廖曉清

（重慶市梁平縣水務(wù)局禮讓片水利水保站，402500）

農(nóng)村飲水安全集中式供水工程管 網(wǎng)優(yōu)化方法與應(yīng)用研究

廖曉清

（重慶市梁平縣水務(wù)局禮讓片水利水保站，402500）

在目前的農(nóng)村飲水工程項(xiàng)目中，過(guò)半的投資都花費(fèi)在了管網(wǎng)的修建中。由于農(nóng)戶房屋的分散性，致使農(nóng)村飲水工程管網(wǎng)線路較長(zhǎng)、輻射較廣的特點(diǎn)，集中式供水工程難度大，因此，本文就農(nóng)村中集中式供水工程管網(wǎng)的現(xiàn)狀，探討管網(wǎng)優(yōu)化的方法，找出科學(xué)可行的措施。

農(nóng)村飲水安全；供水工程；管網(wǎng)優(yōu)化

農(nóng)村的飲水安全工程是我國(guó)一項(xiàng)重大的民生項(xiàng)目，對(duì)于農(nóng)村生活條件的改善，飲水的安全以及新農(nóng)村建設(shè)都具有重大的意義。供水管網(wǎng)的建設(shè)是農(nóng)村飲水安全工程項(xiàng)目重要的一環(huán)，它擔(dān)負(fù)著把飲用水安全地送到每家每戶的重要任務(wù)，但由于農(nóng)村供水管網(wǎng)的從無(wú)到有、從少到多的發(fā)展，管網(wǎng)修建的比重在供水工程中越來(lái)越大，另外，由于農(nóng)村居民的用水量小，供水工程規(guī)模較小等原因，導(dǎo)致水塔溢流、供水條件差等問(wèn)題，因此，如何合理的優(yōu)化農(nóng)村集中式供水管網(wǎng)系統(tǒng)成為確保農(nóng)村供水工程持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要難題。

一、農(nóng)村供水管網(wǎng)供水特點(diǎn)

（一）供水工程規(guī)模小且分散

我國(guó)農(nóng)村居民居住分散且居民點(diǎn)數(shù)量較多，此外，居民點(diǎn)的部分地形較為復(fù)雜，這就造成了農(nóng)村供水工程規(guī)模較小且數(shù)量較多的特點(diǎn)。對(duì)于一些條件較好地鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以采取集中式供水的形式；而對(duì)于一些地形較為復(fù)雜，且經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的地區(qū)，主要采取的是分散式供水模式。

（二）主要采用集中式供水模式

由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的薄弱，一般才用的是經(jīng)濟(jì)適用的集中式供水模式，在農(nóng)村飲水安全集中式供水工程中，對(duì)于一些距離城鎮(zhèn)較近的地區(qū)，采用的是城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)延伸的形式；對(duì)于一些人口比較密集但又距離城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，主要采用的是規(guī)模化的集中供水形式；此外，對(duì)于村與村之間距離較遠(yuǎn)，供水管網(wǎng)修建投資大的地區(qū)，主要采用的是村內(nèi)單獨(dú)供水的形式[1]。

（三）供水以生活用水為主，工業(yè)用水比重逐漸提升

在一些經(jīng)濟(jì)情況不是很發(fā)達(dá)的地區(qū)，農(nóng)村的供水是以生活用水為主，但隨著新農(nóng)村的建設(shè)，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)也逐漸地在部分地區(qū)興起、擴(kuò)大，使得該地區(qū)的用水規(guī)模逐漸提升，甚至鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，工業(yè)用水占到了供水總量的一半以上。農(nóng)村飲水工程的建設(shè)為一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水比例逐年增加，從而促進(jìn)了農(nóng)村供水工程的規(guī)模的擴(kuò)大及經(jīng)濟(jì)效益的提升。

二、農(nóng)村供水工程存在的問(wèn)題

（一）供水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)在實(shí)際供水中難以應(yīng)用

在目前的農(nóng)村飲水安全集中式供水工程的方案設(shè)計(jì)及決策過(guò)程中，最終的供水工程應(yīng)用方案，多為一些專家及決策人員根據(jù)主觀的經(jīng)驗(yàn)及供水影響因素的技術(shù)分析所得到的。由于這一過(guò)程中難免有著主觀性的見解，這就使得供水方案存在著局限性，與農(nóng)村供水實(shí)際情況發(fā)生偏差，最終只是供水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)在實(shí)際供水中難以應(yīng)用。

（二）供水工程運(yùn)行缺乏科學(xué)化管理及技術(shù)力量

農(nóng)村供水工程的運(yùn)行缺乏科學(xué)化的管理以及必要的技術(shù)力量，有可能導(dǎo)致供水設(shè)施不能正常的運(yùn)行，這主要是由于農(nóng)村供水工程建設(shè)項(xiàng)目過(guò)多，時(shí)間緊、任務(wù)重，對(duì)于工程管理及技術(shù)人員欠缺必要的培訓(xùn)工作，導(dǎo)致技術(shù)儲(chǔ)備的不足；此外，農(nóng)村供水工程的建設(shè)多數(shù)在偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，生活條件及福利待遇與城市差異過(guò)大，缺乏對(duì)管理及技術(shù)人員的吸引力。因此，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)村供水工程運(yùn)行的管理技術(shù)人員的培訓(xùn)是很有必要的，這有助于提高他們的技術(shù)水準(zhǔn)，從而解決農(nóng)村供水工程運(yùn)行的難題。

三、農(nóng)村供水工程輸水管道系統(tǒng)優(yōu)化

在農(nóng)村的供水工程中，輸水管道系統(tǒng)按照輸水距離的長(zhǎng)度可以分為長(zhǎng)距離輸水管道系統(tǒng)及短距離輸水管道系統(tǒng)；根據(jù)水源地與用水地的高程差別，輸水管道系統(tǒng)又分為重力式或泵站加壓式輸水管道系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，輸水管道方式的選擇受當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件影響較大，因此要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，因地制宜的選擇輸水系統(tǒng)。輸水管道系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題一直是備受關(guān)注的領(lǐng)域。輸水管道系統(tǒng)的優(yōu)化主要分為輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化問(wèn)題以及輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化問(wèn)題，這兩者既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)。因此，只有解決好這兩個(gè)問(wèn)題，才能對(duì)輸水管道系統(tǒng)更好的優(yōu)化[2]。

（一）輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化

輸水管道線路的布置是輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提條件。線路的優(yōu)劣直接影響到供水工程整體的性能，因此，輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化問(wèn)題，一直是輸水管道鋪設(shè)的難題。在輸水管道的建設(shè)工程中，為保證農(nóng)村住戶的用水量，應(yīng)滿足首末水頭的約束，為此，本文就輸水管道總投資F為最小目標(biāo)函數(shù)，輸水管道各管段的線路方案iX為決策變量，建立管道線路優(yōu)化模型。

1、數(shù)學(xué)模型

其中，ih是第i管段水頭的損失iH是水源點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)N的允許水頭損失（m）。

2、算例分析

如圖1所示，以某供水系統(tǒng)輸水線路為例，應(yīng)用上述管道線路優(yōu)化，水源點(diǎn)設(shè)計(jì)的水位是133.06m，管道沿線出水口將輸水的總體管道分為6個(gè)管段，各個(gè)管段水流量及其各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的高程、水流量見圖1，管道末端最小服務(wù)的水頭按照2m控制。

（1）管道線路方案定性

例中的輸水管道系統(tǒng)中共有7個(gè)節(jié)點(diǎn)，6條管段，根據(jù)供水工程所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件、及分水口的分布、水源的位置等情況，每一條的管道線路可考慮4個(gè)設(shè)計(jì)方案，以管段1為例。管道1可選取的設(shè)計(jì)方案有：①管道鋪設(shè)中經(jīng)過(guò)一處軟土地區(qū)，可采用玻璃鋼夾砂管的方式穿過(guò)；在穿越公路的兩處地方，可采用套管的方式；在兩處穿越河道的地方，運(yùn)用管橋的形式；②經(jīng)過(guò)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的過(guò)程中，直接鋪設(shè)管道；采用套管的方式穿過(guò)公路；采用專用的混凝土套管施工穿過(guò)一處鐵路；③管道沿線經(jīng)過(guò)一處鄉(xiāng)鎮(zhèn)，直接穿鄉(xiāng)鎮(zhèn)鋪設(shè)；穿過(guò)三處公路，采用套管的 方式；穿過(guò)河道一處，采用管橋的鋪設(shè)方式；④采用專用的混凝土套管，穿越鐵路；穿過(guò)三處河道的時(shí)候，采用管橋的方式。

（2）管道的線路優(yōu)化

運(yùn)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解析，管道1的優(yōu)化方案為：管道經(jīng)過(guò)鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的時(shí)候，直接鋪設(shè)管道線路穿過(guò)鎮(zhèn)區(qū)；穿越一條公路的時(shí)候，采用套管的方式；穿過(guò)鐵路沿線的時(shí)候，采用過(guò)鐵路專用的混凝土套管進(jìn)行施工。

（二）輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化

輸水管道優(yōu)化設(shè)計(jì)要解決的主要問(wèn)題，就是在輸水管道的材質(zhì)，走向等因素確定的情況下，選擇滿足水壓等約束性因素的最優(yōu)管徑，使得輸水管道的投資降到最低。在各管段允許水頭損失確定的條件下，建立以管段管徑為決策變量、管道系統(tǒng)總投資最小的目標(biāo)函數(shù)，來(lái)解析最優(yōu)方案[3]。

按照分水口位置的不同，將圖2輸水管道劃分為N個(gè)不同的管段；由于沿線地質(zhì)情況的不同，各個(gè)管段由iM種不同的管道組成，再根據(jù)不同的管材把第i管段分為iM個(gè)分管段，在這樣劃分的基礎(chǔ)上，把各個(gè)分管段管徑j(luò)iD當(dāng)成決策的變量，建立輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化函數(shù)模型。

式中，F(xiàn)為輸水管道系統(tǒng)能投資；iF為第i段的投資；ifC為第i管段第j分管段的管造價(jià)；il為第i管段的長(zhǎng)度；ijl為第i管段第j分管段的長(zhǎng)度；ifD為第i管段第j分管段的管徑；ija，ijb，ijx為第i管段第j分管段單位長(zhǎng)度管道造價(jià)的系數(shù)，這些系數(shù)與管材以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)條件等因素有關(guān)。根據(jù)數(shù)學(xué)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行管道管徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)：

在農(nóng)村飲水安全集中式供水管網(wǎng)的優(yōu)化中，供水管道的線路及管徑占有著中重要的比重，因此，在對(duì)農(nóng)村供水管網(wǎng)優(yōu)化的過(guò)程中，要選擇合適的方案，對(duì)供水管道的線路以及供水管道的管徑，要因地制宜的選取。

[1]胡孟,郭陽(yáng)茗,時(shí)彥芳等.村鎮(zhèn)供水管材比選與管網(wǎng)設(shè)計(jì)探討[C].//中國(guó)水利學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.2008:9-13.

[2]王文芬.農(nóng)村飲水安全集中式供水工程管網(wǎng)優(yōu)化方法與應(yīng)用研究[D].揚(yáng)州大學(xué),2014.

[3]阿不都吾甫爾·艾買提.農(nóng)村飲水安全供水工程管網(wǎng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村科技,2010,(10):74.

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1007-6344（2015）10-0087-02