城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法探討

摘要：本文主要針對城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法展開了探討，對管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展歷程、趨勢以及任務(wù)原則作了系統(tǒng)的概述，并詳細(xì)研究分析了城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng);優(yōu)化;設(shè)計(jì)方法

0"引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及城市化進(jìn)程的加快，人們對于給水量需求逐漸增大，這導(dǎo)致城市給水網(wǎng)對于城市的建設(shè)也越來越重要。但是現(xiàn)今的城市給水管網(wǎng)改擴(kuò)建存在很大的問題，必須要對城市給水管網(wǎng)改擴(kuò)建進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能夠真正的保證城市給水的安全可靠，促進(jìn)城市的穩(wěn)定發(fā)展。基于此，本文就城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1"管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展歷程以及趨勢

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在國外始于二十世紀(jì)六十年代，但是在我國，對于管網(wǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還比較的落后，但是隨著不斷的研究，管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)在我國也不斷的發(fā)展。現(xiàn)今我國的管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)從單一型的研究轉(zhuǎn)向了復(fù)合型的研究，主要的研究方向有：

（1）經(jīng)典優(yōu)化理論以及應(yīng)用分為：有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、以及動態(tài)規(guī)劃法;

（2）啟發(fā)式算法研究及其發(fā)展，主要有遺傳算法、以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法;

（3）多方法的優(yōu)化主要分為：模糊數(shù)學(xué)法、動態(tài)規(guī)劃與遺傳算法相互結(jié)合的方法，以及與地理信息系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)軟件之間的相互結(jié)合的方法。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輔助技術(shù)的發(fā)展，管網(wǎng)優(yōu)化的主要計(jì)算方法有：遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、摸擬算法以及蟻群算法等新型算法。并且相關(guān)的研究人員經(jīng)過不斷的探索，開發(fā)了很多的可視化技術(shù)、集成GIS以及優(yōu)化算法等多種管網(wǎng)優(yōu)化軟件。管網(wǎng)優(yōu)化的領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)展，主要涉及到的方面有：管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化、環(huán)狀管網(wǎng)、環(huán)狀與樹狀相互結(jié)合的混合式管網(wǎng)優(yōu)化配置。

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

2.1"技術(shù)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)

對于給水管網(wǎng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)主要是指在一定的條件之下，水廠的規(guī)模以及位置都要確定好，通過建立管網(wǎng)優(yōu)化模型以及運(yùn)行之中工況進(jìn)行模擬計(jì)算，從而來尋求投資少、耗能低并且安全性比較高的管網(wǎng)系統(tǒng)。對于管網(wǎng)系統(tǒng)，主要包括：管網(wǎng)布置、管徑選擇、供水分區(qū)劃分及加壓站設(shè)置等設(shè)計(jì)方案，而給水管網(wǎng)優(yōu)化的主要任務(wù)有以下兩個(gè)方面。

2.1.1"管網(wǎng)優(yōu)化布置

管網(wǎng)優(yōu)化布置主要是指在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，對管網(wǎng)進(jìn)行合理的布置。管網(wǎng)布置的合理與否，主要是影響著給水系統(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，對于地形差異比較大的地區(qū)與城市，供水的方式必須要進(jìn)行合理的優(yōu)化，選擇適合本地區(qū)的供水方式，并且要合理的選擇串聯(lián)或是并聯(lián)的加壓供水的方式。對于一些給水加壓泵站進(jìn)行合理的布置，并且要盡量降低供水系統(tǒng)的成本費(fèi)用。

2.1.2"管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)

在管網(wǎng)中，每個(gè)管網(wǎng)中的管段管徑的大小，直接與管網(wǎng)系統(tǒng)的布局有著相應(yīng)的影響，并且管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)必須要以最佳的管網(wǎng)布置方式為基礎(chǔ)，并且最后利用管網(wǎng)優(yōu)化模型進(jìn)行相應(yīng)的求解。

2.2"給水管網(wǎng)優(yōu)化的設(shè)計(jì)原則

城市的給水工程是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工程，因此必須要堅(jiān)持以下的原則：

（1）必須能夠適應(yīng)未來城市發(fā)展的需要，對給水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，要結(jié)合城市的規(guī)劃，從而確定好城市近期或遠(yuǎn)期對于給水系統(tǒng)的要求，從而來優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)，合理的進(jìn)行管網(wǎng)的布局;

（2）對于優(yōu)化設(shè)計(jì)的針對性必須要強(qiáng)，必須要能夠重點(diǎn)的解決城市的給水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在問題，并且要結(jié)合現(xiàn)今城市給水調(diào)查的現(xiàn)狀，對一些存在的問題深入的分析，并且一定要能夠提出相應(yīng)的措施去解決問題;

（3）利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方式，滿足供水的需求，從而來保證管網(wǎng)運(yùn)行安全可靠，以降低能源消耗為主要目標(biāo)，從而來增強(qiáng)實(shí)際的操作性;（4）加強(qiáng)對現(xiàn)狀管道的合理運(yùn)用，充分的發(fā)揮起作用，避免拆卸重建，這樣會在很大程度上降低成本，提高應(yīng)用的效率。

2.3"給水網(wǎng)的問題探索

2.3.1"用水量的預(yù)測

隨著城市的發(fā)展，居民的生活水平提高，因此對于用水量也在不斷的增大，因此在進(jìn)行城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一定要能夠?qū)Τ鞘芯用竦挠盟窟M(jìn)行全面的預(yù)測，這是城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化改建的首要工作。

2.3.2"管道管段阻力的計(jì)算

在給水管網(wǎng)經(jīng)過長時(shí)間的使用時(shí)，在管道內(nèi)部會產(chǎn)生大量的微生物以及鐵銹等沉積物，因此必須要對管道內(nèi)部的阻力進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，來避免對其的不利影響。

2.3.3"管網(wǎng)等水壓線的繪制

要根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力來進(jìn)行給水管網(wǎng)的圖形繪制，并且通過對現(xiàn)狀的管網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的改造。在新區(qū)進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要繪制管網(wǎng)的等水壓圖，在等水壓線密集的地方，說明水力坡度陡降，這段管道的負(fù)荷比較大。相反，如果等水壓線的稀疏處，則是說明水力坡度比較平緩，則是該管道的負(fù)荷比較小。對于現(xiàn)狀管網(wǎng)進(jìn)行改造時(shí)，繪制管網(wǎng)等水壓線圖來判斷出管網(wǎng)的薄弱之處，可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的合理的計(jì)劃方案。

3"城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

給水管負(fù)擔(dān)著分配水資源，用水的輸送和水資源的儲存等重要功能，為城市龐大的人口群體提供這生活中必不可少的生活用水和生產(chǎn)中所需要的水量。所以可想而知，城市水管的建設(shè)是一項(xiàng)重要而且十分龐大的工程，它所需要的建設(shè)投資相當(dāng)大，運(yùn)輸和運(yùn)行能耗極高，施工方面也需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)呢?cái)力和人力，而且施工過程中還要嚴(yán)格遵守相關(guān)的規(guī)章制度和準(zhǔn)則才能順利合格的完成。因此，城市中的公共給水工程建設(shè)對給水管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行的優(yōu)化和設(shè)計(jì)等一系列步驟是十分重要的，所以在城市的水管建設(shè)中要有一套完整且科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化才能更好的發(fā)揮城市水管的功能。在城市給水的巨大工程中，要有科學(xué)的規(guī)劃建設(shè)，因此在城市的給水管建設(shè)中，一般要采取以下系列步驟和措施。

（1）在城市水管的建設(shè)當(dāng)中，要根據(jù)城市的具體情況，先實(shí)地考察，了解城市的基本地質(zhì)和建設(shè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)人口密度的分布和水資源的分布，以及水資源的提供范圍，居民生活用水和生產(chǎn)用水量等客觀條件，制定相應(yīng)和完整的可行方案及計(jì)劃。要充分了解城市近遠(yuǎn)期合理的用水范圍，以《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》為原則和準(zhǔn)則，在不違背法律和規(guī)范的情況下對城市用水的供水范圍和用水量進(jìn)行規(guī)劃，與城市的實(shí)際情況相結(jié)合，制定合理的規(guī)劃方案。

（2）根據(jù)城市的實(shí)際地形和城市布局劃分生活用水的供水區(qū)，布置合理的供水體系，形成穩(wěn)定可靠的供水網(wǎng)絡(luò)管道和相應(yīng)的應(yīng)急解決方案，以應(yīng)對在城市正常用水期間面對突如其來的各種問題和狀況。建立穩(wěn)定的系統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，可以以計(jì)算機(jī)等科技手段進(jìn)行科學(xué)的分析和控制，形成系統(tǒng)的給水?dāng)?shù)據(jù)庫，在相對較大的城市當(dāng)中給水系統(tǒng)尤為復(fù)雜，大城市的供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同于小城市的供水網(wǎng)絡(luò)體系，所以面對大城市的給水管建設(shè)要更為注意結(jié)構(gòu)的合理性和布局的合理性。

（3）在計(jì)劃建造給水管當(dāng)中，可以設(shè)計(jì)給水管網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定其中給水管網(wǎng)絡(luò)的模型的目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

（4）根據(jù)全局的布局進(jìn)行給水管網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，運(yùn)用現(xiàn)代科技和手段進(jìn)

行水管模擬，通過計(jì)算非線性規(guī)劃模擬和線性規(guī)劃模擬，有效合理的進(jìn)行全局的水管網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

（5）對規(guī)劃出的系統(tǒng)水管方案進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治龊涂偨Y(jié)，利用科學(xué)有效的方法進(jìn)行處理，制定出最為合理的給水管網(wǎng)絡(luò)方案。

3.2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)展以及人口不斷的增長，人們生活水平不斷的提高，城市的用水量與給水管網(wǎng)的規(guī)模不斷的擴(kuò)大，在舊城區(qū)的一些給水管網(wǎng)的布置十分的不合理，嚴(yán)重的影響了水流的暢通。很多的給水網(wǎng)管徑都是偏小，并且管道老化的狀況十分嚴(yán)重，很容易發(fā)生泄漏以及破損，在局部的一些地區(qū)造成供水的壓力很低，無法保證供水的質(zhì)量和安全?，F(xiàn)今的很多城市都面臨著這一問題，因此對于給水管網(wǎng)的改造十分重要。

對于城市給水管網(wǎng)的改造工程，主要涉及到的方面有：新增的供水干管、調(diào)整管道的管徑、更換老化以及漏損的管道，以及對加壓泵的擴(kuò)建與增設(shè)等方面。對這些方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在很大程度上減少了人為主觀因素的影響，使管網(wǎng)改造的方案更加的科學(xué)化、節(jié)約化、合理化。對于城市給水網(wǎng)管的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)程序。

（1）對城市的供水量進(jìn)行合理全面的調(diào)查，同時(shí)對于城市的用水量以及水廠、管網(wǎng)等基礎(chǔ)資料進(jìn)行調(diào)查，從而建立給水管網(wǎng)的模型數(shù)據(jù)庫。

（2）要明確城市的近期遠(yuǎn)期的供水目標(biāo)，合理設(shè)計(jì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立相應(yīng)的給水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，并且進(jìn)行運(yùn)行工況模擬，利用管網(wǎng)運(yùn)行工況模擬系統(tǒng)來對管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題進(jìn)行相應(yīng)測試，并且針對其問題進(jìn)行解決，分析其根本原因，從而來對管網(wǎng)的改造需求進(jìn)行探討。

（3）在管網(wǎng)運(yùn)行工況模擬系統(tǒng)進(jìn)行工作的同時(shí)，對計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析，分析和評估設(shè)計(jì)方案的技術(shù)以及安全性能，從而來尋求最優(yōu)的改造方案，以此來取得最好的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）確定出現(xiàn)階段管網(wǎng)系統(tǒng)的改造的范圍，并且要制定相應(yīng)的一些方案。同時(shí)一定要結(jié)合城市供水存在的一些重大問題都要有著全面的研究，對待問題要有輕重緩急，必須要利用最合理科學(xué)的方案，來對給水管網(wǎng)進(jìn)行相應(yīng)的改造從而來保證改造工作的順利進(jìn)行，有序的開展新建的供水干管，對現(xiàn)存的一些管道要能夠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，對一些老化或破損的管道進(jìn)行更換，以及對加壓泵的增加等工作。

4展望

由于實(shí)際給水管網(wǎng)具有很大的復(fù)雜性，并且給水管網(wǎng)改建優(yōu)化設(shè)計(jì)屬于一種大型且多元多約束的工程，具有很多復(fù)雜的非線性系統(tǒng)工程問題。因此，對于給水網(wǎng)改造的工作是一項(xiàng)十分困難的項(xiàng)目，經(jīng)過相關(guān)人員理論和實(shí)踐相結(jié)合的研究，并且取得了一定的硏究成果，同時(shí)做到了創(chuàng)新與突破，但是要想完全解決這個(gè)難題，對于現(xiàn)階段我國來說，仍有一些工作有待進(jìn)一步深入研究。對于給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以利用遺傳算法方式進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，但是其中也存在著問題，比如該如何加快收斂的速度以及效果，怎樣利用管網(wǎng)水力計(jì)算本身的特點(diǎn)來確定約束的條件，并且對一些存在問題的成果進(jìn)行相應(yīng)的改正。對于給水管網(wǎng)的擴(kuò)建是逐步建成的，必須要對其進(jìn)行完整的規(guī)劃，才能夠保證工程順利的進(jìn)行，要對施工過程進(jìn)行策劃，比如哪些部分需要先建，哪些部分需要后建。并且要對改建之后的規(guī)劃進(jìn)行設(shè)計(jì)，對長遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行策劃，一定要兼顧遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)，做到統(tǒng)籌兼顧。因此，必須將管網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性作為主要目標(biāo)函數(shù)，將其他的因素作為約束的條件，從而來建立使用度函數(shù)，以此來對個(gè)體的適應(yīng)度進(jìn)行評價(jià)。這樣的結(jié)果會使給水安全性不夠完善。所以必須要根據(jù)工程的實(shí)際情況來對遺傳的算法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的修正，在經(jīng)濟(jì)以及安全至上尋求一個(gè)平衡點(diǎn)，從而來做到管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5"結(jié)語

綜上所述，在如今社會發(fā)展日益加快的今天，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。因此，為了保障城市用水的安全可靠，就需要我們重視城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以不斷提高給水管網(wǎng)給城市帶來的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

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