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峰谷电价对输配水管网行业设计及运行影响分析 摘要 输配水管网是城市供水系统的重要组成部分，其投资占整个给水工程投资 的一半以上，泵站每年还要耗费大量的电能。因此，需要对给水管网技术经济 合理性进行研究，探讨如何对管网进行合理选择管径、布置泵站，调节水泵的 运行，以期达到降低投资，节约能量和保证安全供水的目的。 在电力系统普遍采取峰谷电价措施以后，供水行业在满足城市供水水量、 水压和水质要求的前提下，为了在经济上做到费用最小，必须对输配水管网进 行优化。 本文在传统管网优化设计理论的基础上，重点考虑了峰谷电价对管网优化 的影响，调整二级泵站不同时段的运行曲线，通过减少高电价时段水泵运行时 间，而相应增加低电价时段水泵运行时间的方式，节约供水企业的电费成本， 同时设置水塔或高位水池，以调节水量。通过第五章某城镇管网的具体算例证 明，这种优化方式虽然增加了调节构筑物的建设成本，但是却可以大大节约管 网的运营成本，使管网年折算费用下降，对提高供水系统的经济效益和社会效 益有着重要的意义。 关键词：峰谷电价；输配水管网；水塔：管网优化；能量变化系数 a n a l y s i so nt h ei n f l u e n c eo fp l a na n dr u no f w a t e rs u p p l yd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h ec o n d i t i o no fd s m e l e c t r o v a l e n c e a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mi st h em o s ti m p o r t a n ts y s t e mo fm u n i c i p a lw a t e rs u p p l y s y s t e m ，a c c o u n tf o rm o r et h a nh a l ft h ei n v e s t m e n to ft h ew h o l es y s t e m ，u s eag r e a t d e a lo fe n e r g y , a n dt h er u n n i n gc i r c u m s t a n t i a l i t ya f f e c tw a t e rq u a l i t y s oi t i s n e c e s s a r yt os t u d yo nt h ee c o n o m yr a t i o n a l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，d i s c u s sh o w t oc h o o s et h ep i p ed i a m e t e rr a t i o n a l l y , l a yt h ep u m p i n gs t a t i o n ，t or e d u c et h e i n v e s t m e n t ，s a v i n ge n e r g ya n de n s u r et h es e c u r i t yo fw a t e rs u p p l y a f t e rt h ed s m ( d e m a n ds i d em a n a g e ) e l e c t r o v a l e n c y , w a t e rs u p p l yi n d u s t r y h a st oo p i t i m i z et h es y s t e mt om a k et h ee x p e n s e sl e a s t ，i nc o n d i t i o no fm e e tt h e w a t e rq u a n t i t y , h y d r a u l i cp r e s s u r eo rw a t e r q u a l i t y t h et h e s i se m p h a s e s t h o u g h to v e rt h ei n f l u e n c eo nt h eo p t i m i z a t i o no f d i s t r i b u t i o ns y s t e mo fd s m e l e c t r o v a l e n c e ，o nt h eb a s eo ft r a d i t i o n a lo p t i m i z a t i o n t h e o r y , a d j u s t e dd i f f e r e n tp e r i o do ft i m eo fr u n n i n gc u r v eo ft h es e c o n ds t e p p u m p i n gs t a t i o n ，v i ar e d u c et h eh i g he l e c t r o v a l e n c yr u n n i n gt i m eo ft h ep u m p s ， i n c r e a s et h el o we l e c t r o v a l e n c yr u n n i n gt i m et or e d u c et h ee l e c t r i c i t yc o s to fw a t e r s u p p l ye n t e r p r i s e ，a tt h es a m et i m e ，s e t u pw a t e rt o w e ro rp e r c hp o o l ，t oa d j u s tt h e q u a n t i t y a st h ee x a m p l ei nc h a p t e r 5 ，t h eo p t i m i z a t i o ni n c r e a s e dt h ec o s to f b u i l d i n gt h em o d u l a t i o na p p u r t e n a n c e ，b u tc o u l dr e d u c et h er u n n i n gc o s to ft h e d i s t r i b u t i o n ，a n dr e d u c et h ec o s te v e r ) y e a r , w a ss i g n i f i c a t i v et oi n c r e a s et h e e c o n o m ya n dc o m m u n i t yb e n e f i to ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m k e yw o r d s d s me l e c t r o v a l e n c y ；d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；c i s t e r n ；w a t e rs u p p l yn e t o p t i m i z a t i o n ；e n e r g yc o e f f i c i e n t 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表5 6 表格清单 铸铁管单位管长造价一3 8 设计期内一天各时段的流量3 8 一天内各时段的电价3 9 一天各时段的流量、电价及供水能量变化系数3 9 最高时流量和期望时流量设计管网优化结果比较4 1 网前水塔期望时流量设计管网优化4 5 插图清单 管网简化示意一1 0 供水示意图2 8 峰谷电价下供水系统优化体系示意图2 9 某市最大日用水量逐时变化曲线3 0 水塔高度示意图3 3 水塔容积示意图。3 4 水厂给水管网平面图4 0 无高位水池给水管网示意图4 2 水泵调速高效区示意图。4 3 设高位水池给水管网示意图4 6 1 l 2 3 4 5 1 2 3 4 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 4 4 4 4 4 5 5 5 5 图图图图图图图图图图 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目墨工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：及力强签字吼抄湃月绍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金墼王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 金 壁工些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：承向5 年 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：f 锄狎气 签字日期：口r 年f 月形日 电话：【3r p r j ，i “1 ， 邮编：、；一1 反 ，7 i 日 云 了晷 郇 致谢 在硕士阶段的项目研究过程中，感谢导师徐得潜教授。徐老师高尚的品格、 无穷的人格魅力、严谨的治学作风、一丝不苟的工作态度、高瞻远瞩的学术思 想、宽容博大的胸襟、谦逊朴素的为人都让我如沐春风，经过老师无数的指点 迷津，我无论在科研还是做人方面都受益匪浅，有幸能得到他的言传身教，是 我硕士期间最大的收获，导师精深渊博的理论知识，循循善诱的教导方法，正 直豁达的高尚人格，深深影响着我，在生活上导师细致的关怀也使我如沐春风。 在此，我谨向尊敬的导师表示诚挚的敬意和衷心的感谢。老师也必将成为我一 生奋斗的楷模。 感谢蒋兴林、钱坤、江伟民、付敏明、李柱、刘晓莹等同学在研究过程、 论文撰写、以及事业上的帮助与支持，没有他们的照顾，我将难以安心学业与 论文工作。 感谢在百忙之中抽出时间审稿和参加论文答辩的老师们，感谢对本文的意 见与建议，这样我能更快意识到自己的不足，加以改正。 还有很多我无法一一列举姓名的师长和友人给了我指导和帮助，在此衷心 的表示感谢，他们的名字我一直铭记在还有很多我无法一一列举姓名的师长和 友人给了我指导和帮助，在此衷心的表示感谢，他们的名字我一直铭记在心! 感谢我的爱人，鲁娟同学在合肥工业大学同窗的七年中与我相濡以沫。七 年来，无论风风雨雨，都有她无微不至的照顾，在论文撰写过程中，也得到她 的大力帮助，难忘在论文最困难的阶段，有她与我秉烛夜论，共同探讨。在此， 表达最真挚的感谢! 最应该感谢的是一直以来含辛茹苦养育我的父母，支持我的弟弟，他们让 我能常常感受到融融暖意，无论身在何方，我的世界都充满了他们无私的付出 与馈赠，亲情让我时刻活在责任与感动中，他们的恩情使我终生无以为报。 最后，谨在此拙文一篇，献给我亲人、恩师、同窗、朋友还有所有理解、 关心、支持、帮助我的人。谢谢你们! 作者：夏元强 2 0 0 7 年11 月11 日 1 1 研究背景简述 第一章绪论 需求侧管理( d e m a n ds i d em a n a g e m e n t ) 最早来源于电力行业，是上世纪 八十年代中期国外兴起的综合资源规划( i n t e g r a t e dr e s o u r c ep l a n n i n g ) 方法的 重要组成部分，通过提高终端用户用电效率和优化用电方式，在完成同样用电 功能的同时减少电量消耗和电力需求，达到节约能源和保护环境，实现低成本 电力服务所进行的用电管理活动。从1 9 9 2 年开始，d s m 技术陆续介绍到我国， 峰谷电价就是其中重要的内容【2 】。 峰谷分时电价是对不同的用电时段采取不同的电价，它提供了一个在现行 条件下比较合理的电价制度。发电设备容量是按系统高峰时期最大用电负荷来 设计的，设备投资费用极大，因而高峰时电能边际成本高，因此在电网运行 中要采用峰谷电价、蓄能装置等手段来调峰。为了在不同用电性质的用户之间 合理分配电能成本，电价必须正确反映用户不同消费方式对电力系统成本的影 响，因而峰谷分时电价必不可少峰谷分时电价是实施需求侧管理的措施之一， 它提供了一个在现行条件下比较合理的电价制度。电力公司根据电网负荷特性 确定峰谷时段，在用电高峰和低谷时段实行不同电价。在高峰段提高电价而在 低谷段降低电价，以刺激用户采取相应的措施，促进用户自动避峰、让峰，充 分利用低谷电量，尽可能地让电力负荷在一定时期内均匀分布。 在电力系统普遍采取峰谷电价措施以后，供水行业在满足城市供水水量、 水压和水质要求的前提下，为了在经济上做到费用最小，必须对供水系统进行 优化。 城市给水系统由取水、净水和输配水三个子系统组成，输配水管网是城市 供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户，并满足用户 对水量、水压和水质的要求。给水工程建设中，输配水管网的投资占整个给水 工程投资的6 0 8 0 【3 j ，而且还涉及每年庞大的能量消耗，同时管网的运行状 态还影响着供水水质。因此，对给水管网技术经济合理性进行研究，探讨如何 对管网进行统一规划、合理布局、合理选择管径、布置泵站，以期达到降低投 资，节约能量和保证安全供水的目的。 目前我国城市供水管理还存在很大问题，主要表现在： ( 1 ) 管理机制不完善 政企不分，政府对城市供水企业干预过多，企业不能完全行使企业的法人 财产权和经营权，适应社会主义市场经济的约束及监管机制没有形成；产权不 清，产权出让不规范，产权结构单一，政策性亏损掩盖经营性亏损问题比较突 出；行业规划、产业政策滞后。城市供水、排水及污水再生利用设施建设发展 不协调，城市水资源不能实现合理配置，现有设施不能充分发挥作用；行业管 理力度不足，缺乏社会监管，尚未形成统一行业管理体制和集约化城市供排水 经营模式，服务标准不统一；投资渠道不畅，企业负债率过高，城市供水建设 资金缺乏，投资偿还机制还不健全；城市用水价格不合理，城市水价机制及调 整程序有待健全和规范；企业管理方式和经营机制不适应市场经济要求，内部 管理不科学，效率低下，竞争力不强。 ( 2 ) 用水效率低，浪费严重 市政供水管道老化漏失严重，据2 0 0 3 年统计，全国管网漏损率为2 0 以 上。还存在相当程度的浪费，尤其是宾馆、学校和商业等公共用水部分【1 1 】。 我国的市政基础设施起步晚、基础薄弱，管网设计管理运行的自动化程度 低，多以经验为主，缺乏科学性、高效性，同时随着国民经济的快速增长，我 国给水事业的迅速发展，很多城市的给水系统已均具规模，而且还在不断扩大， 对于i e t 城市给水管网的改建、扩建及新建工程的要求日益迫切，供水行业纷纷 注入大量资金用于管网设计、运行、管理方面的技术改造以期实现经济高效、 现代化的行业管理，服务于经济发展和质量日益提高的人民日常生活。我国在 “十五 计划期间城市日供水能力继续较快增长，预计到2 0 1 5 年，全社会城市 日供水能力将达到3 5 亿立方，年供水量达到7 0 0 亿立方，城市用水人口将达 到4 4 亿人左右 5 】。城市供水是城市的命脉，是保障人民生活和社会发展必不 可少的物质基础，是城市建设的中心问题之一，并逐渐成为经济发展和城市环 境改善的重要制约因素。 当前，能源紧张和水源危机是世界性问题，改革开放后，随着我国经济的 飞速发展，这些矛盾在我国表现的尤为突出，节能降耗己成为我国的一项基本 国策。给水规模的不断扩大，使城市给水管网的电耗也越来越大。改善管网运 行状况，降低供水电耗，不仅可以缓解国家能源紧张的局面，而且可以提高供 水企业的经济效益。 我国是一个发展中国家，改革开放以来，城市建设的规模和速度是空前的， 给水系统新建成时，泵站、管网及其调节构筑物的能力可以满足用水要求。随 着社会的发展，用水人口的不断增多以及人民生活水平的日益提高，用水量急 剧增长，使原有给水系统不堪重负，导致部分地区出现水量欠缺、低压区不断 扩大的情况发生。另外，由于管网的管理维护主要依赖于经验，缺乏理论依据 和科学分析，加之用户发展、分布的不均衡等原因，使管网工作状况无法处于 最佳状态，不但造成上述供水能量的浪费，还使管网漏水、爆管频繁，断水事 故不断发生，有时甚至引发水淹、大面积停水等恶性事故。据资料统计，我国 和发达国家相比，由于城市人口密度较高，工业用水量比较大，所以同样供水 量的城市，我国的配水管网长度往往比其短几倍。我国城市供水管网的漏水量 2 约占全部供水量的1 0 左右【4 5 1 ，发达国家中的少数城市已经达到漏损控制的目 标，如日本大阪由于管网大规模技术改造以及检漏效率的提高，漏失率已降到 7 3 1 【1 5 】。长期以来，我国各地供水企业大都是根据经验确定管线走向、管径 等】参数，由于实际管网的复杂性，对管网改扩建仅拿出很少几个方案做比较， 很难达到经济合理要求。 与此同时，随着管网服役时间的延长，管道内壁腐蚀程度加重，管道内沉 积物增多，造成供水二次污染，严重时将危及居民的身体健康和工业产品的质 量。 目前，凭经验设计及采用传统的分析方法，使计算结果与管网实际工况很 难吻合，产生偏差的原因较多，突出地表现在节点流量难以跟踪实测，管网管 段阻力系数难以确定，计算误差大。值得一提的是，改扩建又不同于新建，实 际上，优化问题的目标函数中也包含了旧有管段的因素，即有某些旧有管段的 不合理存在，这些往往由经验设计的旧管段，大大影响了整个管网的运行费用， 并且会对管网造成许多危害，比如供水可靠性差等。 由上可以看出，配水管网的优化和改造不仅关系到合理供水电耗，还涉及 到适应用水需要、提高供水可靠性、合理投资、降低管网漏失及改善管网水质 等各项因素。所以，城市给水管网的优化设计研究是城市供水行业亟待解决、 技术进步的、一个重要内容，具有重大经济效益和重要社会效益的研究课题。 1 2 给水管网计算理论和优化设计研究的现状 1 2 1 国内外管网计算理论的发展历程哺2 引 随着计算机的出现及其应用软件的发展，给水管网水力计算有了很大的发 展，在理论及算法上日趋完善。计算机和计算技术的飞速发展，为管网设计与 管理提供强有力的支持和推动。 管网水力分析计算，起始于1 9 3 6 年，哈代克罗斯( h a r d yc r o s s ) 在环 状网的水力计算中提出了至今仍在普遍应用的方法一一h a r d y c r o s s 法，它以能 量方程一回路( 环) 的水头损失平衡为准则，并引进校正流量的概念而导出非 线性方程组，然后将其线性化来求解。此方法采用的是迭代方法，所求变量是 环的校正流量，方程的个数是管网的基环数。在无计算机的年代里，其迭代公 式简单，便于手工计算的优点，使其一度在管网水力计算方法中占据统治地位。 但h a r d yc r o s s 法在线性化的过程中，简化过多，忽略了环与环之间的相 互影响，其收敛速度慢，且初始值对收敛的影响较大，因此为了加快收敛速度， 不少学者对原迭代公式进行了修正。在此期间，我国同济大学的杨钦教授则提 出了校正流量分配法，考虑了邻环之间相互影响的传播系数，减少了迭代次数， 提高了收敛速度。 7 0 年代以后，随着网络( 图论) 技术的应用发展，加上计算机的不断完善， 3 为管网水力计算创造了有利条件。利用图论来构造给水管网的节点方程和环方 程，简洁明了的以矩阵描述的方程形式，使得人们对系统、方程本身的性质及 其应用有了更直观、更深刻的了解。并且，随着计算机的出现及其应用软件的 发展，给水管网计算有了突飞猛进的发展，求解这些方程的各种方法在计算机 上得以完成和实现。 目前，应用较多的是利用牛顿迭代法来求解节点方程和环方程，由于应用 牛顿法求解时所形成雅可比( j a c o b i ) 矩阵是一对称正定、带状的稀疏矩阵， 既可利用效率极高的平方根法来求解相应的线性方程组，又可采用带宽压缩存 贮技术，节约大量内存。此方法收敛速度快、精度高、存贮量小，使大型给水 管网的水力分析计算可以在微机上进行了。 1 2 2 管网优化设计研究现状哺1 优化技术是系统工程的主要内涵，优化技术在工程中的应用，不仅仅体现 了一种现代的思维方式，更重要的是优化的结果可以通过数学手段完全达到量 化而付诸于工程实践，给社会带来巨大的经济效益和社会效益。它己经把原先 以感性、经验、静态分析与手工式劳动为基础的传统设计方法进行扩展和取代， 形成以动态化、最优化和计算机为特征的，有着严格的程序与科学内容的优化 设计。 对于给水管网优化问题，即满足系统可靠性的前提下，使管网的投资与今 后一段时间内的运行费用之和最低时确定给水管网的管径问题，国内外给水管 网研究工作者已做了大量的研究和探索工作，并取得了丰硕的成果。近几十年 来，科学技术获得了突飞猛进的发展，特别是系统科学的发展，使系统的概念、 原理和方法渗透到各个工程领域。越来越多的市政工程师使用系统的方法，优 化的思想来解决市政工程问题，用优化设计方法代替传统的经验设计法。 国内外研究者经过不断的努力，提出和发展了很多基于最优化理论的管网 优化方法。如：枚举法、经典优化法、界限流量法、拉格朗日未定乘数法、线 性规划法、广义简约梯度法、遗传算法等。 各种优化方法中，枚举法是针对简单管网，将标准管径逐一检验的方法， 应用范围比较窄；经典优化法由于把管段管径看作连续变量，求出的优化结果 与标准管径不相符，需进行调整，调整后的方案并不一定是最优方案；界限流 量法由于进行了简化，是一种近似优化算法，求得的结果对于离二级泵站较远 的管段，误差较大，且其结果与最优解偏差较大，仅适合于计算简单的输、配 水管网；线性规划法虽然以标准管径管道长度为求解变量，得到的优化结果无 须调整，但对于复杂给水管网，由于其目标函数或约束条件是非线性的，而线 性规划法将非线性问题线性化，优化结果误差较大；动态规划法虽然直接以标 准管径为状态变量，但它随着状态数目的增加，容易产生“维数灾”问题； 广义简约梯度法通过增加惩罚项，能得到直接以标准管径表示的优化结果，并 4 能同时计算出优化后满足水力方程的最佳流量分配，但该法要求目标函数的一 阶或二阶导数存在，并要进行偏导等运算，较为繁琐，其对约束条件的一维搜 索不一定能满足约束条件，且优化结果和所选取的初始解关系很大，选取不当 则易陷入局部最优解；基因算法直接以标准管径为求解变量，优化结果无须调 整，方法简单明了，但该法在给水管网优化设计中还处于发展阶段，需要进一 步改进。 1 2 3 管网模型的发展概况 随着计算机技术其相关科学的发展，计算机对复杂的数学问题可以做到快 速、可靠、精确的求解，从而促进了给水管网水力分析技术的发展。 给水管网系统模型的发展经历了一个从手工计算到计算机实时模拟的过 程。在3 0 年代，h a r d yc r o s s 提出的管网水力分析方法，开创了管网水力分析 的先河，它可以对简单的管网系统进行节点水压和管段流量的求解。4 0 年代， m c e l r o y 分析器用电子物理模拟的方法进行管网系统的水流运动模拟。5 0 年代， 专用模型系统出现，可以对单水源管网系统进行节点水压和管段流量的计算。 7 0 年代，利用计算机进行给水管网水力计算的理论和方法在大学和研究机构得 到了广泛而深入的研究，成功地开发了许多专业应用软件，这一时期研究的重 点在于水力分析和标准优化设计计算，形成拟稳定状态水力模拟的完成数据模 型。8 0 年代，软件开发走向商品化，并开始重视拟稳定状态水力模拟系统和 g i s ，c a d 技术开发和应用。9 0 年代，各类应用软件向着智能化、图形化方 向发展，并为用户提供方便的界面和强大的功能。 我国给水管网优化设计研究最近几年也取得很大进展。天津大学、同济大 学、湖南大学对给水管网改扩建研究进行了较多的理论研究。许多学者对管网 设计中诸如经济流速，加压泵站和水库的选址、容量选择等作了有益的探讨， 并对流量分配进行了研究；方永忠用生成树变换法求输配水系统最短供水路线， 解决了多水源输配水系统中有一个以上节点流量为负值的最短供水路线问题 ( 王荣和、顾国维等) 编制h y p n w 和p c a d 软件系统，建立了青岛高科技开 发园区给水管网优化设计模型，该模型属地形起伏大、水源多、分区供水的大 型给水管网优化设计数学模型，并对输入、输出数据进行特殊处理，建立图形 菜单和数据库，绘制水力计算成果图、等压线图，并且在给定平面图的情况下 自动生成纵剖面施工图。 1 2 3 给水管网水力计算课题的意义 通过管网水力计算，除了可了解管网各管段的流量分配和各节点水压外， 还可以了解各个管段的流速、水力坡降( 水头损失) 及配水源的工作情况( 水 量和水压) 等，即了解整个管网的实际运行工况。尽管一个城市的自来水管网 实际上是动态的，管网中的水力状况每时每刻都在变化，现状管网水力计算也 5 可以认为是一个动态拟合。要想详细了解某个城市管网，寻找其特有的内在的 规律性，就必须进行现状水力分析核算。大、中城市往往具有数十个乃至数百 个环，进行现状水力分析核算，既为改建、扩建管网设计提供准确的数据资料， 避免工程的盲目性，同时，也为城市管网的科学管理提供可靠的数据信息，以 便供水部门对管网突发事件作出快速反应。 1 3 本文研究的主要内容 ( 1 ) 对给水管网元件水力特性及管网系统水力计算方法进行深入的分析。运 用系统理论，分别建立多种供水情况下的数学模型，分析给水管网技术经济计 算中各经济参数对优化计算结果的影响。 ( 2 ) 管径优化模型具有混合离散的特点，本文充分分析非线性混合离散变量 规划问题的解法。 ( 3 ) 峰谷电价对供水系统设计及运行产生的影响。城市供水系统是城市的用 电大户，实施峰谷电价后，为了实现节能和减少运营费用的目的，需要对供水 系统做优化设计。主要研究峰谷电价对输配水管网和水池的设计的影响，包括 二级泵站的运行，高位水池的容积，以及由此带来的管网优化问题。 ( 4 ) 根据论文内容及算例的实际情况，编制程序。 6 第二章城市给水系统的设计 城市给水系统是由相互联系的一系列构筑物和输配水管网组成。它的任务 是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后将水输送到用水区，并 向用户配水。其主要工程设施包括：取水构筑物水处理构筑物泵站( 抽 取原水的一级泵站、输送清水的二级泵站和设于管网中的增压泵站) 输水管 渠和管网调节构筑物。 城市给水系统的设计就是按照城市规划，水源条件，地形，用户对水量、 水质和水压的要求等方面的具体情况，对给水系统的主要工程设施进行设计计 算。 2 1 城市给水系统设计的主要内容 城市给水系统设计的主要内容包括： ( 1 ) 给水管网的定线与布置：考虑城市规划、水源和地形条件的影响，确 定布置形式( 环状网或树状网) ，调节池和水塔的位置，管线走向和位置。考虑 分期建设的可能性，保证用户有足够的水量和水压，保证供水安全可靠。 ( 2 ) 阀门、消火栓的布置 ( 3 ) 设计供水量的计算：确定用水量变化情况，计算居住区生活用水和由 城市给水系统供给的工业生产用水和职工生活用水，还应考虑公共建筑用水、 浇洒道路用水、绿化用水和消防用水。 ( 4 ) 水塔和清水池的容积和高程计算：确定取水和配水构筑物之间的流量 关系，泵站工作曲线。 ( 5 ) 管网水力计算：管网图形简化，确定沿线和节点流量，计算管道流量 和水头损失，选择管径，进行管网平差计算。 ( 6 ) 管网优化设计计算：主要是为了进行新建或扩建管网的规划设计和初 步设计，使其达到在投资( 管径) 及常年运行费用( 水泵扬程) 最小的情况下，满足 用户对水量和水压的要求。优化设计计算方法是在建立经济模型和水力计算数 学模型，并提出多个约束条件后，通过一定的数学算法，得出最经济的管径及 水泵扬程。在经济管径条件下运行的流速称为经济流速。管段的流速应控制在 经济流速范围内。 ( 7 ) 管网优化设计计算的最终目的，是使管网年折算费用为最低，通过不 同优化设计方案的比较，在保证管网供水安全性的前提下，选取其中最经济一 种方案。 7 2 2 城市给水系统设计的主要步骤n 1 1 2 3 城市给水系统设计的主要步骤包括：管网布置管网定线管网的简化 确定节点，节点流量和沿程流量计算管段计算流量水力计算技术经济 计算 下面着重对上述7 点步骤进行论述。 2 2 1 管网布置 以往，在市政给水系统建设中，给水管网建设的随意性较大，随着城市规 划的不断完善，道路建设和管理逐步规范，有些等级的道路明文规定：在建成 后若干年内不得开挖，这就要求管道敷设一定要有规划，且规划要有一定的准 确性。加之企业的效益控制意识增强，管网规划也日益受到重视，且逐渐成为 供水规划的重要组成部分。 给水管网规划、定线是管网设计的初始阶段，其布置的合理与否直接关系 到供水运行的合理与否及水泵扬程的设置，对工程投资和管理维护也有很大影 响；管网规划与布置是管道系统规划中的关键部分，管网工程投资巨大，管线 埋藏于地下，从而使资金浪费、供水不合理等问题不易曝露，存在的隐患较多。 因此，为了彻底消除这些不合理因素，必须在管网规划和设计阶段，进行合理 的规划和优化设计，并进行系统的现状、近期和远期的水力模拟校核，以期能 达到设计最优化的目的。对城市给水管网布置要满足以下基本要求： 应符合城市总体规划的要求，布置管网时应考虑给水系统分期建设的可能 性，并留有充分的发展余地； 管网应布置在整个给水区域内，在技术上要使用户有足够的水量和水压； 管网布置必须保证供水安全可靠，当局部管网发生故障时，断水范围应减 到最小； 力求以最短距离敷设管线，以降低管网造价和供水能量费用。 对于地形较为平坦的城市，管网的规划和布置相对来说要简单的多。但是， 对于地形高差偏大的城市，若采用统一供水，会使环状网的平差难度增大，由 于管网各部分地面标高相差太大，容易造成低区管内压力过高，发生爆管及管 件损坏；而高区则会出现管网压力不足，甚至不能将水供至最不利点。若采用 分区供水，会涉及到如何制定分区的界限，各区之间水量如何统一协调，平差 很难收敛等问题，这也是在进行给水管网布置时所要考虑的。对于供水发展历 史较长的城市，考虑编制管网规划时，可将城市管网分成新区管网和旧城区管 网改造两个部分。 随着城市的发展，作为城市基础设施的供水事业的发展将日益显现其重要 的作用。而在供水发展规划中管网规划的科学性日益重要，需要在规划的制定 过程中不断探索，使管网布局更合理。所以，在进行城市管网布置时，除满足 基本要求之外，还应充分考虑地形及地质情况采用统一供水或采用分区分压供 水，在管网中可设置加压泵站及高地水池，城市地形高差比较大，水压可以保 证的地区可优选重力流输配水以节能。 给水管网的布置形式，根据城市规划，用户分布及对水要求，可分为树枝 状管网和环状管网。也可根据实际情况混合使用。一般在大中城市给水系统中， 管网必须不停水，应该选用环状管网。环状管网管线较长，投资较大，但供水 比较安全。 2 2 2 管网定线 管网定线取决于城市平面布置，供水区的地形，水源和调节水池位置，街 区和用户特别是大用户的分布以及河流、铁路、桥梁等的位置等。所以，管网 定线时需要考虑的要点如下： 1 、输水管定线 线路简短，保证供水安全，造价经济，尽可能沿公路敷设，少占农田，不 占良田； 尽可能避免穿越铁路、公路、河流、沼泽、山谷等障碍物； 输水管的走向应和二级泵站输水到水池、水塔、大用户的水流方向一致； 输水管尽可能充分利用地形条件，优先选择重力流输水； 不得间断供水工程，输水管要设两条或两条以上： 输水管应有一定的坡度，在输水管的高处要设排气阀，在低的地方设泄水 阀： 输水管的选择应考虑远近结合，分期结合。 2 、干管定线 干管的布置要考虑水源、水塔等位置，应符合城市路网规划要求，沿原有 道路和规划道路敷设； 干管尽可能地布置在较高的地位，保证对附近用户配水管中有足够压力， 增加管道的供水安全性； 干管的间距根据街区情况，采用5 0 0 8 0 0 m ，干管隔一定距离设横跨管， 其间隔考虑在8 0 0 1 0 0 0 m 左右【1 1 】。其作用是保证关闭一些阀门时，能够供水； 在干管上充分考虑配水管的设置，留有接口； 干管的布置也要考虑未来的发展，分期建设； 在管线上要设附属设备，如闸阀( 用来调节水量、检修) ，消火栓； 供水区范围应根据规划原则确定，并将管线合理分布于全供水区，尤其注 意高、远、偏等缺水地区。 2 2 3 管网简化哺1 城市给水管线遍布在街道下，所以管网形状总是和城市规则总平面布置有 9 密切的联系。通常，城市给水管网是由环数较多的环状网和一部分树状网组成 的混合型管网。由于给水管线很多，特别是大城市如果所有管线一律加以计算， 实际上是不必要的有时甚至是不可能的。为此，可将实际的管网适当加以简 化，略去次要的管线，保留主要的管线，但简化后的管网应基本上能反映实际 用水情况。简化管网时必须在理论和实践经验的指导下，对管线的省略、合并 和分解从技术上作出判断。 对于混合型管网将树枝状部分省略，并将其节点流量加入联系管段的铰 节点上，使之成为环状管网，这是一种行之有效的简便的简化方法，而且不会 产生误差。 通常情况下，管网越简化，计算工作量越小。但是从另一角度看来，过分 简化的管网，计算结果将与实际用水情况差别越大，所以应慎重对待管线的简 化问题。 管网简化示意图如下： 图2 1管网简化示意 1 ) 管线省略 管网中，管径大的管线在给水和配水的作用越大，对水力条件的影响也越 大；相反，管径小则影响小。所以首先应省略对水力条件影响较小的管线。管 l o 线省略以后，流量集中在少数管线，对于设计新管网课题来说，管线的直径必 然相应增大。所以是不经济的。对于管网工况模拟计算课题来说，管段损失增 大，其下游节点水压减小，所以管线省略所产生的误差是偏于安全的。因此管 线的省略应限制在管网计算允许的误差范围内并且尽量减小因管线省略后对 水力条件的影响。 应该注意的是： 1 、在管网中省去一条管线后，严格地说会影响整个管网的水力条件。但是 一般认为对所省略管线四周的管线水力条件影响最大； 2 、在许多环组成的较大管网中，一般情况下，环内相对的两条管段，其流 量和流向大致相同； 3 、由于环内一条或两条管线省略后，节点间的水头损失增加，从增加的比 例可以衡量管线省略后对水力条件的影响； 4 、所省略的管线并不分担流量。 管线省略后对水头损失的影响，视管线在管网中的位置、管径、管长、省 略的管线数和四周管线中的流量等而有很大不同，但可大致综合为以下几点： 1 省略管线的直径d 和四周管线直径d 相差不大时，管线省略后，对水 头损失的影响可认为是d d 的函数； 2 d d 比值越大，管线省略后对水头损失的影响越大； 3 d d 值相同时，如省略的管线长度与四周管线长度之比越大，则对水头 损失的影响越大； 4 流入管网的流量增加或减小时，管线水头损失相应增加或减小，管线省 略而使水头损失增加的绝对值，随流入管网的流量增大而增加； 5 d d 比值小，则管线省略对水头损失的影响减小。当d d 也的水 压约束条件须变换为管网控制点的等式约束条件，即： 砟+ z p 一乙一鬼= 也 ( 3 1 6 ) 拒l m 式中z 。一一泵轴高程( m ) ； 日。一一水泵扬程( m ) ； z m 一一控制点地面高程( m ) ； l m 一一从配水源到控制点m 任一管线上的管段集合； ，一一管段f 的水头损失( m ) ； 以一一控制点最小允许自由水压( 所) 。 3 2 3 无条件极值法1 节点水压e 未知时，水压约束条件为线性，但是目标函数为非线性，这时 可根据情况，选用合适的未知量，例如水头损失h 或节点水压h 。如以日为未 知量，则水压约束条件为： 以= 乙+ 只( 聊) ( 3 1 7 ) 式中巩一一控制点的水压高程( m ) ； z 。一一控制点的地面高程( m ) ； 只一一控制点要求的自由水压( m ) 。 根据管网控制点要求的自由水压，即可用无条件极值法求出费用目标函数 的极小值。 3 2 4 线性规划法 线性规划法对于树状管网，由于在节点流量己定条件下，它有唯一的流量 分配，以经济性为目标所建立的数学模型是一类关于决策变量的凸规划课题， 因此，对树状网优化设计方法的研究进展比较快，至今已比较成熟。例如k a r m e l i e ta 1 ( 1 9 6 8 ) s c h a a k ea n dl a i a ( 19 6 9 ) 1 3 】，19 7 6 年r o b i s i n r 等提出了树状网的线 性规划方法，建立了树状网优化线性模型 1 4 】，1 9 8 0 年，m a r t i r i r 则基于图论中 的最短路径概念建立了布置优化模型【1 6 】，尽管这些模型能够确保得到全局最优 解，用这些模型可以解决树状管网的优化设计问题。由于树状管网管段流量分 配的唯一性，管段流量分配的优化分配问题可以避免，可以很容易地通过流速 约束条件找出每一管段可能用到的标准管径解集。但是这些模型又不能被应用 于实际的市政管网优化设计中。自从2 0 世7 0 年代以来，大量的管网优化设计 技术被相继提出。1 9 8 3 年，w a l s k i 在他的论文中提出了最中肯最有发展前途的 建议17 1 。a l p e r o v i t s 和s h a m i r 18 1 ，q u i n d r y 1 9 1 相继提出线性规划模型，至今仍 有广泛的影响，但管网的规模受到了限制。 a l p e r o v i t sa n ds h a m i r 于1 9 7 7 年提出所谓线性规划梯度法 1 8 】，为以后研究 2 1 者指出了一条逐步迭代逼近寻优的设计思路，奠定了二阶段法的基础。1 9 8 5 年， m o r g a na n dg o u l t e r 基于线性规划方法提出了一个两步试探步骤，第一步通过模 拟管网中多种用水情况求出管网的各种水力条件，第二步搜索新的水力条件使 管网投资下降，通过不断迭代上述两个步骤求出最优解【2 。 本法可用于计算单水源压力流或重力流树状网。设管段的内壁特征和流量 为已知，则直径一定时，即可算出单位长度管线的费用和水头损失。设管线厶由 直径d t ，和长度，r ( 厂= l ，2 o*o 9 f ) 的管段组成，于是变化为，r 的管段，其费用和 水头损失时，的一次函数，年折算费用公式为： 矽= ( 羔+ e ) c ：，+ 弛砟 ( 3 1 8 ) 1 u u i = l ，= l 但是管段长度，和管线长度之间由线性约束条件，即： 】+ 厶2 + + f = o = 1 ，2 ，尸) ( 3 1 9 ) 水压约束条件为： 坼一，乙一乙+ 只 ( 3 2 0 ) 拒l m f = l r 为管段长度，r 为水力坡度，据水头损失公式等于： 1 1 产c fq ? d i l 0 3 2 1 、) 综上所述，水泵加压式管网的线性规划问题，其约束条件为： 1 + 。2 + + ，= ( 3 2 2 ) ， 砟一，- x , = z m + 见 i e l m f = l 2 ：f ， t 0 o = 1 ，2 ，p ；f = 1 ，2 ，一，) 五0 o 胁啵) 日p o ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 求出此时的目标函数最小值： 形= ( 志+ e ) 善荟c ：，+ 磊d 。五秘踢( 砟一z p ) ( 3 2 7 ) 式中优r 一一配水源以外的节点集合； 工广- 松弛变量。 日：= 日p + z p ，即水泵升压的高程。 重力流时，约束条件为式( 3 2 0 ) ，式( 3 2 2 ) ，式( 3 2 3 ) 以及下式： ，厂，+ 薯= 风一z m 一见 ( 3 2 8 ) 式中凰一配水源的水压高程( mo 在上述约束条件下，求目标函数的最小值： 形= ( 志+ e ) i = 1 f = lq 也 此外，管径和流速的约束条件为： f v f o = 1 ，2 ，尸) l 巧d 峨i ( i = l ，2 ，一，尸) j 由此可以求出管径的范围： ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) d f d i s 1 2 f 旦( i = 1 ，2 ，一，p ) ( 3 3 1 ) f 刀屹 在确定管段直径以，( 厂= 1 ，2 ，) 时应满足上式的要求。 3 2 5 生物进化规划及遗传算法乜1 2 们 遗传算法应用于给水管网优化设计课题中，实质上是一种策略枚举法，以 单工况，单水源的简单情况为例： 首先对工程实际所限定的各档标准管径进行编码，于是管网不同的管径组 合方案可以形成不同的代码串，经过对每一代码串的解码，由水力计算子程序 可以求出该方案下管网的水力特性，如日，q 等，进而求算用于评价方案优劣 程度的目标函数值。遗传算法根据生物遗传进化的原理，对产生的初始方案进 行选择、重组、变异，产生新一代个体，仿照生物进化过程代代进化下去，最 终可以得到满足要求的最优个体，解码后即为该课题的最优方案。 由于遗传算法从一组方案出发，扩大了搜索寻优的范围，减少了传统规划 方法线式寻优( 如梯度搜索) 产生局部最优解与全局最优解差距较大的风险。 但是它耗机时太多，对大型复杂管网更是如此，主要由于其中的选择，交换， 变异等过程还没有一个适合管网优化问题的完善算法，同时也是