城市供水管網(wǎng)是城市十分重要的基礎(chǔ)設(shè)施，保證了城市的正常運(yùn)行，管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高管網(wǎng)系統(tǒng)的布局合理性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和供水安全可靠性。為了更好地保證城市供水管網(wǎng)的有序運(yùn)行，本文分析了如何對(duì)城市供水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1、城市供水管網(wǎng)的現(xiàn)狀及問題

隨著我國城市的迅猛發(fā)展，各地供水管網(wǎng)已具規(guī)模，但隨著人口增長和生活水平的提高，以及城市產(chǎn)業(yè)布局的調(diào)整，城市區(qū)域用水量有所變化，管網(wǎng)系統(tǒng)在各方面存在一系列問題：

（1）一些城市供水管網(wǎng)出現(xiàn)老化，老城區(qū)問題尤為突出，供水管網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)間大多在30年以上，管材質(zhì)量差，年久失修，老化嚴(yán)重，造成爆管以及各種形式的明漏、暗漏。

（2）供水管網(wǎng)的布局不合理，部分還停留在以前的規(guī)劃控制中，并沒有隨著需求的改變而改變，供水安全性較差，供水效益也有待提高。

（3）城填供水管網(wǎng)的更新、改造和擴(kuò)建，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力分布不均，高壓區(qū)的供水能力浪費(fèi)，而管網(wǎng)末梢服務(wù)壓力卻明顯不足。

為了保持供水滿足正常的生活需要，在大、中型城市當(dāng)中，供水管網(wǎng)通常都會(huì)使用環(huán)狀管網(wǎng)，這種管網(wǎng)建設(shè)的規(guī)模大、費(fèi)用也大，將其進(jìn)行優(yōu)化，找出最為經(jīng)濟(jì)且實(shí)用的方案，是目前的當(dāng)務(wù)之急。

2、供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)的發(fā)展及趨勢(shì)

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在國外始于20世紀(jì)60年代，管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究經(jīng)歷了從單一型向復(fù)合型的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)的給水管網(wǎng)計(jì)算步驟為：(1)分配管段流量，根據(jù)管段流量從經(jīng)濟(jì)流量表中選擇經(jīng)濟(jì)管徑；(2)管網(wǎng)平差計(jì)算，確定實(shí)際管段流量；(3)檢驗(yàn)各管段，若不滿足經(jīng)濟(jì)流量，則調(diào)整管徑，返回步驟2；若滿足則進(jìn)入步驟4；(4)選擇水泵，進(jìn)行流量、水壓校核，滿足要求則中止計(jì)算，否則或重選泵，或調(diào)整部分管徑，再平差直至滿意。上述方法的缺陷在于，(1)經(jīng)濟(jì)管徑、經(jīng)濟(jì)流速等概念是從單管的優(yōu)化計(jì)算中近似而來，在管網(wǎng)中，特別是在大型復(fù)雜管網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用就會(huì)帶來一定誤差，甚至是較大誤差；(2)經(jīng)過步驟2的平差計(jì)算后，難以保證新得到的管段流量仍在所選管徑允許的經(jīng)濟(jì)流速范圍內(nèi)，可能還需要調(diào)整管徑往復(fù)試算，這種憑經(jīng)驗(yàn)試算的方式在數(shù)學(xué)方法上不是有效的。

因此，對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)已在國內(nèi)外引起廣泛重視，隨著最優(yōu)化理論的發(fā)展、計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)以及其應(yīng)用軟件的發(fā)展，給水管網(wǎng)水力計(jì)算有了很大的發(fā)展，在理論及算法上日趨完善。信息技術(shù)的飛速發(fā)展，為管網(wǎng)設(shè)計(jì)與管理提供強(qiáng)有力的支持和推動(dòng)，管網(wǎng)水力計(jì)算從人工計(jì)算轉(zhuǎn)為利用模型軟件精確計(jì)算，如何調(diào)整模型、保持模型精度，成為了新的工作任務(wù)。

3、城市供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容

供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)一般是指在既定條件下(即水廠規(guī)模和位置已確定)，尋求投資少、能耗低、安全可靠性高的管網(wǎng)系統(tǒng)，包括管網(wǎng)布置、管網(wǎng)定線、管徑選擇、供水區(qū)域劃分及加壓站設(shè)置等的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，可以節(jié)省總投資的5%～10%，對(duì)供水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益存在重要意義。供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：

(1)管網(wǎng)優(yōu)化布置是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行合理的規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)現(xiàn)狀、近期和遠(yuǎn)期的水力模擬校核，以期達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化的目的。在進(jìn)行城市管網(wǎng)布置時(shí)，除滿足基本要求之外，還應(yīng)充分考慮地形及地質(zhì)情況采用統(tǒng)一供水或采用分區(qū)分壓供水。

（2）管網(wǎng)定線取決于城市平面布置，供水區(qū)域的地形，水源和泵站位置，街區(qū)和用戶的分布以及河流、鐵路、橋梁等的位置等。管網(wǎng)定線時(shí)需要考慮輸水管定線與主干管定線的設(shè)計(jì)，布置供水管網(wǎng)時(shí)應(yīng)堅(jiān)持工程量最小、水流暢通以及最大限度上節(jié)省能量的原則。

（3）管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)。管網(wǎng)中每個(gè)管段管徑的大小，與管網(wǎng)系統(tǒng)布局、區(qū)域用水量、該管段在管網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)的任務(wù)密切相關(guān)，管徑優(yōu)化設(shè)計(jì)需要以最優(yōu)管網(wǎng)布置為基礎(chǔ)，通過管網(wǎng)模型運(yùn)行求解。

（4）充分考慮地形及地質(zhì)情況采用統(tǒng)一供水或采用分區(qū)分壓供水，在管網(wǎng)中可設(shè)置加壓泵站，優(yōu)選重力流輸配水以節(jié)能。

4、城市供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的措施研究

在城市總體及區(qū)域供水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)中，其優(yōu)化設(shè)計(jì)一般可采取以下措施和步驟：

（1）結(jié)合城市總體規(guī)劃，合理確定近遠(yuǎn)期的供水范圍、城市用水量、供水水源及規(guī)模?！妒彝饨o水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50013-2006）》提出，供水工程設(shè)計(jì)應(yīng)按遠(yuǎn)期規(guī)劃、近遠(yuǎn)期結(jié)合、以近期為主的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，近期設(shè)計(jì)年限宜采用5～10年，遠(yuǎn)期規(guī)劃設(shè)計(jì)年限宜采用10～20年。

（2）研究城市規(guī)劃布局和地形地勢(shì)，調(diào)查和收集城市供水量、城市用水量、水廠、管網(wǎng)等基礎(chǔ)資料，劃分供水區(qū)域，布置供水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立供水管網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫。輸配水干管的布置和定線應(yīng)根據(jù)城市規(guī)劃布局、水源及調(diào)節(jié)池位置、供水區(qū)域地形地勢(shì)、大用戶的分布，以及河流、鐵路、橋梁等的位置進(jìn)行合理確定。大、中型城市一般城市建設(shè)區(qū)的面積都很大，各區(qū)域之間存在有不同程度的地形高差，供水系統(tǒng)往往很復(fù)雜，管網(wǎng)系統(tǒng)布置有多種形式，需要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，尋找最優(yōu)的管網(wǎng)布置方案。

（3）研究流量優(yōu)化分配方案。對(duì)環(huán)狀管網(wǎng)的每一個(gè)基環(huán)分配一個(gè)管段流量，則其余管段的流量就可通過節(jié)點(diǎn)連續(xù)性方程求出，也就得到一種流量分配方案。對(duì)于不同的流量分配方案，就對(duì)應(yīng)不同的投資。環(huán)狀管網(wǎng)最優(yōu)分配方案就是從上述方案中選出一個(gè)投資最小的設(shè)計(jì)方案。

（4）根據(jù)流量分配結(jié)果研究管線的規(guī)劃布置。主干管線的規(guī)劃要考慮水源與泵站位置，以及符合城鎮(zhèn)路網(wǎng)規(guī)劃要求，沿原有城市道路和規(guī)劃道路鋪設(shè)。主干管線隔一段距離要設(shè)置聯(lián)絡(luò)管，間距易在800～1000m,以保證管網(wǎng)在事故時(shí)仍能按設(shè)計(jì)要求供水。水源的選擇和管線的走向布置應(yīng)盡可能保證水流方向一致，以免造成過多的水頭損失，管線應(yīng)在高處要設(shè)排氣閥，低處設(shè)泄氣閥。

（5）確定舊管網(wǎng)更新方案。供水規(guī)劃設(shè)計(jì)一般主要涉及到新增供水干管、調(diào)整管道的管徑、更換老化和漏損嚴(yán)重的管道、擴(kuò)建和增設(shè)加壓泵站等幾個(gè)方面。舊城區(qū)供水出現(xiàn)了管網(wǎng)布置不合理、管徑偏小、管道老化及漏損嚴(yán)重、局部區(qū)域供水壓力低等諸多問題，為提高供水質(zhì)量和保障安全供水，許多城市都迫切需要對(duì)供水管網(wǎng)進(jìn)行改造。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)通過查看管網(wǎng)圖，分析主、支管道、過路管道的走向及具體分布情況，收集管線管材、管齡、水質(zhì)、水壓、漏損情況等信息，確定需要更新的現(xiàn)狀管網(wǎng)，并根據(jù)規(guī)劃用水量，計(jì)算確定新管道管徑，制定新舊管道碰接的具體措施。

(6)建立供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，通過模型軟件系統(tǒng)，合理簡化管網(wǎng)拓?fù)鋱D。確定管道水頭損失的計(jì)算公式，以及新舊管道的粗糙系數(shù)。通過水力平差計(jì)算得出管網(wǎng)模擬運(yùn)行結(jié)果，使其達(dá)到在投資(管徑)及常年運(yùn)行費(fèi)用(水泵揚(yáng)程)最小的情況下，滿足用戶對(duì)水量和水壓的要求。根據(jù)歷史紀(jì)錄和經(jīng)驗(yàn)，在一般情況下，供水管網(wǎng)中管段直徑小于1m時(shí)，經(jīng)濟(jì)流速在0.5～1.0m/s之間，對(duì)于大于1.0m的管徑，經(jīng)濟(jì)流速在1.0～2.0m/s之間。近年來，一些城市供水管網(wǎng)存在管段流速較低的情況，這是城市給水設(shè)施快步發(fā)展，設(shè)施建設(shè)富余量過大造成的問題。我們需要針對(duì)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)規(guī)律和發(fā)展?fàn)顩r，開展經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑的研究，確定各城市和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)流速和經(jīng)濟(jì)管徑，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)管理水平。

(7)對(duì)管網(wǎng)優(yōu)化結(jié)果分析總結(jié)，提出優(yōu)化建議，以保證管網(wǎng)優(yōu)化工程順利實(shí)施。

3、結(jié)語

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法和模型軟件開發(fā)研究日益進(jìn)步，城市供水管網(wǎng)優(yōu)化理論的工程應(yīng)用可行性也逐步提升。在保障管網(wǎng)運(yùn)行安全性和可靠性的前提下，降低管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)成本，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的根本目的。目前供水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面仍存在很多難題要克服，探索適合國內(nèi)應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)措施仍具有很大的研究意義及發(fā)展空間。