城市供水管網是城市十分重要的基礎設施，保證了城市的正常運行，管網優化設計可以提高管網系統的布局合理性、運行經濟性和供水安全可靠性。為了更好地保證城市供水管網的有序運行，本文分析了如何對城市供水管網進行優化設計。

1、城市供水管網的現狀及問題

隨著我國城市的迅猛發展，各地供水管網已具規模，但隨著人口增長和生活水平的提高，以及城市產業布局的調整，城市區域用水量有所變化，管網系統在各方面存在一系列問題：

（1）一些城市供水管網出現老化，老城區問題尤為突出，供水管網鋪設時間大多在30年以上，管材質量差，年久失修，老化嚴重，造成爆管以及各種形式的明漏、暗漏。

（2）供水管網的布局不合理，部分還停留在以前的規劃控制中，并沒有隨著需求的改變而改變，供水安全性較差，供水效益也有待提高。

（3）城填供水管網的更新、改造和擴建，導致管網壓力分布不均，高壓區的供水能力浪費，而管網末梢服務壓力卻明顯不足。

為了保持供水滿足正常的生活需要，在大、中型城市當中，供水管網通常都會使用環狀管網，這種管網建設的規模大、費用也大，將其進行優化，找出最為經濟且實用的方案，是目前的當務之急。

2、供水管網設計的發展及趨勢

管網優化設計在國外始于20世紀60年代，管網優化技術研究經歷了從單一型向復合型的發展歷程，傳統的給水管網計算步驟為：(1)分配管段流量，根據管段流量從經濟流量表中選擇經濟管徑；(2)管網平差計算，確定實際管段流量；(3)檢驗各管段，若不滿足經濟流量，則調整管徑，返回步驟2；若滿足則進入步驟4；(4)選擇水泵，進行流量、水壓校核，滿足要求則中止計算，否則或重選泵，或調整部分管徑，再平差直至滿意。上述方法的缺陷在于，(1)經濟管徑、經濟流速等概念是從單管的優化計算中近似而來，在管網中，特別是在大型復雜管網系統中應用就會帶來一定誤差，甚至是較大誤差；(2)經過步驟2的平差計算后，難以保證新得到的管段流量仍在所選管徑允許的經濟流速范圍內，可能還需要調整管徑往復試算，這種憑經驗試算的方式在數學方法上不是有效的。

因此，對供水管網進行優化設計已在國內外引起廣泛重視，隨著最優化理論的發展、計算機的出現以及其應用軟件的發展，給水管網水力計算有了很大的發展，在理論及算法上日趨完善。信息技術的飛速發展，為管網設計與管理提供強有力的支持和推動，管網水力計算從人工計算轉為利用模型軟件精確計算，如何調整模型、保持模型精度，成為了新的工作任務。

3、城市供水管網優化設計內容

供水管網優化設計一般是指在既定條件下(即水廠規模和位置已確定)，尋求投資少、能耗低、安全可靠性高的管網系統，包括管網布置、管網定線、管徑選擇、供水區域劃分及加壓站設置等的最優設計方案。通過對管網的優化設計計算，可以節省總投資的5%～10%，對供水系統的經濟效益和社會效益存在重要意義。供水管網優化設計的內容主要有以下幾個方面：

(1)管網優化布置是管網優化設計的基礎，在管網規劃設計階段，進行合理的規劃和優化設計，并進行系統現狀、近期和遠期的水力模擬校核，以期達到設計最優化的目的。在進行城市管網布置時，除滿足基本要求之外，還應充分考慮地形及地質情況采用統一供水或采用分區分壓供水。

（2）管網定線取決于城市平面布置，供水區域的地形，水源和泵站位置，街區和用戶的分布以及河流、鐵路、橋梁等的位置等。管網定線時需要考慮輸水管定線與主干管定線的設計，布置供水管網時應堅持工程量最小、水流暢通以及最大限度上節省能量的原則。

（3）管徑優化設計。管網中每個管段管徑的大小，與管網系統布局、區域用水量、該管段在管網系統中承擔的任務密切相關，管徑優化設計需要以最優管網布置為基礎，通過管網模型運行求解。

（4）充分考慮地形及地質情況采用統一供水或采用分區分壓供水，在管網中可設置加壓泵站，優選重力流輸配水以節能。

4、城市供水管網優化設計的措施研究

在城市總體及區域供水工程規劃設計中，其優化設計一般可采取以下措施和步驟：

（1）結合城市總體規劃，合理確定近遠期的供水范圍、城市用水量、供水水源及規模。《室外給水設計規范（GB50013-2006）》提出，供水工程設計應按遠期規劃、近遠期結合、以近期為主的原則進行設計，近期設計年限宜采用5～10年，遠期規劃設計年限宜采用10～20年。

（2）研究城市規劃布局和地形地勢，調查和收集城市供水量、城市用水量、水廠、管網等基礎資料，劃分供水區域，布置供水管網系統，建立供水管網結構數據庫。輸配水干管的布置和定線應根據城市規劃布局、水源及調節池位置、供水區域地形地勢、大用戶的分布，以及河流、鐵路、橋梁等的位置進行合理確定。大、中型城市一般城市建設區的面積都很大，各區域之間存在有不同程度的地形高差，供水系統往往很復雜，管網系統布置有多種形式，需要進行技術經濟比較，尋找最優的管網布置方案。

（3）研究流量優化分配方案。對環狀管網的每一個基環分配一個管段流量，則其余管段的流量就可通過節點連續性方程求出，也就得到一種流量分配方案。對于不同的流量分配方案，就對應不同的投資。環狀管網最優分配方案就是從上述方案中選出一個投資最小的設計方案。

（4）根據流量分配結果研究管線的規劃布置。主干管線的規劃要考慮水源與泵站位置，以及符合城鎮路網規劃要求，沿原有城市道路和規劃道路鋪設。主干管線隔一段距離要設置聯絡管，間距易在800～1000m,以保證管網在事故時仍能按設計要求供水。水源的選擇和管線的走向布置應盡可能保證水流方向一致，以免造成過多的水頭損失，管線應在高處要設排氣閥，低處設泄氣閥。

（5）確定舊管網更新方案。供水規劃設計一般主要涉及到新增供水干管、調整管道的管徑、更換老化和漏損嚴重的管道、擴建和增設加壓泵站等幾個方面。舊城區供水出現了管網布置不合理、管徑偏小、管道老化及漏損嚴重、局部區域供水壓力低等諸多問題，為提高供水質量和保障安全供水，許多城市都迫切需要對供水管網進行改造。規劃設計人員應通過查看管網圖，分析主、支管道、過路管道的走向及具體分布情況，收集管線管材、管齡、水質、水壓、漏損情況等信息，確定需要更新的現狀管網，并根據規劃用水量，計算確定新管道管徑，制定新舊管道碰接的具體措施。

(6)建立供水管網優化設計模型，通過模型軟件系統，合理簡化管網拓撲圖。確定管道水頭損失的計算公式，以及新舊管道的粗糙系數。通過水力平差計算得出管網模擬運行結果，使其達到在投資(管徑)及常年運行費用(水泵揚程)最小的情況下，滿足用戶對水量和水壓的要求。根據歷史紀錄和經驗，在一般情況下，供水管網中管段直徑小于1m時，經濟流速在0.5～1.0m/s之間，對于大于1.0m的管徑，經濟流速在1.0～2.0m/s之間。近年來，一些城市供水管網存在管段流速較低的情況，這是城市給水設施快步發展，設施建設富余量過大造成的問題。我們需要針對當前的經濟規律和發展狀況，開展經濟流速和經濟管徑的研究，確定各城市和地區的經濟流速和經濟管徑，提高供水企業的經濟效益和科學管理水平。

(7)對管網優化結果分析總結，提出優化建議，以保證管網優化工程順利實施。

3、結語

伴隨著計算機技術的飛速發展，管網優化設計算法和模型軟件開發研究日益進步，城市供水管網優化理論的工程應用可行性也逐步提升。在保障管網運行安全性和可靠性的前提下，降低管網運行維護成本，提高社會效益和經濟效益是管網優化設計的根本目的。目前供水管網優化設計方面仍存在很多難題要克服，探索適合國內應用的優化設計措施仍具有很大的研究意義及發展空間。