（水利水电工程专业论文）城市给水管网的数值计算及优化设计.pdf

摘要 管网优化技术在工程实践中运用不仅能节省大量的资金，而且还能改 善整个管网的水力条件，将产生巨大的经济效益和社会效益。 本文着重对城市输配水系统的优化设计进行研究。首先针对优化设计 的基础，如给水管网的布置及其简化，管网系统的水力分析进行了深入的 研究；然后运用系统理论分别建立了多种供水情况下的数学模型，分析了 经济参数对优化计算结果的影响：最后对管网系统模型进行求解的方法作 了系统分析。由于标准优化算法优化结果为一个连续变量，而实际管径的 非连续性使得标准优化法的结果可能不能满足设计要求。将f l o w m a s t e r 软 件和标准优化算法相结合，在得到优化结果后应用f l o w m a s t e r 软件进行模 拟，这样不仅可以得到所有节点和管段的全部信息，还可以对管网模型进 行校核。 本研究结合南充市的给水系统工程实例，对该市的管网在新建或改扩 建时进行了优化布置并对其合理简化，经水力计算得出优化结果。根据优 化设计方法的内容，利用f l o w m a s t e r 软件进行了模拟，得到了较为满意的 效果。 关键词：给水管网，优化设计，数学模型，经济参数，求解方法 a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fn e t w o r ko p t i m i z a t i o nt e c h n i q u ei n e n g i n e e r i n g p r a c t i c ew i l ln o to n l ys a v eag r e a td e a lo fm o n e y , b u ta l s oi m p r o v eh y d r a u l i c c o n d i t i o n so f t h ew h o l en e t w o r k ，a n dt h i sw i l ll e a dt og r e a te c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i t s t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h eo p t i m u md e s i g nf o ru r b a nw a t e rs u p p l ya n d d i s t r i b u t i o ns y s t e m f i r s t l y , i tc o n d u c t si nd e p t hs t u d yb ya i m i n ga tt h eb a s i so f o p t i m u md e s i g n , s u c ha st h el a y o u t o fw a t e rs u p p l y i n gn e t w o r ka n di t s s i m p l i f i c a t i o n ，a n dt h eh y d r a u l i ca n a l y s i so f t h en e t w o r ks y s t e m t h e nb yu s i n g s y s t e mt h e o r y , t h i st h e s i s s e t su pm a t h e m a t i cm o d e l su n d e rv a r i o u sw a t e r s u p p l y i n gc o n d i t i o n s ，a n da n a l y z e st h ee f f e c to fe c o n o m i cp a r a m e t e r st ot h e o p t i m i z e dc a l c u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l yt h i st h e s i sc o n d u c t ss y s t e ma n a l y s i st ot h e s o l v i n gm e t h o do fn e t w o r ks y s t e mm o d e l t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l to fs t a n d a r d o p t i m i z a t i o na r i t h m e t i ci sac o n t i n u o u sv a r i a b l e ，w h i l et h er e a lp i t ) ed i a m e t e ri s ad i s c o n t i n u o u sv a r i a b l e t h er e s u l t so fs t a n d a r do p t i m i z a t i o nm a yn o ts a t i s f y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sd u et ot h ea b o v er e a s o n b yu s i n gf l o w m a s t e rs o f t w a r e ， t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l ti ss i m u l a t e d i n f o r m a t i o na b o u ta l ln o d e sa n dp i p e l i n e s c a l lb eo b t a i n e da n dt h ep i p e l i n en e t w o r km o d e li sv e r i f i e d b yc o m b i n i n gt h e f l o w m a s t e rs o f t w a r ea n ds t a n d a r do p t i m i z a t i o na r i t h m e t i c ，t h el i m i t a t i o no f s t a n d a r do p t i m i z a t i o na r i t h m e t i ci nt h ec a l c u l a t i o no fp i p e l i n en e t w o r ki s s o l v e d t o o kw a t e rs u p p l y i n gs y s t e mo fn a n c h o n gc i t ya se x a m p l e ，t h i st h e s i s c o n d u c t so p t i m a ll a y o u ta n dr e a s o n a b l es i m p l i f i c a t i o nt ot h ec i t y sn e t w o r k s y s t e md u r i n gi t sn e wc o n s t r u c t i o n ，r e c o n s t r u c t i o no re x p a n s i o n t h i st h e s i s a l s oo b t a i n st h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t st h r o u g hh y d r a u l i cc a l c u l a t i o n b a s e do nt h e c o n t e n to fo p t i m u md e s i g nm e t h o da n db yu s i n gf l o w a n a s t e rs o f t w a r ef o r s i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sg e t ss a t i s f a c t o r yr e s u l t s k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l y i n gn e t w o r k s ，o p t i m u md e s i g n ，m a t h e m a t i cm o d e l ， e c o n o m i cp a r a m e t e r s ，s o l v i n gm e t h o d 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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傲的任何贡献均已在论文 中做出了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：舐召母翊驷 ? 恸洳媚 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的来源 本课题来源于四川省重点学科和一企业委托项目。 1 2 课题研究的目的和意义 几十年来，我国给水事业的迅速发展。各地城市均具规模，城市给水 管网在其新建成的一定时期内，其供水能力是可以满足用户用水要求的。 由于给水工程在工业建设和人民生活中占有重要地位，随着城市的发展、 用水人口的不断增加和人民生活水平的日益提高，城市用水量急剧增长， 给水管网供水能力逐渐不能适应用水最增长的需要，同时，由于给水管网 规模的不断扩大，管线改造、铺设缺乏统一规划，大规模给水管网系统在 管线连接、构筑物设置等方面存在诸多不合理之处，增大了供水能耗，并 使部分供水区域水最欠缺、低压区不断扩大、供水安全性降低。这一系列 问题成为我国各城市面临的供水管网扩建优化的重大问题和难题【l 捌。 以往的城市给水管网工程设计往往是根据工程师的经验用手工计算进 行的。自2 0 世纪6 0 年代开始，国际上在经验总结和数理分析的基础上，逐 渐建立起各种给水工程的数学模式，发展到了以定量和半定量为标志的给 水管网“合理设计和管理”阶段。与此同时，随着系统分析方法，数学优 化技术和计算机的发展，开展了对包括给水管网的优化在内的给水排水系 统优化的研究和实践。给排水工程的最优化设计，是运用系统分析原理和 最优化技术设计出效率高、能耗低、费用小、可靠性适当的给排水系统。 最优化设计与常规设计相比，有以下优点： 1 可以从系统的各种可能结构和参数中找到最佳匹配，使整体效能最 佳，从而提高系统的效率，降低投资和运行费用。 2 可以对系统及其过程进行定量化的状态模拟，提供各种状态下的大 量信息，从而提高所优选状态的可靠性和稳定性。 3 可以为实现计算机辅助设计和自动化运行管理提供良好的基础。 4 可以成为缺乏工程经验的人员的一个有力的辅助工具。 西华大学硕士学位论文 给水管网系统，不仅基建投资占给水工程总投资的6 0 - 8 0 ；而且运行 电费高，一般要占制水成本的3 0 n , 6 - 5 0 9 6 。与此同时，由于配水管网全部埋于 地下，其隐蔽性相当强，即使是大口径的管线，只要满足供水要求，就不 会被发现，严重的材料浪费不易暴露出来，不容易引起人们的重视和注意。 给水管网系统的另一个特点是不管设计的合理与否，一旦实旌，更改困难， 这就要求在设计过程中，尽量多考虑可能出现的事故发生时，所能提供的 供水能力。要达到投资少、能耗低、可靠性适当的优化目标，必须首先优 化配水管网的设计、运行方案不仅从费用效益而言，一般给排水优化设计 可比传统设计节省5 - 2 0 0 6 ，因此，给水管网的优化设计在给水工程中具有很 大的实际意义。 1 3 给水管网优化技术的发展 给水管网是一个由管道、泵站、水塔等部分所构成的复杂系统，设计 变量主要有管段管径、水泵扬程、节点压力等。管道的水头损失计算模型 决定了管网是一个非线性的网络，设计变量往往受到一组非线性方程的约 束。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，使其达到在基本建设投资( 主要表现为管径组合) 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。管网的优化设 计计算，通过建立经济模型和优化计算数学模型，并加以多个约束条件后， 通过一定的数学算法，得出最经济的管径及水泵扬程【j j 。 自从6 0 年代c a r m d i t a 以及s h a k e 等人提出利用系统分析的方法，尤其是 优化算法进行给水管网设计的课题以来，前人在该领域已经做了大量的研 究和探索工作。研究者们建立了大量的管网优化模型，在如何建立和求解 管网优化模型方面进行了一些探索。其中研究的热点和难点问题之一是研 究更加有效的管网优化模型求解方法。优化技术是一种以数学为基础，用 于求解各种工程闯题优化解的应用技术。作为一个重要的科学分支，它一 直受到人们的广泛重视。并在诸多工程领域得到迅速推广和应用，如优化 设计、系统最优规划、系统控制、人工智能、模式识别、生产调度和计算 机工程等。实现生产过程的最优化，对提高生产效率与效益、节省资源具 有重要的作用。同时，优化方法的理论研究对改进算法性能、拓宽算法应 用领域、完善算法体系同样具有重要作用 4 1 。因此，优化理论与算法的研 2 西华大学硕士学位论文 究是一个同时具有理论意义和应用价值的重要课题。 2 0 世纪8 0 年代以来，一些新颖的优化算法，如人工神经网络、混沌、 遗传算法、进化规划、模拟退火、禁忌搜索及其混合优化策略等，通过模 拟或揭示某些自然现象或过程而得到发展，其思想和内容涉及数学、物理 学、生物进化、人工智能、神经科学和统计力学等方面，为解乏起复杂闯题 提供了新的思路和手段。这些算法独特的优点和机制，引起了国内外学者 的广泛重视并掀起了该领域的研究热潮，且在诸多领域得到了成功应用。 在优化领域，由于这些新的算法构造的直观性及其与自然机理的一致性， 因而通常被称作智能优化算法，或称现代启发式算法。 a 优化算法及其分类： 所谓优化算法，其实就是一种搜索过程或规则，它是基于某种思想和 机制，通过的途径或规则来得到满足用户要求的问题的解。 就研究的变量特性而言，优化算法可分为函数优化问题和组合优化问 题两大类，其中函数优化问题的对象是一定区间内的连续变量，而组合优 化问题的研究对象则是解空间中的离散变量。 就优化机制与行为而分，目前工程中常用的优化算法主要可分为：经典 算法、构造型算法、改进型算法、基于系统动态演化的算法和混合型算法 等1 4 。 ( 1 ) 经典算法。包括线性规划、动态规划、整数规划和分枝定界等运筹 学中的传统算法，其算法计算复杂性一般很大，只适于求解小规模问题， 在工程中往往不实用。 ( 2 ) 构造型算法。用构造的方法快速建立问题的解，通常算法的优化质 量差，难以满足工程需要。譬如，调度问题中的典型构造型方法有：j o h n s o n 法、p a l m e r 法、g u p t a 法、c d s 法的快速接近法、n e l l 法等。 ( 3 ) 改进型算法，或称邻域搜索算法。从任一解出发，对其邻域的不断 搜索和当前解的替换来实现优化。根据搜索行为，它又可分为局部搜索法 和指导性搜索法。 局部搜索法。以局部优化策略在当前解的邻域中贪婪搜索，如只接 受优于当前解的状态作为下一当前解的爬山法；接受当前解邻域中的最好 解作为下一当前解的最陡下降法等。 指导性搜索法。利用一些指导规则来指导整个解空间中优良解的探 西华大学硕士学位论文 索，如s a 、g a 等。 ( 4 ) 基于系统动态演化的方法。将优化过程转化为系统动；蠡的演化过 程，基于系统动态的演化来实现优化，如神经网络和混沌搜索等。 ( 5 ) 混合型算法。指上述各算法从结构或操作上相混合而产生的各类算 法。 b 几种主要的智能优化算法【6 9 】： ( 1 ) 模拟退火算法( s i m u l a t e dm m e a l i n g ，简称s a ) 模拟退火算法是模拟加热熔化金属的退火过程，来寻找全局最优解的 有效方法之一。模拟退火算法的得来是基于对物理退火过程的分析。在金 属退火处理过程中，常将它加热熔化，使其中的离子可以自由运动，然后 逐渐降低温度，使离子形成低能态的晶体。不同的冷却过程，可以使得离 子达到不同等级的能量状态，这一过程与金属的初始状态无关，如果冷却 速度足够慢，则金属将达到最低能量的基态。在算法的每一步，都产生一 个组合的变化，然后对其费用进行评价。新的组合是在当前组合的邻域内 随机选择的。组合的领域仅有一根管段管径值与前一管径不同，为高或者 低一级规格。新的组合接受与否，取决于m e t r o p o l i s 标准。如果接受，则 新组合作为下一组合的起始点，否则使用原来的管径组合d e m y ( 1 9 8 5 ) 基于 模拟退火算法，求解了一个经典的优化问题一货郎问题( t s p ) ，并得到了非 常好的解，从此模拟退火算法成功地用在了许多工程优化问题上，模拟退 火算法也是一种随机的搜索方法，它采用使目标函数值下降的策略来寻优， 特别的，它同时也接受目标函数值的随机上升运动，即在一个限定的范围 内接受恶化解( 逆优化解) ，因而避免了搜索过程陷入局部最优解区域内。 由于模拟退火算法应用范围几乎不受限制，因此它可以用于求解各种优化 问题，尤其是在大系统的优化方面，更是引起极大的关注。对于给水管网 的优化设计问题，模拟退火算法理论上可以找到整体的最优解。但在实际 运用中，由于控制参数值( 冷却因子) t 的选定至今仍然没有一个较成熟可靠 的标准。控制参数t 选取较小，求解时间较短，但是有可能导致搜索过程陷 入局部最优解区域内即告终止，达不到理想的优化结果。反之，优化求解 时间消耗过大，不能体现退火算法的优越性。所以t 的选值将直接影响到优 化结果。 ( 2 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 硬华大学硕士学位论文 遗传算法也是一种善于解决大系统的优化问题的一种优化算法，它在 枚举法的基础上发展起来的，但是将无序的爆炸式组合通过一定的规律以 减小计算量，从而提高优化速度。遗传算法通过模拟自然界生物种群的遗 传和自然选择的机制，搜索最优解。基因工程加速了生物沿着人类希望的 方向进化的进程所以其本身就是一种优化的工程和方法。因此，在六、七 十年代，受生物进化和基因工程的启发，德、美等国的科学家已经在g a 的 理论方面作了深入的研究；八十年代国外众多学者将g a 引入科学、工程等 领域，处理各种工程设计优化和控制系统的优化。1 9 9 3 年，m u r p h ys i m p s o n 和d a n d y 等人将遗传算法用于给水管网优化设计计算中。g a 法寻优的过程 可以转化为一个基因工程。首先，随机选出若干生物个体，组成群体。然 后，一代一代的对各个个体按照适应性( 表现为用修正后的目标函数来表示) 逐个评价。通过评价，按照适合度的大小，优胜劣汰，组成优良亲本群体， 用于繁殖新一代，经过若干代的繁殖，实现染色体的交换( 表现为管径组合 中某些管径值的改变) ，加之基因的变异，可以将新的种群的优良特性得以 遗传和保留到下一代，适合度不断提高，使种群进化，最终达到种群中最 优个体的出现，由此对应于的优化问题找到最优解。 在管网优化的问题中，解答的形式是按照管段编号顺序列出的各管段 的管径，这些管径为决策变量解的结果对应于g a 问题的生物个体，决策变 量对应于生物个体中的染色体g a 法的概念简单，仅仅需要适合度这一个信 息，就可以完成寻优的过程，对于问题的依赖型较小，能够让用户根据实 际情况进行管段流量、流速、管径、节点水头等多种约束，而且能够进行 全局搜索，因此在理论上可以找到问题的整体最优解，也可用离散变量直 接计算，用户端结果是标准的管径值。g a 算法在搜索时采用启发式的搜索， 而不是盲目的枚举，因而具有更高的搜索效率。但是，由于遗传算法本身 的理论基础还处于研究阶段，许多概念还有待于进一步明晰化。例如适合 度函数如何表述，才能使得计算出来的适合度反映了管网的实际情况，这 些都仍然处于探索阶段，故目前g a 算法所得出的解一股不直接用于实际， 而是用在方案比较时仅作为参考。 ( 3 ) 遗传退火算法 将遗传算法与退火算法相结合，也是九十年代的新趋势，遗传退火算 法兼顾了遗传算法的启发式搜索和退火算法的接受逆优化解的寻优特点， 西华大学硕士学位论文 使得寻优过程更加智能化，代表了未来优化方法的发展方向。 ( 4 ) 禁忌搜索算法( t a b o rs e a r c h 或t a b o os e a r c h ，简称t s ) 禁忌搜索的思想最早由g l o v e r ( 1 9 8 6 ) 提出，它是对局部邻域搜索的一 种扩展，是一种全局逐步寻优算法，是对人类智力过程的一种模拟。t s 算 法通过引入一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来避免迂回教索，并通 过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，进而保证多样化的有效探索以 最终实现全局优化。相对于模拟退火和遗传算法，t s 是又一种搜索特点不、 同的m e t a - h e u r i s t i c 算法。迄今为止，t s 算法在组合优化、生产调度、机器 学习、电路设计和神经网络等领域取得了很大的成功，近年来叉在函数全 局优化方面得到较多的研究，并大有发展的趋势。 ( 5 ) 神经网络优化算法 人工神经网络是近年来得到迅速发展的一个前沿课题。神经网络由于 其大规模并行处理、容错性、自组织和自适应能力和联想功能强特点，已 成为解决很多问题的有力工具，对突破现有科学技术的瓶颈，更深入探索 非线性等复杂现象起到了重大作用，己广泛应用在许多工程领域。人工神 经元是生物神经元特性及功能的数学抽象，神经网络通常指由大量简单神 经元互连丽构成的一种计算结构，它在菜种程度上可以模拟生物神经系统 的工作过程，从而具备解决实际问题的能力。神经网络优化算法就是利用 神经网络中神经元的协同并行计算能力来构造的优化算法，它将实际问题 的优化解与神经网络的稳定状态相对应，把对实际问题的优化过程映射为 神经网络系统的演化过程。 另外，还有一些经典算法与其他相关数学理论相结合形成的优化算法， 如模糊规划、随机规划、灰色规划等方法。 总之，随着研究者在这一领域的不懈努力，给水管网优化设计计算的 方法日趋丰富，涉及的问题的深度与广度也日趋加强，具体地说，如何对 复杂管网在多种工况时，考虑管网的可靠性情况下，利用原有的线性的或 者非线性的方法，或者采用遗传算法之类的新方法进行优化设计，使之更 接近城市供水管网的工程实际。 1 4 管网计算模型发展历史 可以说，计算机在工程设计领域当中应用最早的实例之一就是给水管 一6 西华大学硕士学位论文 网水力分析技术的计算机化。给水管网系统计算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。3 0 年代，h a r d y - c r o s s 提出的管网水力 分孝厅方法，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 点水源和管段流量的求解，为现在的管网优化设计奠定了基础。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，开始 了管网模拟的先例。5 0 年代，专用模型系统出现，可以对多水源管网系统 进行节点水压和管段流量的计算，但是尚不能进行水泵分析。6 0 年代以及 7 0 年代国内外众多高等院校以及软件公司推出了一系列的实用程序。如英 国c o l u m b i a 大学的e p p f l o w e r 程序( 1 9 7 0 年) ，美国k e n t u c k y 大学的 w o o d c h a r l e s 程序( 1 9 7 2 年) 以及f a a s t 程序( 1 9 7 4 年) 。国内对于管网水力优 化计算程序的研究也是从这个时候开始的。1 9 7 5 年局济大学杨钦教授等研 制开发出了7 5 1 2 程序哺】。总的来说，这一阶段的研究主要集中在管网的水 力分析和标准优化设计计算，并开始考虑水泵、阀门等水量调节设施。自 从进入8 0 年代以来，管网技术已经朝软件开发的商业化方f 匈发展。 1 5 本论文的主要研究内容及技术路线 给水输配水管网系统优化问题分为三个方面，其一是输配水管网系统 的优化布置问题；其二是输配水管网系统优化设计问题，即在管网系统布 置方案确定后，如何选择水泵扬程和各级管道尺寸，以达到系统年费用( 或 投资) 最小的目标；其三是输配水管网优化调度问题。本文将研究第二个问 题，即管网优化设计问题，同时应用于一实际工程。 本文研究的主要内容内容： ： a 论述管网优化设计的含义和管网优化模型的评价标准，分析给水管 网技术经济计算中各经济参数对优化结果的影响。 b 针对一实际工程南充市的给水系统的特性，建立管网优化设计 模型，使优化结果能够达到优化管网、减少管网投资的目的。 c 根据优化设计的内容及结果，利用h o w m a s t c r 软件进行模拟。 西华大学硕士学位论文 第二章给水管网设计理论 2 1 引言 给水管网系统是一个有各种管道，泵站，水塔，调节阀等多种设施构 成的输送水系统，通过系统的合理设计及运行管理可以节约大量工程投资 提高水厂的经济效益。但管网问题是很复杂的，管网布置、调节水池容积、 泵站工作情况等都会影响技术经济指标。在进行技术经济计算之前，事先 必须完成下列工作：确定水源位置，完成管网布置，选择控制点所需的最 小服务水头，算出沿线流量和节点流量等。给水管网设计的一般原则是： 在管网布置己定，保证供水量和水压的前提下，计算求得年折算费用值最 小情况下的管径【。 2 2 城市给水管网的设计内容l t , t o 1 2 1 给水系统是指经过加工处理后按需要把制成的水供应到各用水用户的 一系列工程组合，一般包括天然水源的取水构筑物，水处理构筑物以及送 水至各用水用户的输配水系统。给水管网按其功能一般分为输水管网和配 水管网。输水管网是指从水源输送源水至净水长或配水厂的输水管道。配 水管网是指从净水厂，配水长或水塔，高位水池等调节构筑物直接向用水 用户配水的配水管道。本文只要研究的诗配水管网的布置及优化设计问题， 为方便起见，以后在本文中如不加特殊说明，给水管网指的是由配水水源 ( 泵站、高地水池和水塔) 、用户和管线三部分组成的相互联系的系统。 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。 经济管径或经济流速是管网优化设计的计算结果，也是用于检验一个 管网设计或运行优劣的一个手段。如果管网水力平差计算结果表明管段流 速均远离经济流速的范围，即应该对管网的设计或运行管理方法提出质疑， 西华大学硕士学位论文 并寻求解决问题的办法。 设计应从全局出发，根据城市规划、水源、地形、分区和分质供水倩 况、各用户用水要求和原有系统等条件，通过技术经济比较后综合考虑确 定，具体的内容主要包括： 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) ，调节池河水塔的位置，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，保证供水安全和可靠。 阀门、消火栓和给水拴的布置 涉及供水量的计算 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。 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。 7 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。 2 3 给水管网的优化布置f l ，1 叫】 2 3 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；管网规划与布置市管道系统规划中的关键部分，管网工程投 资巨大，一般占管道系统总投资的6 0 8 0 ，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 9 西华大学硕士学位论文 消除这些不合理因素，必须在管网规划和设计阶段，进行合理自勺规划和优 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； 管网应布置在整个供水区域内，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 市管网分成新城区管网和i e t 城区管网改造两个部分。 2 3 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。 西华大学硕士学位论文 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位置，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。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 3 3 改扩建管网的管线布置 做好管线布置的方案比较是进行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 对管网改扩建的时机，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，以及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要 考虑以下几点： 将原管道所在道路列入改造规划范围内或其附近平行方向有规划 道路，设定沿规划道路敷设管道； 原管道所在道路维持不变，但允许增设管道，设定沿原管道所在道 路加设管道； 既无规划道路，又不允许新增管道，只得考虑将原管道拆除，新建 大管径管道； 西华大学硕士学位论文 对扩建部分的管网，沿规划道路敷设管道，满足新建管网布置要求。 总之，配水管网的改造应按以下原则进行： 摒弃原有的严重老化、漏损严重的管道，采用新管代替之； 管网改造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； 管网改造应有利于降低运行成本，避免对水质造成二次污染； 新管敷设尽量和原管道走向方面一致，以减少勘察和施工费用，并 便于和己建管段衔接； 新管敷设应和改造的街道走向一致： 考虑远、近期管网的有机结合。 2 3 4 管网简化的目的、意义 我国城市配水管网是保证城市居民生活、生产用水的重要市政设施。 管网输送水到千家万户，随着城市的发展，逐渐形成密如蛛网的配水管网。 这造成了管网计算分析的极大困难。要实现其优化运行、调度和管理，目 前国内外普遍采用的方法是将实际网络简化为少量节点的等效网络，然后 在计算机上将其处理为一数学模型。等效网络上节点就是实际管网上的监 测点，根据监测点采集的各种参数，由计算机描述系统的宏观状态，进而 根据实际需求，通过优化计算，给出调节参数，实现系统的优化运行、调 度和管理。由此可见，管网简化的目的是建立管网水力模型，加速管网分 析计算、求出宏观管网图形、实现管网优化运行和调度计算。 2 ，3 5 管网简化对其优化设计的影响 我们知道，管网技术经济计算的目标函数是管网全部管线的建造费用、 管理费用( 折旧大修费用和供水动力费用) 之和。管网建造费用中主要是 管线的费用，供水动力费用是随泵站的流量和扬程而定，扬程则决定于控 制点要求的最小服务水头，以及输水管和管网的水头损失等。水头损失又 和管段长度、管径、流量有关。若管线已定，则建造费用和管理费用决定 于流量或管径，而选择输配水管管径的大小时，需要涉及到投资与耗电的 大小，管径大基建费用高，电费却省，管径小一次投资省，但水头损失大， 水泵扬程高，电费贵。 西华大学硕士学位论文 对管段的简化是为了降低管网的复杂程度，城市给水管网模型往往限 制在某一确定管径以上的规模。对于管网中小于该管径的管道在管网模型 中则进行合并或者删减，但当某个小管径管道对于下游压力分布存在重要 影响( 例如当该管段上的水力压降很大) 时，对该管段的不合理简化同样 会造成模型对管网内水压分布的错误估计。另外，节点流量分配的准确程 度除由于分配方法不同将造成管网模型中节点流量的不同，管网简化后也 将会引起节点流量的重新分配。对简化后的管网进行水力计算，从计算结 果可看出，模型所模拟出的管网运行状态在节点水头、管道流速及水厂出 水压力等方面，都不同程度的存在与实际不符的情况，表明管网模型在建 立之初与实际管网模型有一定误差。 2 3 6 管网图形简化 对新建的给水管网适当加以简化，保留主要的干管，略去一些次要的、 水力条件影响较小的管线，使简化后的管网基本上能反映实际用水情况， 保证用户的用水量和水压，使城市配水系统能够优化运行。但是对管网的 不适当简化将会使计算结果和实际用水情况差别增大，造成部分供水区域 压力过低，部分供水区域压力过高，甚至造成投资和运行的浪费。一般， 城市管网供水过程中，凡是压力过于偏低的区域，反响强烈，往往成为应 该解决的突出矛盾。但压力过高，却不会引起人们的重视，实际上，压力 过高区域的供水，不仅造成能耗的浪费，而且会造成水量的严重流失。管 网中的管道、闸门、室内给水管道和配件及管道接头往往承受不了高压， 会造成管道或配件的损坏，进而导致管道局部渗、漏水，甚至引起爆管。 为了防止城市管网中某个区域压力过高或压力偏低，使整个系统的投资和 运行达到最佳状态，必须合理简化管网中的管线。所以管网图形简化是在 保证计算结果接近实际情况的前提下，对管线进行的简化。管网简化的方 法如下： 管线省略的原则是，通常情况下，管径的大小与管线在供配水中的 作用和水力条件的影响成正比。根据管网内用水人口和用水标准的分布， 逐步去掉不影响管网的水力计算的支管或管线，但需要人为地判断管线对 管网工作的影响程度( 如干线间的小连通管等) ，且不可避免地产生计算误 差，尤其对于构成环的小管径的管线很难省略。在管网中省去一条管线( 其 西华大学硕士学位论文 不分担流量) 后，严格地说会影响整个管网的水力条件，经过实践认为，对 所省略管线四周的管线水力条件影响最大。管线省略后对水头损失的影响 与管线在管网中的位置、管径、管长、将要省略的管线数和四周管线中的 流量等因素有关。但是，若布置的支管末端是大用户用水，以及容易发生 火灾的地方特别是在一条支管的末端，则这样的管线不能轻易被省略掉。 原因是为了核算所定的管径和水泵能否满足消防时的流量和水压要求。 管线的合并在理论上可以得到精确的计算结果，在大中城市的给管 网中，有3 0 的管线可以做此简化处理。当两条管线距离越近，因合并而 产生的水头损失影响越小。此外，平行管线合并和管线省略需要考虑对其 四周管线的处理。 可以分解的管网数少且至多由两条管线连接时，如管线的流向和流 量易于确定，则可以将连接的管线断开，将一个管网分解为两个独立的管 网，对两个管网分别单独计算。而我国大多数管网成环布置，一个供水区 域与外部管网多处连接，此方法一般亦难以实现。 对于供水规模较大的城市，许多市政道路下的给承管线都不只一条， 通常位于道路的两侧，相互间通过过路管道连接，这些过路管管径通常与 主干管管径相同或相近，长度较小，对道路两侧管线的水力条件基本不造 成影响，过路管两端的水力参数基本相同，所以可将这种管段作为一个节 点。 2 3 7 节点 节点在管网图形中起着连接两条或多条管段的作用，在水力计算同时 起着分配管网流量的作用，所以这里讲的节点应具有以下含义： 不同管径或不同材质的管段相连接的点； 管段相交的点； 用水量较大用户的用户管与市政管相交点； 给水水源与市政管网的连接点。在进行管网简化时，应按以上原 则设置节点。 总之，给水管网在满足各用户对水量、水压的要求以及考虑施工维修 方便的前提下，应节省造价，减少投资，而不是追求简单的管线长度最短。 西华大学硕士学位论文 2 3 8 管网最小服务水头 给水管网的最小服务水头，是确定管网水压、计算水泵扬狸的重要参 数。给水工程设计规范规定，当按建筑层数确定生活饮用水管网上的最小 服务水头时，一层为l o m ，二层为1 2 m ，二层以上每增高一层增加4 m 。管 网最小服务水头的大小应符合经济合理的原则，不是越大越好。水压过高 会造成能量浪费，降低管网的安全可靠性，增加漏失水量。 管网控制点多在边远区域，一般乡镇房屋建筑层数多在3 叫4 层，且对 供水的安全可靠要求较低，建议控制点最小服务水头取1 4 - 2 0m ，控制点以 外的其它用水点都将大于该最小值。 2 4 给水管网水力计算 2 4 1 给水管网水力计算的意义 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。 2 4 2 水头损失计算【1 , 1 1 , 1 4 给水管网任一管段两端节点的水压和管段水头损失之间有下列关系： 塌一日，= ( 2 1 ) 式中，e ，日，从某一基准面算起的管段起端f 和终点歹的水压，, ； 管段的水头损失，坍 在管网计算中，主要考虑沿管线长度的水头损失。配件和附件如弯管、 渐缩管和阀门等的局部水头损失，因和沿线长度的水头损失相比很小，通 常忽略不计，产生的误差很小。 根据均匀流流速公式沿程水头损失公式一般表示为： v = c 4 & 或 西华大学硕士学位论文 扛岳= 而2 9 瓦v 2 = 而8 9 丢= 砉西v 2 眩2 ， 式中，v 管内的平均流速：c 谢才系数；r 水管的水力半径( 圆 管为r = d 4 ) ：f 单位管段长度的水头损失，即水力坡度；d 水 管内径；五阻力系数( 2 = 8 9 c 2 ) ；g 重力加速度。 式( 2 2 ) 用流量口表示时为 ，= 丢z 三= 石8 ：a q _ _ l ，= 8 _ g g 丽8 q 2 9 d c 2g d = 志9 2 _ 叼2d e d 2 ) 2 9 矿 5 石2 万2 c 仞一 ( 2 3 ) 式中，口= ；斋为比阻。 水头损失公式一般表示为 h = 耐专= 嘶“= s q “ ( 2 4 ) 式中，k ，珂常数和指数；，管段长度；s 水管摩阻。 目前国内外使用较为广泛的一些水头损失公式介绍如下，其中，舍维 列夫和巴甫洛夫斯基公式为国内常用，海曾一威廉和柯尔勃洛克公式在西 方国家应用较多。 ( 1 ) 舍维列夫公式 适用于旧铸铁管和旧钢管，水温1 0 0 c 时 v 1 2 m s f = o 0 0 1 0 7 _ 二百 ( 2 5 ) v 1 2 m s 风嗍1 2 等( 1 + 半) 0 3 ( 2 6 ) 其中，v 流速( m s ) ，d 水管的计算内径( m ) 。 ( 2 ) 巴甫洛夫斯基公式 适用于混凝土管、钢筋混凝土管和渠道的水头损失计算。 舢 c = 三r ， ( 2 7 ) 其中，巴甫洛夫斯基公式的指数y 等于： 1 ，- - - 2 5 i o 1 3 0 7 5 ( i o 1 0 ) 瓦 ( 2 8 ) 西华大学硕士学位论文 其中，刀管壁粗糙系数，混凝土管和钢筋混凝土管一般：为0 0 1 3 0 0 1 4 ：r 水力半径。对于混凝土管和钢筋混凝土给水管，h