在城市給水系統(tǒng)中，取水建筑物、泵站、輸水管線等都是重要組成部分。隨著我國城市化建設步伐的不斷加快，城市用水量與日俱增。為保證充足的水量供應，各個城市每年都會投入大量的資金用以新建和改造給水輸配系統(tǒng)。文章介紹了給水系統(tǒng)相關技術(shù)的發(fā)展，對其優(yōu)化規(guī)劃設計的原則進行了梳理，探討了具體方法及實現(xiàn)步驟。

　　關鍵詞：城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)；規(guī)劃設計；取水建筑物；泵站；輸水管線；城市用水量 文獻標識碼：A

　　近年來，我國的城市化建設得到了空前的發(fā)展，隨著用水人口和用水量的不斷增多，原有給水系統(tǒng)不堪重負，有些地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)水量欠缺的現(xiàn)象，低壓區(qū)也在不斷增多。此外，在管網(wǎng)維護上主要依靠工作人員的維修經(jīng)驗，缺乏必要的理論依據(jù)及科學分析，管網(wǎng)工作常常工作于非最佳狀態(tài)，這不但會造成水量浪費，還存在一定的安全隱患，出現(xiàn)停水事件。供水企業(yè)在確定管線走線和管徑時通常是依據(jù)經(jīng)驗來進行的，由于實際管網(wǎng)較為復雜，工作量較大，管網(wǎng)的設計具有變量多、約束條件復雜的特點，進行城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設計對于解決城市供水問題具有十分重要的意義。

　　1 城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃設計的發(fā)展

　　城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計起始于20世紀60年代，我國的相關研究起步較晚，但近年來發(fā)展速度較快。總體而言，給水管網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化設計經(jīng)歷了從單一型向復合型發(fā)展的過程，主要包括經(jīng)典優(yōu)化理論及應用→啟發(fā)式算法研究及發(fā)展→多方法優(yōu)化→地理信息系統(tǒng)。隨著計算機輔助設計技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，一些新型算法不斷應用于管網(wǎng)優(yōu)化計算中，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、遺傳算法等，這些新技術(shù)促進了可視化技術(shù)和集成GIS的開發(fā)。隨著管網(wǎng)優(yōu)化研究領域的發(fā)展，管網(wǎng)運行的可靠性在提高，經(jīng)濟性在優(yōu)化，環(huán)狀管網(wǎng)與樹狀相結(jié)合的形式得以發(fā)展。當前，在我國的大城市中，給水管網(wǎng)已經(jīng)形成了大型化、復雜化和多樣化的管網(wǎng)規(guī)模，這對建設管網(wǎng)和進行管網(wǎng)的管理而言具有較高的要求。

　　2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設計的任務及原則

　　2.1 給水管網(wǎng)規(guī)劃設計的任務

　　城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設計通常是在一定的條件下，在確定的水廠規(guī)模和位置背景下，對管網(wǎng)的模型進行建立和對運行工況進行計算，找到一個投資少、低能耗、安全可靠性高的管網(wǎng)系統(tǒng)設計方案。具體而言，進行城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設計的任務體現(xiàn)在以下兩個方面：首先是管網(wǎng)的優(yōu)化布置。作為給水管網(wǎng)規(guī)劃設計的基礎，管網(wǎng)的優(yōu)化布置是否科學合理對于給水系統(tǒng)的安全可靠及經(jīng)濟性而言意義重大。此外還要注意供水分區(qū)及供水方式的優(yōu)化，正確選擇串聯(lián)供水或并聯(lián)加壓的供水方式，加壓站的設置要科學合理，保證供水系統(tǒng)的運行費用最低。其次是管徑的優(yōu)化設計。在給水管網(wǎng)中，管徑的大小關系著系統(tǒng)的布局，受管段在管網(wǎng)系統(tǒng)中所承擔的責任影響；在管網(wǎng)優(yōu)化設計上，要基于管網(wǎng)的最優(yōu)布置，通過優(yōu)化模型進行求解。

　　2.2 給水管網(wǎng)規(guī)劃設計的原則

　　作為一項系統(tǒng)而復雜的工程，城市給水工程設計需要遵循一定的原則，主要有以下三點：（1）要對城市的未來發(fā)展有科學的把握。給水系統(tǒng)的建設受城市未來發(fā)展所導向，在進行規(guī)劃設計時要結(jié)合城市的總體規(guī)劃、合理確定近期和遠期的供水量；（2）規(guī)劃設計要具有一定的針對性。要對當前城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)存在的問題進行研究并給出應對措施，結(jié)合給水調(diào)查報告深入分析運行中存在的問題，給出解決措施；（3）在規(guī)劃設計完成后，要基于供水需求和管網(wǎng)安全可靠運行的要求，盡可能地節(jié)省投資和降低能源消耗，保證可操

　　作性。

　　3 城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設計

　　3.1 管網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化設計

　　城市給水管網(wǎng)的主要功能是存儲、輸送以及分配水資源，它為城市的各項生活生產(chǎn)提供必要的水源，整個建設具有投資大和運行能耗高的特點，所以在城市給水工程設計中進行合理規(guī)劃和優(yōu)化設計十分重要。一般而言，給水管網(wǎng)的規(guī)劃設計采用的是以下方法及

　　步驟：

　　3.1.1 結(jié)合城市總體規(guī)劃。在確定近期和遠期的供水范圍、城市的用水總量規(guī)模上，需要與城市的總體規(guī)劃相結(jié)合。相關規(guī)范指出，給水工程設計需要遵循的原則之一是：結(jié)合城市的遠近期規(guī)劃，以近期為主，兼顧遠期。近期設計的參考年限以5～10年為宜，遠期設計的參考年限以10～20年為宜。

　　3.1.2 結(jié)合城市布局及地形地勢。在規(guī)劃時，要進行供水分區(qū)的劃分，對給水管網(wǎng)系統(tǒng)進行布置，建立相應的數(shù)據(jù)庫。與小城市不同的是，大型城市的建設區(qū)面積極大，區(qū)域之間的地形高差十分明顯，這個給水系統(tǒng)的規(guī)劃設計帶來了難度，導致管網(wǎng)系統(tǒng)的布置存在較多的形式。在規(guī)劃中，要對不同的布置方案進行比較，找到最優(yōu)方案。一般而言，管網(wǎng)的布置方案要考慮到輸配水干管，可以忽略影響較小的給水支管；干管的布置要依據(jù)城市的規(guī)劃布局和水源位置、供水形勢等進行合理確定。

　　3.1.3 建立規(guī)劃設計模型。在建立規(guī)劃設計模型時，首先要進行模型目標函數(shù)以及約束條件的確定，數(shù)學模型的目標函數(shù)是經(jīng)濟性，其他方面是約束條件。傳統(tǒng)的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃只是單一的造價規(guī)劃，采用的模型是線性規(guī)劃模型，以合理配置系統(tǒng)管段管徑為最終結(jié)果。當前，在給水管網(wǎng)優(yōu)化設計中，大部分采用的是非線性規(guī)劃模型，包含有管網(wǎng)、泵站的投資建設及運行維修費用等。通過優(yōu)化計算，在滿足全部約束條件的前提下，進行目標函數(shù)最小化求解，從而有效降低系統(tǒng)的投資和運行維修費用。

　　3.1.4 計算方法選擇。在優(yōu)化計算方法的選擇上，主要有兩大類，分別是局部優(yōu)化、全局優(yōu)化。其中，前者采用的是線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃等；后者采用的是遺傳算法、蟻群算法等。

　　3.2 改造工程的優(yōu)化設計

　　為了提高城市給水系統(tǒng)的供水質(zhì)量及保證安全供水，很多城市需要對過去的給水管網(wǎng)進行改造。一般而言，城市給水管網(wǎng)的改造涉及到新增供水干管、管道管徑的調(diào)整、受損嚴重管道的更換、增壓泵站的擴建新增等。實施優(yōu)化設計能夠有效減小人為因素的影響，保證管網(wǎng)改造方案的科學合理。城市給水管網(wǎng)改造的目的是依據(jù)目標進行模型的構(gòu)造，采用優(yōu)化理論進行設計參數(shù)的合理確定和方案的選擇。通常情況下，進行給水管網(wǎng)改造規(guī)劃設計需要遵循以下步驟：首先是進行城市供水量、用水量、水廠、管網(wǎng)等資料的調(diào)查及收集，建立相應的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫；其次要依據(jù)城市的近期目標和遠期目標以及相應的規(guī)劃布局，建立管網(wǎng)給水優(yōu)化設計模型，對系統(tǒng)的運行工況進行模擬，通過模擬可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的問題并及時給出調(diào)整措施，對改造的可行性進行研究，依據(jù)模擬結(jié)果對方案的技術(shù)、經(jīng)濟、安全性能等指標進行評估分析，找出最優(yōu)的改造方案；最后是進行給水管網(wǎng)改造范圍的確定，制定合理的管網(wǎng)改造方案。要與當前城市供水中存在的問題相結(jié)合，分清主次，合理安排改造計劃，進行供水干管的新建，對當前的管道管徑進行合理調(diào)整，及時更換老化的管道。

　　4 結(jié)語

　　本文針對城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃設計進行探討，介紹了相關技術(shù)的發(fā)展，對其優(yōu)化規(guī)劃設計的原則進行了梳理，探討了具體方法及實現(xiàn)步驟。總而言之，城市給水管網(wǎng)規(guī)劃設計關乎經(jīng)濟和社會效益，我國當前的城市給水管網(wǎng)規(guī)劃理論依然處在發(fā)展階段，還有很大的發(fā)展空間。為了使得計算方法更加精確和完善，仍然需要在實踐中不斷探索、積累經(jīng)驗，形成一套完善的聯(lián)系實際的理論系統(tǒng)。