供水工程给水管网多目标优化设计研究

供水工程给水管网多目标优化设计研究

党照,党侃,杨澍垚

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市   710000

摘要：随着我国社会经济建设的快速发展，政府对城镇基础设施建设的投资力度逐渐加大，许多大型供水项目数量日益增加。供水项目作为城镇重要的民生项目，担负着为城镇人们生活和工农业供水的重任，在促进经济发展、提高人们生活水平等方面发挥着不可替代的作用。在城镇供水项目建设过程中，给水管道工程的建设成本占到项目总投资的一半以上，其管网建设质量对项目建成投入使用后的运行管理水平有着较大的影响。然而，目前部分给水管网工程并没有按照相关技术规定进行科学的设计，导致工程建成后出现了诸多的质量及管理问题，严重影响到人们的日常生活和工农业的正常运作。因此，加强供水项目给水管网工程设计工作的研究对城镇今后的发展具有重要意义。

关键词：供水；给水管网；管道设计

一、城镇给水管网优化设计的现状

给水管网优化研究主要集中在管网优化布置、管网优化设计和管网优化调度方面。对管网优化布置和管网优化设计，依据管网最高日最高时用水量、集中流量、设计人口、时变化系数、管道长度等参数选取合适的输配水管网设计流量计算方法；管网优化布置主要是对输配水管网的形式、走向等进行优化，使得管网总长度最短或总投资最小；管网优化设计主要是以管网经济性和可靠性指标为目标，采取传统或现代的优化算法对管径组合或其他参数进行优化。关于管网优化布置和优化设计，国内外学者做了大量的研究，现已发展出一套相对成熟的理论。给水管网的优化布置是管网优化设计的前提，影响着给水工程投资、管道稳定以及管网运行等，因此国内外大量学者也针对管网的优化布置做了大量研究工作。国内学者的研究中，[2]从管网出发进行优化布置，基于管径相同的假设，以相邻各结点距离最小为原则进行管网布置，再以管网总投资最省为目标进行布置方案的修正。基于最小生成树理论，以管网总长度最短为优化布置目标，并对优化布置模型的结果进行修正，修正原则为单价矢量和最小。基于生成树变化算法，以供水路线最短为目标对多水源管网进行优化布置。基于图论和遗传算法相关知识，对传统的遗传算法进行改进后，以管网造价最低为目标进行树状管网的优化布置。基于图论和蚁群算法相关知识，分别以管网总长度和总造价为优化目标，采用蚁群算法求解，并与传统的单亲遗传算法、Kruskal算法和Dijkstral算法进行对比分析。基于图论理论和最小生成树法的剪枝理论，利用Kruskal 算法进行管网布置，求解最小生成树并进行修正。基于Dijkstra优化算法并进行改进，对管网以管线总长度最短为目标进行优化布置。

二、城镇供水项目给水管网工程设计

1、管道图的分类。根据管道图的用途不同，管网总平面布置图、管网节点详图、输水管线图。

（1）管网总平面布置图。管网总平面布置图是按着城镇总体规划的要求，经过管网水力计算或技术经济计算拟定的。在规划设计年限内，是指导管网建设的重要依据。图中包括管网现状图、客网设计图、管网规划图，表明了水源、输水管线、净水厂、输配水管线和加压泵站的位置。

（2）管网节点详图。管网节点详图即为把规划设计管网的闸阀布置图（包括主要预留分支闸阀、排气阀和泄水阀的位置）和管网节点布置图落在同一图内，同时对各节点进行组合放大，称为节点大样图。

（3）输水管线图。输水管线指水源至净水厂输送原水的管道、汲取地下水和取地面水源压力流管道，由水源取水工程平面图和管道纵断面图组成，要注意管道防冻和在隆起点设排气阀；取水库水和河流水的重力流管道，应根据纵断图在满足水力条件下设置沉砂井和进水闸阀，以备定期清理。

2、管网输配水干管的单项管道施工图的设计。在设计管道前，应对管道走向进行现场踏勘，测定现状的带状平面图。这种图纸可向规划部门索取或委托测绘，请求规划部门进行具体的管道线。管道的定线原则，既要符合城镇总体规划的要求，又要结合道路现状进行综合研究。对于输、配水干管的管道施工图，应包括目录、说明、主要材料、设备明细表、管道示意缩图、带状平面图、纵断面图、管道穿越特殊地带的横断面图、局部大样图、节点管件组装图，地下水位高和地质条件复杂地区要有相关的水文、地质资料。单项管道施工图，一般由平面带状图、节点详图和纵断面图组成。管道平面带状图的比例，在镇区和近郊，采用 1：500 或 1：1000 的比例，远郊采用 1：2000 比例。带状图的宽度，以能标明管道相对位置的需要而确定，一般在 30～50m 的范围内变化。由于带状平面图是截取地形图的一部分，因此图上地物、地貌的标注方法，与相同比例的地形图一致，并按管道图的特殊性在图上标明以下内容：1）现状道路或规划道路中心线，中心线的折点坐标，管道和道路中心线间的距离。2）当管道与道路中心线没有关系或旧城区弯曲而零乱的街道无明显的中线时，应注明与永久性地物间的相对距离。3）管道与道路中线的距离，管道折点坐标，管道中线的方位角。4）管道上节点的平面布置。节点大样图采用与平面带状图相同比例，在管道节点位置画出管件节点图；在较为复杂的节点或特殊管段画出节点大样图。管道纵断面图是反映管道埋设情况的主要技术资料之一，其作用是控制整个管道工程施工质量的关键。

其实施步骤如下：1）按照平面带状图定线，沿管道地面线布桩，桩距为 20m1 个，在特殊地段（过河倒虹吸管）和地形复杂的地段要加桩，并进行高程测量。2）在纵断面图上，以水平距离为横轴，以高程为纵轴，一般横轴的比例采取与带状平面图一样的比例，为了更明显地显示地势起伏情况，纵轴标尺比例常为 1：100，纵断面图为方便展点查找数据，常画在方格纸上。在纵断面图下面的几个横行内，把测量数据（地面高程）、设计及计算数据分别逐项填入。各桩点的高程数据较大，而地面的起伏变化相对说来又较小；因此标注高程时，要从管段高程范围内最低整数开始，这样既压缩了图幅又便于使用。具体步骤是：按照各桩点地面高程的测量结果，绘制出地面现状线，参照带状平面图上立交的其它管线的位置（桩号）、规格、埋深，在纵断面图的相应位置上给以标注，然后根据给水管道及管道附属阀门等的埋深要求，进行管道的纵断面设计，并在图中画上管道线（粗实线），在相应的栏内填入管底设计高程、挖深、坡度等。道路已按规划建成，地面现状线和规划线是一致的，否则地面线有两条，其中以虚线表示路面的规划线。管道埋深按路面规划线结合现状线进行设计，挖深按地面现状线计算。坡度一栏，斜线表示管道的坡度方向，斜线上方标注的是坡度数值，斜线下方注明的是这种坡度延续的水平距离。管道在纵向折点范围内，若坡度是一致的，根据折点的高程及计算出来的坡度，可以计算出该坡度范围内各桩号的设计高程，即：某点的设计高程=起点高程±设计坡度起点至某点的距离）。地面高程和管底设计高程之差，就是沟槽挖深。若为负数则为填高数值。管道的隆起点即为设排气阀位置；管网管道的最低点即为泄水阀位置。

综上所述，城镇供水工程的给水管网工程是一项重要的民生项目，对城镇经济的发展具有重要的促进作用。因此，在城镇供水工程建设中，建设单位提高设计人员的技术水平，结合项目的特点，制定出合理的、科学的给水管网工程设计方案，并对设计方案进行必要的审核，从而确保供水项目建设后各项功能的有效发挥。

参考文献：

[1] 李淑梅，曹恒来.刍议供水管道设计与常见问题[J].城市建设理论研究.2018.12.

[2] 庄宝玉，杨宇飞，赵新华. 基于改进混合蛙跳算法的供水管网优化[J] . 中国给水排水，2018， 27（9）： 45-49 .