城市给水管网优化设计研究

摘要：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。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。本文分析了城市给水管网系统存在的问题，并详细阐述了城市给水管网优化设计的措施。

关键词：给水管网；优化设计；布局；混合优化；改造工程

中图分类号：TU2文献标识码:A

一、城市给水管网优化设计的任务和原则

（一）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（即水厂规模和位置已确定），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。

（二）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：

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。

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。

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。

重视对现状管道的合理利用和充分利用，避免大拆大建。

二、城市给水管网系统存在的问题

（一）供水管漏耗严重

一些城市供水管网出现老化，老城区问题尤为突出，供水管网铺设时间大多在50年以上，管材质量差，长期超限运行，年久失修，老化严重，造成爆管以及各种形式的明漏、暗漏。这部分管网约占全部管网长度的 6.2％，致使大多数城市供水管网漏损严重、爆漏事故多，一般城市自来水漏失率达到 10％～30％，平均水平在 24％左右，远远高于欧洲7％的漏损率。由于给水管网的输配水能力小于净化处理能力，管网超负荷送水，增加了能耗和漏耗。

（二）供水管网布局不合理

一是，供水管网还停留在以前的规划控制中，并没有随着需求的改变而改变；

二是，随着经济、文化中心的调整，原本不发达的地域变成商业繁华、人口集中的区域增大，人们对生活用水的质量和要求逐步提高，使得水管网已经不适应当前的供水要求。

（三）供水安全性差，供水效益亟待提高

给水管网系统是一个庞大复杂的“反应器”，经水厂处理合格的水，在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质下降。由于天气的影响，供水压力过高、道路的施工措施欠妥、地下管道埋设过浅，抗重压能力较差等原因，导致管道因不堪重负而经常发生爆管现象。在满足社会需求和环境保护要求的前提下，必须尽量减少供水成本。电费在自来水成本中所占比例较大(一般为30%～40%)，故降低电耗始终是贯彻节能方针、提高供水企业经济效益的重要环节。

城市给水管网优化设计的措施

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：

（一）结合城市总体规划

《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。

（二）管网的优化布置

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。

（三）建立给水管网优化设计模型

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。

（四）选择优化计算方法

1、模拟退火算法

模拟退火算法是基于Mente Carlo迭代求解策略的一种随机寻优算法，其出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般组合优化问题之间的相似性。模拟退化算法在某一初温下，伴随温度参数的不断下降，结合概率突跳特性在解空间中随机寻找目标函数的全局最优解，即在局部优化能概率性的跳出并最终趋于全局最优。

在给水管网优化设计的应用中，模拟退火算法可以得到理论上的最优解，虽然控制参数冷却因子的选择影响整个优化设计计算速度和结果，但是相对于传统的优化算法它仍然能获得更好的全局最优解。

2、神经网络优化算法

人工神经网络是近年来迅速发展起来的前沿课题。人工神经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量简单神经元互连而构成的一种计算结构，它在某种程度上可以模拟生物神经系统的工作过程，从而具备解决实际问题的能力。神经网络优化算法就是利用神经网络中神经元的协同并行计算能力来构造的优化算法，它将实际问题的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际问题的优化过程映射为神经网络系统的演化过程。

利用人工神经网络进行给水管网的优化设计，是给水管网优化设计的一个新方向，许多问题处在探索和尝试阶段，但是具有快速计算能力的神经网络是改善和提高给水管网优化设计水平的一个新的突破点。

3、混合优化算法

给水管网的优化设计问题中，遗传算法是适应性最强的一种优化算法，它具有较好的全局搜索能力，为了得到可靠性强的最优解或次优解，往往将遗传算法和人工神经网络或者模拟退火算法结合起来，构成混合的遗传算法，这为给水管网的优化设计计算带来了新的途径。

（五）城市给水网改造工程的优化设计方法

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。

参考文献

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