摘要：城市給水系統(tǒng)作為城市重要的基礎設施，承擔著安全、經(jīng)濟、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)化設計在降低工程建設和維護成本的同時，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計內容和原則，并在此基礎上探討了給水管道的設計原則，最后給出了城市給水管道優(yōu)化設計的具體步驟。

關鍵詞：城市給水管網(wǎng)；優(yōu)化設計；模型建立；基礎設施；水力狀況 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU991 文章編號：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)對水量、水壓以及水質要求的基礎上，將水及時安全地輸送到目的地。給水工程建設中，給水工程中管網(wǎng)的投資比重往往比較大，同時每年管網(wǎng)的運行需要消耗大筆能源開銷，其運行狀態(tài)也關系到給水水質。因此，深入開展對給水管網(wǎng)優(yōu)化設計在降低工程投資以及維護管理費用、節(jié)省能源消耗、保證給水安全方面具有重大的現(xiàn)實意義。

1 城市給水管網(wǎng)的設計內容

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)化設計主要包括了新建或增建管網(wǎng)的規(guī)劃設計，其目的是在滿足用戶對水壓和水量需求的基礎上，盡量降低工程投資以及常年運轉維護費用。管網(wǎng)優(yōu)化設計的一個關鍵步驟是水力計算數(shù)學模型的構建，在設計情況約束條件下，結合數(shù)學優(yōu)化算法，得出設計的最優(yōu)管徑和水泵揚程。設計方案應將城市的規(guī)劃設計、水源地、周邊地形、用戶用水規(guī)律等條件考慮在內，綜合考慮經(jīng)濟以及技術條件以確定設計方案，內容包括：

1.1 給水管網(wǎng)的定線布置

給水管網(wǎng)的布置形式應適應城市的總體規(guī)劃要求，綜合考慮周邊的影響因素，如水源、水塔位置、調節(jié)池、地形條件、管線走向布置等，達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 供水量的設計

在規(guī)劃城市給水系統(tǒng)供水容量的時候，應將用戶用水量隨季節(jié)時間的變化情況考慮在內，在設計規(guī)劃前通過調研，對城市居民生活用水、工業(yè)生產(chǎn)的用水規(guī)律進行較為準確的把握，同時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

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

1.4 管網(wǎng)水力

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

1.5 綜合對比

通過綜合比較多個方案的優(yōu)缺點，確定多指標約束下的最佳設計方案。

2 給水管網(wǎng)的優(yōu)化設計原則

2.1 管網(wǎng)布置

隨著城市設計規(guī)劃的不斷區(qū)域完善合理，管網(wǎng)規(guī)劃設計日益引起重視。給水管網(wǎng)規(guī)劃和定線的合理性影響著供水系統(tǒng)的正常運行以及水泵揚程的設定，并且對工程投資以及后期的管理維護也有影響；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，應在管網(wǎng)設計之初進行科學合理的規(guī)劃，進行系統(tǒng)水力模擬校核以消除不安全因素，達到優(yōu)化設計的目的，對城市給水管網(wǎng)布置有以下四個方面的基本要求：（1）給水管網(wǎng)的設置要符合城市建設的總體規(guī)劃，充分考慮系統(tǒng)的可擴建性，為以后可能的增容擴建預留發(fā)展空間。（2）需要將管網(wǎng)布置在整個給水區(qū)范圍內以保障用戶對水量以及水壓的要求。（3）管網(wǎng)的布置應充分考慮給水的安全性和可靠性，在發(fā)生局部管網(wǎng)供水問題時，應能夠將其影響范圍降到最小，避免給水網(wǎng)絡的大面積癱瘓。（4）優(yōu)化管線的敷設。管線的敷設關系到管網(wǎng)造價以及供水能源消耗，優(yōu)化管線敷設使得管線達到最短能夠降低這兩方面的費用。

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，應著重考慮以下兩個方面的內容：

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

操作。

第二，干管定線：（1）干管定線應盡量沿已有的規(guī)劃道路敷設，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供水區(qū)內；（4）干管的布置也要考慮未來分期建設發(fā)展的可能性，預留擴容增建空間；（5）管線上要增設附屬安全設備，如閘閥等。

3 城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設計

管網(wǎng)設計主要有以下四個方面的基本要求：（1）保證供水水量和水壓；（2）保證水質的安全性；（3）保證供水過程的安全可靠；（4）考慮供水的經(jīng)濟性。由于對水質缺乏科學的定量評估方式，并且很難通過建立數(shù)學模型評價大型管網(wǎng)的可靠性，實際上通常將經(jīng)濟性作為評價指標，其余影響因素當作約束條件來考慮，從而建立起目標優(yōu)化方程，通過優(yōu)化求解確定優(yōu)化方案，通過給水管網(wǎng)優(yōu)化設計來建立數(shù)學模型，優(yōu)化目標函數(shù)主要包括以下三項：

第一，管網(wǎng)造價的年損耗折算費用：管網(wǎng)投資回收期設為t，管網(wǎng)總造價為C，則年折算費用為C/t，對于C，有：

（1）

式中：為管道造價公式，a，b，α為公式系數(shù)：Dij表示管段管徑；Cij表示單位長度管徑為Dij的管段的造價；Lij表示從i節(jié)點到j節(jié)點的管段長度。

第二，管網(wǎng)動力費用：對于有泵管網(wǎng)，管網(wǎng)的動力費用為：

（2）

其中表示的是能量不均勻系數(shù)；E代表了電費換算系數(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程。

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

（3）

將上式化簡，取變量部分，得年費用目標函數(shù)如下：

（4）

給水管網(wǎng)設計的優(yōu)化目標函數(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)點流量連續(xù)性、能量平衡的約束、節(jié)點水壓約束、送水泵站供水流量、最小管徑及標準管徑約束、加壓揚程約束、管段流速約束等。優(yōu)化目標是在保證用戶用水量以及水壓的基礎上，計算目標函數(shù)的最小值，同時考慮目標函數(shù)參數(shù)的準確性以及合理性。

在城市給水工程規(guī)劃設計中，給水管網(wǎng)優(yōu)化設計一般按如下的步驟予以實施：（1）給水工程的設計應注重規(guī)劃中遠期的結合，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）通過分析城市的規(guī)劃布局以及地形地勢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。對于中大城市而言，由于城區(qū)建設的面積廣范圍大，不同城區(qū)之間海拔地勢存在一定的差異，這給給水系統(tǒng)的布置以及施工帶來極大的不便，因此要從技術以及經(jīng)濟兩個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)設計的數(shù)學優(yōu)化模型，在滿足約束條件的情況下，通過管網(wǎng)優(yōu)化模型目標函數(shù)，求取模型最優(yōu)解，確定設計方案；（4）目標優(yōu)化計算方法的選擇。優(yōu)化計算方法主要有兩類：局部優(yōu)化算法以及全局優(yōu)化算法，其中局部優(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，這兩種算法近年來發(fā)展較快，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設計中得到了成功的應用；（5）對管網(wǎng)優(yōu)化結果進行分析和總結，為以后的工程項目提供參考。

4 結語

城市給水管網(wǎng)作為城市重要的基礎設施，城市的發(fā)展對城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的建設和優(yōu)化設計提出了更高的要求，給水管網(wǎng)的優(yōu)化設計與應用具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，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，同時優(yōu)化設計及其計算也日趨完善，但在實際操作中依然存在較多的問題亟待解決，需要城市給水系統(tǒng)規(guī)劃設計者以及實施者持續(xù)不斷地探究。本文分析總結了給水管網(wǎng)優(yōu)化設計的基本原則與方法，提出了一些有益的建議，以期為城市給水管網(wǎng)道的優(yōu)化設計提供一些參考。

參考文獻

[1] 汪翎.給水排水管網(wǎng)工程[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006.

[2] 劉麗，劉桂海，周博.城市供水管網(wǎng)優(yōu)化模型研究綜述[J].江西化工，2009，（4）.

[3] 苗秀榮.城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設計研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2008，（1）.

[4] 阮剛石.城市供水管網(wǎng)改擴建優(yōu)化方法的研究[J].湖南城市學院學報，2004，（3）.

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

（責任編輯：陳 倩）