范高哲 / 海口威立雅水務有限公司

芻議城市給水管網優(yōu)化設計

范高哲 / ?？谕⒀潘畡沼邢薰?/p>

給水管網在城市建設發(fā)展中占據重要位置，直接關系到國計民生。對此，管網設計施工時必須要予以高度重視，保證供水的可靠性與優(yōu)質性，采取合理的措施，最大程度的減少水資源浪費，節(jié)約成本，保證水質，提供供水保障的同時促進水資源的可持續(xù)發(fā)展。

城市給水；管網優(yōu)化設計；改造

隨著社會經濟迅速發(fā)展，城市化進程不斷加快，城市供水系統(tǒng)的安全性和可靠性日益顯得重要，對人們的正常生活和工作以及企業(yè)生產產生重大影響。城市給水系統(tǒng)主要包括三大部分，分別是取水部分、凈水部分和輸配管網部分，其中占據投資比例最大的就是輸配管網部分，高達60%到80%，由此可見，給水管網的設計對于供水工程的實施來說有著重要的現實意義。合理的管網設計可以保證供水的安全性和經濟性，從根本上節(jié)約成本，降低水資源浪費，保證城市供水工程的經濟效益得到有效提高。

一、城市給水管網存在的問題

（一）自來水給水管網規(guī)劃布局不科學

城市自來水給水管網設計是一項極具綜合性的系統(tǒng)工程，涉及到很多方面的內容，需要科學的設計理念、先進的專業(yè)技術、大量的人力參與以及巨額的資金投入才能完成。我國目前在此方面還存在一定的欠缺，經驗缺乏，設計理念傳統(tǒng)，技術相對滯后，沒有對給水系統(tǒng)進行科學的規(guī)劃和布局，尤其是一些大城市的老城區(qū)表現尤為明顯，無法滿足眼下的城市快速發(fā)展需求。

（二）設備發(fā)展滯后

相關數據統(tǒng)計顯示，在多數發(fā)展時間較長的城市中供水系統(tǒng)發(fā)展滯后現象十分明顯，尤其是在一些老城區(qū)。絕大多數的管網使用時間已經超過了30年，與此同時在管道的養(yǎng)護與維修方面也比較欠缺，導致給水管道堵塞、漏損現象時有出現，嚴重時發(fā)生爆管，不僅增加管理成本，也浪費大量的水資源，造成巨大的經濟損失。

（三）供水效益亟待提高

在滿足用戶用水需求的前提下，必須盡量降低供水成本。管網漏失水量在計算供水成本時往往被視，2013年中國城市供水總量 為396.8億m3，漏損總量為 60.89億m3，平均漏損率為15.35%，大于CJJ92-2002要求的漏損率平均基準值12%。其中，東北三省的平均供水產銷差率大于30%。因此管網水漏失率也應是影響供水企業(yè)經濟效益的最重要因素，一般采用供水產銷差代替漏失量進行統(tǒng)計分析。供水產銷差過大是長期困擾我國供水行業(yè)的一個“老大難”問題。近年來隨著勞動力價格的提高，勞動力成本成為供水成本中一個不可忽視的因素。因此，在管網動態(tài)水力模型基礎上建立給水管網的優(yōu)化調度、優(yōu)化運行和漏損控制能有效提高供水效益。

二、城市給水管網優(yōu)化設計的任務和原則

我國城市給水管網系統(tǒng)的優(yōu)化設計相關研究起步較晚，但近年來發(fā)展速度較快?？傮w而言，給水管網系統(tǒng)的優(yōu)化設計經歷了從單一型向復合型發(fā)展的過程，主要包括經典優(yōu)化理論及應用→啟發(fā)式算法研究及發(fā)展→多方法優(yōu)化→地理信息系統(tǒng)。隨著計算機輔助設計技術的出現和發(fā)展，一些新型算法不斷應用于管網優(yōu)化計算中，如人工神經網絡法、遺傳算法等，這些新技術促進了可視化技術和集成GIS的開發(fā)當前，在我國的大城市中，給水管網已經形成了大型化、復雜化和多樣化的管網規(guī)模，這對建設管網和進行管網的管理而言提出了更高的要求。

（一）給水管網優(yōu)化設計的任務

城市給水管網優(yōu)化設計指的是在自來水廠規(guī)模和位置已經確定的環(huán)境下，通過不斷分析和計算來制定成本低、能耗少、安全性高的管網設計方案。具體設計任務如下：

1.管網優(yōu)化布置。

管網優(yōu)化設計的基礎要素就是保證合理的管網優(yōu)化布局，這個環(huán)節(jié)對給水系統(tǒng)運行的可靠性和經濟性有著重要影響。在管網的優(yōu)化布置中，要注意不同類型的城市采取不同的供水方式，具體串聯(lián)或并聯(lián)要根據實際情況決定，同時做好加壓站的設置，盡可能的降低供水系統(tǒng)的運行費用。

2.管徑優(yōu)化設計。

管徑的大小與管網系統(tǒng)的布局和所承擔的根本任務有著很大的聯(lián)系，例如：生活供水、生產供水、消防供水對管徑要求均不相同等。因此必須要考慮到多方面的影響因素，爭取以最優(yōu)管網布置為基礎。

（二） 給水管網優(yōu)化設計原則

1.考慮到城市近期建設和未來發(fā)展的要求。根據城市的整體規(guī)劃合理確定供水管網系統(tǒng)的布置。

2.在設計的過程中要保證具有較強的針對性，做好用水情況調查，根據存在的實際問題選擇合理的設計方案。

3.在滿足眼下城市供水要求的前提下要力求成本節(jié)約、節(jié)能降耗。

4.重視對現狀管道的合理、充分利用，避免大拆大建造成不必要的資源浪費。

三、城市給水管網優(yōu)化設計的相關措施

（一）實施輸配水管網管理方案

1.分區(qū)輸水方法。供水管網主要包括輸水管、配水管以及街區(qū)內管三部分，管道數量較多，相互交錯，結構比較復雜，循環(huán)回流現象經常出現。對于這種問題首先要做的是明確各種管道的功能，然后實施分區(qū)輸水法，按照壓力、水量等采取不同的分配，建立起獨立的輸水干管配水區(qū)，同時規(guī)劃內部結構。除此之外也要根據實際情況建立監(jiān)測點，一旦發(fā)現管網出現問題要立即進行維修、改造，避免造成大的損失。

2.加強管網信息化水平。城市建設快速發(fā)展，使得城市地下供水管網愈加錯綜復雜，傳統(tǒng)的人工管理方式已無法滿足供水安全、經濟、高效運行。供水管網系統(tǒng)管理應運用信息化手段進行分析、建模、管理，如采用計算機管理技術，建立管網圖紙數字化數據庫，對日常運營數據進行規(guī)范化管理，建立和完善高標準的管網信息化管理系統(tǒng)。

3.輸水管應盡量避免穿越河谷、重要鐵路、沼澤、工程地質不良的地段，若無法避免時，必須采取有效措施，以保證管道能夠安全輸水。

4.輸水管線的條數(即單線或雙線)，應根據給水系統(tǒng)的重要性、輸水量大小、分期建設的安排等因素，全面考慮確定。當允許間斷供水或水源不只一個時，一般可以設一條輸水管線；當不允許間斷供水時，一般應設兩條，或者設一條輸水管，同時修建有相當容量的安全貯水池，以備輸水管線發(fā)生故障時供水。

5.當采用兩條輸水管線時，為避免輸水管線因某段損壞而使輸水量減少過多，需要在管線之間設連通管相互聯(lián)系，并裝設閥門。連通管直徑可以與輸水管相同或比輸水管小20%～30%，以保證在任何一段輸水管發(fā)生事故時，仍能通過70%的設計流量。在輸水管和連通管上裝設必要的閥門，以縮小發(fā)生事故時的斷水范圍。當供水可靠性要求較低時，閥門數可以適當減少。閥門應安放在閥門井內。

6.輸水管的最小坡度應大于1.5D(D為管徑，以mm計)。管線坡度小于1：1000時，應每隔0.5～1km，在輸水管線的最高點安裝排氣閥(管內無水時，能自動打開；管內有水時，能自動關閉)，以便及時排除管內空氣，或在輔水管放空時引入空氣；在輸水管線的低洼處設置泄水閥及泄水管，泄水管接至河道或地勢低洼處。

7.管線埋深應考慮地面荷載情況和當地冰凍深度，防止管道被壓壞或凍壞。

在輸水管選線與布置時，有時上述要求難以同時滿足，此時應進行技術經濟比較，以確定最佳的輸水管線和布置方案。

（二）配水管網設計

配水管網是將輸水管線送來的水，配給城市用戶的管道系統(tǒng)。在配水管網中，由于各管線所起的作用各不相同，因而其管徑也各不相同，因此可將管線分為干管、分配管(或稱配水管)、接戶管(或稱進戶管)三類。干管的主要作用是輸水至城市各用水地區(qū)，同時也為沿線用戶供水，其管徑均在lOOmm以上。大城市中，則在200mm以上。為簡化起見，配水管網的布置和計算，通常只限于干管。分配管的主要作用是把干管輸送來的水，配給接戶管和消火栓。此類管線均敷設在每一條街道或工廠車間的前后道路下面，其管徑均由消防流量來確定，一般不予計算。為了滿足安裝消防栓所需要的管徑，以免在消防時管線水壓下降過多，通常規(guī)定分配管的最小管徑：中小城市采用100～150mm大城市采用150～200mm。接戶管就是從分配管接到用戶去的管線，其管徑視用戶用水的多少而定。

（三）選擇最優(yōu)計算法

給水管網的優(yōu)化設計方法，目前國內外主要有經典優(yōu)化法、線性規(guī)劃法、界限流量法、動態(tài)規(guī)劃法、廣義簡約梯度法、遺傳算法、優(yōu)選管徑法[8]，這些優(yōu)化方法各有利弊，要根據具體的工程來選擇。以下一有關一些重要算法的簡單介紹：

1.生物進化規(guī)劃和遺傳算法。

隨著生物工程的發(fā)展，遺傳算法已經介入到工程領域，其主要在有泵管網、管網擴建與改建等課題中也開始有應用，在給水管網設計中是一種策略枚舉法，以單工況，單水源的簡單情況為例：第一步對工程中所限定的不同標準管徑進行編碼，從而不同的管徑組合方案會形成不同的代碼串。第二步對每一個代碼串進行解碼，由水利計算子程序求出該方案下管網水利特性。第三步運用遺傳算法對產生的初始方案進行選擇、重組，進一步產生新一代個體，然后仿照生物的進化過程演化下去，最終得到滿足需要的最優(yōu)個體，解碼后即為該課題最優(yōu)方案。

2.直接優(yōu)化法。

直接優(yōu)化法是對方案和方案中的一些數據進行直接的選擇計算并得到最優(yōu)結果。直接優(yōu)化法有利有弊，優(yōu)點是直觀和方便，缺點是由于設計人員的能力有限，結果不盡相同，并不一定是最優(yōu)解。

直接優(yōu)化法主要方法是電子表格法和兩廂優(yōu)化法，其中，兩廂優(yōu)化法是針對管道埋深來說的，它基于設計流量確定后，在約束條件滿足的情況下，通過選取最經濟流速等來確定管徑大小和最優(yōu)坡度。

3.動態(tài)優(yōu)化法。

動態(tài)優(yōu)化法是目前市政管網設計上比較常用的優(yōu)化方法，它主張將市政管網管道設計分階段，然后再對每一階段的管道進行優(yōu)化設計。，動態(tài)優(yōu)化設計主要有兩個方面：一是節(jié)點埋深間隔要小，增加存儲量和時間間隔。二是以管徑為狀態(tài)變量， 通過流速和充滿度決策。

4.增設加壓泵站。

在管網地面標高相差較大的區(qū)域，供水管網的優(yōu)化設計也存在一定的難度。管網各部分地面標高相差過大，高程較低的地區(qū)管網內部壓力會過高，導致管道損壞或者爆管現象；而高程較高的地區(qū)則會出現管網內部壓力不足，無法滿足實際供水需要的情況。針對此類情況，必須要實施分區(qū)供水，同時加設加壓泵站及調節(jié)構筑物，進行中途加壓。這樣一來只需要保證二級泵站的揚程滿足加壓泵站附近管網的服務水壓即可。在供水系統(tǒng)運行的過程中可以起到明顯的節(jié)水作用，同時也可保證管網內部供水壓力更均勻，不僅為用戶提供便利，也在很大程度上降低管網的事故率。

在進行城市給水管網加壓泵房選址過程中，要盡可能根據實際情況進行科學、合理的選擇，因為城市給水管網加壓泵房運行過程中，會產生加大的噪音，這樣噪音會沿著墻柱進行一定的范圍的傳播，從而對周圍居民的正常生活產生一定的影響。因此在進行城市給水管網加壓泵房選址過程中，居住的小區(qū)最好將泵房選擇在居住建筑外的動力站內，而且最好設置在一層，這樣不僅可以有效緩解噪音對居民的影響，而且還能滿足泵房的通風、采光和排水要求。同時，城市給水管網加壓泵房的上層不要有浴室、廚房、廁所、污水處理間等。部分地區(qū)或城市對城市給水管網加壓泵房有特殊的要求，如要求其距離室外化糞池、排水檢查井的距離要大于15米。因此在進行城市給水管網加壓泵房選址過程中，要對建筑周圍的實際情況進行系統(tǒng)的分析，并制定與之對應的給水管網加壓泵房規(guī)劃與設計，從而確保后續(xù)工程的順利進行，提高其使用效率。

4.結束語

綜上所述，從目前的情況來看，我國在城市給水管網的設計方面還存在很多問題，對此，供水企業(yè)必須要加強管理，合理規(guī)劃和布局，根據實際情況選擇最合適的設計方案，同時做好后期的維修和養(yǎng)護，避免管道出現滲漏、爆裂等現象，盡可能在節(jié)省成本的同時提高經濟效益，滿足社會的用水需求。

[1]崔恩恒.自來水供水中存在的問題及建議[J].中國新技術新產品，2011（03）.

[2]潘鴻作.城市給排水工程問題的探討[J].城市建設與商業(yè)網點，2009（11）.

[3]鄭瑞文，王亞曉.論現代城市排水給水系統(tǒng)的規(guī)劃設計[J].科協(xié)論壇，2009（06）.