浅谈城市给水管网的设计与优化
摘要：本文分析了目前城市给水管网普遍存在的一些问题以及优化的必要性，给出了简单的优化设计模型以及有效地优化计算方法，即遗传算法，为城市给水网管道的设计与优化提供了指导。
关键词：给排水,管网设计,优化计算,遗传算法
1.引言
城市给水管网是一项重要基础设施，具有保证城市供水安全的重要作用，给水管网能否正常运行对经济的发展有重要影响。而管网的建设费用在城市基础设施建设中的比重一般都比较大，所以，应在保证管网正常运用和市民生活的同时，进一步减少管网建设费用，通过合理的管网设计使其产生最大的经济效益。
城市给水系统主要包括取水工程、净水工程和输配水管网工程这三大部分。其中输配水管网工程约占整个给水系统总投资的 60%-80%，涉及到每年大量供水能量的消耗，并且给水管网的运行费用一般高达制水成本的 30%-50%，因此，有必要对给水管网进行改造并对其技术经济的合理性进行研究，以达到降低投资，节约能量并保证安全供水的目的。我们在给水工程设计方案的比较中，主要考虑非数量化社会效益的因素，如节约水泥钢材、节约劳动力和合理利用国家资源及原有设备的利用。
2. 目前城市给水管网存在的问题
作为市政基础设施，在目前的情况下，城市的供水业在输水过程中存在成本高、水压低和供水困难等问题，因此，城市给水管网的改造和优化对管网的安全性、适用性与经济性都至关重要。经过一系列的调查统计发现，大部分城市的给水管网都存在如下三个方面的问题。
2.1 给水管漏耗严重
由于管道的的铺设年限比较久，部分城市出现供水管网老化，尤其是在老城区，供水管网铺设时间很多都在超过了50年，加上管材质量较差，长期超限运行，年久失修，老化严重，经常发生爆管以及各种形式的明漏、暗漏，而这部分管网大约占了全部管网长度的6.2%，导致一般城市自来水漏失率达到10%-30%，平均水平在24%左右，远远高于欧洲7%的平均漏损率。据估算，我国每年因给水管网漏损和爆管造成的损失竟高达5亿元。
2.2 现有管网的供水安全性差、效率低
随着生活水平的提高，人们对水的质量和供水安全都非常关注。一方面，受天气的影响、供水压力过高、道路施工措施不妥、地下管道埋设较浅，抗重压能力差等原因，会导致管道不堪重负，经常发生爆管的现象。另一方面，给水管网系统类似一个反应器，很庞大而且复杂，经水厂处理完毕后的合格给水，在管网中又会发生一系列的物理、化学及生物反应就会导致水质下降，这样就会既污染水质，又造成安全隐患，因此，必须在满足环境保护和社会需求的前提下，尽可能减少供水成本，提高管网供水的安全性和经济性。
2.3 给水管网布局不合理
一方面，给水管网的设计不合理，仍然停留在以前的规划控制中，没能随着需求的改变而相应变化;另一方面，随着城市的发展，会使经济文化中心转移，以前不发达的区域变成了繁华的商业区和人口集中的地方，而且人们生活用水的用量在不断增加，使得原有的给水管网达不到当前的供水要求。
3. 给水管网的优化设计
3.1管线设计要点
在目前接触到的项目中管线定线采用的地形图为1:1000，但是，必要时也可以通过现场的踏勘来确定或修正。如果仅仅是改造工程，需要注意的是，最理想的管位应为和老管道净距1.5m。但在实际操作中，有些管道之间影响不太大，净距也可酌情减少。另外，若工程管线的各个竖向管道之间产生矛盾，应当遵行如下原则：一是支管要避让干管;二是可弯曲管应避让不可弯曲管;三是规划管线要避让现状管线;四是压力管应避让重力管;五是管径小的管线应避让管径大的管线。
3.2 管网的优化模型
在做给水管网的优化设计时，一般应考虑四个方面，即保证供水所需的水量和水压、水质安全、可靠性以及经济性。因为水质安全性不易定量来进行评价，正常时或损坏时用水量会有变化、二级泵房的运行和流量分配等都有不同方案，所有这些因素难以在数学式表达中体现出来，所以管网优化设计主要是在考虑到各种设计目标的前提下，求得在一定的年限内，其建造费用和管理费用之和达到最小时的管段直径或者水头损失。
在城市给水网总体规划中首先要进行用水量的预测，即采用一定的理论和方法，有条件地预计城市将来某一阶段的可能用水量。用水量预测一般以过去的资料为依据，以今后用水趋向，经济条件，人口变化，资源情况，政策导向等为条件。各种预测方法是对各种影响用水的条件作出合理的假定，从而通过一定的方法，求出预期水量。然后进行给水水源规划，要了解该城市的水资源总量和可开采量，这与城市用水供需平衡、确定城市发展规模、功能布局、给水工程系统布置都有密切关系。最后进行给水工程设施规划。由于城市给水工程系统的确定是城市给水工程规划的主要内容。
目前给水管网优化设计大多是以非线性数学模型为基础，通过各种数学方法来进行管网优化计算，并求出经济管径，再进行管网的平差计算，以及消防事故时、最不利管段损坏时核算。
3.3 管网优化的遗传算法
遗传算法(GA)是Genetic Algorithm 的简称，它的产生来自对生物系统在计算机上进行的模拟研究，由Holland(美国 Michigan大学)教授和他的同事及其学生于1975年首次提出，该算法是受生物模拟技术而启发来，是一种基于遗传和进化机制的，适用于复杂系统优化方面的，自适应的概率优化技术。
4.结论
本文通过对现有城市给水管网普遍存在的问题进行详细的分析，阐述了对其进行优化设计的必要性，给出了管线设计的一些基本原则。在对给水管网水力优化计算的理论进行系统地介绍的基础上，分析了优化设计的相关约束条件 进而提出了采用遗传算法进行优化以寻求最优解。该方法是一种基于计算机计算的新方法，是模拟自然界生物进化过程与机制求解问题的一类自组织与自适应的人工智能技术，该技术已广泛用于计算机科学、人工智能、信息技术及、工程实践，在今后的城市给水管网的设计与优化计算中必将大有潜力。
5.参考文献
[1] 胡涛，刘遂庆，给水管网目标函数中的技术经济问题，城市给水，No.2,2003.
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[3] 赵洪宾.给水管网系统理论与分析[M].中国建筑工业出版社，2003