在城市給水系統(tǒng)中，取水建筑物、泵站、輸水管線等都是重要組成部分。隨著我國城市化建設(shè)步伐的不斷加快，城市用水量與日俱增。為保證充足的水量供應(yīng)，各個(gè)城市每年都會投入大量的資金用以新建和改造給水輸配系統(tǒng)。文章介紹了給水系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對其優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了梳理，探討了具體方法及實(shí)現(xiàn)步驟。

　　關(guān)鍵詞：城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)；規(guī)劃設(shè)計(jì)；取水建筑物；泵站；輸水管線；城市用水量 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

　　近年來，我國的城市化建設(shè)得到了空前的發(fā)展，隨著用水人口和用水量的不斷增多，原有給水系統(tǒng)不堪重負(fù)，有些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水量欠缺的現(xiàn)象，低壓區(qū)也在不斷增多。此外，在管網(wǎng)維護(hù)上主要依靠工作人員的維修經(jīng)驗(yàn)，缺乏必要的理論依據(jù)及科學(xué)分析，管網(wǎng)工作常常工作于非最佳狀態(tài)，這不但會造成水量浪費(fèi)，還存在一定的安全隱患，出現(xiàn)停水事件。供水企業(yè)在確定管線走線和管徑時(shí)通常是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行的，由于實(shí)際管網(wǎng)較為復(fù)雜，工作量較大，管網(wǎng)的設(shè)計(jì)具有變量多、約束條件復(fù)雜的特點(diǎn)，進(jìn)行城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)對于解決城市供水問題具有十分重要的意義。

　　1 城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的發(fā)展

　　城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)起始于20世紀(jì)60年代，我國的相關(guān)研究起步較晚，但近年來發(fā)展速度較快?？傮w而言，給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從單一型向復(fù)合型發(fā)展的過程，主要包括經(jīng)典優(yōu)化理論及應(yīng)用→啟發(fā)式算法研究及發(fā)展→多方法優(yōu)化→地理信息系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，一些新型算法不斷應(yīng)用于管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、遺傳算法等，這些新技術(shù)促進(jìn)了可視化技術(shù)和集成GIS的開發(fā)。隨著管網(wǎng)優(yōu)化研究領(lǐng)域的發(fā)展，管網(wǎng)運(yùn)行的可靠性在提高，經(jīng)濟(jì)性在優(yōu)化，環(huán)狀管網(wǎng)與樹狀相結(jié)合的形式得以發(fā)展。當(dāng)前，在我國的大城市中，給水管網(wǎng)已經(jīng)形成了大型化、復(fù)雜化和多樣化的管網(wǎng)規(guī)模，這對建設(shè)管網(wǎng)和進(jìn)行管網(wǎng)的管理而言具有較高的要求。

　　2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)及原則

　　2.1 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)

　　城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)通常是在一定的條件下，在確定的水廠規(guī)模和位置背景下，對管網(wǎng)的模型進(jìn)行建立和對運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算，找到一個(gè)投資少、低能耗、安全可靠性高的管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。具體而言，進(jìn)行城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的任務(wù)體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先是管網(wǎng)的優(yōu)化布置。作為給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，管網(wǎng)的優(yōu)化布置是否科學(xué)合理對于給水系統(tǒng)的安全可靠及經(jīng)濟(jì)性而言意義重大。此外還要注意供水分區(qū)及供水方式的優(yōu)化，正確選擇串聯(lián)供水或并聯(lián)加壓的供水方式，加壓站的設(shè)置要科學(xué)合理，保證供水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用最低。其次是管徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在給水管網(wǎng)中，管徑的大小關(guān)系著系統(tǒng)的布局，受管段在管網(wǎng)系統(tǒng)中所承擔(dān)的責(zé)任影響；在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)上，要基于管網(wǎng)的最優(yōu)布置，通過優(yōu)化模型進(jìn)行求解。

　　2.2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則

　　作為一項(xiàng)系統(tǒng)而復(fù)雜的工程，城市給水工程設(shè)計(jì)需要遵循一定的原則，主要有以下三點(diǎn)：（1）要對城市的未來發(fā)展有科學(xué)的把握。給水系統(tǒng)的建設(shè)受城市未來發(fā)展所導(dǎo)向，在進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合城市的總體規(guī)劃、合理確定近期和遠(yuǎn)期的供水量；（2）規(guī)劃設(shè)計(jì)要具有一定的針對性。要對當(dāng)前城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行研究并給出應(yīng)對措施，結(jié)合給水調(diào)查報(bào)告深入分析運(yùn)行中存在的問題，給出解決措施；（3）在規(guī)劃設(shè)計(jì)完成后，要基于供水需求和管網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的要求，盡可能地節(jié)省投資和降低能源消耗，保證可操

　　作性。

　　3 城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

　　3.1 管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　城市給水管網(wǎng)的主要功能是存儲、輸送以及分配水資源，它為城市的各項(xiàng)生活生產(chǎn)提供必要的水源，整個(gè)建設(shè)具有投資大和運(yùn)行能耗高的特點(diǎn)，所以在城市給水工程設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計(jì)十分重要。一般而言，給水管網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)采用的是以下方法及

　　步驟：

　　3.1.1 結(jié)合城市總體規(guī)劃。在確定近期和遠(yuǎn)期的供水范圍、城市的用水總量規(guī)模上，需要與城市的總體規(guī)劃相結(jié)合。相關(guān)規(guī)范指出，給水工程設(shè)計(jì)需要遵循的原則之一是：結(jié)合城市的遠(yuǎn)近期規(guī)劃，以近期為主，兼顧遠(yuǎn)期。近期設(shè)計(jì)的參考年限以5～10年為宜，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)的參考年限以10～20年為宜。

　　3.1.2 結(jié)合城市布局及地形地勢。在規(guī)劃時(shí)，要進(jìn)行供水分區(qū)的劃分，對給水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行布置，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。與小城市不同的是，大型城市的建設(shè)區(qū)面積極大，區(qū)域之間的地形高差十分明顯，這個(gè)給水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)帶來了難度，導(dǎo)致管網(wǎng)系統(tǒng)的布置存在較多的形式。在規(guī)劃中，要對不同的布置方案進(jìn)行比較，找到最優(yōu)方案。一般而言，管網(wǎng)的布置方案要考慮到輸配水干管，可以忽略影響較小的給水支管；干管的布置要依據(jù)城市的規(guī)劃布局和水源位置、供水形勢等進(jìn)行合理確定。

　　3.1.3 建立規(guī)劃設(shè)計(jì)模型。在建立規(guī)劃設(shè)計(jì)模型時(shí)，首先要進(jìn)行模型目標(biāo)函數(shù)以及約束條件的確定，數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)是經(jīng)濟(jì)性，其他方面是約束條件。傳統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃只是單一的造價(jià)規(guī)劃，采用的模型是線性規(guī)劃模型，以合理配置系統(tǒng)管段管徑為最終結(jié)果。當(dāng)前，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，大部分采用的是非線性規(guī)劃模型，包含有管網(wǎng)、泵站的投資建設(shè)及運(yùn)行維修費(fèi)用等。通過優(yōu)化計(jì)算，在滿足全部約束條件的前提下，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)最小化求解，從而有效降低系統(tǒng)的投資和運(yùn)行維修費(fèi)用。

　　3.1.4 計(jì)算方法選擇。在優(yōu)化計(jì)算方法的選擇上，主要有兩大類，分別是局部優(yōu)化、全局優(yōu)化。其中，前者采用的是線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等；后者采用的是遺傳算法、蟻群算法等。

　　3.2 改造工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　為了提高城市給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量及保證安全供水，很多城市需要對過去的給水管網(wǎng)進(jìn)行改造。一般而言，城市給水管網(wǎng)的改造涉及到新增供水干管、管道管徑的調(diào)整、受損嚴(yán)重管道的更換、增壓泵站的擴(kuò)建新增等。實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效減小人為因素的影響，保證管網(wǎng)改造方案的科學(xué)合理。城市給水管網(wǎng)改造的目的是依據(jù)目標(biāo)進(jìn)行模型的構(gòu)造，采用優(yōu)化理論進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的合理確定和方案的選擇。通常情況下，進(jìn)行給水管網(wǎng)改造規(guī)劃設(shè)計(jì)需要遵循以下步驟：首先是進(jìn)行城市供水量、用水量、水廠、管網(wǎng)等資料的調(diào)查及收集，建立相應(yīng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫；其次要依據(jù)城市的近期目標(biāo)和遠(yuǎn)期目標(biāo)以及相應(yīng)的規(guī)劃布局，建立管網(wǎng)給水優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對系統(tǒng)的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，通過模擬可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題并及時(shí)給出調(diào)整措施，對改造的可行性進(jìn)行研究，依據(jù)模擬結(jié)果對方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全性能等指標(biāo)進(jìn)行評估分析，找出最優(yōu)的改造方案；最后是進(jìn)行給水管網(wǎng)改造范圍的確定，制定合理的管網(wǎng)改造方案。要與當(dāng)前城市供水中存在的問題相結(jié)合，分清主次，合理安排改造計(jì)劃，進(jìn)行供水干管的新建，對當(dāng)前的管道管徑進(jìn)行合理調(diào)整，及時(shí)更換老化的管道。

　　4 結(jié)語

　　本文針對城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，介紹了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，對其優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則進(jìn)行了梳理，探討了具體方法及實(shí)現(xiàn)步驟?？偠灾?，城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)乎經(jīng)濟(jì)和社會效益，我國當(dāng)前的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃理論依然處在發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間。為了使得計(jì)算方法更加精確和完善，仍然需要在實(shí)踐中不斷探索、積累經(jīng)驗(yàn)，形成一套完善的聯(lián)系實(shí)際的理論系統(tǒng)。