摘要：本文分析了目前城市給水管網(wǎng)普遍存在的一些問題以及優(yōu)化的必要性，給出了簡(jiǎn)單的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型以及有效地優(yōu)化計(jì)算方法，即遺傳算法，為城市給水網(wǎng)管道的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

　　關(guān)鍵詞：給排水,管網(wǎng)設(shè)計(jì),優(yōu)化計(jì)算,遺傳算法

　　1.引言

　　城市給水管網(wǎng)是一項(xiàng)重要基礎(chǔ)設(shè)施，具有保證城市供水安全的重要作用，給水管網(wǎng)能否正常運(yùn)行對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有重要影響。而管網(wǎng)的建設(shè)費(fèi)用在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的比重一般都比較大，所以，應(yīng)在保證管網(wǎng)正常運(yùn)用和市民生活的同時(shí)，進(jìn)一步減少管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用，通過合理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)使其產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　城市給水系統(tǒng)主要包括取水工程、凈水工程和輸配水管網(wǎng)工程這三大部分。其中輸配水管網(wǎng)工程約占整個(gè)給水系統(tǒng)總投資的 60%-80%，涉及到每年大量供水能量的消耗，并且給水管網(wǎng)的運(yùn)行費(fèi)用一般高達(dá)制水成本的 30%-50%，因此，有必要對(duì)給水管網(wǎng)進(jìn)行改造并對(duì)其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性進(jìn)行研究，以達(dá)到降低投資，節(jié)約能量并保證安全供水的目的。我們?cè)诮o水工程設(shè)計(jì)方案的比較中，主要考慮非數(shù)量化社會(huì)效益的因素，如節(jié)約水泥鋼材、節(jié)約勞動(dòng)力和合理利用國(guó)家資源及原有設(shè)備的利用。

　　2. 目前城市給水管網(wǎng)存在的問題

　　作為市政基礎(chǔ)設(shè)施，在目前的情況下，城市的供水業(yè)在輸水過程中存在成本高、水壓低和供水困難等問題，因此，城市給水管網(wǎng)的改造和優(yōu)化對(duì)管網(wǎng)的安全性、適用性與經(jīng)濟(jì)性都至關(guān)重要。經(jīng)過一系列的調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大部分城市的給水管網(wǎng)都存在如下三個(gè)方面的問題。

　　2.1 給水管漏耗嚴(yán)重

　　由于管道的的鋪設(shè)年限比較久，部分城市出現(xiàn)供水管網(wǎng)老化，尤其是在老城區(qū)，供水管網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)間很多都在超過了50年，加上管材質(zhì)量較差，長(zhǎng)期超限運(yùn)行，年久失修，老化嚴(yán)重，經(jīng)常發(fā)生爆管以及各種形式的明漏、暗漏，而這部分管網(wǎng)大約占了全部管網(wǎng)長(zhǎng)度的6.2%，導(dǎo)致一般城市自來(lái)水漏失率達(dá)到10%-30%，平均水平在24%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐洲7%的平均漏損率。據(jù)估算，我國(guó)每年因給水管網(wǎng)漏損和爆管造成的損失竟高達(dá)5億元。

　　2.2 現(xiàn)有管網(wǎng)的供水安全性差、效率低

　　隨著生活水平的提高，人們對(duì)水的質(zhì)量和供水安全都非常關(guān)注。一方面，受天氣的影響、供水壓力過高、道路施工措施不妥、地下管道埋設(shè)較淺，抗重壓能力差等原因，會(huì)導(dǎo)致管道不堪重負(fù)，經(jīng)常發(fā)生爆管的現(xiàn)象。另一方面，給水管網(wǎng)系統(tǒng)類似一個(gè)反應(yīng)器，很龐大而且復(fù)雜，經(jīng)水廠處理完畢后的合格給水，在管網(wǎng)中又會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)就會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)下降，這樣就會(huì)既污染水質(zhì)，又造成安全隱患，因此，必須在滿足環(huán)境保護(hù)和社會(huì)需求的前提下，盡可能減少供水成本，提高管網(wǎng)供水的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

　　2.3 給水管網(wǎng)布局不合理

　　一方面，給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)不合理，仍然停留在以前的規(guī)劃控制中，沒能隨著需求的改變而相應(yīng)變化;另一方面，隨著城市的發(fā)展，會(huì)使經(jīng)濟(jì)文化中心轉(zhuǎn)移，以前不發(fā)達(dá)的區(qū)域變成了繁華的商業(yè)區(qū)和人口集中的地方，而且人們生活用水的用量在不斷增加，使得原有的給水管網(wǎng)達(dá)不到當(dāng)前的供水要求。

　　3. 給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　3.1管線設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　在目前接觸到的項(xiàng)目中管線定線采用的地形圖為1:1000，但是，必要時(shí)也可以通過現(xiàn)場(chǎng)的踏勘來(lái)確定或修正。如果僅僅是改造工程，需要注意的是，最理想的管位應(yīng)為和老管道凈距1.5m。但在實(shí)際操作中，有些管道之間影響不太大，凈距也可酌情減少。另外，若工程管線的各個(gè)豎向管道之間產(chǎn)生矛盾，應(yīng)當(dāng)遵行如下原則：一是支管要避讓干管;二是可彎曲管應(yīng)避讓不可彎曲管;三是規(guī)劃管線要避讓現(xiàn)狀管線;四是壓力管應(yīng)避讓重力管;五是管徑小的管線應(yīng)避讓管徑大的管線。

　　3.2 管網(wǎng)的優(yōu)化模型

　　在做給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)考慮四個(gè)方面，即保證供水所需的水量和水壓、水質(zhì)安全、可靠性以及經(jīng)濟(jì)性。因?yàn)樗�質(zhì)安全性不易定量來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，正常時(shí)或損壞時(shí)用水量會(huì)有變化、二級(jí)泵房的運(yùn)行和流量分配等都有不同方案，所有這些因素難以在數(shù)學(xué)式表達(dá)中體現(xiàn)出來(lái)，所以管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是在考慮到各種設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下，求得在一定的年限內(nèi)，其建造費(fèi)用和管理費(fèi)用之和達(dá)到最小時(shí)的管段直徑或者水頭損失。

　　在城市給水網(wǎng)總體規(guī)劃中首先要進(jìn)行用水量的預(yù)測(cè)，即采用一定的理論和方法，有條件地預(yù)計(jì)城市將來(lái)某一階段的可能用水量。用水量預(yù)測(cè)一般以過去的資料為依據(jù)，以今后用水趨向，經(jīng)濟(jì)條件，人口變化，資源情況，政策導(dǎo)向等為條件。各種預(yù)測(cè)方法是對(duì)各種影響用水的條件作出合理的假定，從而通過一定的方法，求出預(yù)期水量。然后進(jìn)行給水水源規(guī)劃，要了解該城市的水資源總量和可開采量，這與城市用水供需平衡、確定城市發(fā)展規(guī)模、功能布局、給水工程系統(tǒng)布置都有密切關(guān)系。最后進(jìn)行給水工程設(shè)施規(guī)劃。由于城市給水工程系統(tǒng)的確定是城市給水工程規(guī)劃的主要內(nèi)容。

　　目前給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)大多是以非線性數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過各種數(shù)學(xué)方法來(lái)進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算，并求出經(jīng)濟(jì)管徑，再進(jìn)行管網(wǎng)的平差計(jì)算，以及消防事故時(shí)、最不利管段損壞時(shí)核算。

　　3.3 管網(wǎng)優(yōu)化的遺傳算法

　　遺傳算法(GA)是Genetic Algorithm 的簡(jiǎn)稱，它的產(chǎn)生來(lái)自對(duì)生物系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的模擬研究，由Holland(美國(guó) Michigan大學(xué))教授和他的同事及其學(xué)生于1975年首次提出，該算法是受生物模擬技術(shù)而啟發(fā)來(lái)，是一種基于遺傳和進(jìn)化機(jī)制的，適用于復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化方面的，自適應(yīng)的概率優(yōu)化技術(shù)。

　　4.結(jié)論

　　本文通過對(duì)現(xiàn)有城市給水管網(wǎng)普遍存在的問題進(jìn)行詳細(xì)的分析，闡述了對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的必要性，給出了管線設(shè)計(jì)的一些基本原則。在對(duì)給水管網(wǎng)水力優(yōu)化計(jì)算的理論進(jìn)行系統(tǒng)地介紹的基礎(chǔ)上，分析了優(yōu)化設(shè)計(jì)的相關(guān)約束條件 進(jìn)而提出了采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化以尋求最優(yōu)解。該方法是一種基于計(jì)算機(jī)計(jì)算的新方法，是模擬自然界生物進(jìn)化過程與機(jī)制求解問題的一類自組織與自適應(yīng)的人工智能技術(shù)，該技術(shù)已廣泛用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、信息技術(shù)及、工程實(shí)踐，在今后的城市給水管網(wǎng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化計(jì)算中必將大有潛力。

　　5.參考文獻(xiàn)

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