1、給水管網布置方法探討摘要：本文作者從自己的實際工程經驗出發，進行給水管網系統規劃和布置，提出給水管網優化設計的高速公路理論和多工況控制進行給水管網優化設計的方法，編寫計算機軟件系統，并通過例題和黃河水源太原市80萬米3/日的管網擴建實際工程進行驗證。結果表明，應用這一全新的管網規劃和優化設計理論進行管網的優化設計，可使所設計的管網系統能夠滿足近期和遠期的供水要求、避免在施工中出現的大范圍破壞路面的問題，并可節省工程投資，使供水條件更有利。 關鍵詞：管網布置 高速公路 優化設計 多工況  ABSTRACT With the help of their real engineering

2、experiences and the design methods of expressway in metropolises, the authors present the expressway theory and multiple load control for layout and optimal designs of water supply net work systems. They compiled one software. The paper presents an example and a real expended water supply net work e

3、ngineering, 800,000m3 per days flow of Yellow River sources of Taiyuan, Shanxi province. The research results evince that with the new theory and method, we can design the water supply net works to match the requirements of the future, avoid the broken of road in construction, save investment and ha

4、ve good hydraulic conditions.   Keywords: net works, Expressway, Optimal design, Mutiple load, Water supply   一、概述 隨著社會的發展，我國人口的城市化比例越來越高，各城市的工業產值不斷提高，從而使城市供水日趨緊張，不但對水量的需求越來越大，對水質的要求也越來越高。目前，大多數城市的用水率已進入“S”增長的加速上升期1，水已成為制約許多城市迅速發展的關鍵因素之一。城市供水部門已認識到供水的重要性，都已開始實施大規模的引水工程，如引黃工程等。目前開始實施國家“十五”計

5、劃，各城市的引水工程大多已進入水廠建設階段，從而使管網配套工程顯得尤為迫切。給水管網工程投資巨大，管線埋藏于地下，從而使資金浪費、供水不合理等問題不易曝露，存在的隱患較多。為了徹底消除這些不合理因素，必須在管網規劃和設計階段，進行合理的規劃和優化設計，并進行系統的現狀、近期和遠期的水力模擬校核，以期能達到設計最優化的目的。本文提出給水管網優化設計的高速公路理論，利用計算機軟件加以實現2，并通過太原市黃河水源80萬米3/日的管網擴建工程加以驗證。結果表明，這一方法可適用于大中型城市的管網擴建工程。 二、 給水管網多工況優化設計的高速公路理論分析 1、 給水管網優化設計的高速公路理論分析給水管網規

6、劃、定線是管網設計的初始階段，其布置的合理與否直接關系到供水運行的合理與否及水泵揚程的設置。在管網規劃和布置中存在的主要問題是，當城市的發展重心、投資方向、城市規劃，或供水規模發生變化時，按常規方法所設計的管網，由于無法解決優化及對條件變化適應性的矛盾，使設計、管理及施工部門常常處于被動的“修補”地位，從而出現道路的多次“開膛破肚”，造成大量的破壞和人工及資源的浪費。出現這一現象的根本原因，在于設計人員自始止終的下意識里就存在對管網系統“修修補補”的固有設計思路，沒有從宏觀及方法上加以拓展。我們都知道，高速內環或外環道路，可以大幅度地提高一個城市的交通運輸能力，其投資/效益比是相當高的。高速環

7、線之所以能夠提高運輸能力，主要原因是提高了車速。基于這一思路，我們提出給水管網設計的高速公路理論，反映到管網的規劃及定線上，可以從以下幾個方面加以考慮： 1)對中小型城市，選擇一條縱向上可布置雙管的“主干線”或形成“內環線”，如果是主干線，則盡量使干線到左右兩側邊緣的距離相近；如果是內環線，則使環線到外側邊緣的距離與到環中心的距離相近。對大型城市，可以考慮建立雙環線或“中”字線。2)在環線上，使環線只與干管相連，不與支管相連，這樣在水力上可以減小局部水頭損失的影響，在技術上可以避免大口徑管線與小口徑管線的連接，節省投資。在環線上之所以要盡量避免局部水頭損失，其原因在于，環線的管徑比較大，流速也

8、大，按照hf=V2/2g，=(0.11.5)+(0.030.49) 3 ，如果取=1.0, v=2.0，則hf=0.2米，也就是說，每接一條管子，則存在0.2米的水頭損失，這樣對下游的影響較大。3)水流從環線上下來后，通過支管連接到用戶，這時可使這些支管盡量縮小，滿足最小水壓的要求即可。其原因是，城市供水的快速增長主要來自于城市規模的不斷擴大和新增工業、企業的發展，而在市區內，由于人口和工業布局的相對穩定，用水量的變化比較小。通過高速公路理論進行管網布置的特點是，在環線建設時，盡量考慮到遠期用水量的增長，使之滿足遠期的供水要求，而無需考慮遠期供水的方向，從而避免由于供水重心的變化而造成的管網的

9、大變動，使管網的適應范圍更廣。通過算例證明，應用高速公路理論所設計的管網，其投資同采用常規布置并進行管網優化的方法相近。2、 給水管網多工況優化計算所謂多工況優化計算，就是在優化過程中，同時考慮到最大用水時、事故時、消防時、最大轉輸時等各種可能出現的供水工況，使所設計的管網系統同時滿足多種工況的供水要求1,4,5,6。1)目標函數管網的目標函數是通過年費用折算值來表示: L:供水工況數；S:水泵臺數；e:電費(元/KWh); Qij:水泵i在供水情況j下的供水量(l/s); Hij:水泵i在供水情況j下的供水揚程(米); Tij:水泵i在供水情況j下的運行時間占全年時間的百分數；ij:水泵i在

10、供水情況j下的運行效率；p:管段數；Ckn相對應于管徑的每米管線在n區的投資(元/米)；Lkn對應于管徑的管線在n區的長度(米)；y:貼現率；t:項目計算期(年)。2)約束條件(1)節點方程約束AH=B其中A為線性化系數矩陣，H為各個節點的水壓：H=H1，H2，H3，HnT;B為各節點的節點流量，對于非水源節點，bi=qi; 對于水源節點，bi=1050Hr; B=b1,b2,bnT(2)節點水壓約束HijHrij ，i:節點號;j:供水情況；Hr:節點的最低要求水頭；(3)管徑范圍約束Di=D1i，D2i，Ddi，i:管段鏈號；d:標準管徑個數。(4)節點流量約束qi=q1i, q2i, ,

11、 qui， i:節點號； u: 供水工況數。(5)水泵流量-揚程約束水泵揚程使之在已輸入的水泵特性曲線上運行，偏離高效區或離開這一曲線，則認為必須修改條件或更換水泵。H=H0+aQ+bQ2, H0：水泵靜揚程(米)；a,b:系數；(6)水源水量約束 , s:水源數； n:節點數；三、太原市80萬米3/日給水管網擴建工程 1、現狀分析和基礎資料太原市是山西省的省府所在地。太原市地處小盆地地帶，世世代代以地下水作為取水水源。但自八十年代以來，由于受北方干旱氣候的影響以及工業生產的迅速增長，地下水資源超量開采嚴重，地下水位逐漸下降，已嚴重影響到人民的日常生活和工業生產的發展。為此，太原市決定黃河引水

12、，以解決嚴重的缺水問題。對黃河水源引水工程，分為三期實施，一期供水量為40萬米3/日，二期供水量為80萬米3/日，三期供水量為190萬米3/日。管網規劃設計的原則是，在充分利用現有管線系統的基礎上，進行管網系統的擴建設計，以80萬米3/日為優化目標，并進行40萬米3/日的校核，再在80萬米3/日的基礎上，擴建成190萬米3/日的供水規模。2、規劃方案黃河水源呼延水廠出水水位標高為844.0米，太原市區平均地面標高為800.0米左右，可資用水頭44米左右，西側最高點地面標高840.0米，東側最高點為858.0米。為了充分利用現有水頭，并以節約能量為目的，管網系統分為三個區，即重力供水中心區、東部

13、加壓區和西山加壓區。中心區按三期分別實施；東部加壓區按照城市發展規劃，分為兩期實施，即第二期和第三期；西部加壓區在第一期和第二期利用現有管網系統，只進行第三期的管網擴建。為此，我們按照太原市城市發展的規劃目標，進行實地堪察、用水量調查和現狀分析，并采用常規規劃法和高速公路規劃法，對規模為80萬米3/日和190萬米3/日的供水量，分別提出三個管網布置方案，即二期的常規布置方案、內環高速公路布置方案和外環高速公路布置方案，三期的常規布置方案、“中”字高速公路布置方案和內外環高速公路布置方案，并對常規布置方案采用標準優化法進行優化計算，對高速公路布置方案采用多工況優化技術進行優化計算。如圖為所推薦的

14、“中”字高速公路布置方案(粗虛線為高速主干線)。3、優化計算及結果分析按照太原市當地的材料價格指標、施工及破路費用，得到優化計算所需的綜合經濟指標，如表1所示。 表1 太原市1997年管線綜合價格指標管徑(mm)200300400500600700800900價格(元/m)627.81143.81210.91473.11771.12080.52442.32824.8管徑(mm)10001200140016001800200022002400價格(元/m)3187.64258.35201.06303.77801.08800.410621.011499.9電費：0.35元/KWH；項目計算期：20

15、年；投資收益率：5%；水泵效率：80%。多工況優化計算的控制條件：1)水壓要求：在最大用水時，所有節點的最小自由水壓，除大網東側二個最不利節點滿足12.0米外，其余節點均要滿足20.0米，并且60%以上的節點壓力要滿足28.0米的要求；在消防時，所有節點均要滿足消防要求10.0米。2)流量要求：最大用水時的流量按高日高時設計；事故時的流量為最大用水時的70%，消防時是在最大時流量的基礎上，對重力供水區增加4個流量為100L/S的消防點，對東部加壓區增加二個40L/S的消防點，對西部加壓區增加二個35L/S的消防點。對高速公路布置方案，我們應用軟件系統，采用多工況控制優化技術進行優化設計計算，其

16、優化結果完全滿足各節點在不同工況下的流量和壓力要求，其優化結論如表25所示。表2 一期40萬米3/日優化計算結果40萬米3/日中心區 內環布置 中心區 外環布置 總投資(萬元)54219.70349382.672年折算值(萬元)4433.3244049.028運行費用(萬元)82.59486.435管線總長度(KM)173.627163.200平均管徑(mm)923.444907.255其中新鋪管線:    總長度(KM)105.28097.962平均管徑(mm)1249.6491230.437表3 二期80萬米3/日優化計算結果80萬米3/日中心區 內環布置 中心區 外環

17、布置 東部加壓區總投資(萬元)54788.06656309.7037896.238年折算值(萬元)4488.1804609.875920.640運行費用(萬元)91.84491.439287.026管線總長度(KM)198.568196.06654.844平均管徑895.259926.029577.300其中新鋪管線:      總長度(KM)96.06899.06042.247平均管徑(mm)1370.2721389.357615.432表4 三期190萬米3/日優化計算結果190萬米3/日中心區 “中”布置中心區 內外環布置東部加壓區西部加壓區總投資(萬元)5

18、5650.29752853.004349.9773686.143年折算值(萬元)4465.5244241.062366.617570.631運行費用(萬元)    338.534274.845管線總長度(KM)245.176246.06257.22024.553平均管徑(mm)1187.8861183.769574.091574.995其中新鋪管線:        總長度(KM)73.25368.5252.37619.686平均管徑(mm)1706.1701717.410500.000612.022表5 優化計算結果經濟分析 

19、; 總投資 (萬元)年費用折算值 (萬元/年)年運行費用 (萬元/年)內環布置方案：一期(40萬噸/日)54219.7034433.32482.594外環布置方案：一期(40萬噸/日)49382.6724049.02886.435內環布置方案：二期(80萬噸/日)12150.7441546.127653.715二期小計66370.447    外環布置方案：二期(80萬噸/日)18509.4122052.118653.310二期小計67892.084    “中”布置方案：三期(190萬噸/日)56000.2744832.141613.379三期總計12

20、2370.721    內外環布置方案：三期(190萬噸/日)53202.9814607.679613.379三期總計121095.065    通過對優化結果的投資、水力條件、運行管理、施工方便程度等方面進行綜合分析，我們推薦第二期的內環高速公路布置方案和第三期的“中”字高速公路布置布置方案為可實施方案。 四、結論 本文提出給水管網的高速公路布置理論，采用示例和實際工程相結合的方法進行驗證，并得出計算機軟件完全適應于進行大型給水管網系統的多工況控制優化設計的結論。應用給水管網系統的高速公路布置理論和軟件系統，使人們完全用一個全新的觀念進行管網系統的規劃和設計，從而可以避免在供水規模和供水重心發生變化的情況下，所出現的對現有管網系統進行大范圍改造的問題。尤其對于大中型城市的多水源供水系統，管網的高速公路布置方案，更顯示出其特有的優