1、給水管網(wǎng)布置方法討論摘要：本文作者從自己的實際工程經(jīng)歷出發(fā)，進展給水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和布置，提出給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的高速公路理論和多工況控制進展給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的方法，編寫計算機軟件系統(tǒng)，并通過例題和黃河水源太原市80萬米3/日的管網(wǎng)擴建實際工程進展驗證。結(jié)果說明，應(yīng)用這一全新的管網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計理論進展管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，可使所設(shè)計的管網(wǎng)系統(tǒng)可以滿足近期和遠期的供水要求、防止在施工中出現(xiàn)的大范圍破壞路面的問題，并可節(jié)省工程投資，使供水條件更有利。關(guān)鍵詞：管網(wǎng)布置高速公路優(yōu)化設(shè)計多工況ABSTRATiththehelpfthEirrealengineeringexperienesandthedesign

2、ethdsfexpressayinetrplises,theauthrspresenttheexpressaytheryandultipleladntrlfrlayutandptialdesignsfatersupplynetrksystes.Theypilednesftare.Thepaperpresentsanexapleandarealexpendedatersupplynetrkengineering,800,0003perdaysflfYellRiversuresfTaiyuan,Shanxiprvine.Theresearhresultsevinethatiththenethery

3、andethd,eandesigntheatersupplynetrkstaththerequireentsfthefuture,avidthebrkenfradinnstrutin,saveinvestentandhavegdhydraulinditins.Keyrds:netrks,Expressay,ptialdesign,utiplelad,atersupply一、概述隨著社會的開展，我國人口的城市化比例越來越高，各城市的工業(yè)產(chǎn)值不斷進步，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(zhì)的要求也越來越高。目前，大多數(shù)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

4、迅速開展的關(guān)鍵因素之一。城市供水部門已認識到供水的重要性，都已開場施行大規(guī)模的引水工程，如引黃工程等。目前開場施行國家“十五方案，各城市的引水工程大多已進入水廠建立階段，從而使管網(wǎng)配套工程顯得尤為迫切。給水管網(wǎng)工程投資宏大，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(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計階段，進展合理的規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計，并進展系統(tǒng)的現(xiàn)狀、近期和遠期的水力模擬校核，以期能到達設(shè)計最優(yōu)化的目的。本文提出給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的高速公路理論，利用計算機軟件加以實現(xiàn)2，并通過太原市黃河水源80萬米3/日的管網(wǎng)擴建工程加以驗證。結(jié)果說明，這一方法可適用于

5、大中型城市的管網(wǎng)擴建工程。二、給水管網(wǎng)多工況優(yōu)化設(shè)計的高速公路理論分析1、給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的高速公路理論分析給水管網(wǎng)規(guī)劃、定線是管網(wǎng)設(shè)計的初始階段，其布置的合理與否直接關(guān)系到供水運行的合理與否及水泵揚程的設(shè)置。在管網(wǎng)規(guī)劃和布置中存在的主要問題是，當城市的開展重心、投資方向、城市規(guī)劃，或供水規(guī)模發(fā)生變化時，按常規(guī)方法所設(shè)計的管網(wǎng)，由于無法解決優(yōu)化及對條件變化適應(yīng)性的矛盾，使設(shè)計、管理及施工部門常常處于被動的“修補地位，從而出現(xiàn)道路的屢次“開膛破肚，造成大量的破壞和人工及資源的浪費。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的根本原因，在于設(shè)計人員自始止終的下意識里就存在對管網(wǎng)系統(tǒng)“修修補補的固有設(shè)計思路，沒有從宏觀及方法上加

6、以拓展。我們都知道，高速內(nèi)環(huán)或外環(huán)道路，可以大幅度地進步一個城市的交通運輸才能，其投資/效益比是相當高的。高速環(huán)線之所以可以進步運輸才能，主要原因是進步了車速?；谶@一思路，我們提出給水管網(wǎng)設(shè)計的高速公路理論，反映到管網(wǎng)的規(guī)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(nèi)環(huán)線，假如是主干線，那么盡量使干線到左右兩側(cè)邊緣的間隔 相近；假如是內(nèi)環(huán)線，那么使環(huán)線到外側(cè)邊緣的間隔 與到環(huán)中心的間隔 相近。對大型城市，可以考慮建立雙環(huán)線或“中字線。2)在環(huán)線上，使環(huán)線只與干管相連，不與支管相連，這樣在水力上可以減小部分水頭損失的影響，在技術(shù)上可以防止

7、大口徑管線與小口徑管線的連接，節(jié)省投資。在環(huán)線上之所以要盡量防止部分水頭損失，其原因在于，環(huán)線的管徑比擬大，流速也大，按照hf=V2/2g，=(0.11.5)+(0.030.49)3，假如取=1.0,v=2.0，那么hf=0.2米，也就是說，每接一條管子，那么存在0.2米的水頭損失，這樣對下游的影響較大。3)水流從環(huán)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(guī)模的不斷擴大和新增工業(yè)、企業(yè)的開展，而在市區(qū)內(nèi)，由于人口和工業(yè)布局的相對穩(wěn)定，用水量的變化比擬校通過高速公路理論進展管網(wǎng)布置的特點是，在環(huán)線建立時，盡量考慮

8、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，從而防止由于供水重心的變化而造成的管網(wǎng)的大變動，使管網(wǎng)的適應(yīng)范圍更廣。通過算例證明，應(yīng)用高速公路理論所設(shè)計的管網(wǎng)，其投資同采用常規(guī)布置并進展管網(wǎng)優(yōu)化的方法相近。2、給水管網(wǎng)多工況優(yōu)化計算所謂多工況優(yōu)化計算，就是在優(yōu)化過程中，同時考慮到最大用水時、事故時、消防時、最大轉(zhuǎn)輸時等各種可能出現(xiàn)的供水工況，使所設(shè)計的管網(wǎng)系統(tǒng)同時滿足多種工況的供水要求1,4,5,6。1)目的函數(shù)管網(wǎng)的目的函數(shù)是通過年費用折算值來表示:L:供水工況數(shù)；S:水泵臺數(shù)；e:電費(元/Kh);Qij:水泵i在供水情況j下的供水量(l/s);Hij:水泵i在供水

9、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(shù)；ij:水泵i在供水情況j下的運行效率；p:管段數(shù)；kn相對應(yīng)于管徑的每米管線在n區(qū)的投資(元/米)；Lkn對應(yīng)于管徑的管線在n區(qū)的長度(米)；y:貼現(xiàn)率；t:工程計算期(年)。2)約束條件(1)節(jié)點方程約束AH=B其中A為線性化系數(shù)矩陣，H為各個節(jié)點的水壓：H=H1，H2，H3，HnT;B為各節(jié)點的節(jié)點流量，對于非水源節(jié)點，bi=qi;對于水源節(jié)點，bi=1050Hr;B=b1,b2,bnT(2)節(jié)點水壓約束HijHrij，i:節(jié)點號;j:供水情況；Hr:節(jié)點的最低要求水頭；(3)管徑范圍約束Di=D1i，D2

10、i，Ddi，i:管段鏈號；d:標準管徑個數(shù)。(4)節(jié)點流量約束qi=q1i,q2i,qui，i:節(jié)點號；u:供水工況數(shù)。(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(qū)或分開這一曲線，那么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(shù)；(6)水源水量約束,s:水源數(shù)；n:節(jié)點數(shù)；三、太原市80萬米3/日給水管網(wǎng)擴建工程1、現(xiàn)狀分析和根底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(yè)消費的迅速增長，地下水資源超量開采嚴重，地下水位逐漸下降，

11、已嚴重影響到人民的日常生活和工業(yè)消費的開展。為此，太原市決定黃河引水，以解決嚴重的缺水問題。對黃河水源引水工程，分為三期施行，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(wǎng)規(guī)劃設(shè)計的原那么是，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的根底上，進展管網(wǎng)系統(tǒng)的擴建立計，以80萬米3/日為優(yōu)化目的，并進展40萬米3/日的校核，再在80萬米3/日的根底上，擴建成190萬米3/日的供水規(guī)模。2、規(guī)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(qū)平均地面標高為800.0米左右，可資用水頭44米左右，西側(cè)最高點地面標高840.0米，東側(cè)最高點為858.0米。為了充分利用現(xiàn)

12、有水頭，并以節(jié)約能量為目的，管網(wǎng)系統(tǒng)分為三個區(qū)，即重力供水中心區(qū)、東部加壓區(qū)和西山加壓區(qū)。中心區(qū)按三期分別施行；東部加壓區(qū)按照城市開展規(guī)劃，分為兩期施行，即第二期和第三期；西部加壓區(qū)在第一期和第二期利用現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)，只進展第三期的管網(wǎng)擴建。為此，我們按照太原市城市開展的規(guī)劃目的，進展實地堪察、用水量調(diào)查和現(xiàn)狀分析，并采用常規(guī)規(guī)劃法和高速公路規(guī)劃法，對規(guī)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(wǎng)布置方案，即二期的常規(guī)布置方案、內(nèi)環(huán)高速公路布置方案和外環(huán)高速公路布置方案，三期的常規(guī)布置方案、“中字高速公路布置方案和內(nèi)外環(huán)高速公路布置方案，并對常規(guī)布置方案采用標準優(yōu)化法進展優(yōu)化計

13、算，對高速公路布置方案采用多工況優(yōu)化技術(shù)進展優(yōu)化計算。如圖為所推薦的“中字高速公路布置方案(粗虛線為高速主干線)。3、優(yōu)化計算及結(jié)果分析按照太原市當?shù)氐牟牧蟽r格指標、施工及破路費用，得到優(yōu)化計算所需的綜合經(jīng)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()200300400500600700800900價格(元/)627.81143.81210.91473.11771.12080.52442.32824.8管徑()10001200140016001800200022002400價格(元/)3187.64258.35201.06303.77801.08800.410621.0114

14、99.9電費：0.35元/KH；工程計算期：20年；投資收益率：5%；水泵效率：80%。多工況優(yōu)化計算的控制條件：1)水壓要求：在最大用水時，所有節(jié)點的最小自由水壓，除大網(wǎng)東側(cè)二個最不利節(jié)點滿足12.0米外，其余節(jié)點均要滿足20.0米，并且60%以上的節(jié)點壓力要滿足28.0米的要求；在消防時，所有節(jié)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(shè)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根底上，對重力供水區(qū)增加4個流量為100L/S的消防點，對東部加壓區(qū)增加二個40L/S的消防點，對西部加壓區(qū)增加二個35L/S的消防點。對高速公路布置方案，我們應(yīng)用軟件

15、系統(tǒng)，采用多工況控制優(yōu)化技術(shù)進展優(yōu)化設(shè)計計算，其優(yōu)化結(jié)果完全滿足各節(jié)點在不同工況下的流量和壓力要求，其優(yōu)化結(jié)論如表25所示。表2一期40萬米3/日優(yōu)化計算結(jié)果40萬米3/日中心區(qū)內(nèi)環(huán)布置中心區(qū)外環(huán)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(K)173.627163.200平均管徑()923.444907.255其中新鋪管線:總長度(K)105.28097.962平均管徑()1249.6491230.437表3二期80萬米3/日優(yōu)化計算結(jié)果80萬米3/日中心區(qū)內(nèi)環(huán)布置中心區(qū)外環(huán)布置東部加

16、壓區(qū)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(K)198.568196.06654.844平均管徑895.259926.029577.300其中新鋪管線:總長度(K)96.06899.06042.247平均管徑()1370.2721389.357615.432表4三期190萬米3/日優(yōu)化計算結(jié)果190萬米3/日中心區(qū)“中布置中心區(qū)內(nèi)外環(huán)布置東部加壓區(qū)西部加壓區(qū)總投資(萬元)55650.29752853.004349.9773686.143年折算

17、值(萬元)4465.5244241.062366.617570.631運行費用(萬元)338.534274.845管線總長度(K)245.176246.06257.22024.553平均管徑()1187.8861183.769574.091574.995其中新鋪管線:總長度(K)73.25368.5252.37619.686平均管徑()1706.1701717.410500.000612.022表5優(yōu)化計算結(jié)果經(jīng)濟分析總投資(萬元)年費用折算值(萬元/年)年運行費用(萬元/年)內(nèi)環(huán)布置方案：一期(40萬噸/日)54219.7034433.32482.594外環(huán)布置方案：一期(40萬噸/日)49

18、382.6724049.02886.435內(nèi)環(huán)布置方案：二期(80萬噸/日)12150.7441546.127653.715二期小計66370.447外環(huán)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122370.721內(nèi)外環(huán)布置方案：三期(190萬噸/日)53202.9814607.679613.379三期總計121095.065通過對優(yōu)化結(jié)果的投資、水力條件、運行管理、施工方便程度等方面進展綜合分析，我們推薦第二期的內(nèi)環(huán)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施行方案。四、結(jié)論本文提出給水管網(wǎng)的高速公路布置理論，采用例如和實際工程相結(jié)合的方法進展驗證，并得出計算機軟件完全適應(yīng)于進展大型給水管網(wǎng)系統(tǒng)的多工況控制優(yōu)化設(shè)計的結(jié)論。應(yīng)用給水管網(wǎng)系統(tǒng)的高速公路布置理論和軟件系統(tǒng)，使人們完全用一個全新的觀念進展管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計，從而可以防止在供水規(guī)模和供水重心發(fā)生變化的情況下，所出現(xiàn)的對現(xiàn)