城市地下給水管網改造與優化設計

【摘要】 闡述了目前城市地下水給水管網存在的若干問題，并提出了對其進行改造的原則。為了提高城市整個供水系統的經濟效益和社會效益，在對城市地下給水管網改造的基礎上進行優化設計，并給出了環狀網優化模型。

【關鍵詞】 地下給水網;改造;優化設計

城市給水設施屬市政基礎設施，給水管網是給水設施的主要組成部分。目前，供水業在輸水過程中存在著成本高、水壓不足和供水困難等問題，城市給水管網的改造對管網的安全運行、適用與經濟至關重要。

城市給水系統包括取水工程、凈水工程和輸配水管網工程三大部分。輸配水管網工程約占整個給水系統總投資的 60%～80%，涉及到每年大量的供水能量消耗，且給水管網的運行費用一般高達制水成本的 30%～50%。因此，對給水管網進行改造并對其技術經濟合理性進行研究，探討如何對管網進行統一規劃、合理布局、合理選擇管徑、布置泵站，以期達到降低投資，節約能量和保證安全供水的目的，對提高供水系統的經濟效益和社會效益有著重要的意義。

一、現行城市給水管網系統存在的問題

(1)供水管漏耗嚴重。一些城市供水管網出現老化，老城區問題尤為突出，供水管網鋪設時間大多在50年以上，管材質量差，長期超限運行，年久失修，老化嚴重，造成爆管以及各種形式的明漏、暗漏。這部分管網約占全部管網長度的6.2%，致使大多數城市供水管網漏損嚴重、爆漏事故多，一般城市自來水漏失率達到10%～30%，平均水平在24%左右，遠遠高于歐洲7%的漏損率。由于給水管網的輸配水能力小于凈化處理能力，管網超負荷送水，增加了能耗和漏耗。據報道我國給水管道漏損、爆管事故率平均為0.5～0.6次/ (a?km)，超過發國家好幾倍。據測算，我國每年因給水管網漏損和爆管造成的損失高達5億元。

(2)供水管網布局不合理。一是，供水管網還停留在以前的規劃控制中，并沒有隨著需求的改變而改變;二是，隨著經濟、文化中心的調整，原本不發達的地域變成商業繁華、人口集中的區域增大，人們對生活用水的質量和要求逐步提高，使得水管網已經不適應當前的供水要求。

(3)供水安全性差，供水效益亟待提高。給水管網系統是一個龐大復雜的“反應器”，經水廠處理合格的水，在管網中會發生一系列的物理、化學及生物反應而導致水質下降。由于天氣的影響，供水壓力過高、道路的施工措施欠妥、地下管道埋設過淺，抗重壓能力較差等原因，導致管道因不堪重負而經常發生爆管現象。在滿足社會需求和環境保護要求的前提下，必須盡量減少供水成本。電費在自來水成本中所占比例較大(一般為30%～40%)，故降低電耗始終是貫徹節能方針、提高供水企業經濟效益的重要環節。

二、改造原則

(1)全面推進，突出重點。根據大中城市供水管網的實際情況，統籌規劃，全面推動城市供水管網改造工作，突出近期改造重點。在供水管網系統優化設計的基礎上，對供水漏損和供水安全影響較大的管網以及對管網后續改造起到承上啟下作用的部分主干管，優先實施改造。

(2)實事求是，確保規劃目標可行。嚴格界定規劃范圍，充分調查研究，核實基礎數據，堅決擠掉“水分”。依據工程實施條件和地方財力，分階段合理調整工程規模和年度實施目標，不符合規劃范圍要求、不具備實施條件的，不列入規劃。城市供水管網改造，要依據城市總體規劃，緊密結合城市建設和改造，前期工作準備不充分、施工組織協調措施不落實的，不列入規劃。

(3)提高服務水平，促進節約用水。緊密圍繞提高服務水平和節約資源的目標，通過供水管網改造，提高管網整體質量，逐步完善供水系統，增加配水能力、提高供水服務壓力、改善供水水質、減少管網事故率、降低供水損失、保障供水安全、促進節約用水。

三、城市地下給水管網優化設計

通過對管網的優化設計計算，一般情況下可以節省總投資的5%～10%，對供水系統的經濟效益和社會效益存在重要意義。

(1)城市地下給水管網優化設計內容。城市給水系統是一個規模非常龐大、性能復雜的大系統。城市給水系統一般由取水泵站、水處理廠、給水泵站、增加泵站、供水管網和水塔、蓄水池等設施組成。給水管網系統的基本功能是經水處理廠處理過的符合國家衛生標準要求的水由給水泵站經給水管網送到用戶。給水管網問題是很復雜的，給水系統的選擇、管網的合理布置、泵站數目及設置、各個配水水源水量的分配、管網系統的工作情況等都影響管網造價的經濟指標。城市給水管網優化設計涉及兩個方面的內容:一是管線布置的優化方案;二是管線布置給定條件下管道系統的優化設計。

(2)優化設計模型。為了更好的優化設計給水管網系統，要對給水管網系統進行分類研究。影響分類的有許多因素，根據水源是否需要加壓可以分為壓力流和重力流給水管網;根據水源的個數可以為單水源和多水源給水管網;根據管網形式可以分為枝狀和環狀給水管網。

對于環狀給水管網的優化起初采用的是線性規劃的模型，利用目標函數對其流量進行預分配，在計算目標函數對流量的梯度基礎上，反復調整流量的分配而達到較理想的狀態。這種方法實現了從樹狀網到環狀網的突破，但沒有解決環狀網費用自身的非線性的性質。后來對環狀網的建模和優化問題的求解的研究，對于采用泵站送水的管網建立了非線性的數學模型，數學模型通常包括建造費用和運行費用兩部分，但是這兩部分只包括了管網的靜態費用和泵站的動態費用。

(1-1)

Dij為標準管徑。

其中水頭損失hij可由海曾·威廉公式:

(1-4)

hij表示成Dij的非線性函數。該模型被轉化為Dij、Qij為決策變量的非線性規劃問題，其約束條件為非常復雜的約束集合，這增加了非線性規劃的求解難度。許多學者采用簡化模 型或限定某些約束條件，再利用非線性規劃方法求解。在非線性規劃算法中常見的有廣義簡約梯度法、枚舉法、隨機取樣法、動態規劃法、近似線性規劃法等。

隨著我國經濟的不斷發展和城市范圍不斷擴大，城市給水系統每年都要更改、擴建，大城市的新建開發區和新發展起來城鎮需要新建給水管網。因此，在我國進行城市輸配水系統改造或新建優化設計的研究十分必要。利用優化設計的模型可以科學合理的對給水管網進行優化，提高整個城市供水系統的效益。

參考文獻

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