農(nóng)村飲水安全集中式供水工程管 網(wǎng)優(yōu)化方法與應用研究

廖曉清

（重慶市梁平縣水務局禮讓片水利水保站，402500）

農(nóng)村飲水安全集中式供水工程管 網(wǎng)優(yōu)化方法與應用研究

廖曉清

（重慶市梁平縣水務局禮讓片水利水保站，402500）

在目前的農(nóng)村飲水工程項目中，過半的投資都花費在了管網(wǎng)的修建中。由于農(nóng)戶房屋的分散性，致使農(nóng)村飲水工程管網(wǎng)線路較長、輻射較廣的特點，集中式供水工程難度大，因此，本文就農(nóng)村中集中式供水工程管網(wǎng)的現(xiàn)狀，探討管網(wǎng)優(yōu)化的方法，找出科學可行的措施。

農(nóng)村飲水安全；供水工程；管網(wǎng)優(yōu)化

農(nóng)村的飲水安全工程是我國一項重大的民生項目，對于農(nóng)村生活條件的改善，飲水的安全以及新農(nóng)村建設都具有重大的意義。供水管網(wǎng)的建設是農(nóng)村飲水安全工程項目重要的一環(huán)，它擔負著把飲用水安全地送到每家每戶的重要任務，但由于農(nóng)村供水管網(wǎng)的從無到有、從少到多的發(fā)展，管網(wǎng)修建的比重在供水工程中越來越大，另外，由于農(nóng)村居民的用水量小，供水工程規(guī)模較小等原因，導致水塔溢流、供水條件差等問題，因此，如何合理的優(yōu)化農(nóng)村集中式供水管網(wǎng)系統(tǒng)成為確保農(nóng)村供水工程持續(xù)發(fā)展的一個重要難題。

一、農(nóng)村供水管網(wǎng)供水特點

（一）供水工程規(guī)模小且分散

我國農(nóng)村居民居住分散且居民點數(shù)量較多，此外，居民點的部分地形較為復雜，這就造成了農(nóng)村供水工程規(guī)模較小且數(shù)量較多的特點。對于一些條件較好地鄉(xiāng)鎮(zhèn)可以采取集中式供水的形式；而對于一些地形較為復雜，且經(jīng)濟欠發(fā)達的地區(qū)，主要采取的是分散式供水模式。

（二）主要采用集中式供水模式

由于農(nóng)村經(jīng)濟基礎的薄弱，一般才用的是經(jīng)濟適用的集中式供水模式，在農(nóng)村飲水安全集中式供水工程中，對于一些距離城鎮(zhèn)較近的地區(qū)，采用的是城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)延伸的形式；對于一些人口比較密集但又距離城鎮(zhèn)較遠的農(nóng)村地區(qū)，主要采用的是規(guī)模化的集中供水形式；此外，對于村與村之間距離較遠，供水管網(wǎng)修建投資大的地區(qū)，主要采用的是村內(nèi)單獨供水的形式[1]。

（三）供水以生活用水為主，工業(yè)用水比重逐漸提升

在一些經(jīng)濟情況不是很發(fā)達的地區(qū)，農(nóng)村的供水是以生活用水為主，但隨著新農(nóng)村的建設，一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)也逐漸地在部分地區(qū)興起、擴大，使得該地區(qū)的用水規(guī)模逐漸提升，甚至鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)發(fā)達的地區(qū)，工業(yè)用水占到了供水總量的一半以上。農(nóng)村飲水工程的建設為一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)工業(yè)的發(fā)展提供了良好的條件，使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水比例逐年增加，從而促進了農(nóng)村供水工程的規(guī)模的擴大及經(jīng)濟效益的提升。

二、農(nóng)村供水工程存在的問題

（一）供水管網(wǎng)的設計在實際供水中難以應用

在目前的農(nóng)村飲水安全集中式供水工程的方案設計及決策過程中，最終的供水工程應用方案，多為一些專家及決策人員根據(jù)主觀的經(jīng)驗及供水影響因素的技術分析所得到的。由于這一過程中難免有著主觀性的見解，這就使得供水方案存在著局限性，與農(nóng)村供水實際情況發(fā)生偏差，最終只是供水管網(wǎng)的設計在實際供水中難以應用。

（二）供水工程運行缺乏科學化管理及技術力量

農(nóng)村供水工程的運行缺乏科學化的管理以及必要的技術力量，有可能導致供水設施不能正常的運行，這主要是由于農(nóng)村供水工程建設項目過多，時間緊、任務重，對于工程管理及技術人員欠缺必要的培訓工作，導致技術儲備的不足；此外，農(nóng)村供水工程的建設多數(shù)在偏遠的鄉(xiāng)村，生活條件及福利待遇與城市差異過大，缺乏對管理及技術人員的吸引力。因此，加強對農(nóng)村供水工程運行的管理技術人員的培訓是很有必要的，這有助于提高他們的技術水準，從而解決農(nóng)村供水工程運行的難題。

三、農(nóng)村供水工程輸水管道系統(tǒng)優(yōu)化

在農(nóng)村的供水工程中，輸水管道系統(tǒng)按照輸水距離的長度可以分為長距離輸水管道系統(tǒng)及短距離輸水管道系統(tǒng)；根據(jù)水源地與用水地的高程差別，輸水管道系統(tǒng)又分為重力式或泵站加壓式輸水管道系統(tǒng)。一般來說，輸水管道方式的選擇受當?shù)氐淖匀粭l件影響較大，因此要根據(jù)當?shù)貙嶋H情況，因地制宜的選擇輸水系統(tǒng)。輸水管道系統(tǒng)的優(yōu)化問題一直是備受關注的領域。輸水管道系統(tǒng)的優(yōu)化主要分為輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化問題以及輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化問題，這兩者既相互獨立又相互關聯(lián)。因此，只有解決好這兩個問題，才能對輸水管道系統(tǒng)更好的優(yōu)化[2]。

（一）輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化

輸水管道線路的布置是輸水系統(tǒng)設計的前提條件。線路的優(yōu)劣直接影響到供水工程整體的性能，因此，輸水管道系統(tǒng)線路的優(yōu)化問題，一直是輸水管道鋪設的難題。在輸水管道的建設工程中，為保證農(nóng)村住戶的用水量，應滿足首末水頭的約束，為此，本文就輸水管道總投資F為最小目標函數(shù)，輸水管道各管段的線路方案iX為決策變量，建立管道線路優(yōu)化模型。

1、數(shù)學模型

其中，ih是第i管段水頭的損失iH是水源點與節(jié)點N的允許水頭損失（m）。

2、算例分析

如圖1所示，以某供水系統(tǒng)輸水線路為例，應用上述管道線路優(yōu)化，水源點設計的水位是133.06m，管道沿線出水口將輸水的總體管道分為6個管段，各個管段水流量及其各個節(jié)點之間的高程、水流量見圖1，管道末端最小服務的水頭按照2m控制。

（1）管道線路方案定性

例中的輸水管道系統(tǒng)中共有7個節(jié)點，6條管段，根據(jù)供水工程所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件、及分水口的分布、水源的位置等情況，每一條的管道線路可考慮4個設計方案，以管段1為例。管道1可選取的設計方案有：①管道鋪設中經(jīng)過一處軟土地區(qū)，可采用玻璃鋼夾砂管的方式穿過；在穿越公路的兩處地方，可采用套管的方式；在兩處穿越河道的地方，運用管橋的形式；②經(jīng)過鄉(xiāng)鎮(zhèn)的過程中，直接鋪設管道；采用套管的方式穿過公路；采用專用的混凝土套管施工穿過一處鐵路；③管道沿線經(jīng)過一處鄉(xiāng)鎮(zhèn)，直接穿鄉(xiāng)鎮(zhèn)鋪設；穿過三處公路，采用套管的 方式；穿過河道一處，采用管橋的鋪設方式；④采用專用的混凝土套管，穿越鐵路；穿過三處河道的時候，采用管橋的方式。

（2）管道的線路優(yōu)化

運用數(shù)學模型進行解析，管道1的優(yōu)化方案為：管道經(jīng)過鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域的時候，直接鋪設管道線路穿過鎮(zhèn)區(qū)；穿越一條公路的時候，采用套管的方式；穿過鐵路沿線的時候，采用過鐵路專用的混凝土套管進行施工。

（二）輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化

輸水管道優(yōu)化設計要解決的主要問題，就是在輸水管道的材質(zhì)，走向等因素確定的情況下，選擇滿足水壓等約束性因素的最優(yōu)管徑，使得輸水管道的投資降到最低。在各管段允許水頭損失確定的條件下，建立以管段管徑為決策變量、管道系統(tǒng)總投資最小的目標函數(shù)，來解析最優(yōu)方案[3]。

按照分水口位置的不同，將圖2輸水管道劃分為N個不同的管段；由于沿線地質(zhì)情況的不同，各個管段由iM種不同的管道組成，再根據(jù)不同的管材把第i管段分為iM個分管段，在這樣劃分的基礎上，把各個分管段管徑jiD當成決策的變量，建立輸水管道系統(tǒng)管徑的優(yōu)化函數(shù)模型。

式中，F(xiàn)為輸水管道系統(tǒng)能投資；iF為第i段的投資；ifC為第i管段第j分管段的管造價；il為第i管段的長度；ijl為第i管段第j分管段的長度；ifD為第i管段第j分管段的管徑；ija，ijb，ijx為第i管段第j分管段單位長度管道造價的系數(shù)，這些系數(shù)與管材以及當?shù)氐慕?jīng)濟條件等因素有關。根據(jù)數(shù)學目標函數(shù)進行管道管徑的優(yōu)化設計。

結(jié)語：

在農(nóng)村飲水安全集中式供水管網(wǎng)的優(yōu)化中，供水管道的線路及管徑占有著中重要的比重，因此，在對農(nóng)村供水管網(wǎng)優(yōu)化的過程中，要選擇合適的方案，對供水管道的線路以及供水管道的管徑，要因地制宜的選取。

[1]胡孟,郭陽茗,時彥芳等.村鎮(zhèn)供水管材比選與管網(wǎng)設計探討[C].//中國水利學會2008年學術年會論文集.2008:9-13.

[2]王文芬.農(nóng)村飲水安全集中式供水工程管網(wǎng)優(yōu)化方法與應用研究[D].揚州大學,2014.

[3]阿不都吾甫爾·艾買提.農(nóng)村飲水安全供水工程管網(wǎng)設計[J].農(nóng)村科技,2010,(10):74.

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1007-6344（2015）10-0087-02