城市供水管網(wǎng)是城市十分重要的基礎設施，保證了城市的正常運行，管網(wǎng)優(yōu)化設計可以提高管網(wǎng)系統(tǒng)的布局合理性、運行經(jīng)濟性和供水安全可靠性。為了更好地保證城市供水管網(wǎng)的有序運行，本文分析了如何對城市供水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計。

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)鋪設時間大多在30年以上，管材質(zhì)量差，年久失修，老化嚴重，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、改造和擴建，導致管網(wǎng)壓力分布不均，高壓區(qū)的供水能力浪費，而管網(wǎng)末梢服務壓力卻明顯不足。

為了保持供水滿足正常的生活需要，在大、中型城市當中，供水管網(wǎng)通常都會使用環(huán)狀管網(wǎng)，這種管網(wǎng)建設的規(guī)模大、費用也大，將其進行優(yōu)化，找出最為經(jīng)濟且實用的方案，是目前的當務之急。

2、供水管網(wǎng)設計的發(fā)展及趨勢

管網(wǎng)優(yōu)化設計在國外始于20世紀60年代，管網(wǎng)優(yōu)化技術研究經(jīng)歷了從單一型向復合型的發(fā)展歷程，傳統(tǒng)的給水管網(wǎng)計算步驟為：(1)分配管段流量，根據(jù)管段流量從經(jīng)濟流量表中選擇經(jīng)濟管徑；(2)管網(wǎng)平差計算，確定實際管段流量；(3)檢驗各管段，若不滿足經(jīng)濟流量，則調(diào)整管徑，返回步驟2；若滿足則進入步驟4；(4)選擇水泵，進行流量、水壓校核，滿足要求則中止計算，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)濟管徑、經(jīng)濟流速等概念是從單管的優(yōu)化計算中近似而來，在管網(wǎng)中，特別是在大型復雜管網(wǎng)系統(tǒng)中應用就會帶來一定誤差，甚至是較大誤差；(2)經(jīng)過步驟2的平差計算后，難以保證新得到的管段流量仍在所選管徑允許的經(jīng)濟流速范圍內(nèi)，可能還需要調(diào)整管徑往復試算，這種憑經(jīng)驗試算的方式在數(shù)學方法上不是有效的。

因此，對供水管網(wǎng)進行優(yōu)化設計已在國內(nèi)外引起廣泛重視，隨著最優(yōu)化理論的發(fā)展、計算機的出現(xiàn)以及其應用軟件的發(fā)展，給水管網(wǎng)水力計算有了很大的發(fā)展，在理論及算法上日趨完善。信息技術的飛速發(fā)展，為管網(wǎng)設計與管理提供強有力的支持和推動，管網(wǎng)水力計算從人工計算轉為利用模型軟件精確計算，如何調(diào)整模型、保持模型精度，成為了新的工作任務。

3、城市供水管網(wǎng)優(yōu)化設計內(nèi)容

供水管網(wǎng)優(yōu)化設計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)域劃分及加壓站設置等的最優(yōu)設計方案。通過對管網(wǎng)的優(yōu)化設計計算，可以節(jié)省總投資的5%～10%，對供水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和社會效益存在重要意義。供水管網(wǎng)優(yōu)化設計的內(nèi)容主要有以下幾個方面：

(1)管網(wǎng)優(yōu)化布置是管網(wǎng)優(yōu)化設計的基礎，在管網(wǎng)規(guī)劃設計階段，進行合理的規(guī)劃和優(yōu)化設計，并進行系統(tǒng)現(xiàn)狀、近期和遠期的水力模擬校核，以期達到設計最優(yōu)化的目的。在進行城市管網(wǎng)布置時，除滿足基本要求之外，還應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)定線時需要考慮輸水管定線與主干管定線的設計，布置供水管網(wǎng)時應堅持工程量最小、水流暢通以及最大限度上節(jié)省能量的原則。

（3）管徑優(yōu)化設計。管網(wǎng)中每個管段管徑的大小，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)中承擔的任務密切相關，管徑優(yōu)化設計需要以最優(yōu)管網(wǎng)布置為基礎，通過管網(wǎng)模型運行求解。

（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)化設計的措施研究

在城市總體及區(qū)域供水工程規(guī)劃設計中，其優(yōu)化設計一般可采取以下措施和步驟：

（1）結合城市總體規(guī)劃，合理確定近遠期的供水范圍、城市用水量、供水水源及規(guī)模。《室外給水設計規(guī)范（GB50013-2006）》提出，供水工程設計應按遠期規(guī)劃、近遠期結合、以近期為主的原則進行設計，近期設計年限宜采用5～10年，遠期規(guī)劃設計年限宜采用10～20年。

（2）研究城市規(guī)劃布局和地形地勢，調(diào)查和收集城市供水量、城市用水量、水廠、管網(wǎng)等基礎資料，劃分供水區(qū)域，布置供水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立供水管網(wǎng)結構數(shù)據(jù)庫。輸配水干管的布置和定線應根據(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、大用戶的分布，以及河流、鐵路、橋梁等的位置進行合理確定。大、中型城市一般城市建設區(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)往往很復雜，管網(wǎng)系統(tǒng)布置有多種形式，需要進行技術經(jīng)濟比較，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。對環(huán)狀管網(wǎng)的每一個基環(huán)分配一個管段流量，則其余管段的流量就可通過節(jié)點連續(xù)性方程求出，也就得到一種流量分配方案。對于不同的流量分配方案，就對應不同的投資。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投資最小的設計方案。

（4）根據(jù)流量分配結果研究管線的規(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。主干管線隔一段距離要設置聯(lián)絡管，間距易在800～1000m,以保證管網(wǎng)在事故時仍能按設計要求供水。水源的選擇和管線的走向布置應盡可能保證水流方向一致，以免造成過多的水頭損失，管線應在高處要設排氣閥，低處設泄氣閥。

（5）確定舊管網(wǎng)更新方案。供水規(guī)劃設計一般主要涉及到新增供水干管、調(diào)整管道的管徑、更換老化和漏損嚴重的管道、擴建和增設加壓泵站等幾個方面。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供水管網(wǎng)進行改造。規(guī)劃設計人員應通過查看管網(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)化設計模型，通過模型軟件系統(tǒng)，合理簡化管網(wǎng)拓撲圖。確定管道水頭損失的計算公式，以及新舊管道的粗糙系數(shù)。通過水力平差計算得出管網(wǎng)模擬運行結果，使其達到在投資(管徑)及常年運行費用(水泵揚程)最小的情況下，滿足用戶對水量和水壓的要求。根據(jù)歷史紀錄和經(jīng)驗，在一般情況下，供水管網(wǎng)中管段直徑小于1m時，經(jīng)濟流速在0.5～1.0m/s之間，對于大于1.0m的管徑，經(jīng)濟流速在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，這是城市給水設施快步發(fā)展，設施建設富余量過大造成的問題。我們需要針對當前的經(jīng)濟規(guī)律和發(fā)展狀況，開展經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑的研究，確定各城市和地區(qū)的經(jīng)濟流速和經(jīng)濟管徑，提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益和科學管理水平。

(7)對管網(wǎng)優(yōu)化結果分析總結，提出優(yōu)化建議，以保證管網(wǎng)優(yōu)化工程順利實施。

3、結語

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