城市給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中的管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

給水管網(wǎng)具有輸送、存儲、分配水資源的功能，擔(dān)負(fù)著為城市各生產(chǎn)和生活用戶供水的重要任務(wù)，其建設(shè)投資大、運(yùn)行能耗高。因此，在城市給水工程設(shè)計(jì)中對給水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。在城市給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般采取以下方法和步驟：

（1）結(jié)合城市總體規(guī)劃，合理確定近遠(yuǎn)期的供水范圍、城市用水量、供水水源及規(guī)模。

《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范））GB50013提出，給水工程設(shè)計(jì)應(yīng)按遠(yuǎn)期規(guī)劃、近遠(yuǎn)期結(jié)合、以近期為主的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，近期設(shè)計(jì)年限宜采用5～10年，遠(yuǎn)期規(guī)劃設(shè)計(jì)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(guī)模必須結(jié)合城市總體規(guī)劃進(jìn)行確定。

（2）研究城市規(guī)劃布局和地形地勢，劃分供水分區(qū)，布置給水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立給水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

相對于小城市而言，大型城市一般城市建設(shè)區(qū)的面積都很大，各區(qū)域之間存在有不同程度的地形高差，給水系統(tǒng)往往很復(fù)雜，管網(wǎng)系統(tǒng)布置有多種形式，需要對不同布局方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，才能尋找到最優(yōu)的管網(wǎng)布置方案。

管網(wǎng)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(yīng)根據(jù)城市規(guī)劃布局、水源及調(diào)節(jié)池位置、供水區(qū)地形地勢、大用戶的分布，以及河流、鐵路、橋梁等的位置等進(jìn)行合理確定。

（3）建立給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，設(shè)定管網(wǎng)優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)函數(shù)，將其余的作為約束條件，據(jù)此建立目標(biāo)函數(shù)和約束條件表達(dá)式。傳統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)優(yōu)化是一種造價單目標(biāo)優(yōu)化，采用的是線性規(guī)劃的模型，其優(yōu)化的結(jié)果是系統(tǒng)管段管徑的合理配置。目前，給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)大多采用包含管網(wǎng)、泵站投資建設(shè)和運(yùn)行維修等費(fèi)用的非線性規(guī)劃模型，通過數(shù)學(xué)方法進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算，在同時滿足設(shè)定約束條件的情況下，求解目標(biāo)函數(shù)最小化，使得整個管網(wǎng)系統(tǒng)投資及相應(yīng)的運(yùn)行維修費(fèi)用最低。

（4）選擇優(yōu)化計(jì)算方法

優(yōu)化計(jì)算方法主要有局部優(yōu)化和全局優(yōu)化算法兩大類。局部優(yōu)化算法主要有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等；全局優(yōu)化計(jì)算方法主要有遺傳算法、蟻群算法等，優(yōu)化計(jì)算可采用遺傳算法、模擬退火算法，這兩種算法是近年來發(fā)展比較快的優(yōu)化計(jì)算方法，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算中使用較普遍。

（5）對管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果分析總結(jié)。

4.2 城市給水網(wǎng)改造工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著城市的發(fā)展和人口的增長，城市用水量和給水管網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，舊城區(qū)供水出現(xiàn)了管網(wǎng)布置不合理、管徑偏小、管道老化及漏損嚴(yán)重、局部區(qū)域供水壓力低等諸多問題，為提高供水質(zhì)量和保障安全供水，許多城市都迫切需要對給水管網(wǎng)進(jìn)行改造。

城市給水管網(wǎng)的改造工程，一般主要涉及到新增供水干管、調(diào)整管道的管徑、更換老化和漏損嚴(yán)重的管道、擴(kuò)建和增設(shè)加壓泵站等幾個方面，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效減少人為主觀因素的影響，使管網(wǎng)改造方案更加趨于經(jīng)濟(jì)節(jié)約和科學(xué)合理。城市給水管網(wǎng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)方式有多種，但目的只有一個即：根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)體系構(gòu)造模型，運(yùn)用最優(yōu)化理論和方法，確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和投資最小、可靠性高、運(yùn)行效果佳的管網(wǎng)系統(tǒng)改造方案。給水管網(wǎng)改造優(yōu)化設(shè)計(jì)一般采取以下方法和步驟：

（1）調(diào)查和收集城市供水量、城市用水量、水廠、管網(wǎng)等基礎(chǔ)資料，建立給水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。

（2）根據(jù)城市近、遠(yuǎn)期供目標(biāo)，規(guī)劃布局給水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立管網(wǎng)水力優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行運(yùn)行工況模擬，通過管網(wǎng)運(yùn)行工況模擬發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題，分析管網(wǎng)改造需求及可行性。

（3）根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行工況模擬計(jì)算及分析結(jié)果，分析和評估方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全性能，從而尋求最優(yōu)改造方案，以達(dá)到較好的綜合效益。

（4）確定現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)改造范圍，制定管網(wǎng)改造方案。結(jié)合現(xiàn)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(wǎng)改造計(jì)劃，有序開展新建供水干管、現(xiàn)狀管道管徑調(diào)整、更換老化和漏損管道、擴(kuò)建或增加加壓泵站等工作。

5 結(jié)束語

城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，本文對優(yōu)化設(shè)計(jì)的一些基本原則和方法進(jìn)行了探討，為城市給水網(wǎng)管道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)指導(dǎo)。雖然目前城市給水管網(wǎng)優(yōu)化理論研究已經(jīng)取得很大進(jìn)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算方法日趨完善和精確，但在實(shí)際應(yīng)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。

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