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摘要：城市给水系统作为城市重要的基础设施，承担着安全、经济、合理地为人们生活和生产提供用水的重任。给水管网的优化设计在降低工程建设和维护成本的同时，能够最大限度地改善给水管网的水力状况。文章概括了城市给水管道的设计内容和原则，并在此基础上探讨了给水管道的设计原则，最后给出了城市给水管道优化设计的具体步骤。
关键词：城市给水管网；优化设计；模型建立；基础设施；水力状况 文献标识码：A
中图分类号：TU991 文章编号：1009-2374（2015）27-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.027
作为城市供水系统的重要组成部分，城市给水管网的基本功能提供生活生产用水，在满足居民、生产企业对水量、水压以及水质要求的基础上，将水及时安全地输送到目的地。给水工程建设中，给水工程中管网的投资比重往往比较大，同时每年管网的运行需要消耗大笔能源开销，其运行状态也关系到给水水质。因此，深入开展对给水管网优化设计在降低工程投资以及维护管理费用、节省能源消耗、保证给水安全方面具有重大的现实意义。
1 城市给水管网的设计内容
城市给水管网按功能可以分为输水管网和配水管网。管网的优化设计主要包括了新建或增建管网的规划设计，其目的是在满足用户对水压和水量需求的基础上，尽量降低工程投资以及常年运转维护费用。管网优化设计的一个关键步骤是水力计算数学模型的构建，在设计情况约束条件下，结合数学优化算法，得出设计的最优管径和水泵扬程。设计方案应将城市的规划设计、水源地、周边地形、用户用水规律等条件考虑在内，综合考虑经济以及技术条件以确定设计方案，内容包括：
1.1 给水管網的定线布置
给水管网的布置形式应适应城市的总体规划要求，综合考虑周边的影响因素，如水源、水塔位置、调节池、地形条件、管线走向布置等，达到满足用户的用水水压、用水需求以及用水安全的目的。
1.2 供水量的设计
在规划城市给水系统供水容量的时候，应将用户用水量随季节时间的变化情况考虑在内，在设计规划前通过调研，对城市居民生活用水、工业生产的用水规律进行较为准确的把握，同时还要考虑城市公用建筑、城市绿化和消防事业等用水情况。
1.3 水塔以及清水池的容积和高程的确定
这部分内容主要涉及到取水和配水构建物之间的流量关系的分析以及泵站工作曲线的确定。
1.4 管网水力
这部分内容需要确定管网沿线以及节点流量，包括管道流量以及水头损失的计算估计、管径的选择和管网平差的计算等。
1.5 综合对比
通过综合比较多个方案的优缺点，确定多指标约束下的最佳设计方案。
2 给水管网的优化设计原则
2.1 管网布置
随着城市设计规划的不断区域完善合理，管网规划设计日益引起重视。给水管网规划和定线的合理性影响着供水系统的正常运行以及水泵扬程的设定，并且对工程投资以及后期的管理维护也有影响；由于管网工程投资额大，并且管线埋藏于地下，存在较多的安全隐患，应在管网设计之初进行科学合理的规划，进行系统水力模拟校核以消除不安全因素，达到优化设计的目的，对城市给水管网布置有以下四个方面的基本要求：（1）给水管网的设置要符合城市建设的总体规划，充分考虑系统的可扩建性，为以后可能的增容扩建预留发展空间。（2）需要将管网布置在整个给水区范围内以保障用户对水量以及水压的要求。（3）管网的布置应充分考虑给水的安全性和可靠性，在发生局部管网供水问题时，应能够将其影响范围降到最小，避免给水网络的大面积瘫痪。（4）优化管线的敷设。管线的敷设关系到管网造价以及供水能源消耗，优化管线敷设使得管线达到最短能够降低这两方面的费用。
2.2 管网定线
管线定线主要包括输水管定线和干管定线，应着重考虑以下两个方面的内容：
第一，输水管定线：（1）在保证供水安全的基础上，保证输水管线尽量简短以满足造价经济的要求；（2）尽量沿公路敷设，避免穿越障碍物，降低施工难度；（3）输水管应优先选择重力流输水；（4）输水管应保持在两条及以上，避免间断供水的发生；（5）输水管的选择应本着远近结合以及分期结合的原则来
操作。
第二，干管定线：（1）干管定线应尽量沿已有的规划道路敷设，总体上要符合城市路网的总体规划；（2）为增加供水安全性，干管尽量布置在海拔较高的位置；（3）根据规划原则确定供水区范围，保证管线合理分布于整个供水区内；（4）干管的布置也要考虑未来分期建设发展的可能性，预留扩容增建空间；（5）管线上要增设附属安全设备，如闸阀等。
3 城市给水管网优化设计
管网设计主要有以下四个方面的基本要求：（1）保证供水水量和水压；（2）保证水质的安全性；（3）保证供水过程的安全可靠；（4）考虑供水的经济性。由于对水质缺乏科学的定量评估方式，并且很难通过建立数学模型评价大型管网的可靠性，实际上通常将经济性作为评价指标，其余影响因素当作约束条件来考虑，从而建立起目标优化方程，通过优化求解确定优化方案，通过给水管网优化设计来建立数学模型，优化目标函数主要包括以下三项：
第一，管网造价的年损耗折算费用：管网投资回收期设为t，管网总造价为C，则年折算费用为C/t，对于C，有：
（1）
式中：为管道造价公式，a，b，α为公式系数：Dij表示管段管径；Cij表示单位长度管径为Dij的管段的造价；Lij表示从i节点到j节点的管段长度。
第二，管网动力费用：对于有泵管网，管网的动力费用为：
（2）
其中表示的是能量不均匀系数；E代表了电费换算系数；为泵站效率（%）；为水的密度；Q代表了水泵流量；Hp表示的是水源水泵站扬程。 第三，折旧维修费用：假设管网折旧率为P%，则每年管网的折旧大修费用为：
（3）
将上式化简，取变量部分，得年费用目标函数如下：
（4）
给水管网设计的优化目标函数的优化是将一系列影响因素作为约束条件予以考虑，如节点流量连续性、能量平衡的约束、节点水压约束、送水泵站供水流量、最小管径及标准管径约束、加压扬程约束、管段流速约束等。优化目标是在保证用户用水量以及水压的基础上，计算目标函数的最小值，同时考虑目标函数参数的准确性以及合理性。
在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般按如下的步骤予以实施：（1）给水工程的设计应注重规划中远期的结合，综合考虑城市的供水范围、供水量、水源地以及供水规模等诸多影响因素；（2）通过分析城市的规划布局以及地形地势以合理布置给水管网系统，建立给水管网数据库。对于中大城市而言，由于城区建设的面积广范围大，不同城区之间海拔地势存在一定的差异，这给给水系统的布置以及施工带来极大的不便，因此要从技术以及经济两个方面综合考虑以确定最优的管网布置方案；（3）建立给水管网设计的数学优化模型，在满足约束条件的情况下，通过管网优化模型目标函数，求取模型最优解，确定设计方案；（4）目标优化计算方法的选择。优化计算方法主要有两类：局部优化算法以及全局优化算法，其中局部优化算法主要包括线性、非线性规划两类；全局优化主要是通过智能优化算法予以求解，如遗传算法、粒子群算法等，这两种算法近年来发展较快，在给水管网优化设计中得到了成功的应用；（5）对管网优化结果进行分析和总结，为以后的工程项目提供参考。
4 结语
城市给水管网作为城市重要的基础设施，城市的发展对城市给水管网系统的建设和优化设计提出了更高的要求，给水管网的优化设计与应用具有巨大的经济效益和社会效益，尽管城市给水管网优化的理论研究不断被推向新的高度，同时优化设计及其计算也日趋完善，但在实际操作中依然存在较多的问题亟待解决，需要城市给水系统规划设计者以及实施者持续不断地探究。本文分析总结了给水管网优化设计的基本原则与方法，提出了一些有益的建议，以期为城市给水管网道的优化设计提供一些参考。
参考文献
[1] 汪翎.给水排水管网工程[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 刘丽，刘桂海，周博.城市供水管网优化模型研究综述[J].江西化工，2009，（4）.
[3] 苗秀荣.城市给水管网优化设计研究[J].工业安全与环保，2008，（1）.
[4] 阮刚石.城市供水管网改扩建优化方法的研究[J].湖南城市学院学报，2004，（3）.
作者簡介：许秀清（1983-），女（回族），安徽寿县人，供职于安徽省城建设计研究院，硕士，研究方向：环境工程。
（责任编辑：陈 倩）
关键词：城市给水管网；优化设计；模型建立；基础设施；水力状况 文献标识码：A
中图分类号：TU991 文章编号：1009-2374（2015）27-0051-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.027
作为城市供水系统的重要组成部分，城市给水管网的基本功能提供生活生产用水，在满足居民、生产企业对水量、水压以及水质要求的基础上，将水及时安全地输送到目的地。给水工程建设中，给水工程中管网的投资比重往往比较大，同时每年管网的运行需要消耗大笔能源开销，其运行状态也关系到给水水质。因此，深入开展对给水管网优化设计在降低工程投资以及维护管理费用、节省能源消耗、保证给水安全方面具有重大的现实意义。
1 城市给水管网的设计内容
城市给水管网按功能可以分为输水管网和配水管网。管网的优化设计主要包括了新建或增建管网的规划设计，其目的是在满足用户对水压和水量需求的基础上，尽量降低工程投资以及常年运转维护费用。管网优化设计的一个关键步骤是水力计算数学模型的构建，在设计情况约束条件下，结合数学优化算法，得出设计的最优管径和水泵扬程。设计方案应将城市的规划设计、水源地、周边地形、用户用水规律等条件考虑在内，综合考虑经济以及技术条件以确定设计方案，内容包括：
1.1 给水管網的定线布置
给水管网的布置形式应适应城市的总体规划要求，综合考虑周边的影响因素，如水源、水塔位置、调节池、地形条件、管线走向布置等，达到满足用户的用水水压、用水需求以及用水安全的目的。
1.2 供水量的设计
在规划城市给水系统供水容量的时候，应将用户用水量随季节时间的变化情况考虑在内，在设计规划前通过调研，对城市居民生活用水、工业生产的用水规律进行较为准确的把握，同时还要考虑城市公用建筑、城市绿化和消防事业等用水情况。
1.3 水塔以及清水池的容积和高程的确定
这部分内容主要涉及到取水和配水构建物之间的流量关系的分析以及泵站工作曲线的确定。
1.4 管网水力
这部分内容需要确定管网沿线以及节点流量，包括管道流量以及水头损失的计算估计、管径的选择和管网平差的计算等。
1.5 综合对比
通过综合比较多个方案的优缺点，确定多指标约束下的最佳设计方案。
2 给水管网的优化设计原则
2.1 管网布置
随着城市设计规划的不断区域完善合理，管网规划设计日益引起重视。给水管网规划和定线的合理性影响着供水系统的正常运行以及水泵扬程的设定，并且对工程投资以及后期的管理维护也有影响；由于管网工程投资额大，并且管线埋藏于地下，存在较多的安全隐患，应在管网设计之初进行科学合理的规划，进行系统水力模拟校核以消除不安全因素，达到优化设计的目的，对城市给水管网布置有以下四个方面的基本要求：（1）给水管网的设置要符合城市建设的总体规划，充分考虑系统的可扩建性，为以后可能的增容扩建预留发展空间。（2）需要将管网布置在整个给水区范围内以保障用户对水量以及水压的要求。（3）管网的布置应充分考虑给水的安全性和可靠性，在发生局部管网供水问题时，应能够将其影响范围降到最小，避免给水网络的大面积瘫痪。（4）优化管线的敷设。管线的敷设关系到管网造价以及供水能源消耗，优化管线敷设使得管线达到最短能够降低这两方面的费用。
2.2 管网定线
管线定线主要包括输水管定线和干管定线，应着重考虑以下两个方面的内容：
第一，输水管定线：（1）在保证供水安全的基础上，保证输水管线尽量简短以满足造价经济的要求；（2）尽量沿公路敷设，避免穿越障碍物，降低施工难度；（3）输水管应优先选择重力流输水；（4）输水管应保持在两条及以上，避免间断供水的发生；（5）输水管的选择应本着远近结合以及分期结合的原则来
操作。
第二，干管定线：（1）干管定线应尽量沿已有的规划道路敷设，总体上要符合城市路网的总体规划；（2）为增加供水安全性，干管尽量布置在海拔较高的位置；（3）根据规划原则确定供水区范围，保证管线合理分布于整个供水区内；（4）干管的布置也要考虑未来分期建设发展的可能性，预留扩容增建空间；（5）管线上要增设附属安全设备，如闸阀等。
3 城市给水管网优化设计
管网设计主要有以下四个方面的基本要求：（1）保证供水水量和水压；（2）保证水质的安全性；（3）保证供水过程的安全可靠；（4）考虑供水的经济性。由于对水质缺乏科学的定量评估方式，并且很难通过建立数学模型评价大型管网的可靠性，实际上通常将经济性作为评价指标，其余影响因素当作约束条件来考虑，从而建立起目标优化方程，通过优化求解确定优化方案，通过给水管网优化设计来建立数学模型，优化目标函数主要包括以下三项：
第一，管网造价的年损耗折算费用：管网投资回收期设为t，管网总造价为C，则年折算费用为C/t，对于C，有：
（1）
式中：为管道造价公式，a，b，α为公式系数：Dij表示管段管径；Cij表示单位长度管径为Dij的管段的造价；Lij表示从i节点到j节点的管段长度。
第二，管网动力费用：对于有泵管网，管网的动力费用为：
（2）
其中表示的是能量不均匀系数；E代表了电费换算系数；为泵站效率（%）；为水的密度；Q代表了水泵流量；Hp表示的是水源水泵站扬程。 第三，折旧维修费用：假设管网折旧率为P%，则每年管网的折旧大修费用为：
（3）
将上式化简，取变量部分，得年费用目标函数如下：
（4）
给水管网设计的优化目标函数的优化是将一系列影响因素作为约束条件予以考虑，如节点流量连续性、能量平衡的约束、节点水压约束、送水泵站供水流量、最小管径及标准管径约束、加压扬程约束、管段流速约束等。优化目标是在保证用户用水量以及水压的基础上，计算目标函数的最小值，同时考虑目标函数参数的准确性以及合理性。
在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般按如下的步骤予以实施：（1）给水工程的设计应注重规划中远期的结合，综合考虑城市的供水范围、供水量、水源地以及供水规模等诸多影响因素；（2）通过分析城市的规划布局以及地形地势以合理布置给水管网系统，建立给水管网数据库。对于中大城市而言，由于城区建设的面积广范围大，不同城区之间海拔地势存在一定的差异，这给给水系统的布置以及施工带来极大的不便，因此要从技术以及经济两个方面综合考虑以确定最优的管网布置方案；（3）建立给水管网设计的数学优化模型，在满足约束条件的情况下，通过管网优化模型目标函数，求取模型最优解，确定设计方案；（4）目标优化计算方法的选择。优化计算方法主要有两类：局部优化算法以及全局优化算法，其中局部优化算法主要包括线性、非线性规划两类；全局优化主要是通过智能优化算法予以求解，如遗传算法、粒子群算法等，这两种算法近年来发展较快，在给水管网优化设计中得到了成功的应用；（5）对管网优化结果进行分析和总结，为以后的工程项目提供参考。
4 结语
城市给水管网作为城市重要的基础设施，城市的发展对城市给水管网系统的建设和优化设计提出了更高的要求，给水管网的优化设计与应用具有巨大的经济效益和社会效益，尽管城市给水管网优化的理论研究不断被推向新的高度，同时优化设计及其计算也日趋完善，但在实际操作中依然存在较多的问题亟待解决，需要城市给水系统规划设计者以及实施者持续不断地探究。本文分析总结了给水管网优化设计的基本原则与方法，提出了一些有益的建议，以期为城市给水管网道的优化设计提供一些参考。
参考文献
[1] 汪翎.给水排水管网工程[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2] 刘丽，刘桂海，周博.城市供水管网优化模型研究综述[J].江西化工，2009，（4）.
[3] 苗秀荣.城市给水管网优化设计研究[J].工业安全与环保，2008，（1）.
[4] 阮刚石.城市供水管网改扩建优化方法的研究[J].湖南城市学院学报，2004，（3）.
作者簡介：许秀清（1983-），女（回族），安徽寿县人，供职于安徽省城建设计研究院，硕士，研究方向：环境工程。
（责任编辑：陈 倩）