摘要：本文主要針對城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法展開了探討，對管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展歷程、趨勢以及任務(wù)原則作了系統(tǒng)的概述，并詳細研究分析了城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，以期能為有關(guān)方面的需要提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng);優(yōu)化;設(shè)計方法

0"引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展以及城市化進程的加快，人們對于給水量需求逐漸增大，這導(dǎo)致城市給水網(wǎng)對于城市的建設(shè)也越來越重要。但是現(xiàn)今的城市給水管網(wǎng)改擴建存在很大的問題，必須要對城市給水管網(wǎng)改擴建進行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，才能夠真正的保證城市給水的安全可靠，促進城市的穩(wěn)定發(fā)展?；诖?，本文就城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法進行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1"管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究的發(fā)展歷程以及趨勢

管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計在國外始于二十世紀六十年代，但是在我國，對于管網(wǎng)設(shè)計優(yōu)化設(shè)計的研究還比較的落后，但是隨著不斷的研究，管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)在我國也不斷的發(fā)展?，F(xiàn)今我國的管網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)從單一型的研究轉(zhuǎn)向了復(fù)合型的研究，主要的研究方向有：

（1）經(jīng)典優(yōu)化理論以及應(yīng)用分為：有線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、以及動態(tài)規(guī)劃法;

（2）啟發(fā)式算法研究及其發(fā)展，主要有遺傳算法、以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法;

（3）多方法的優(yōu)化主要分為：模糊數(shù)學(xué)法、動態(tài)規(guī)劃與遺傳算法相互結(jié)合的方法，以及與地理信息系統(tǒng)等計算機軟件之間的相互結(jié)合的方法。

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)輔助技術(shù)的發(fā)展，管網(wǎng)優(yōu)化的主要計算方法有：遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、摸擬算法以及蟻群算法等新型算法。并且相關(guān)的研究人員經(jīng)過不斷的探索，開發(fā)了很多的可視化技術(shù)、集成GIS以及優(yōu)化算法等多種管網(wǎng)優(yōu)化軟件。管網(wǎng)優(yōu)化的領(lǐng)域在不斷的擴展，主要涉及到的方面有：管網(wǎng)運行的可靠性與經(jīng)濟性的優(yōu)化、環(huán)狀管網(wǎng)、環(huán)狀與樹狀相互結(jié)合的混合式管網(wǎng)優(yōu)化配置。

2"給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)原則

2.1"技術(shù)管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的任務(wù)

對于給水管網(wǎng)優(yōu)化的設(shè)計主要是指在一定的條件之下，水廠的規(guī)模以及位置都要確定好，通過建立管網(wǎng)優(yōu)化模型以及運行之中工況進行模擬計算，從而來尋求投資少、耗能低并且安全性比較高的管網(wǎng)系統(tǒng)。對于管網(wǎng)系統(tǒng)，主要包括：管網(wǎng)布置、管徑選擇、供水分區(qū)劃分及加壓站設(shè)置等設(shè)計方案，而給水管網(wǎng)優(yōu)化的主要任務(wù)有以下兩個方面。

2.1.1"管網(wǎng)優(yōu)化布置

管網(wǎng)優(yōu)化布置主要是指在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)之上，對管網(wǎng)進行合理的布置。管網(wǎng)布置的合理與否，主要是影響著給水系統(tǒng)的安全可靠性和技術(shù)經(jīng)濟合理性。在管網(wǎng)的優(yōu)化布置中，對于地形差異比較大的地區(qū)與城市，供水的方式必須要進行合理的優(yōu)化，選擇適合本地區(qū)的供水方式，并且要合理的選擇串聯(lián)或是并聯(lián)的加壓供水的方式。對于一些給水加壓泵站進行合理的布置，并且要盡量降低供水系統(tǒng)的成本費用。

2.1.2"管徑優(yōu)化設(shè)計

在管網(wǎng)中，每個管網(wǎng)中的管段管徑的大小，直接與管網(wǎng)系統(tǒng)的布局有著相應(yīng)的影響，并且管徑優(yōu)化設(shè)計必須要以最佳的管網(wǎng)布置方式為基礎(chǔ)，并且最后利用管網(wǎng)優(yōu)化模型進行相應(yīng)的求解。

2.2"給水管網(wǎng)優(yōu)化的設(shè)計原則

城市的給水工程是一項十分復(fù)雜的工程，因此必須要堅持以下的原則：

（1）必須能夠適應(yīng)未來城市發(fā)展的需要，對給水管網(wǎng)系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計的時候，要結(jié)合城市的規(guī)劃，從而確定好城市近期或遠期對于給水系統(tǒng)的要求，從而來優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計，合理的進行管網(wǎng)的布局;

（2）對于優(yōu)化設(shè)計的針對性必須要強，必須要能夠重點的解決城市的給水網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在問題，并且要結(jié)合現(xiàn)今城市給水調(diào)查的現(xiàn)狀，對一些存在的問題深入的分析，并且一定要能夠提出相應(yīng)的措施去解決問題;

（3）利用優(yōu)化設(shè)計方式，滿足供水的需求，從而來保證管網(wǎng)運行安全可靠，以降低能源消耗為主要目標，從而來增強實際的操作性;（4）加強對現(xiàn)狀管道的合理運用，充分的發(fā)揮起作用，避免拆卸重建，這樣會在很大程度上降低成本，提高應(yīng)用的效率。

2.3"給水網(wǎng)的問題探索

2.3.1"用水量的預(yù)測

隨著城市的發(fā)展，居民的生活水平提高，因此對于用水量也在不斷的增大，因此在進行城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計時，一定要能夠?qū)Τ鞘芯用竦挠盟窟M行全面的預(yù)測，這是城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化改建的首要工作。

2.3.2"管道管段阻力的計算

在給水管網(wǎng)經(jīng)過長時間的使用時，在管道內(nèi)部會產(chǎn)生大量的微生物以及鐵銹等沉積物，因此必須要對管道內(nèi)部的阻力進行相應(yīng)的計算，來避免對其的不利影響。

2.3.3"管網(wǎng)等水壓線的繪制

要根據(jù)各個節(jié)點的壓力來進行給水管網(wǎng)的圖形繪制，并且通過對現(xiàn)狀的管網(wǎng)的技術(shù)進行相應(yīng)的改造。在新區(qū)進行管網(wǎng)設(shè)計時，必須要繪制管網(wǎng)的等水壓圖，在等水壓線密集的地方，說明水力坡度陡降，這段管道的負荷比較大。相反，如果等水壓線的稀疏處，則是說明水力坡度比較平緩，則是該管道的負荷比較小。對于現(xiàn)狀管網(wǎng)進行改造時，繪制管網(wǎng)等水壓線圖來判斷出管網(wǎng)的薄弱之處，可以設(shè)計相應(yīng)的合理的計劃方案。

3"城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

3.1"城市給水工程規(guī)劃設(shè)計中的管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

給水管負擔著分配水資源，用水的輸送和水資源的儲存等重要功能，為城市龐大的人口群體提供這生活中必不可少的生活用水和生產(chǎn)中所需要的水量。所以可想而知，城市水管的建設(shè)是一項重要而且十分龐大的工程，它所需要的建設(shè)投資相當大，運輸和運行能耗極高，施工方面也需要耗費相當?shù)呢斄腿肆?，而且施工過程中還要嚴格遵守相關(guān)的規(guī)章制度和準則才能順利合格的完成。因此，城市中的公共給水工程建設(shè)對給水管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行的優(yōu)化和設(shè)計等一系列步驟是十分重要的，所以在城市的水管建設(shè)中要有一套完整且科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化才能更好的發(fā)揮城市水管的功能。在城市給水的巨大工程中，要有科學(xué)的規(guī)劃建設(shè)，因此在城市的給水管建設(shè)中，一般要采取以下系列步驟和措施。

（1）在城市水管的建設(shè)當中，要根據(jù)城市的具體情況，先實地考察，了解城市的基本地質(zhì)和建設(shè)結(jié)構(gòu)，根據(jù)人口密度的分布和水資源的分布，以及水資源的提供范圍，居民生活用水和生產(chǎn)用水量等客觀條件，制定相應(yīng)和完整的可行方案及計劃。要充分了解城市近遠期合理的用水范圍，以《室外給水設(shè)計規(guī)范》為原則和準則，在不違背法律和規(guī)范的情況下對城市用水的供水范圍和用水量進行規(guī)劃，與城市的實際情況相結(jié)合，制定合理的規(guī)劃方案。

（2）根據(jù)城市的實際地形和城市布局劃分生活用水的供水區(qū)，布置合理的供水體系，形成穩(wěn)定可靠的供水網(wǎng)絡(luò)管道和相應(yīng)的應(yīng)急解決方案，以應(yīng)對在城市正常用水期間面對突如其來的各種問題和狀況。建立穩(wěn)定的系統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，可以以計算機等科技手段進行科學(xué)的分析和控制，形成系統(tǒng)的給水數(shù)據(jù)庫，在相對較大的城市當中給水系統(tǒng)尤為復(fù)雜，大城市的供水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同于小城市的供水網(wǎng)絡(luò)體系，所以面對大城市的給水管建設(shè)要更為注意結(jié)構(gòu)的合理性和布局的合理性。

（3）在計劃建造給水管當中，可以設(shè)計給水管網(wǎng)絡(luò)模型，設(shè)定其中給水管網(wǎng)絡(luò)的模型的目標函數(shù)和約束條件。

（4）根據(jù)全局的布局進行給水管網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，運用現(xiàn)代科技和手段進

行水管模擬，通過計算非線性規(guī)劃模擬和線性規(guī)劃模擬，有效合理的進行全局的水管網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

（5）對規(guī)劃出的系統(tǒng)水管方案進行科學(xué)嚴謹?shù)姆治龊涂偨Y(jié)，利用科學(xué)有效的方法進行處理，制定出最為合理的給水管網(wǎng)絡(luò)方案。

3.2城市給水網(wǎng)改造工程的優(yōu)化設(shè)計

隨著城市的發(fā)展以及人口不斷的增長，人們生活水平不斷的提高，城市的用水量與給水管網(wǎng)的規(guī)模不斷的擴大，在舊城區(qū)的一些給水管網(wǎng)的布置十分的不合理，嚴重的影響了水流的暢通。很多的給水網(wǎng)管徑都是偏小，并且管道老化的狀況十分嚴重，很容易發(fā)生泄漏以及破損，在局部的一些地區(qū)造成供水的壓力很低，無法保證供水的質(zhì)量和安全?，F(xiàn)今的很多城市都面臨著這一問題，因此對于給水管網(wǎng)的改造十分重要。

對于城市給水管網(wǎng)的改造工程，主要涉及到的方面有：新增的供水干管、調(diào)整管道的管徑、更換老化以及漏損的管道，以及對加壓泵的擴建與增設(shè)等方面。對這些方面進行優(yōu)化設(shè)計，在很大程度上減少了人為主觀因素的影響，使管網(wǎng)改造的方案更加的科學(xué)化、節(jié)約化、合理化。對于城市給水網(wǎng)管的優(yōu)化設(shè)計主要有以下幾個程序。

（1）對城市的供水量進行合理全面的調(diào)查，同時對于城市的用水量以及水廠、管網(wǎng)等基礎(chǔ)資料進行調(diào)查，從而建立給水管網(wǎng)的模型數(shù)據(jù)庫。

（2）要明確城市的近期遠期的供水目標，合理設(shè)計給水管網(wǎng)系統(tǒng)，建立相應(yīng)的給水管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計模型，并且進行運行工況模擬，利用管網(wǎng)運行工況模擬系統(tǒng)來對管網(wǎng)系統(tǒng)中存在的問題進行相應(yīng)測試，并且針對其問題進行解決，分析其根本原因，從而來對管網(wǎng)的改造需求進行探討。

（3）在管網(wǎng)運行工況模擬系統(tǒng)進行工作的同時，對計算的結(jié)果進行相應(yīng)的分析，分析和評估設(shè)計方案的技術(shù)以及安全性能，從而來尋求最優(yōu)的改造方案，以此來取得最好的經(jīng)濟效益。

（4）確定出現(xiàn)階段管網(wǎng)系統(tǒng)的改造的范圍，并且要制定相應(yīng)的一些方案。同時一定要結(jié)合城市供水存在的一些重大問題都要有著全面的研究，對待問題要有輕重緩急，必須要利用最合理科學(xué)的方案，來對給水管網(wǎng)進行相應(yīng)的改造從而來保證改造工作的順利進行，有序的開展新建的供水干管，對現(xiàn)存的一些管道要能夠進行相應(yīng)的調(diào)整，對一些老化或破損的管道進行更換，以及對加壓泵的增加等工作。

4展望

由于實際給水管網(wǎng)具有很大的復(fù)雜性，并且給水管網(wǎng)改建優(yōu)化設(shè)計屬于一種大型且多元多約束的工程，具有很多復(fù)雜的非線性系統(tǒng)工程問題。因此，對于給水網(wǎng)改造的工作是一項十分困難的項目，經(jīng)過相關(guān)人員理論和實踐相結(jié)合的研究，并且取得了一定的硏究成果，同時做到了創(chuàng)新與突破，但是要想完全解決這個難題，對于現(xiàn)階段我國來說，仍有一些工作有待進一步深入研究。對于給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計可以利用遺傳算法方式進行相應(yīng)的計算，但是其中也存在著問題，比如該如何加快收斂的速度以及效果，怎樣利用管網(wǎng)水力計算本身的特點來確定約束的條件，并且對一些存在問題的成果進行相應(yīng)的改正。對于給水管網(wǎng)的擴建是逐步建成的，必須要對其進行完整的規(guī)劃，才能夠保證工程順利的進行，要對施工過程進行策劃，比如哪些部分需要先建，哪些部分需要后建。并且要對改建之后的規(guī)劃進行設(shè)計，對長遠的目標進行策劃，一定要兼顧遠期發(fā)展規(guī)劃的目標，做到統(tǒng)籌兼顧。因此，必須將管網(wǎng)的經(jīng)濟性作為主要目標函數(shù)，將其他的因素作為約束的條件，從而來建立使用度函數(shù)，以此來對個體的適應(yīng)度進行評價。這樣的結(jié)果會使給水安全性不夠完善。所以必須要根據(jù)工程的實際情況來對遺傳的算法計算的結(jié)果進行相應(yīng)的修正，在經(jīng)濟以及安全至上尋求一個平衡點，從而來做到管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計。

5"結(jié)語

綜上所述，在如今社會發(fā)展日益加快的今天，城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用具有重大的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，為了保障城市用水的安全可靠，就需要我們重視城市給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計工作，以不斷提高給水管網(wǎng)給城市帶來的經(jīng)濟及社會效益。

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