城市給排水管網(wǎng)規(guī)劃及優(yōu)化探析（二）

摘要：城市給水系統(tǒng)作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著安全、經(jīng)濟(jì)、合理地為人們生活和生產(chǎn)提供用水的重任。給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低工程建設(shè)和維護(hù)成本的同時(shí)，能夠最大限度地改善給水管網(wǎng)的水力狀況。文章概括了城市給水管道的設(shè)計(jì)內(nèi)容和原則，并在此基礎(chǔ)上探討了給水管道的設(shè)計(jì)原則，最后給出了城市給水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體步驟。

關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；模型建立；基礎(chǔ)設(shè)施；水力狀況 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU991 文章編號(hào)：1009-2374（2015）27-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.027

作為城市供水系統(tǒng)的重要組成部分，城市給水管網(wǎng)的基本功能提供生活生產(chǎn)用水，在滿足居民、生產(chǎn)企業(yè)對(duì)水量、水壓以及水質(zhì)要求的基礎(chǔ)上，將水及時(shí)安全地輸送到目的地。給水工程建設(shè)中，給水工程中管網(wǎng)的投資比重往往比較大，同時(shí)每年管網(wǎng)的運(yùn)行需要消耗大筆能源開(kāi)銷，其運(yùn)行狀態(tài)也關(guān)系到給水水質(zhì)。因此，深入開(kāi)展對(duì)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在降低工程投資以及維護(hù)管理費(fèi)用、節(jié)省能源消耗、保證給水安全方面具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 城市給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容

城市給水管網(wǎng)按功能可以分為輸水管網(wǎng)和配水管網(wǎng)。管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括了新建或增建管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，其目的是在滿足用戶對(duì)水壓和水量需求的基礎(chǔ)上，盡量降低工程投資以及常年運(yùn)轉(zhuǎn)維護(hù)費(fèi)用。管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵步驟是水力計(jì)算數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，在設(shè)計(jì)情況約束條件下，結(jié)合數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，得出設(shè)計(jì)的最優(yōu)管徑和水泵揚(yáng)程。設(shè)計(jì)方案應(yīng)將城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)、水源地、周邊地形、用戶用水規(guī)律等條件考慮在內(nèi)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)條件以確定設(shè)計(jì)方案，內(nèi)容包括：

1.1 給水管網(wǎng)的定線布置

給水管網(wǎng)的布置形式應(yīng)適應(yīng)城市的總體規(guī)劃要求，綜合考慮周邊的影響因素，如水源、水塔位置、調(diào)節(jié)池、地形條件、管線走向布置等，達(dá)到滿足用戶的用水水壓、用水需求以及用水安全的目的。

1.2 供水量的設(shè)計(jì)

在規(guī)劃城市給水系統(tǒng)供水容量的時(shí)候，應(yīng)將用戶用水量隨季節(jié)時(shí)間的變化情況考慮在內(nèi)，在設(shè)計(jì)規(guī)劃前通過(guò)調(diào)研，對(duì)城市居民生活用水、工業(yè)生產(chǎn)的用水規(guī)律進(jìn)行較為準(zhǔn)確的把握，同時(shí)還要考慮城市公用建筑、城市綠化和消防事業(yè)等用水情況。

1.3 水塔以及清水池的容積和高程的確定

這部分內(nèi)容主要涉及到取水和配水構(gòu)建物之間的流量關(guān)系的分析以及泵站工作曲線的確定。

1.4 管網(wǎng)水力

這部分內(nèi)容需要確定管網(wǎng)沿線以及節(jié)點(diǎn)流量，包括管道流量以及水頭損失的計(jì)算估計(jì)、管徑的選擇和管網(wǎng)平差的計(jì)算等。

1.5 綜合對(duì)比

通過(guò)綜合比較多個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，確定多指標(biāo)約束下的最佳設(shè)計(jì)方案。

2 給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則

2.1 管網(wǎng)布置

隨著城市設(shè)計(jì)規(guī)劃的不斷區(qū)域完善合理，管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)日益引起重視。給水管網(wǎng)規(guī)劃和定線的合理性影響著供水系統(tǒng)的正常運(yùn)行以及水泵揚(yáng)程的設(shè)定，并且對(duì)工程投資以及后期的管理維護(hù)也有影響；由于管網(wǎng)工程投資額大，并且管線埋藏于地下，存在較多的安全隱患，應(yīng)在管網(wǎng)設(shè)計(jì)之初進(jìn)行科學(xué)合理的規(guī)劃，進(jìn)行系統(tǒng)水力模擬校核以消除不安全因素，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，對(duì)城市給水管網(wǎng)布置有以下四個(gè)方面的基本要求：（1）給水管網(wǎng)的設(shè)置要符合城市建設(shè)的總體規(guī)劃，充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)建性，為以后可能的增容擴(kuò)建預(yù)留發(fā)展空間。（2）需要將管網(wǎng)布置在整個(gè)給水區(qū)范圍內(nèi)以保障用戶對(duì)水量以及水壓的要求。（3）管網(wǎng)的布置應(yīng)充分考慮給水的安全性和可靠性，在發(fā)生局部管網(wǎng)供水問(wèn)題時(shí)，應(yīng)能夠?qū)⑵溆绊懛秶档阶钚?，避免給水網(wǎng)絡(luò)的大面積癱瘓。（4）優(yōu)化管線的敷設(shè)。管線的敷設(shè)關(guān)系到管網(wǎng)造價(jià)以及供水能源消耗，優(yōu)化管線敷設(shè)使得管線達(dá)到最短能夠降低這兩方面的費(fèi)用。

2.2 管網(wǎng)定線

管線定線主要包括輸水管定線和干管定線，應(yīng)著重考慮以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：

第一，輸水管定線：（1）在保證供水安全的基礎(chǔ)上，保證輸水管線盡量簡(jiǎn)短以滿足造價(jià)經(jīng)濟(jì)的要求；（2）盡量沿公路敷設(shè)，避免穿越障礙物，降低施工難度；（3）輸水管應(yīng)優(yōu)先選擇重力流輸水；（4）輸水管應(yīng)保持在兩條及以上，避免間斷供水的發(fā)生；（5）輸水管的選擇應(yīng)本著遠(yuǎn)近結(jié)合以及分期結(jié)合的原則來(lái)

操作。

第二，干管定線：（1）干管定線應(yīng)盡量沿已有的規(guī)劃道路敷設(shè)，總體上要符合城市路網(wǎng)的總體規(guī)劃；（2）為增加供水安全性，干管盡量布置在海拔較高的位置；（3）根據(jù)規(guī)劃原則確定供水區(qū)范圍，保證管線合理分布于整個(gè)供水區(qū)內(nèi)；（4）干管的布置也要考慮未來(lái)分期建設(shè)發(fā)展的可能性，預(yù)留擴(kuò)容增建空間；（5）管線上要增設(shè)附屬安全設(shè)備，如閘閥等。

3 城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

管網(wǎng)設(shè)計(jì)主要有以下四個(gè)方面的基本要求：（1）保證供水水量和水壓；（2）保證水質(zhì)的安全性；（3）保證供水過(guò)程的安全可靠；（4）考慮供水的經(jīng)濟(jì)性。由于對(duì)水質(zhì)缺乏科學(xué)的定量評(píng)估方式，并且很難通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型評(píng)價(jià)大型管網(wǎng)的可靠性，實(shí)際上通常將經(jīng)濟(jì)性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余影響因素當(dāng)作約束條件來(lái)考慮，從而建立起目標(biāo)優(yōu)化方程，通過(guò)優(yōu)化求解確定優(yōu)化方案，通過(guò)給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)主要包括以下三項(xiàng)：

第一，管網(wǎng)造價(jià)的年損耗折算費(fèi)用：管網(wǎng)投資回收期設(shè)為t，管網(wǎng)總造價(jià)為C，則年折算費(fèi)用為C/t，對(duì)于C，有：

（1）

式中：為管道造價(jià)公式，a，b，α為公式系數(shù)：Dij表示管段管徑；Cij表示單位長(zhǎng)度管徑為Dij的管段的造價(jià)；Lij表示從i節(jié)點(diǎn)到j(luò)節(jié)點(diǎn)的管段長(zhǎng)度。

第二，管網(wǎng)動(dòng)力費(fèi)用：對(duì)于有泵管網(wǎng)，管網(wǎng)的動(dòng)力費(fèi)用為：

（2）

其中表示的是能量不均勻系數(shù)；E代表了電費(fèi)換算系數(shù)；為泵站效率（%）；為水的密度；Q代表了水泵流量；Hp表示的是水源水泵站揚(yáng)程。

第三，折舊維修費(fèi)用：假設(shè)管網(wǎng)折舊率為P%，則每年管網(wǎng)的折舊大修費(fèi)用為：

（3）

將上式化簡(jiǎn)，取變量部分，得年費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)如下：

（4）

給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化是將一系列影響因素作為約束條件予以考慮，如節(jié)點(diǎn)流量連續(xù)性、能量平衡的約束、節(jié)點(diǎn)水壓約束、送水泵站供水流量、最小管徑及標(biāo)準(zhǔn)管徑約束、加壓揚(yáng)程約束、管段流速約束等。優(yōu)化目標(biāo)是在保證用戶用水量以及水壓的基礎(chǔ)上，計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的最小值，同時(shí)考慮目標(biāo)函數(shù)參數(shù)的準(zhǔn)確性以及合理性。

在城市給水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般按如下的步驟予以實(shí)施：（1）給水工程的設(shè)計(jì)應(yīng)注重規(guī)劃中遠(yuǎn)期的結(jié)合，綜合考慮城市的供水范圍、供水量、水源地以及供水規(guī)模等諸多影響因素；（2）通過(guò)分析城市的規(guī)劃布局以及地形地勢(shì)以合理布置給水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立給水管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于中大城市而言，由于城區(qū)建設(shè)的面積廣范圍大，不同城區(qū)之間海拔地勢(shì)存在一定的差異，這給給水系統(tǒng)的布置以及施工帶來(lái)極大的不便，因此要從技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面綜合考慮以確定最優(yōu)的管網(wǎng)布置方案；（3）建立給水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，在滿足約束條件的情況下，通過(guò)管網(wǎng)優(yōu)化模型目標(biāo)函數(shù)，求取模型最優(yōu)解，確定設(shè)計(jì)方案；（4）目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算方法的選擇。優(yōu)化計(jì)算方法主要有兩類：局部?jī)?yōu)化算法以及全局優(yōu)化算法，其中局部?jī)?yōu)化算法主要包括線性、非線性規(guī)劃兩類；全局優(yōu)化主要是通過(guò)智能優(yōu)化算法予以求解，如遺傳算法、粒子群算法等，這兩種算法近年來(lái)發(fā)展較快，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了成功的應(yīng)用；（5）對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，為以后的工程項(xiàng)目提供參考。

4 結(jié)語(yǔ)

城市給水管網(wǎng)作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，城市的發(fā)展對(duì)城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，盡管城市給水管網(wǎng)優(yōu)化的理論研究不斷被推向新的高度，同時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)及其計(jì)算也日趨完善，但在實(shí)際操作中依然存在較多的問(wèn)題亟待解決，需要城市給水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)者以及實(shí)施者持續(xù)不斷地探究。本文分析總結(jié)了給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原則與方法，提出了一些有益的建議，以期為城市給水管網(wǎng)道的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一些參考。

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

（責(zé)任編輯：陳 倩）