淺談城市給排水管網(wǎng)優(yōu)化設計初探

張民剛

摘要：給水管網(wǎng)優(yōu)化設計是在已定線下尋求管徑與水力參數(shù)的最優(yōu)化組合的解。在已定管線中，合理分配管網(wǎng)流量，采用優(yōu)化算法，優(yōu)化管道設計管徑，根據(jù)城市地形特點，優(yōu)化組合和分布供水區(qū)域，采用不同壓力范圍供水，使整個系統(tǒng)的運行費用最低。本文分析了城市給排水管網(wǎng)設計要點，簡單介紹了一般工程設計的優(yōu)化方法，提出了城市管網(wǎng)優(yōu)化設計內(nèi)容。

關鍵詞：設計;建筑設計;環(huán)境藝術

前 ?言

廣義而言，所謂“優(yōu)化”就是從完成某一任務的所有可能方案中選出最好的方案。因此，對各種事物，只要存在不同的解決辦法，就存在優(yōu)化問題。用優(yōu)化設計方法進行管網(wǎng)設計，一般可節(jié)省投資5%～ 20%左右。因此，很有必要研究和推廣優(yōu)化設計方法。

一、城市給排水管網(wǎng)設計要點

一般來說，許多城市的供水管網(wǎng)建設都滯后于城市水廠建設，存在管徑過小、布局凌亂、管網(wǎng)老化、管材較差等諸多問題，從而造成管道漏損嚴重，用戶的供水壓力和供水安全得不到保證。

1.管線設計

一般在定線所用圖至少是本市最近的實測1：500地形圖，并且有必要時通過現(xiàn)場的踏勘來確定或修正。如果是改造工程，注意最理想的管位是和老管道的凈距1.5m。在實際操作中，有些管道之間影響比較小，凈距可酌情減少。如規(guī)范中規(guī)定熱力管與給水管的水平凈距為1.5m，而如今管材的質(zhì)量提高后，根據(jù)實際情況也可以酌情減少兩管道水平凈距，而并不影響管道正常運行。設計人員應加強對管道基礎、預留預埋、管徑、標高等的標注和說明，給出盡可能多的標準圖或詳圖，以避免不必要的損失。在豎向設計時，要按照以下原則進行合理布置，保證管線在荷載作用下不被壓壞;在天氣寒冷地區(qū)或是冬季，要保證管道介質(zhì)不凍結(jié)，滿足豎向規(guī)劃要求，按照規(guī)范要求布置各個管線之間的垂直間距。值得注意的是，各個管材對壓力的承受力是不一樣的，設計最小覆土要根據(jù)所選擇的管材實際情況而定。

當工程管線豎向之間發(fā)生矛盾時應遵行如下原則：支管避讓干管：可彎曲管避讓不可彎曲管;規(guī)劃管線讓現(xiàn)狀管線;壓力管避讓重力管;管徑小的管線避讓管徑大的管線。在設計過程中，這些原則也不是固定的，主要是根據(jù)實際情況而定，盡量減少不必要的損失和麻煩。在住宅區(qū)給水設計應注意：系統(tǒng)設計應充分結(jié)合物業(yè)管理需要;設計應考慮當?shù)厥┕に降囊蛩兀哼\用新產(chǎn)品應慎重，要深入了解其原理性能，掌握其優(yōu)缺點，明確安裝使用的注意事項等;注意其它專業(yè)對給排水設計的要求，如建筑構(gòu)造、結(jié)構(gòu)構(gòu)件對管徑、標高的限制。

2.管網(wǎng)優(yōu)化

目前在給排水中常用的優(yōu)化算法有如下幾類：純屬規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、動態(tài)規(guī)劃法和遺傳算法。一般在解決中小型管道系統(tǒng)優(yōu)化設計時，可以選擇遺傳算法求得最優(yōu)化設計方案。綜合地運用直接式管網(wǎng)疊壓供水技術和無負壓管網(wǎng)增壓穩(wěn)流給水設備，當市政供水管網(wǎng)水量充分，供水壓力相對穩(wěn)定時，可采用無負壓管網(wǎng)增壓穩(wěn)流給水設備。用水非常集中、瞬時用水量過大的地方，則應使用直接式管網(wǎng)疊壓供水，以減少峰值流量對管網(wǎng)造成的影響，保證無負壓設備的正常工作。

二、一般工程設計的優(yōu)化方法

最優(yōu)化理論是一門應用相當廣泛的科學，它討論決策問題的最佳選擇特性，構(gòu)造尋求最優(yōu)解的計算方法，研究這些方法的理論性質(zhì)及實際表現(xiàn)。近年來，隨計算機技術的高速發(fā)展和更多優(yōu)化方法的不斷涌現(xiàn)，優(yōu)化的工具和手段都得到了長足的進步，優(yōu)化的領域和規(guī)模也越來越大。設計科研人員在工程實踐中，采用的優(yōu)化方法通常有以下幾種：

1.直覺優(yōu)化

直覺優(yōu)化又分直覺選擇性優(yōu)化和直覺判斷性優(yōu)化。前者是設計者在設計過程中根據(jù)有限的幾個方案，經(jīng)過初步的分析計算，按照設計指標的好壞選擇其最佳者的一種方法;后者是設計者根據(jù)經(jīng)驗和直覺知識，毋須通過分析計算就做判斷性選擇的一種方法。直覺優(yōu)化方法是重要的、簡易的方法，但它取決于設計者直覺知識的廣泛性、經(jīng)驗判斷的推理能力及豐富的設計技藝。

2.試驗優(yōu)化

當對設計對象的機理不很清楚、或?qū)ζ渲圃炫c施工經(jīng)驗不足、各個參數(shù)對設計指標的主次影響難以分清時，試驗優(yōu)化是一種可行的優(yōu)化設計方法。根據(jù)模型試驗所得的結(jié)果，可以尋找出最優(yōu)方案。

3.價值分析優(yōu)化

價值分析優(yōu)化首先需要建立一個價值表，列出各項指標的技術或經(jīng)濟價值，然后根據(jù)各項指標的重要程度引入權(quán)系數(shù)，再計算出各種方案的各項指標的使用價值，統(tǒng)計出各個方案的總使用價值，其數(shù)值最大者，即為最優(yōu)方案。

4.數(shù)值計算優(yōu)化

數(shù)值計算優(yōu)化是指一些用數(shù)學方法來求最優(yōu)方案的方法?，F(xiàn)代的數(shù)值計算優(yōu)化都是以使用計算機的數(shù)值計算為其主要特征。

三、城市管網(wǎng)優(yōu)化設計內(nèi)容

1.城市給水管網(wǎng)優(yōu)化設計

給水管網(wǎng)優(yōu)化設計是在已定線下尋求管徑與水力參數(shù)的最優(yōu)化組合的解，目標是降低管網(wǎng)年費用折算值。城市輸配水系統(tǒng)的合理設計、改建或擴建、運行，對于節(jié)約投資、節(jié)省電能，具有重要的經(jīng)濟意義。目前，輸配水系統(tǒng)的合理改造、改建和調(diào)度、運行，以及它對降低成本、節(jié)省節(jié)能的顯著經(jīng)濟效益，越來越受到重視。對給水管網(wǎng)優(yōu)化設計的指導思想是，在已定的管網(wǎng)中，合理分配管網(wǎng)流量，或在分配流量的管網(wǎng)基礎上，采用優(yōu)化算法，優(yōu)化管網(wǎng)（道）設計管徑（尺寸），或根據(jù)城市地形特點，優(yōu)化組合和分布供水區(qū)域，采用不同壓力范圍供水，使整個系統(tǒng)的運行費用（動力費用）最低。在已有管網(wǎng)中進行合理調(diào)度，在滿足用戶用水量的基礎上使供水壓力滿足較小服務水頭，并使運行費用達到較低。

2.城市排水管網(wǎng)優(yōu)化設計

排水管網(wǎng)的優(yōu)化設計主要可分為排水管網(wǎng)的平面布置與已定線下管網(wǎng)參數(shù)優(yōu)化。目前，排水管網(wǎng)優(yōu)化設計主要是后者，排水管網(wǎng)系統(tǒng)已定線下的優(yōu)化設計主要是解決管徑和埋深（坡度）以及不同管段間的設計參數(shù)優(yōu)化問題。對于某一設計管段，當流量確定后，滿足設計規(guī)范要求的管徑與其他水力參數(shù)有多種組合，但總存在一組管徑和其他水力參數(shù)的組合，使其投資最小。對于由若干根管段組成的排水管網(wǎng)系統(tǒng)，上游管段的設計計算結(jié)果將直接影響到下游管段的設計參數(shù)，這就說明系統(tǒng)中每根管段設計最優(yōu)的組合，并不能保證整個系統(tǒng)的設計最優(yōu)。因此，為了使整個工程系統(tǒng)設計最優(yōu)，就必須以整個排水系統(tǒng)為整體，從全局出發(fā)進行優(yōu)化設計。在排水管網(wǎng)優(yōu)化設計中，雖然排水管網(wǎng)計算采用的水力計算公示很簡單，但是由于管徑的可選擇尺寸不是連續(xù)變化的，不能任意選擇管徑;同時最大充滿度的限制與管徑大小有關，關于最小設計流速、流速變化（隨設計流量增加而增大）及其與管徑之間關系的約束條件等都很復雜，也不能用數(shù)學公示來描述。因此，很難建立一個完整的求解最優(yōu)化問題的數(shù)學模型來用間接化法求解。用直接優(yōu)化法來解決這些問題，具有直接、直觀和容易驗證等特點。

四、結(jié)束語

隨著研究者在這一領域的不懈努力以及計算機的飛速發(fā)展，給水管網(wǎng)優(yōu)化設計計算的方法日趨豐富，涉及的問題的深度與廣度也日趨加強。具體地說，如何對復雜管網(wǎng)在多種工況時，考慮管網(wǎng)的可靠性情況下，利用原有的線性的或者非線性的方法，或者采用遺傳算法之類的新方法進行優(yōu)化設計，使之更接近城市供水管網(wǎng)的工程實際，并進一步開發(fā)相應的軟件，是值得關注和研究的課題。

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