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摘要：市政给水管网改扩建是城市给水工程中常见的后期管理工作，而管网改扩建工程情况复杂，资金投入多，施工难度大，同时易影响现有给水管网的正常运作。针对以上问题，本文从给水管网工况分析出发，对市政给水管网改扩建优化设计进行具体的阐述。
关键词：给水管网；优化设计；改扩建
1 引言
随着我国城市基础设施建设的快速发展，作为其中一个重要分支的给水工程，因为管网陈旧、用水量增加及配合道路改扩建等原因，亟需进行改扩建。由于给水管网改扩建在施工过程中，有保障供水、配合道路交通或施工等要求，造成了管网改造投资大、管理费用高。全面合理、可操作性强的设计方案不仅能丰富和完善管网设计内容，降低建设成本，而且能保障管网改扩建的顺利施工，缩短施工工期，全面提高管网改扩建的效益。
2 改扩建的含义及设计原则
城市给水系统由取水、净水和输配水三个部分组成，输配水管网是城市给水系统的重要组成部分，它铺设于城市的大街小巷，担负着把水安全地输配到用户，并满足用户对水量、水压和水质的要求。或因城市用水量的剧增，或因旧有管网规划的不合理，或因現有管道陈旧，或因道路的改扩建等原因，需要对现有管网进行改扩建。给水管网改扩建是指给水管网系统的更新、扩大和完善，它包括改建”和“扩建”两部分。“改建”是指原有管网系统中的管道、阀门及其他给水设备经过长期使用出现了老化、损坏的现象，影响正常供水，不能满足使用要求，应该针对具体情况对其进行修缮、更换，以使管网能够正常工作。另一方面，为配合道路改扩建的需要，现有给水管网可能影响道路施工，必须对给水管网进行迁改。“扩建”有两种实施形式，一是在不改变原有管网系统的情况下，根据新的要求在旧管网系统中增敷新管、添加新设备、建造新构筑物等等；二是结合管网改建，废除不符合使用要求的管网，按扩建后规模进行实施。给水管网改扩建必须以管网运行工况分析为基础，充分结合“改建”和“扩建”，在保证原有管网输配水能力的基础上，统一规划、合理布局、合理选择管径、布置构筑物、充分发挥新旧管网的作用，增大供水量、扩大供水范围，改进并建设成为一套全新的给水管网，满足城市的日常用水需求。
3 改扩建优化设计的分析
改扩建优化设计是以现有给水管网工况为基础的，所以改扩建优化设计的分析包括对现有给水管网的分析及设计改扩建给水管网的分析。
3.1现有给水管网工况分析
管网工况是指管网的用水状况。新建管网设计时，一般都是按常规设计方法，考虑最高时、最大转输时、消防时和事故时几种典型工况，但由于管网建成投入后，由于用水的不断变化，用水量也会发生不断的变化，此时，管网的工况将会出现与原设计工况不同的情况，即是管网中会形成另一种新的工况，所以，在进行管网优化设计之前，应对现有管网工况进行充分的分析，该分析有两方面的好处，一是充分利用现有的管网，并在现有管网的基础上进行改造，形成新的给水管网，既满足了新的用水要求，也降低了工程造价；二是通过分析现有管网工况，为新管网的优化设计打下基础，以满足新管网系统能满足目前和未来不同工况条件下对水量和水压的要求。
3.2设计给水管网工况分析
设计阶段是工程进行的准备阶段，而工况分析是设计阶段的准备阶段。改扩建给水管网工况分析，是给水管网改扩建工程的重要前提，也是必不可少的环节。工况分析不仅要满足管网系统能满足目前和未来不同工况条件下对水量和水压的要求，同时也要满足管网的可靠性和经济性，做到管网运行经济高效。
4 改扩建优化设计的措施
通过对改扩建给水管的工况分析之后，就要对新管网进行设计，而在多个不同的设计方案中，要筛选出对该改造项目最优化的设计方案，就要全面把握项目进行中的各个方面，主要可以通过以下措施来优化设计。
4.1管网的管线布置
做好管线布置的方案比较是进行新建、改扩建管网优化设计的关键。对改扩建管网的布置应尽量利用原有管道，增设新管道，以管网改造为主。抓住管网改造的时机，有步骤地对低压缺水区进行改扩建，增设新管道或增大原有管道的管径，更换年久失修或过水断面明显缩小的管段，达到提高供水效率的目的，增强管网运行的安全可靠性。根据规划，结合原管网道路下埋有多种管线的实际情况，对管网进行改扩建时的管线布置应按以下原则进行：
（1）、淘汰原有的严重老化、漏损的管道，采用新管代替；
（2）、输水管线的根数即单线或双线供水应根据给水系统的重要性、输水量大小、分期建设安排等因素全面考虑；
（3）、管网改造应有利于降低运行成本，避免对水质造成二次污染；
（4）、新设计的管线，一般不占据原旧管线的原有位置，要根据原管道连接的分支管预留管件，这样在新管线敷设过程中不至于必须拆掉旧管，从而保证旧管线能正常供水直至并网施工全部完成以后再彻底废除旧管线。新管敷设尽量和原管道走向一致，以减少勘察和施工费用，同时便于和已建管段衔接；
（5）、配合市政工程道路改造，将管道设计在车道下，如果给水管线布置在车道下，要尽量减少在车道上砌井。除必不可少的干线闸阀、排气阀井处，像分支管阀门井、消防栓井尽量设计在人行道上；
（6）、新管敷设应和改造的街道走向一致；
（7）、考虑远、近期管网的有机结合。
4.2管径的选择
在给水工程中，管道工程造价占很大的比例，经济合理地选择管径是进行管道设计的首要问题。管径选择与流速密切相关，呈反比关系。在同一工程中，输送相同流量的条件下，管道设计流速越大，管径越小，工程建设费用越低；但设计流速大导致管道水头损失增大，给水厂水泵扬程越高，电能消耗增加，制水成本提高。因此，给水管道流速大小，不仅影响给水工程造价，也关系到净水厂的运行管理费用，在给水管道的规划设计中确定管径时，应先通过对建设费用和运行管理费用之和为最低的求解，推求出不同管径的经济流速。 关系确定管径的另一个重要因素是用水量。用水量的确定应综合考虑远近期的用水量，并兼顾经济性和可靠。设计用水量应该包括以下几种用水。
（1）、综合生活用水：包括居民生活用水和公共建筑用水。根据居民生活用水定额或综合生活用水定额及最高日时变化系数综合分析确定。
（2）、工业企业生产用水和工作人员生活用水：生产用水量根据生产工艺要求确定；工作人员生活用水量（含淋浴用水量）根据车间性质确定。
（3）、消防用水：消防用水量、水压及延续时间等根据现行有关规定确定。
（4）、浇洒道路和绿地用水：根据路面、绿化、气候和土壤等条件确定。
（5）、未预见水量及管网漏失水量：按最高日用水量的百分比计。
综合考虑经济流速和供水量，即可求出设计给水管线的管径，该管径也应该是最优的管径。
4.3管材的选择
随着技术的进步，新型管材层出不穷，但大体上可分为两类：金属管和非金属管。目前推广应用较多的金属管材有：钢管和球墨铸铁管。非金属管材有：聚乙烯管（PE 管）、硬聚氯乙烯管（UPVC管）、预应力钢筒混凝土管（PCCP 管）、玻璃钢夹砂管等。
管材的选择应符合以下的选用原则：（1）符合国家现行标准。比如生活用水输水管必须符合生活饮用水卫生标准。（2）充分考虑供水管道敷设路段上的地质情况、压力情况和使用要求，因地制宜地采用不同的材质。（3）管网改造中尽可能采用耐压性较好、抗腐蚀性较强的管道，以减少管道事故；管材选用，应力求做到技术可行，经济合理，安全可靠，经久耐用，以保证工程质量，降低工程造价，提高经济效益。
4.4施工方案的选择
给水管网改扩建施工过程中，情况多变复杂，一要配合道路施工，二要避让现状其他地下管线，所以在施工过程常出现设计变更和施工变更，而变更是增加工程造價和延长工期的主要因素，因此在设计过程中，应深入现场，调查研究，综合规划，选择合理的供水线路和管位，考虑路面结构、道路绿化和建（构）筑物，减少管道施工破坏，考虑城市雨污管道及其他地下管线的铺设情况，减少管线交叉，减少跨越障碍次数，减少河底铺设，减少架空，防止管线从建筑物下穿越，保证日后管线维修方便、安全。并在设计阶段就制定管道使用明挖施工或非开挖放工，尽量减少变更的发生。
4.5建设费用的控制
一般来讲，给水管网占整个给水系统投资的60%—80%，可见，管网建设费用是给水系统的重头戏，另外，管网运行过程中还涉及每年庞大的能量消耗，所以在设计阶段，应该对管网建设进行全寿命周期分析，不仅要降低管网的建设费用，还要综合考虑管网的运行费用，以充分满足管网的经济性要求。在设计阶段，控制建设费用主要有：（1）提高成本控制意识，注重成本核算观念，实行限额设计；（2）充分分析管网工况，优化设计，结合施工条件，细化施工图设计，尽量减少设计变更和施工变更的发生。
5 结束语
近年来，由于城市化的快速发展，城市人口快速增长，各城市对用水量和水质提出了更高的要求，以及旧有管网陈旧的客观情况，各地区加大力度开展供水管网改造，各级政府和各水司都按照项目法定程序和科学合理的途径对所属的供水管网进行规划、设计和施工。以上笔者简述对供水管网改扩建过程中的设计方案优化，希望有助于参考解决城市供水管网改造中存在的问题。
参考文献：
[1]傅维秀 城市给水管网改扩建优化设计方法研究 ——以威海市某区给水管网改扩建工程为例 西安理工大学 2006
[2]朱良华 基于整数编码遗传算法的给水排水管网优化设计 合肥工业大学 2007
[3]黄健民 市政给水管道设计心得 江西省赣州市自来水公司 2009
[4]赵耀龙 市政给水管道施工中管材的选择研究 山西太水市政工程有限公司 2014
[5]沈民洁 市政给水工程造价问题及改善策略 苏州市晓阳市政建设设计有限公司 2015
[6]白丹 给水输配水管网系统优化设计研究 西安理工大学 2003
[7]郭文娟 杨力 张荣辉 关于给水管道优化设计的几点思考 北京市市政工程设计研究总院 2011
关键词：给水管网；优化设计；改扩建
1 引言
随着我国城市基础设施建设的快速发展，作为其中一个重要分支的给水工程，因为管网陈旧、用水量增加及配合道路改扩建等原因，亟需进行改扩建。由于给水管网改扩建在施工过程中，有保障供水、配合道路交通或施工等要求，造成了管网改造投资大、管理费用高。全面合理、可操作性强的设计方案不仅能丰富和完善管网设计内容，降低建设成本，而且能保障管网改扩建的顺利施工，缩短施工工期，全面提高管网改扩建的效益。
2 改扩建的含义及设计原则
城市给水系统由取水、净水和输配水三个部分组成，输配水管网是城市给水系统的重要组成部分，它铺设于城市的大街小巷，担负着把水安全地输配到用户，并满足用户对水量、水压和水质的要求。或因城市用水量的剧增，或因旧有管网规划的不合理，或因現有管道陈旧，或因道路的改扩建等原因，需要对现有管网进行改扩建。给水管网改扩建是指给水管网系统的更新、扩大和完善，它包括改建”和“扩建”两部分。“改建”是指原有管网系统中的管道、阀门及其他给水设备经过长期使用出现了老化、损坏的现象，影响正常供水，不能满足使用要求，应该针对具体情况对其进行修缮、更换，以使管网能够正常工作。另一方面，为配合道路改扩建的需要，现有给水管网可能影响道路施工，必须对给水管网进行迁改。“扩建”有两种实施形式，一是在不改变原有管网系统的情况下，根据新的要求在旧管网系统中增敷新管、添加新设备、建造新构筑物等等；二是结合管网改建，废除不符合使用要求的管网，按扩建后规模进行实施。给水管网改扩建必须以管网运行工况分析为基础，充分结合“改建”和“扩建”，在保证原有管网输配水能力的基础上，统一规划、合理布局、合理选择管径、布置构筑物、充分发挥新旧管网的作用，增大供水量、扩大供水范围，改进并建设成为一套全新的给水管网，满足城市的日常用水需求。
3 改扩建优化设计的分析
改扩建优化设计是以现有给水管网工况为基础的，所以改扩建优化设计的分析包括对现有给水管网的分析及设计改扩建给水管网的分析。
3.1现有给水管网工况分析
管网工况是指管网的用水状况。新建管网设计时，一般都是按常规设计方法，考虑最高时、最大转输时、消防时和事故时几种典型工况，但由于管网建成投入后，由于用水的不断变化，用水量也会发生不断的变化，此时，管网的工况将会出现与原设计工况不同的情况，即是管网中会形成另一种新的工况，所以，在进行管网优化设计之前，应对现有管网工况进行充分的分析，该分析有两方面的好处，一是充分利用现有的管网，并在现有管网的基础上进行改造，形成新的给水管网，既满足了新的用水要求，也降低了工程造价；二是通过分析现有管网工况，为新管网的优化设计打下基础，以满足新管网系统能满足目前和未来不同工况条件下对水量和水压的要求。
3.2设计给水管网工况分析
设计阶段是工程进行的准备阶段，而工况分析是设计阶段的准备阶段。改扩建给水管网工况分析，是给水管网改扩建工程的重要前提，也是必不可少的环节。工况分析不仅要满足管网系统能满足目前和未来不同工况条件下对水量和水压的要求，同时也要满足管网的可靠性和经济性，做到管网运行经济高效。
4 改扩建优化设计的措施
通过对改扩建给水管的工况分析之后，就要对新管网进行设计，而在多个不同的设计方案中，要筛选出对该改造项目最优化的设计方案，就要全面把握项目进行中的各个方面，主要可以通过以下措施来优化设计。
4.1管网的管线布置
做好管线布置的方案比较是进行新建、改扩建管网优化设计的关键。对改扩建管网的布置应尽量利用原有管道，增设新管道，以管网改造为主。抓住管网改造的时机，有步骤地对低压缺水区进行改扩建，增设新管道或增大原有管道的管径，更换年久失修或过水断面明显缩小的管段，达到提高供水效率的目的，增强管网运行的安全可靠性。根据规划，结合原管网道路下埋有多种管线的实际情况，对管网进行改扩建时的管线布置应按以下原则进行：
（1）、淘汰原有的严重老化、漏损的管道，采用新管代替；
（2）、输水管线的根数即单线或双线供水应根据给水系统的重要性、输水量大小、分期建设安排等因素全面考虑；
（3）、管网改造应有利于降低运行成本，避免对水质造成二次污染；
（4）、新设计的管线，一般不占据原旧管线的原有位置，要根据原管道连接的分支管预留管件，这样在新管线敷设过程中不至于必须拆掉旧管，从而保证旧管线能正常供水直至并网施工全部完成以后再彻底废除旧管线。新管敷设尽量和原管道走向一致，以减少勘察和施工费用，同时便于和已建管段衔接；
（5）、配合市政工程道路改造，将管道设计在车道下，如果给水管线布置在车道下，要尽量减少在车道上砌井。除必不可少的干线闸阀、排气阀井处，像分支管阀门井、消防栓井尽量设计在人行道上；
（6）、新管敷设应和改造的街道走向一致；
（7）、考虑远、近期管网的有机结合。
4.2管径的选择
在给水工程中，管道工程造价占很大的比例，经济合理地选择管径是进行管道设计的首要问题。管径选择与流速密切相关，呈反比关系。在同一工程中，输送相同流量的条件下，管道设计流速越大，管径越小，工程建设费用越低；但设计流速大导致管道水头损失增大，给水厂水泵扬程越高，电能消耗增加，制水成本提高。因此，给水管道流速大小，不仅影响给水工程造价，也关系到净水厂的运行管理费用，在给水管道的规划设计中确定管径时，应先通过对建设费用和运行管理费用之和为最低的求解，推求出不同管径的经济流速。 关系确定管径的另一个重要因素是用水量。用水量的确定应综合考虑远近期的用水量，并兼顾经济性和可靠。设计用水量应该包括以下几种用水。
（1）、综合生活用水：包括居民生活用水和公共建筑用水。根据居民生活用水定额或综合生活用水定额及最高日时变化系数综合分析确定。
（2）、工业企业生产用水和工作人员生活用水：生产用水量根据生产工艺要求确定；工作人员生活用水量（含淋浴用水量）根据车间性质确定。
（3）、消防用水：消防用水量、水压及延续时间等根据现行有关规定确定。
（4）、浇洒道路和绿地用水：根据路面、绿化、气候和土壤等条件确定。
（5）、未预见水量及管网漏失水量：按最高日用水量的百分比计。
综合考虑经济流速和供水量，即可求出设计给水管线的管径，该管径也应该是最优的管径。
4.3管材的选择
随着技术的进步，新型管材层出不穷，但大体上可分为两类：金属管和非金属管。目前推广应用较多的金属管材有：钢管和球墨铸铁管。非金属管材有：聚乙烯管（PE 管）、硬聚氯乙烯管（UPVC管）、预应力钢筒混凝土管（PCCP 管）、玻璃钢夹砂管等。
管材的选择应符合以下的选用原则：（1）符合国家现行标准。比如生活用水输水管必须符合生活饮用水卫生标准。（2）充分考虑供水管道敷设路段上的地质情况、压力情况和使用要求，因地制宜地采用不同的材质。（3）管网改造中尽可能采用耐压性较好、抗腐蚀性较强的管道，以减少管道事故；管材选用，应力求做到技术可行，经济合理，安全可靠，经久耐用，以保证工程质量，降低工程造价，提高经济效益。
4.4施工方案的选择
给水管网改扩建施工过程中，情况多变复杂，一要配合道路施工，二要避让现状其他地下管线，所以在施工过程常出现设计变更和施工变更，而变更是增加工程造價和延长工期的主要因素，因此在设计过程中，应深入现场，调查研究，综合规划，选择合理的供水线路和管位，考虑路面结构、道路绿化和建（构）筑物，减少管道施工破坏，考虑城市雨污管道及其他地下管线的铺设情况，减少管线交叉，减少跨越障碍次数，减少河底铺设，减少架空，防止管线从建筑物下穿越，保证日后管线维修方便、安全。并在设计阶段就制定管道使用明挖施工或非开挖放工，尽量减少变更的发生。
4.5建设费用的控制
一般来讲，给水管网占整个给水系统投资的60%—80%，可见，管网建设费用是给水系统的重头戏，另外，管网运行过程中还涉及每年庞大的能量消耗，所以在设计阶段，应该对管网建设进行全寿命周期分析，不仅要降低管网的建设费用，还要综合考虑管网的运行费用，以充分满足管网的经济性要求。在设计阶段，控制建设费用主要有：（1）提高成本控制意识，注重成本核算观念，实行限额设计；（2）充分分析管网工况，优化设计，结合施工条件，细化施工图设计，尽量减少设计变更和施工变更的发生。
5 结束语
近年来，由于城市化的快速发展，城市人口快速增长，各城市对用水量和水质提出了更高的要求，以及旧有管网陈旧的客观情况，各地区加大力度开展供水管网改造，各级政府和各水司都按照项目法定程序和科学合理的途径对所属的供水管网进行规划、设计和施工。以上笔者简述对供水管网改扩建过程中的设计方案优化，希望有助于参考解决城市供水管网改造中存在的问题。
参考文献：
[1]傅维秀 城市给水管网改扩建优化设计方法研究 ——以威海市某区给水管网改扩建工程为例 西安理工大学 2006
[2]朱良华 基于整数编码遗传算法的给水排水管网优化设计 合肥工业大学 2007
[3]黄健民 市政给水管道设计心得 江西省赣州市自来水公司 2009
[4]赵耀龙 市政给水管道施工中管材的选择研究 山西太水市政工程有限公司 2014
[5]沈民洁 市政给水工程造价问题及改善策略 苏州市晓阳市政建设设计有限公司 2015
[6]白丹 给水输配水管网系统优化设计研究 西安理工大学 2003
[7]郭文娟 杨力 张荣辉 关于给水管道优化设计的几点思考 北京市市政工程设计研究总院 2011