芻議城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(guó)計(jì)民生。對(duì)此，管網(wǎng)設(shè)計(jì)施工時(shí)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(fèi)，節(jié)約成本，保證水質(zhì)，提供供水保障的同時(shí)促進(jìn)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(jì)；改造

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)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(duì)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(dá)60%到80%，由此可見(jiàn)，給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)對(duì)于供水工程的實(shí)施來(lái)說(shuō)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。合理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)可以保證供水的安全性和經(jīng)濟(jì)性，從根本上節(jié)約成本，降低水資源浪費(fèi)，保證城市供水工程的經(jīng)濟(jì)效益得到有效提高。

一、城市給水管網(wǎng)存在的問(wèn)題

（一）自來(lái)水給水管網(wǎng)規(guī)劃布局不科學(xué)

城市自來(lái)水給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)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(jì)理念、先進(jìn)的專(zhuān)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(guó)目前在此方面還存在一定的欠缺，經(jīng)驗(yàn)缺乏，設(shè)計(jì)理念傳統(tǒng)，技術(shù)相對(duì)滯后，沒(méi)有對(duì)給水系統(tǒng)進(jìn)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(wú)法滿(mǎn)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(jì)顯示，在多數(shù)發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)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(shí)間已經(jīng)超過(guò)了30年，與此同時(shí)在管道的養(yǎng)護(hù)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(shí)有出現(xiàn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生爆管，不僅增加管理成本，也浪費(fèi)大量的水資源，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

（三）供水效益亟待提高

在滿(mǎn)足用戶(hù)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(jì)算供水成本時(shí)往往被視，2013年中國(guó)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(xiāo)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(jì)效益的最重要因素，一般采用供水產(chǎn)銷(xiāo)差代替漏失量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。供水產(chǎn)銷(xiāo)差過(guò)大是長(zhǎng)期困擾我國(guó)供水行業(yè)的一個(gè)“老大難”問(wèn)題。近年來(lái)隨著勞動(dòng)力價(jià)格的提高，勞動(dòng)力成本成為供水成本中一個(gè)不可忽視的因素。因此，在管網(wǎng)動(dòng)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(yùn)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(jì)的任務(wù)和原則

我國(guó)城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)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)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)的管理而言提出了更高的要求。

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

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

1.管網(wǎng)優(yōu)化布置。

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)要素就是保證合理的管網(wǎng)優(yōu)化布局，這個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)給水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。在管網(wǎng)的優(yōu)化布置中，要注意不同類(lèi)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(shí)際情況決定，同時(shí)做好加壓站的設(shè)置，盡可能的降低供水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。

2.管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(duì)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(zhēng)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(jì)原則

1.考慮到城市近期建設(shè)和未來(lái)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(jì)的過(guò)程中要保證具有較強(qiáng)的針對(duì)性，做好用水情況調(diào)查，根據(jù)存在的實(shí)際問(wèn)題選擇合理的設(shè)計(jì)方案。

3.在滿(mǎn)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(duì)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(fèi)。

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

（一）實(shí)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(cuò)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，循環(huán)回流現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)。對(duì)于這種問(wèn)題首先要做的是明確各種管道的功能，然后實(shí)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(dú)立的輸水干管配水區(qū)，同時(shí)規(guī)劃內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除此之外也要根據(jù)實(shí)際情況建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一旦發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題要立即進(jìn)行維修、改造，避免造成大的損失。

2.加強(qiáng)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(cuò)綜復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工管理方式已無(wú)法滿(mǎn)足供水安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。供水管網(wǎng)系統(tǒng)管理應(yīng)運(yùn)用信息化手段進(jìn)行分析、建模、管理，如采用計(jì)算機(jī)管理技術(shù)，建立管網(wǎng)圖紙數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)日常運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)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(wú)法避免時(shí)，必須采取有效措施，以保證管道能夠安全輸水。

4.輸水管線(xiàn)的條數(shù)（即單線(xiàn)或雙線(xiàn)），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(gè)時(shí)，一般可以設(shè)一條輸水管線(xiàn)；當(dāng)不允許間斷供水時(shí)，一般應(yīng)設(shè)兩條，或者設(shè)一條輸水管，同時(shí)修建有相當(dāng)容量的安全貯水池，以備輸水管線(xiàn)發(fā)生故障時(shí)供水。

5.當(dāng)采用兩條輸水管線(xiàn)時(shí)，為避免輸水管線(xiàn)因某段損壞而使輸水量減少過(guò)多，需要在管線(xiàn)之間設(shè)連通管相互聯(lián)系，并裝設(shè)閥門(mén)。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(shí)，仍能通過(guò)70%的設(shè)計(jì)流量。在輸水管和連通管上裝設(shè)必要的閥門(mén)，以縮小發(fā)生事故時(shí)的斷水范圍。當(dāng)供水可靠性要求較低時(shí)，閥門(mén)數(shù)可以適當(dāng)減少。閥門(mén)應(yīng)安放在閥門(mén)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(jì)）。管線(xiàn)坡度小于1：1000時(shí)，應(yīng)每隔0.5～1km，在輸水管線(xiàn)的最高點(diǎn)安裝排氣閥（管內(nèi)無(wú)水時(shí)，能自動(dòng)打開(kāi)；管內(nèi)有水時(shí)，能自動(dòng)關(guān)閉），以便及時(shí)排除管內(nèi)空氣，或在輔水管放空時(shí)引入空氣；在輸水管線(xiàn)的低洼處設(shè)置泄水閥及泄水管，泄水管接至河道或地勢(shì)低洼處。

7.管線(xiàn)埋深應(yīng)考慮地面荷載情況和當(dāng)?shù)乇鶅錾疃龋乐构艿辣粔簤幕騼鰤摹?/p>

在輸水管選線(xiàn)與布置時(shí)，有時(shí)上述要求難以同時(shí)滿(mǎn)足，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，以確定最佳的輸水管線(xiàn)和布置方案。

（二）配水管網(wǎng)設(shè)計(jì)

配水管網(wǎng)是將輸水管線(xiàn)送來(lái)的水，配給城市用戶(hù)的管道系統(tǒng)。在配水管網(wǎng)中，由于各管線(xiàn)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(xiàn)分為干管、分配管（或稱(chēng)配水管）、接戶(hù)管（或稱(chēng)進(jìn)戶(hù)管）三類(lèi)。干管的主要作用是輸水至城市各用水地區(qū)，同時(shí)也為沿線(xiàn)用戶(hù)供水，其管徑均在lOOmm以上。大城市中，則在200mm以上。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，配水管網(wǎng)的布置和計(jì)算，通常只限于干管。分配管的主要作用是把干管輸送來(lái)的水，配給接戶(hù)管和消火栓。此類(lèi)管線(xiàn)均敷設(shè)在每一條街道或工廠(chǎng)車(chē)間的前后道路下面，其管徑均由消防流量來(lái)確定，一般不予計(jì)算。為了滿(mǎn)足安裝消防栓所需要的管徑，以免在消防時(shí)管線(xiàn)水壓下降過(guò)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(hù)管就是從分配管接到用戶(hù)去的管線(xiàn)，其管徑視用戶(hù)用水的多少而定。

（三）選擇最優(yōu)計(jì)算法

給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，目前國(guó)內(nèi)外主要有經(jīng)典優(yōu)化法、線(xiàn)性規(guī)劃法、界限流量法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、廣義簡(jiǎn)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(lái)選擇。以下一有關(guān)一些重要算法的簡(jiǎn)單介紹：

1.生物進(jìn)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(kuò)建與改建等課題中也開(kāi)始有應(yīng)用，在給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)中是一種策略枚舉法，以單工況，單水源的簡(jiǎn)單情況為例：第一步對(duì)工程中所限定的不同標(biāo)準(zhǔn)管徑進(jìn)行編碼，從而不同的管徑組合方案會(huì)形成不同的代碼串。第二步對(duì)每一個(gè)代碼串進(jìn)行解碼，由水利計(jì)算子程序求出該方案下管網(wǎng)水利特性。第三步運(yùn)用遺傳算法對(duì)產(chǎn)生的初始方案進(jìn)行選擇、重組，進(jìn)一步產(chǎn)生新一代個(gè)體，然后仿照生物的進(jìn)化過(guò)程演化下去，最終得到滿(mǎn)足需要的最優(yōu)個(gè)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(duì)方案和方案中的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行直接的選擇計(jì)算并得到最優(yōu)結(jié)果。直接優(yōu)化法有利有弊，優(yōu)點(diǎn)是直觀(guān)和方便，缺點(diǎn)是由于設(shè)計(jì)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(duì)管道埋深來(lái)說(shuō)的，它基于設(shè)計(jì)流量確定后，在約束條件滿(mǎn)足的情況下，通過(guò)選取最經(jīng)濟(jì)流速等來(lái)確定管徑大小和最優(yōu)坡度。

3.動(dòng)態(tài)優(yōu)化法。

動(dòng)態(tài)優(yōu)化法是目前市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)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(jì)分階段，然后再對(duì)每一階段的管道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。，動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面：一是節(jié)點(diǎn)埋深間隔要小，增加存儲(chǔ)量和時(shí)間間隔。二是以管徑為狀態(tài)變量， 通過(guò)流速和充滿(mǎn)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(jì)也存在一定的難度。管網(wǎng)各部分地面標(biāo)高相差過(guò)大，高程較低的地區(qū)管網(wǎng)內(nèi)部壓力會(huì)過(guò)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(huì)出現(xiàn)管網(wǎng)內(nèi)部壓力不足，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際供水需要的情況。針對(duì)此類(lèi)情況，必須要實(shí)施分區(qū)供水，同時(shí)加設(shè)加壓泵站及調(diào)節(jié)構(gòu)筑物，進(jìn)行中途加壓。這樣一來(lái)只需要保證二級(jí)泵站的揚(yáng)程滿(mǎn)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(yùn)行的過(guò)程中可以起到明顯的節(jié)水作用，同時(shí)也可保證管網(wǎng)內(nèi)部供水壓力更均勻，不僅為用戶(hù)提供便利，也在很大程度上降低管網(wǎng)的事故率。

在進(jìn)行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過(guò)程中，要盡可能根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行科學(xué)、合理的選擇，因?yàn)槌鞘薪o水管網(wǎng)加壓泵房運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生加大的噪音，這樣噪音會(huì)沿著墻柱進(jìn)行一定的范圍的傳播，從而對(duì)周?chē)用竦恼Ｉ町a(chǎn)生一定的影響。因此在進(jìn)行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過(guò)程中，居住的小區(qū)最好將泵房選擇在居住建筑外的動(dòng)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(duì)居民的影響，而且還能滿(mǎn)足泵房的通風(fēng)、采光和排水要求。同時(shí)，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(duì)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(jìn)行城市給水管網(wǎng)加壓泵房選址過(guò)程中，要對(duì)建筑周?chē)膶?shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并制定與之對(duì)應(yīng)的給水管網(wǎng)加壓泵房規(guī)劃與設(shè)計(jì)，從而確保后續(xù)工程的順利進(jìn)行，提高其使用效率。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，從目前的情況來(lái)看，我國(guó)在城市給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)方面還存在很多問(wèn)題，對(duì)此，供水企業(yè)必須要加強(qiáng)管理，合理規(guī)劃和布局，根據(jù)實(shí)際情況選擇最合適的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)做好后期的維修和養(yǎng)護(hù)，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(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益，滿(mǎn)足社會(huì)的用水需求。

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