城市给水管网优化设计探讨
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作者: 孟祥东
摘要：本文介绍了管网优化技术的发展历程及趋势，提出了城市给水管网优化设计的原则，探讨了给水工程规划设计及给水管网改造工程中管网优化设计工作的方法和步骤。
关键词：城市给水管网；优化；原则；规划设计；改造
中图分类号：TU991.33 文献标识码：B 文章编号：1674-3954（2013）21-0138-02
1 引言
随着社会经济快速发展和城镇化进程的加快，城市规模不断扩大，建设经济适用、安全可靠的给水系统，对保障城市正常生产生活越发显得重要。城市给水系统主要包括取水、净水和输配管网三大部分，其中输配管网约占整个给水工程总投资的60～80%，管网运行能耗费用一般为制水成本的30～50%。因此，在城市给水工程规划设计工作中，管网优化设计具有重要的现实意义，它不仅可以提高管网系统的布局合理性、运行经济性和供水安全可靠性，还能够起到节约工程投资、降低管网运行能耗和管理维护费用，从而提高给水工程的经济效益。
2 管网优化技术研究的发展历程及趋势
管网优化设计在国外始于20世纪60年代，我国管网优化设计的研究起初较滞后，但近年来发展很快。管网优化技术研究经历了从单一型向复合型的发展历程，主要为：经典优化理论及应用，主要有线性规划、非线性规划、动态规划法等；启发式算法研究及发展，主要有遗传算法、人工神经网络法；多方法优化，主要有模糊数学、动态规划、遗传算法相结合的方法，以及地理信息系统（GIS）等计算机软件相结合的方法。
随着计算机辅助设计技术的发展，遗传算法、人工神经网络法、模拟退火算法和和蚁群算法等新型算法己成为管网优化计算的主要方法，探索和开发了可视化技术、集成GIS、优化算法等多种管网优化软件。管网优化研究的领域不断拓展，涉及到管网运行可靠性和经济性的优化、环状管网、环状与树状相结合的混合管网的优化布置与设计等。目前，我国城市给水管网特别是大城市，己形成管网规模大型化、复杂化和形式多样化，对管网的建设和管理都提出了更高的要求，管网优化必将成为城市给水工程规划设计中研究的重要方向之一。
3 给水管网优化设计的任务和原则
3.1 给水管网优化设计的任务
给水管网优化设计一般是指在既定条件下（即水厂规模和位置己确定），通过建立管网优化模型和运行工况模拟计算，寻求投资少、能耗低、安全可靠性高的管网系统（包括管网布置、管径选择、供水分区划分及加压站设置等）最优设计方案。给水管网优化设计的任务主要有以下两个方面：
（1）管网优化布置。管网优化布置是管网优化设计的基础，管网布置的合理与否，直接关系到给水系统的安全可靠性和技术经济合理性。在管网的优化布置中，对地形高差大分区供水的城市，还应注意对供水分区及其供水方式进行优化，合理选择串联供水或并联加压供水方式，合理设置加压站，以使得加压供水系统的运行费用最低。
（2）管径优化设计。管网中每个管段管径的大小，与管网系统布局和该管段在管网系统中承担的任务密切相关，管径优化设计需要以最优管网布置为基础，通过管网优化模型求解。
3.2 给水管网优化设计原则
城市给水工程是一个复杂的系统工程，在给水网优化设计中应把握好以下原则：
（1）要兼顾未来城市发展（特别是近期）对给水系统建设的要求。优化设计宜结合城市总体规划，合理确定城市近、远期供水量及规划布局给水干管系统。
（2）优化设计的针对性要强，应重点解决好城市给水网系统现状存在的主要问题。结合现状城市给水调查，对管网及其运行中存在的问题进行深入分析，研究对主要问题的解决措施。
（3）通过优化设计，在满足供水需求、保障管网运行安全可靠的前提下，力求节省投资、降低能耗，且具有实际可操作性。
（4）重视对现状管道的合理利用和充分利用，避免大拆大建。
4 城市给水管网优化设计
4.1 城市给水工程规划设计中的管网系统优化设计
给水管网具有输送、存储、分配水资源的功能，担负着为城市各生产和生活用户供水的重要任务，其建设投资大、运行能耗高。因此，在城市给水工程设计中对给水管网系统进行优化设计十分重要。在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般采取以下方法和步骤：
（1）结合城市总体规划，合理确定近远期的供水范围、城市用水量、供水水源及规模。
《室外给水设计规范））GB50013提出，给水工程设计应按远期规划、近远期结合、以近期为主的原则进行设计，近期设计年限宜采用5～10年，远期规划设计年限宜采用10～20年。因此，城市供水范围、用水量、供水水源及规模必须结合城市总体规划进行确定。
（2）研究城市规划布局和地形地势，划分供水分区，布置给水管网系统，建立给水管网结构数据库。
相对于小城市而言，大型城市一般城市建设区的面积都很大，各区域之间存在有不同程度的地形高差，给水系统往往很复杂，管网系统布置有多种形式，需要对不同布局方案进行技术经济比较，才能寻找到最优的管网布置方案。
管网布局方案一般主要考虑输配水干管，而对于次要的、水力条件影响较小的给水支管，则可以忽略。输配水干管的布置和定线应根据城市规划布局、水源及调节池位置、供水区地形地势、大用户的分布，以及河流、铁路、桥梁等的位置等进行合理确定。
（3）建立给水管网优化设计模型，设定管网优化模型的目标函数和约束条件。
管网优化设计的数学模型以经济性为目标函数，将其余的作为约束条件，据此建立目标函数和约束条件表达式。传统的城市给水管网优化是一种造价单目标优化，采用的是线性规划的模型，其优化的结果是系统管段管径的合理配置。目前，给水管网优化设计大多采用包含管网、泵站投资建设和运行维修等费用的非线性规划模型，通过数学方法进行管网优化计算，在同时满足设定约束条件的情况下，求解目标函数最小化，使得整个管网系统投资及相应的运行维修费用最低。 （4）选择优化计算方法
优化计算方法主要有局部优化和全局优化算法两大类。局部优化算法主要有线性规划、非线性规划等；全局优化计算方法主要有遗传算法、蚁群算法等，优化计算可采用遗传算法、模拟退火算法，这两种算法是近年来发展比较快的优化计算方法，在给水管网优化设计计算中使用较普遍。
（5）对管网优化结果分析总结。
4.2 城市给水网改造工程的优化设计
随着城市的发展和人口的增长，城市用水量和给水管网规模不断扩大，旧城区供水出现了管网布置不合理、管径偏小、管道老化及漏损严重、局部区域供水压力低等诸多问题，为提高供水质量和保障安全供水，许多城市都迫切需要对给水管网进行改造。
城市给水管网的改造工程，一般主要涉及到新增供水干管、调整管道的管径、更换老化和漏损严重的管道、扩建和增设加压泵站等几个方面，经优化设计，可有效减少人为主观因素的影响，使管网改造方案更加趋于经济节约和科学合理。城市给水管网改造优化设计方式有多种，但目的只有一个即：根据优化的目标体系构造模型，运用最优化理论和方法，确定合理的设计参数和投资最小、可靠性高、运行效果佳的管网系统改造方案。给水管网改造优化设计一般采取以下方法和步骤：
（1）调查和收集城市供水量、城市用水量、水厂、管网等基础资料，建立给水管网结构数据库。
（2）根据城市近、远期供目标，规划布局给水管网系统，建立管网水力优化设计模型，进行运行工况模拟，通过管网运行工况模拟发现管网系统存在的问题，分析管网改造需求及可行性。
（3）根据管网运行工况模拟计算及分析结果，分析和评估方案的技术、经济、安全性能，从而寻求最优改造方案，以达到较好的综合效益。
（4）确定现状管网系统改造范围，制定管网改造方案。结合现状城市供水存在的突出问题，分轻重缓急，合理安排给水管网改造计划，有序开展新建供水干管、现状管道管径调整、更换老化和漏损管道、扩建或增加加压泵站等工作。
5 结束语
城市给水管网的优化设计与应用具有重大的经济效益和社会效益，本文对优化设计的一些基本原则和方法进行了探讨，为城市给水网管道的优化设计提供了技术指导。虽然目前城市给水管网优化理论研究已经取得很大进展，优化设计及计算方法日趋完善和精确，但在实际应用中仍然存在一些问题和缺陷，还需城市给水工作者努力探索和研究。
参考文献
[1]室外给水设计规范GB50013-2006
[2]尹学农，任群，王国华，王雪峰，给水排水管网工程设计优化与运行管理[M]北京：化学工业大学，2007
[3]苗秀荣，城市给水管网优化设计研究[J]，工业安全与环保，2008（1）
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