摘要：在城市给水系统中，取水建筑物、泵站、输水管线等都是重要组成部分。随着我国城市化建设步伐的不断加快，城市用水量与日俱增。为保证充足的水量供应，各个城市每年都会投入大量的资金用以新建和改造给水输配系统。文章介绍了给水系统相关技术的发展，对其优化规划设计的原则进行了梳理，探讨了具体方法及实现步骤。
关键词：城市给水管网系统；规划设计；取水建筑物；泵站；输水管线；城市用水量 文献标识码：A
中图分类号：TP315 文章编号：1009-2374（2015）22-0011-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.22.006
近年来，我国的城市化建设得到了空前的发展，随着用水人口和用水量的不断增多，原有给水系统不堪重负，有些地区已经出现水量欠缺的现象，低压区也在不断增多。此外，在管网维护上主要依靠工作人员的维修经验，缺乏必要的理论依据及科学分析，管网工作常常工作于非最佳状态，这不但会造成水量浪费，还存在一定的安全隐患，出现停水事件。供水企业在确定管线走线和管径时通常是依据经验来进行的，由于实际管网较为复杂，工作量较大，管网的设计具有变量多、约束条件复杂的特点，进行城市给水管网系统的规划设计对于解决城市供水问题具有十分重要的意义。
1 城市给水管网系统规划设计的发展
城市给水管网系统的优化设计起始于20世纪60年代，我国的相关研究起步较晚，但近年来发展速度较快。总体而言，给水管网系统的优化设计经历了从单一型向复合型发展的过程，主要包括经典优化理论及应用→启发式算法研究及发展→多方法优化→地理信息系统。随着计算机辅助设计技术的出现和发展，一些新型算法不断应用于管网优化计算中，如人工神经网络法、遗传算法等，这些新技术促进了可视化技术和集成GIS的开发。随着管网优化研究领域的发展，管网运行的可靠性在提高，经济性在优化，环状管网与树状相结合的形式得以发展。当前，在我国的大城市中，给水管网已经形成了大型化、复杂化和多样化的管网规模，这对建设管网和进行管网的管理而言具有较高的要求。
2 给水管网规划设计的任务及原则
2.1 给水管网规划设计的任务
城市给水管网规划设计通常是在一定的条件下，在确定的水厂规模和位置背景下，对管网的模型进行建立和对运行工况进行计算，找到一个投资少、低能耗、安全可靠性高的管网系统设计方案。具体而言，进行城市给水管网规划设计的任务体现在以下两个方面：首先是管网的优化布置。作为给水管网规划设计的基础，管网的优化布置是否科学合理对于给水系统的安全可靠及经济性而言意义重大。此外还要注意供水分区及供水方式的优化，正确选择串联供水或并联加压的供水方式，加压站的设置要科学合理，保证供水系统的运行费用最低。其次是管径的优化设计。在给水管网中，管径的大小关系着系统的布局，受管段在管网系统中所承担的责任影响；在管网优化设计上，要基于管网的最优布置，通过优化模型进行求解。
2.2 给水管网规划设计的原则
作为一项系统而复杂的工程，城市给水工程设计需要遵循一定的原则，主要有以下三点：（1）要对城市的未来发展有科学的把握。给水系统的建设受城市未来发展所导向，在进行规划设计时要结合城市的总体规划、合理确定近期和远期的供水量；（2）规划设计要具有一定的针对性。要对当前城市给水管网系统存在的问题进行研究并给出应对措施，结合给水调查报告深入分析运行中存在的问题，给出解决措施；（3）在规划设计完成后，要基于供水需求和管网安全可靠运行的要求，尽可能地节省投资和降低能源消耗，保证可操
作性。
3 城市给水管网规划设计
3.1 管网系统优化设计
城市给水管网的主要功能是存储、输送以及分配水资源，它为城市的各项生活生产提供必要的水源，整个建设具有投资大和运行能耗高的特点，所以在城市给水工程设计中进行合理规划和优化设计十分重要。一般而言，给水管网的规划设计采用的是以下方法及
步骤：
3.1.1 结合城市总体规划。在确定近期和远期的供水范围、城市的用水总量规模上，需要与城市的总体规划相结合。相关规范指出，给水工程设计需要遵循的原则之一是：结合城市的远近期规划，以近期为主，兼顾远期。近期设计的参考年限以5～10年为宜，远期设计的参考年限以10～20年为宜。
3.1.2 结合城市布局及地形地势。在规划时，要进行供水分区的划分，对给水管网系统进行布置，建立相应的数据库。与小城市不同的是，大型城市的建设区面积极大，区域之间的地形高差十分明显，这个给水系统的规划设计带来了难度，导致管网系统的布置存在较多的形式。在规划中，要对不同的布置方案进行比较，找到最优方案。一般而言，管网的布置方案要考虑到输配水干管，可以忽略影响较小的给水支管；干管的布置要依据城市的规划布局和水源位置、供水形势等进行合理确定。
3.1.3 建立规划设计模型。在建立规划设计模型时，首先要进行模型目标函数以及约束条件的确定，数学模型的目标函数是经济性，其他方面是约束条件。传统的城市给水管网规划只是单一的造价规划，采用的模型是线性规划模型，以合理配置系统管段管径为最终结果。当前，在给水管网优化设计中，大部分采用的是非线性规划模型，包含有管网、泵站的投资建设及运行维修费用等。通过优化计算，在满足全部约束条件的前提下，进行目标函数最小化求解，从而有效降低系统的投资和运行维修费用。
3.1.4 计算方法选择。在优化计算方法的选择上，主要有两大类，分别是局部优化、全局优化。其中，前者采用的是线性规划、非线性规划等；后者采用的是遗传算法、蚁群算法等。
3.2 改造工程的优化设计
为了提高城市给水系统的供水质量及保证安全供水，很多城市需要对过去的给水管网进行改造。一般而言，城市给水管网的改造涉及到新增供水干管、管道管径的调整、受损严重管道的更换、增压泵站的扩建新增等。实施优化设计能够有效减小人为因素的影响，保证管网改造方案的科学合理。城市给水管网改造的目的是依据目标进行模型的构造，采用优化理论进行设计参数的合理确定和方案的选择。通常情况下，进行给水管网改造规划设计需要遵循以下步骤：首先是进行城市供水量、用水量、水厂、管网等资料的调查及收集，建立相应的结构数据库；其次要依据城市的近期目标和远期目标以及相应的规划布局，建立管网给水优化设计模型，对系统的运行工况进行模拟，通过模拟可以发现系统中存在的问题并及时给出调整措施，对改造的可行性进行研究，依据模拟结果对方案的技术、经济、安全性能等指标进行评估分析，找出最优的改造方案；最后是进行给水管网改造范围的确定，制定合理的管网改造方案。要与当前城市供水中存在的问题相结合，分清主次，合理安排改造计划，进行供水干管的新建，对当前的管道管径进行合理调整，及时更换老化的管道。
4 结语
本文针对城市给水管网系统的规划设计进行探讨，介绍了相关技术的发展，对其优化规划设计的原则进行了梳理，探讨了具体方法及实现步骤。总而言之，城市给水管网规划设计关乎经济和社会效益，我国当前的城市给水管网规划理论依然处在发展阶段，还有很大的发展空间。为了使得计算方法更加精确和完善，仍然需要在实践中不断探索、积累经验，形成一套完善的联系实际的理论系统。
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