城市给水管网优化设计的方法探讨

城市给水管网优化设计的方法探讨 摘要：本文主要针对城市给水管网优化设计的方法展开了探讨，对管网优化技术研究的发展历程、趋势以及任务原则作了系统的概述，并详细研究分析了城市给水管网的优化设计，以期能为有关方面的需要提供参考借鉴。 关键词：城市给水管网;优化;设计方法 0 引言 随着社会经济的快速发展以及城市化进程的加快，人们对于给水量需求逐渐增大，这导致城市给水网对于城市的建设也越来越重要。但是现今的城市给水管网改扩建存在很大的问题，必须要对城市给水管网改扩建进行相应的优化设计，才能够真正的保证城市给水的安全可靠，促进城市的稳定发展。基于此，本文就城市给水管网优化设计的方法进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。 1 管网优化技术研究的发展历程以及趋势 管网优化设计在国外始于二十世纪六十年代，但是在我国，对于管网设计优化设计的研究还比较的落后，但是随着不断的研究，管网优化技术在我国也不断的发展。现今我国的管网优化技术已经从单一型的研究转向了复合型的研究，主要的研究方向有： （1）经典优化理论以及应用分为：有线性规划、非线性规划、以及动态规划法; （2）启发式算法研究及其发展，主要有遗传算法、以及人工神经网络法; （3）多方法的优化主要分为：模糊数学法、动态规划与遗传算法相互结合的方法，以及与地理信息系统等计算机软件之间的相互结合的方法。 随着计算机网络辅助技术的发展，管网优化的主要计算方法有：遗传算法、人工神经网络法、摸拟算法以及蚁群算法等新型算法。并且相关的研究人员经过不断的探索，开发了很多的可视化技术、集成GIS以及优化算法等多种管网优化软件。管网优化的领域在不断的扩展，主要涉及到的方面有：管网运行的可靠性与经济性的优化、环状管网、环状与树状相互结合的混合式管网优化配置。 2 给水管网优化设计的任务原则 2.1 技术管网优化设计的任务 对于给水管网优化的设计主要是指在一定的条件之下，水厂的规模以及位置都要确定好，通过建立管网优化模型以及运行之中工况进行模拟计算，从而来寻求投资少、耗能低并且安全性比较高的管网系统。对于管网系统，主要包括：管网布置、管径选择、供水分区划分及加压站设置等设计方案，而给水管网优化的主要任务有以下两个方面。 2.1.1 管网优化布置 管网优化布置主要是指在管网优化设计的基础之上，对管网进行合理的布置。管网布置的合理与否，主要是影响着给水系统的安全可靠性和技术经济合理性。在管网的优化布置中，对于地形差异比较大的地区与城市，供水的方式必须要进行合理的优化，选择适合本地区的供水方式，并且要合理的选择串联或是并联的加压供水的方式。对于一些给水加压泵站进行合理的布置，并且要尽量降低供水系统的成本费用。 2.1.2 管径优化设计 在管网中，每个管网中的管段管径的大小，直接与管网系统的布局有着相应的影响，并且管径优化设计必须要以最佳的管网布置方式为基础，并且最后利用管网优化模型进行相应的求解。 2.2 给水管网优化的设计原则 城市的给水工程是一项十分复杂的工程，因此必须要坚持以下的原则： （1）必须能够适应未来城市发展的需要，对给水管网系统进行优化设计的时候，要结合城市的规划，从而确定好城市近期或远期对于给水系统的要求，从而来优化管网设计，合理的进行管网的布局; （2）对于优化设计的针对性必须要强，必须要能够重点的解决城市的给水网络系统中存在问题，并且要结合现今城市给水调查的现状，对一些存在的问题深入的分析，并且一定要能够提出相应的措施去解决问题; （3）利用优化设计方式，满足供水的需求，从而来保证管网运行安全可靠，以降低能源消耗为主要目标，从而来增强实际的操作性;（4）加强对现状管道的合理运用，充分的发挥起作用，避免拆卸重建，这样会在很大程度上降低成本，提高应用的效率。 2.3 给水网的问题探索 2.3.1 用水量的预测 随着城市的发展，居民的生活水平提高，因此对于用水量也在不断的增大，因此在进行城市给水管网优化设计时，一定要能够对城市居民的用水量进行全面的预测，这是城市给水管网系统优化改建的首要工作。 2.3.2 管道管段阻力的计算 在给水管网经过长时间的使用时，在管道内部会产生大量的微生物以及铁锈等沉积物，因此必须要对管道内部的阻力进行相应的计算，来避免对其的不利影响。 2.3.3 管网等水压线的绘制 要根据各个节点的压力来进行给水管网的图形绘制，并且通过对现状的管网的技术进行相应的改造。在新区进行管网设计时，必须要绘制管网的等水压图，在等水压线密集的地方，说明水力坡度陡降，这段管道的负荷比较大。相反，如果等水压线的稀疏处，则是说明水力坡度比较平缓，则是该管道的负荷比较小。对于现状管网进行改造时，绘制管网等水压线图来判断出管网的薄弱之处，可以设计相应的合理的计划方案。 3 城市给水管网优化设计 3.1 城市给水工程规划设计中的管网优化设计 给水管负担着分配水资源，用水的输送和水资源的储存等重要功能，为城市庞大的人口群体提供这生活中必不可少的生活用水和生产中所需要的水量。所以可想而知，城市水管的建设是一项重要而且十分庞大的工程，它所需要的建设投资相当大，运输和运行能耗极高，施工方面也需要耗费相当的财力和人力，而且施工过程中还要严格遵守相关的规章制度和准则才能顺利合格的完成。因此，城市中的公共给水工程建设对给水管网络系统进行的优化和设计等一系列步骤是十分重要的，所以在城市的水管建设中要有一套完整且科学的网络优化才能更好的发挥城市水管的功能。在城市给水的巨大工程中，要有科学的规划建设，因此在城市的给水管建设中，一般要采取以下系列步骤和措施。 （1）在城市水管的建设当中，要根据城市的具体情况，先实地考察，了解城市的基本地质和建设结构，根据人口密度的分布和水资源的分布，以及水资源的提供范围，居民生活用水和生产用水量等客观条件，制定相应和完整的可行方案及计划。要充分了解城市近远期合理的用水范围，以室外给水设计规范为原则和准则，在不违背法律和规范的情况下对城市用水的供水范围和用水量进行规划，与城市的实际情况相结合，制定合理的规划方案。 （2）根据城市的实际地形和城市布局划分生活用水的供水区，布置合理的供水体系，形成稳定可靠的供水网络管道和相应的应急解决方案，以应对在城市正常用水期间面对突如其来的各种问题和状况。建立稳定的系统的城市给水管网络数据库，可以以计算机等科技手段进行科学的分析和控制，形成系统的给水数据库，在相对较大的城市当中给水系统尤为复杂，大城市的供水系统网络不同于小城市的供水网络体系，所以面对大城市的给水管建设要更为注意结构的合理性和布局的合理性。 （3）在计划建造给水管当中，可以设计给水管网络模型，设定其中给水管网络的模型的目标函数和约束条件。 （4）根据全局的布局进行给水管网络的优化，运用现代科技和手段进 行水管模拟，通过计算非线性规划模拟和线性规划模拟，有效合理的进行全局的水管网络优化。 （5）对规划出的系统水管方案进行科学严谨的分析和总结，利用科学有效的方法进行处理，制定出最为合理的给水管网络方案。 3.2城市给水网改造工程的优化设计 随着城市的发展以及人口不断的增长，人们生活水平不断的提高，城市的用水量与给水管网的规模不断的扩大，在旧城区的一些给水管网的布置十分的不合理，严重的影响了水流的畅通。很多的给水网管径都是偏小，并且管道老化的状况十分严重，很容易发生泄漏以及破损，在局部的一些地区造成供水的压力很低，无法保证供水的质量和安全。现今的很多城市都面临着这一问题，因此对于给水管网的改造十分重要。 对于城市给水管网的改造工程，主要涉及到的方面有：新增的供水干管、调整管道的管径、更换老化以及漏损的管道，以及对加压泵的扩建与增设等方面。对这些方面进行优化设计，在很大程度上减少了人为主观因素的影响，使管网改造的方案更加的科学化、节约化、合理化。对于城市给水网管的优化设计主要有以下几个程序。 （1）对城市的供水量进行合理全面的调查，同时对于城市的用水量以及水厂、管网等基础资料进行调查，从而建立给水管网的模型数据库。 （2）要明确城市的近期远期的供水目标，合理设计给水管网系统，建立相应的给水管网系统优化设计模型，并且进行运行工况模拟，利用管网运行工况模拟系统来对管网系统中存在的问题进行相应测试，并且针对其问题进行解决，分析其根本原因，从而来对管网的改造需求进行探讨。 （3）在管网运行工况模拟系统进行工作的同时，对计算的结果进行相应的分析，分析和评估设计方案的技术以及安全性能，从而来寻求最优的改造方案，以此来取得最好的经济效益。 （4）确定出现阶段管网系统的改造的范围，并且要制定相应的一些方案。同时一定要结合城市供水存在的一些重大问题都要有着全面的研究，对待问题要有轻重缓急，必须要利用最合理科学的方案，来对给水管网进行相应的改造从而来保证改造工作的顺利进行，有序的开展新建的供水干管，对现存的一些管道要能够进行相应的调整，对一些老化或破损的管道进行更换，以及对加压泵的增加等工作。 4展望 由于实际给水管网具有很大的复杂性，并且给水管网改建优化设计属于一种大型且多元多约束的工程，具有很多复杂的非线性系统工程问题。因此，对于给水网改造的工作是一项十分困难的项目，经过相关人员理论和实践相结合的研究，并且取得了一定的?x究成果，同时做到了创新与突破，但是要想完全解决这个难题，对于现阶段我国来说，仍有一些工作有待进一步深入研究。对于给水管网的优化设计可以利用遗传算法方式进行相应的计算，但是其中也存在着问题，比如该如何加快收敛的速度以及效果，怎样利用管网水力计算本身的特点来确定约束的条件，并且对一些存在问题的成果进行相应的改正。对于给水管网的扩建是逐步建成的，必须要对其进行完整的规划，才能够保证工程顺利的进行，要对施工过程进行策划，比如哪些部分需要先建，哪些部分需要后建。并且要对改建之后的规划进行设计，对长远的目标进行策划，一定要兼顾远期发展规划的目标，做到统筹兼顾。因此，必须将管网的经济性作为主要目标函数，将其他的因素作为约束的条件，从而来建立使用度函数，以此来对个体的适应度进行评价。这样的结果会使给水安全性不够完善。所以必须要根据工程的实际情况来对遗传的算法计算的结果进行相应的修正，在经济以及安全至上寻求一个平衡点，从而来做到管网的优化设计。 5