城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

摘要：在城市給水系統(tǒng)中，取水建筑物、泵站、輸水管線(xiàn)等都是重要組成部分。隨著我國(guó)城市化建設(shè)步伐的不斷加快，城市用水量與日俱增。為保證充足的水量供應(yīng)，各個(gè)城市每年都會(huì)投入大量的資金用以新建和改造給水輸配系統(tǒng)。文章介紹了給水系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了梳理，探討了具體方法及實(shí)現(xiàn)步驟。

關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)；規(guī)劃設(shè)計(jì)；取水建筑物；泵站；輸水管線(xiàn)；城市用水量 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP315 文章編號(hào)：1009-2374（2015）22-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.006

近年來(lái)，我國(guó)的城市化建設(shè)得到了空前的發(fā)展，隨著用水人口和用水量的不斷增多，原有給水系統(tǒng)不堪重負(fù)，有些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水量欠缺的現(xiàn)象，低壓區(qū)也在不斷增多。此外，在管網(wǎng)維護(hù)上主要依靠工作人員的維修經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的理論依據(jù)及科學(xué)分析，管網(wǎng)工作常常工作于非最佳狀態(tài)，這不但會(huì)造成水量浪費(fèi)，還存在一定的安全隱患，出現(xiàn)停水事件。供水企業(yè)在確定管線(xiàn)走線(xiàn)和管徑時(shí)通常是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的，由于實(shí)際管網(wǎng)較為復(fù)雜，工作量較大，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)具有變量多、約束條件復(fù)雜的特點(diǎn)，進(jìn)行城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)于解決城市供水問(wèn)題具有十分重要的意義。

1 城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的發(fā)展

城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起始于20世紀(jì)60年代，我國(guó)的相關(guān)研究起步較晚，但近年來(lái)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(jì)經(jīng)歷了從單一型向復(fù)合型發(fā)展的過(guò)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)了可視化技術(shù)和集成GIS的開(kāi)發(fā)。隨著管網(wǎng)優(yōu)化研究領(lǐng)域的發(fā)展，管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性在提高，經(jīng)濟(jì)性在優(yōu)化，環(huán)狀管網(wǎng)與樹(shù)狀相結(jié)合的形式得以發(fā)展。當(dāng)前，在我國(guó)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(duì)建設(shè)管網(wǎng)和進(jìn)行管網(wǎng)的管理而言具有較高的要求。

2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)及原則

2.1 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)

城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)通常是在一定的條件下，在確定的水廠(chǎng)規(guī)模和位置背景下，對(duì)管網(wǎng)的模型進(jìn)行建立和對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，找到一個(gè)投資少、低能耗、安全可靠性高的管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。具體而言，進(jìn)行城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是管網(wǎng)的優(yōu)化布置。作為給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，管網(wǎng)的優(yōu)化布置是否科學(xué)合理對(duì)于給水系統(tǒng)的安全可靠及經(jīng)濟(jì)性而言意義重大。此外還要注意供水分區(qū)及供水方式的優(yōu)化，正確選擇串聯(lián)供水或并聯(lián)加壓的供水方式，加壓站的設(shè)置要科學(xué)合理，保證供水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低。其次是管徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在給水管網(wǎng)中，管徑的大小關(guān)系著系統(tǒng)的布局，受管段在管網(wǎng)系統(tǒng)中所承擔(dān)的責(zé)任影響；在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，要基于管網(wǎng)的最優(yōu)布置，通過(guò)優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

2.2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則

作為一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程，城市給水工程設(shè)計(jì)需要遵循一定的原則，主要有以下三點(diǎn)：（1）要對(duì)城市的未來(lái)發(fā)展有科學(xué)的把握。給水系統(tǒng)的建設(shè)受城市未來(lái)發(fā)展所導(dǎo)向，在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合城市的總體規(guī)劃、合理確定近期和遠(yuǎn)期的供水量；（2）規(guī)劃設(shè)計(jì)要具有一定的針對(duì)性。要對(duì)當(dāng)前城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題進(jìn)行研究并給出應(yīng)對(duì)措施，結(jié)合給水調(diào)查報(bào)告深入分析運(yùn)行中存在的問(wèn)題，給出解決措施；（3）在規(guī)劃設(shè)計(jì)完成后，要基于供水需求和管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的要求，盡可能地節(jié)省投資和降低能源消耗，保證可操

作性。

3 城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

城市給水管網(wǎng)的主要功能是存儲(chǔ)、輸送以及分配水資源，它為城市的各項(xiàng)生活生產(chǎn)提供必要的水源，整個(gè)建設(shè)具有投資大和運(yùn)行能耗高的特點(diǎn)，所以在城市給水工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。一般而言，給水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)采用的是以下方法及

步驟：

3.1.1 結(jié)合城市總體規(guī)劃。在確定近期和遠(yuǎn)期的供水范圍、城市的用水總量規(guī)模上，需要與城市的總體規(guī)劃相結(jié)合。相關(guān)規(guī)范指出，給水工程設(shè)計(jì)需要遵循的原則之一是：結(jié)合城市的遠(yuǎn)近期規(guī)劃，以近期為主，兼顧遠(yuǎn)期。近期設(shè)計(jì)的參考年限以5～10年為宜，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)的參考年限以10～20年為宜。

3.1.2 結(jié)合城市布局及地形地勢(shì)。在規(guī)劃時(shí)，要進(jìn)行供水分區(qū)的劃分，對(duì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行布置，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。與小城市不同的是，大型城市的建設(shè)區(qū)面積極大，區(qū)域之間的地形高差十分明顯，這個(gè)給水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)帶來(lái)了難度，導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)的布置存在較多的形式。在規(guī)劃中，要對(duì)不同的布置方案進(jìn)行比較，找到最優(yōu)方案。一般而言，管網(wǎng)的布置方案要考慮到輸配水干管，可以忽略影響較小的給水支管；干管的布置要依據(jù)城市的規(guī)劃布局和水源位置、供水形勢(shì)等進(jìn)行合理確定。

3.1.3 建立規(guī)劃設(shè)計(jì)模型。在建立規(guī)劃設(shè)計(jì)模型時(shí)，首先要進(jìn)行模型目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的確定，數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)是經(jīng)濟(jì)性，其他方面是約束條件。傳統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃只是單一的造價(jià)規(guī)劃，采用的模型是線(xiàn)性規(guī)劃模型，以合理配置系統(tǒng)管段管徑為最終結(jié)果。當(dāng)前，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，大部分采用的是非線(xiàn)性規(guī)劃模型，包含有管網(wǎng)、泵站的投資建設(shè)及運(yùn)行維修費(fèi)用等。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算，在滿(mǎn)足全部約束條件的前提下，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)最小化求解，從而有效降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行維修費(fèi)用。

3.1.4 計(jì)算方法選擇。在優(yōu)化計(jì)算方法的選擇上，主要有兩大類(lèi)，分別是局部?jī)?yōu)化、全局優(yōu)化。其中，前者采用的是線(xiàn)性規(guī)劃、非線(xiàn)性規(guī)劃等；后者采用的是遺傳算法、蟻群算法等。

3.2 改造工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了提高城市給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量及保證安全供水，很多城市需要對(duì)過(guò)去的給水管網(wǎng)進(jìn)行改造。一般而言，城市給水管網(wǎng)的改造涉及到新增供水干管、管道管徑的調(diào)整、受損嚴(yán)重管道的更換、增壓泵站的擴(kuò)建新增等。實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效減小人為因素的影響，保證管網(wǎng)改造方案的科學(xué)合理。城市給水管網(wǎng)改造的目的是依據(jù)目標(biāo)進(jìn)行模型的構(gòu)造，采用優(yōu)化理論進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的合理確定和方案的選擇。通常情況下，進(jìn)行給水管網(wǎng)改造規(guī)劃設(shè)計(jì)需要遵循以下步驟：首先是進(jìn)行城市供水量、用水量、水廠(chǎng)、管網(wǎng)等資料的調(diào)查及收集，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)；其次要依據(jù)城市的近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)以及相應(yīng)的規(guī)劃布局，建立管網(wǎng)給水優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問(wèn)題并及時(shí)給出調(diào)整措施，對(duì)改造的可行性進(jìn)行研究，依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全性能等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估分析，找出最優(yōu)的改造方案；最后是進(jìn)行給水管網(wǎng)改造范圍的確定，制定合理的管網(wǎng)改造方案。要與當(dāng)前城市供水中存在的問(wèn)題相結(jié)合，分清主次，合理安排改造計(jì)劃，進(jìn)行供水干管的新建，對(duì)當(dāng)前的管道管徑進(jìn)行合理調(diào)整，及時(shí)更換老化的管道。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，介紹了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)其優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了梳理，探討了具體方法及實(shí)現(xiàn)步驟?？偠灾?，城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)乎經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，我國(guó)當(dāng)前的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃理論依然處在發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間。為了使得計(jì)算方法更加精確和完善，仍然需要在實(shí)踐中不斷探索、積累經(jīng)驗(yàn)，形成一套完善的聯(lián)系實(shí)際的理論系統(tǒng)。

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作者簡(jiǎn)介：許秀清（1983-），女（回族），安徽壽縣人，安徽省城建設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，研究方向：環(huán)境

工程。

（責(zé)任編輯：周 瓊）