市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置與管理研究

【摘要】市政給排水管網(wǎng)是城市基礎(chǔ)設(shè)施中非常重要的一部分，擔負著城市供水以及污水排放的雙重工作，對它進行優(yōu)化配置及管理在保證城市居民的生活質(zhì)量，保持城市環(huán)境，推動城市的可持續(xù)發(fā)展等方面具有重要意義。文章旨在通過對城市市政給排水管網(wǎng)優(yōu)化配置及管理策略的研究，探索在資源有限的情況下管網(wǎng)系統(tǒng)高效運行及可持續(xù)發(fā)展的途徑。

【關(guān)鍵詞】給排水管網(wǎng)；供水；排水；管網(wǎng)維護

【中圖分類號】TU992 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）09-0122-03

0 引言

城市化過程中各種功能的實現(xiàn)都必須以水資源為依托。對于給排水管網(wǎng)配置問題，各種方法都各具優(yōu)勢，但一些劣勢也相應(yīng)存在。在優(yōu)化配置過程中，要結(jié)合特定的環(huán)境與需求選擇適宜的配置策略，細化規(guī)劃設(shè)計各個環(huán)節(jié)，保證施工圖紙嚴謹科學。另外，還要設(shè)法在合理的限度內(nèi)縮短管道長度來實現(xiàn)資源有效配置。

1 城市市政給排水管網(wǎng)概述

1.1 給排水管網(wǎng)概述

城市市政給排水管網(wǎng)涵蓋了供水與排水兩大領(lǐng)域，如圖1所示。給水管網(wǎng)的主要目的是運輸經(jīng)處理后的生活飲用水和工業(yè)用水，以保障城市居民及工業(yè)生產(chǎn)對水的正常需要。城市的排水系統(tǒng)主要負責收集和排放城市的生活污水、工業(yè)廢水和雨水，以確保城市的衛(wèi)生狀況和防洪措施的安全性。給排水管網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上通常由主干管、次干管、支管、管道接頭以及附屬設(shè)施組成，例如閥門、水表、井蓋和排水口[1]。設(shè)計與施工時，需綜合考慮管徑、流速、水壓、流量等因素以保證管網(wǎng)運行效率與安全。比如，在給水管道設(shè)計時要保證水壓適度，以免水壓過大造成管道斷裂或水壓過小對供水效果造成影響。同時排水管道需要針對污水排放量來設(shè)計合適的管徑、坡度等，從而保證污水能順利排放。

1.2 給排水管網(wǎng)的功能與重要性

給水管網(wǎng)經(jīng)過科學管網(wǎng)設(shè)計與高效運行管理可以穩(wěn)定水壓與水質(zhì)，避免水資源浪費與水質(zhì)污染。排水管網(wǎng)主要作用就是將生活污水，工業(yè)廢水以及雨水進行收集與運輸，以免造成城市內(nèi)澇和環(huán)境污染。給排水管網(wǎng)能否高效運行對城市正常運行具有重要意義，它直接關(guān)系著居民生活質(zhì)量以及城市經(jīng)濟發(fā)展。另外，給排水管網(wǎng)設(shè)計與養(yǎng)護還體現(xiàn)著城市基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化水平。先進管網(wǎng)管理系統(tǒng)及監(jiān)控技術(shù)能夠?qū)艿肋\行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并解決漏水、堵塞現(xiàn)象，促進管網(wǎng)運行高效可靠。給排水管網(wǎng)還在防災(zāi)減災(zāi)中扮演著重要角色，科學規(guī)劃與施工能夠有效地減少洪澇災(zāi)害給城市帶來的沖擊，保障人民生命財產(chǎn)安全。總之，城市市政給排水管網(wǎng)在城市基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)著舉足輕重的地位，同時也是保證城市可持續(xù)發(fā)展以及居民安居樂業(yè)的關(guān)鍵因素[2]。

2 給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置方法

2.1 優(yōu)化配置的理論基礎(chǔ)

優(yōu)化配置理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程學、運籌學與控制論相結(jié)合的知識體系并借助科學方法與模型來達到資源最優(yōu)分配與系統(tǒng)高效運轉(zhuǎn)。給排水管網(wǎng)優(yōu)化布置時需要考慮流量、壓力、管徑、費用、用戶需求、土地高價值利用、地下空間節(jié)約利用等諸多參數(shù)才能滿足城市供排水的需要。在保證供排水系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，其本質(zhì)是保證城市自身安全與便捷。流量與壓力是優(yōu)化配置的關(guān)鍵參數(shù)，流量分配是否合理關(guān)系著水資源能否得到有效開發(fā)利用，壓力控制關(guān)系著供水是否可靠與安全。利用流體力學方程及網(wǎng)絡(luò)流動模型可準確地仿真分析管網(wǎng)流態(tài)，尋求最佳管網(wǎng)布局及運行參數(shù)[3]。

從運籌學角度分析，線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和整數(shù)規(guī)劃這些優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用到給排水管網(wǎng)設(shè)計和調(diào)度當中。線性規(guī)劃有助于決定在資源受限的某些情況下如何對管網(wǎng)進行流量與壓力分配，從而達到運行成本最低、系統(tǒng)效益最高的目的。整數(shù)規(guī)劃方法特別適合于管道網(wǎng)絡(luò)中的離散變量優(yōu)化。例如，泵站和閥門的具體位置與數(shù)量。非線性規(guī)劃方法能夠解決更為復(fù)雜的優(yōu)化難題。例如，涉及非線性流量與壓力關(guān)系的管道網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題。

控制論理論基礎(chǔ)為實時監(jiān)控、動態(tài)調(diào)節(jié)提供手段，利用傳感器、控制器等設(shè)備，實時監(jiān)控管網(wǎng)的運行狀況，適時調(diào)節(jié)泵站、閥門等運行參數(shù)，保證系統(tǒng)在各種運行條件下最佳運行。優(yōu)化配置也涉及多目標優(yōu)化問題，需尋求供水安全，經(jīng)濟成本與環(huán)境影響三者的最佳平衡點。現(xiàn)代的智能算法，例如遺傳算法和粒子群優(yōu)化，能夠通過模擬自然界的進化和群體行為，有效解決大規(guī)模復(fù)雜的管網(wǎng)優(yōu)化問題，實現(xiàn)多目標的優(yōu)化。

2.2 建立優(yōu)化模型

建立優(yōu)化模型是給排水管網(wǎng)優(yōu)化配置過程中關(guān)鍵的一步，它涉及管網(wǎng)系統(tǒng)整體認識與準確描述。首先，需對管網(wǎng)進行物理模型構(gòu)建，覆蓋管道、節(jié)點、泵站以及閥門等基本部件，綜合考慮流量、壓力以及管徑等影響因素建立流體力學方程來表征管網(wǎng)水力特性。其次，需建立管網(wǎng)所在的地形條件，管網(wǎng)節(jié)點、特殊區(qū)域、重要節(jié)點的地形標高，將地形標高數(shù)據(jù)與管道位置數(shù)據(jù)相耦合。再次，供水管網(wǎng)需建立用戶的水壓需求數(shù)據(jù)，最低消防水壓需求數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)伯努利方程及連續(xù)性方程可模擬出管網(wǎng)內(nèi)流量分布及壓力變化情況、用戶水壓分布情況、保證模型準確可靠，并且與實際地形條件、用戶需求相統(tǒng)一。

建立優(yōu)化模型時目標函數(shù)及約束條件是關(guān)鍵。供水管網(wǎng)的目標函數(shù)一般包括供水成本、能耗及泄漏風險的最小化，或者供水可靠性及服務(wù)水平的最大化。成本與能耗可由管網(wǎng)運行數(shù)據(jù)定量描述，供水可靠性需要綜合考慮管道破損率、維修時間以及用戶用水需求等波動因素。約束條件有管網(wǎng)流量、壓力限制、水泵、閥門運行范圍等物理約束以及供水、排水需求均衡等。

排水管網(wǎng)最大的約束條件是管網(wǎng)造價及污水處理設(shè)施的建設(shè)成本，同時需考慮再生水用戶的分布、再生水供水能耗。再生水在近年來也成為城市寶貴的非常規(guī)水資源，所以污水管網(wǎng)的目標函數(shù)最終成為非常規(guī)水資源利用、污水處理設(shè)施建設(shè)及運營成本、再生水供水成本、再生水管網(wǎng)建設(shè)成本、城市土地合理利用等。

雨水排水管網(wǎng)的約束條件在以往模型中相對較少，即順暢排出和防止內(nèi)澇發(fā)生，降低暴雨對城市的危害及保障安全出行。但隨著城市建設(shè)范圍的擴大、城市功能的增多，雨水管網(wǎng)的建設(shè)成本與當?shù)氐谋┯陱姸燃敖涤炅?、城市下墊面、城市的規(guī)模、河流（水體）分布、城市地形條件、敏感點分布等相關(guān)。在合理的范圍內(nèi)可適當采用調(diào)蓄設(shè)施、城市海綿設(shè)施以減少雨水管網(wǎng)的整體造價及管網(wǎng)對地下空間的占據(jù)。對初期雨水污染的控制也是不可或缺的考慮因素，包含對初期雨水的收集、輸送、處理以及利用等。

在優(yōu)化模型的構(gòu)建中還要考慮隨機因素以及不確定性因素。例如，用水需求變化，設(shè)備故障以及自然災(zāi)害。這些不確定性因素可采用概率統(tǒng)計方法與風險分析技術(shù)量化處理，同時為優(yōu)化模型增加相關(guān)魯棒性約束與情景分析來增強其實用性與穩(wěn)定性。當代的優(yōu)化模型經(jīng)常使用混合整數(shù)線性規(guī)劃（MILP）、非線性規(guī)劃（NLP）以及動態(tài)規(guī)劃（DP）等技術(shù)，以解決復(fù)雜的多目標和多約束的優(yōu)化難題[4]。MILP適合管網(wǎng)結(jié)構(gòu)及控制策略優(yōu)化；NLP可處理流量與壓力之間的非線性關(guān)系；DP應(yīng)用于管網(wǎng)擴展改造方案等多階段決策。

此外，為了求解優(yōu)化模型，需要利用先進的計算方法和智能算法，例如遺傳算法、粒子群優(yōu)化和模擬退火算法等。這些算法能夠模擬自然界的進化和群體行為，從而高效地找到全局最優(yōu)解。將物理模型、目標函數(shù)、約束條件與優(yōu)化算法相結(jié)合，可建立全面、準確、實用的給排水管網(wǎng)優(yōu)化模型來指導(dǎo)管網(wǎng)設(shè)計、運營與養(yǎng)護，促進城市供排水系統(tǒng)高效、可靠地運行，有力支撐城市可持續(xù)發(fā)展[5]。

3 城市市政給排水管網(wǎng)的管理策略

3.1 引入智能監(jiān)測與管理系統(tǒng)

供排水系統(tǒng)巧妙運用物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)，實現(xiàn)管網(wǎng)運行狀況實時監(jiān)控。通過設(shè)置關(guān)鍵節(jié)點上的流量、壓力、水質(zhì)等傳感器，可以使系統(tǒng)不間斷采集流量、壓力和水質(zhì)等關(guān)鍵指標的數(shù)據(jù)，從而保證對管網(wǎng)整體進行全方位的監(jiān)測。該智能化管理方式在增強給排水管網(wǎng)感知能力的同時，使任何異常情況均可快速捕捉到，同時還可為預(yù)防性維護及緊急響應(yīng)提供數(shù)據(jù)支撐。同時，系統(tǒng)在傳感器發(fā)現(xiàn)異常時會自動發(fā)出警報，并告知管理人員及時進行干預(yù)，有效防止可能出現(xiàn)的泄漏、堵塞或水質(zhì)問題。另外，該數(shù)據(jù)可應(yīng)用于管網(wǎng)運行效率分析，有助于管理人員可以更加科學決策、資源優(yōu)化配置、減少不必要浪費。總體而言，引入智能監(jiān)測與管理系統(tǒng)不僅顯著提高了給排水管網(wǎng)的管理效能和反應(yīng)迅速性，同時也為城市水資源管理注入了更高層次的智能化元素，成為現(xiàn)代城市管理體系中不可或缺的一部分。該技術(shù)的應(yīng)用保證城市給排水系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行的同時，也為城市可持續(xù)發(fā)展提供可靠的技術(shù)支持。

3.2 管網(wǎng)維護與清潔

管網(wǎng)維護及清潔作為城市給排水系統(tǒng)管理中最核心的一環(huán)，涉及對管道設(shè)施的經(jīng)常性巡檢、清洗、維修及更新等工作，從而保證管網(wǎng)暢通。巡檢時專業(yè)人員將沿管道線路仔細查看，關(guān)注任何潛在滲漏、裂縫和破損等問題，并同步記錄管道壓力變化、關(guān)于流量和其他核心參數(shù)，例如壓力是否處于0.2～0.6 MPa的標準區(qū)間，以及流量是否保持穩(wěn)定等都是需要考慮的因素。一旦檢測到不正常的情況，應(yīng)立即采取行動進行清理和修復(fù)。例如，使用高壓水槍清除管道內(nèi)的雜質(zhì)，確保管道的內(nèi)徑≥原設(shè)計的80%，以保持良好的水流通性。對老化或者破損較重管道設(shè)施及時更換以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定安全。另外，須根據(jù)管道的使用頻次和水質(zhì)狀況，制定有針對性的維護計劃。例如，每半年或一年進行一次全面的清潔和檢查。通過上述措施在延長管道使用壽命的同時，也保證給排水系統(tǒng)連續(xù)、高效地運轉(zhuǎn)，以滿足城市居民及企業(yè)日常使用。全程對各參數(shù)進行實時監(jiān)控及記錄，為管網(wǎng)維護及清洗提供強大數(shù)據(jù)支撐，使每次維護作業(yè)更準確、更高效。這一科學系統(tǒng)的管網(wǎng)維護及清潔方法為城市穩(wěn)定供水及排水提供堅實保障。

3.3 水量管理與減少策略

水量管理及減少策略在城市水資源管理中占有重要地位，而普及水資源回收利用及減少非必要用水則顯得格外關(guān)鍵。通過水資源回收，可以把廢水和雨水等變成可以重新使用的水，這樣既有利于降低人們對新鮮水源的依賴性，又可以降低城市排水系統(tǒng)所帶來的負擔。例如，通過設(shè)置雨水收集系統(tǒng)從屋頂和道路上收集雨水，并對其進行妥善處理，以達到?jīng)_廁和灌溉的目的，從而高效地利用水資源。同時，減少非必要用水至關(guān)重要。其中包括提倡居民及商家養(yǎng)成節(jié)約用水的習慣，比如維修滲漏的水龍頭，采用節(jié)水型衛(wèi)生設(shè)備及合理安排清洗時間等。另外，通過提高水價或階梯水價，實行用水定額管理，可以引導(dǎo)市民更加珍惜水資源，減少浪費。綜合運用上述策略，既可以減少城市用水量又可以提高水資源利用效率，有利于城市可持續(xù)發(fā)展。實現(xiàn)在保證城市給排水管網(wǎng)平穩(wěn)運行的前提下保護好水資源，從而為城市居民帶來更可靠和更有效的用水措施。實施水量管理及減少策略需要相關(guān)部門、企業(yè)及公眾等多方力量，營造全社會參與的良好局面，才能使水資源得到可持續(xù)利用[6]。

4 結(jié)語

總之，城市市政給排水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化配置及管理涉及很多方面知識及工程內(nèi)容，需要綜合協(xié)調(diào)，同時也需要投入很多資源來促進整體工作效率與工作質(zhì)量的提高。在此優(yōu)化配置的過程中，工作人員要秉持人本理念進行配置，這樣不僅能有效強化管網(wǎng)系統(tǒng)運行的可靠性，還能實現(xiàn)資源分配以及使用的科學性與合理性。

參考文獻

[1] 魏陽.城市市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置分析[J].大眾標準化，2021（1）：51-52.

[2] 錢云.市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置研究與分析[J].大眾標準化，2021（1）：38-39.

[3] 金朝.市政給排水設(shè)計中輸水方式的選擇及管網(wǎng)分區(qū)分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2021（3）：85-86.

[4] 李晴.城市市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置與管理[J].工程技術(shù)研究，2021，6（4）：197-198.

[5] 鄧婷.城市市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置與管理分析[J].居舍，2021（26）：117-118.

[6] 崔帥，吳永強，王書盛，等.城市市政給排水管網(wǎng)的優(yōu)化配置與管理初探[J].綠色科技，2021，23（16）：191-193.

[作者簡介]蔣鋒（1977—），男，河南鞏義人，本科，工程師，研究方向：排水管理。