王榮和 劉遂慶
同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

　　論文摘要 本文作者從自己的實際工程經(jīng)驗出發(fā)，進行給水管網(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行給水管網(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)擴建實際工程進行驗證。結(jié)果表明，應(yīng)用這一全新的管網(wǎng)規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計理論進行管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計，可使所設(shè)計的管網(wǎng)系統(tǒng)能夠滿足近期和遠期的供水要求、避免在施工中出現(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)，高速公路，優(yōu)化設(shè)計，多工況，供水

　　ABSTRACT With the help of their real engineering experiences and the design methods of expressway in metropolises, the authors present the expressway theory and multiple load control for layout and optimal designs of water supply net work systems. They compiled one software. The paper presents an example and a real expended water supply net work engineering, 800,000m³ per day＇s flow of Yellow River sources of Taiyuan, Shanxi province. The research results evince that with the new theory and method, we can design the water supply net works to match the requirements of the future, avoid the broken of road in construction, save investment and have good hydraulic conditions.

　　Keywords: net works, Expressway, Optimal design, Mutiple load, Water supply

　　一、概述

　　隨著社會的發(fā)展，我國人口的城市化比例越來越高，各城市的工業(yè)產(chǎn)值不斷提高，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迅速發(fā)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，都已開始實施大規(guī)模的引水工程，如引黃工程等。目前開始實施國家“十五”計劃，各城市的引水工程大多已進入水廠建設(shè)階段，從而使管網(wǎng)配套工程顯得尤為迫切。
　　給水管網(wǎng)工程投資巨大，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，進行合理的規(guī)劃和優(yōu)化設(shè)計，并進行系統(tǒng)的現(xiàn)狀、近期和遠期的水力模擬校核，以期能達到設(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)果表明，這一方法可適用于大中型城市的管網(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(dāng)城市的發(fā)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)道路的多次“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，可以大幅度地提高一個城市的交通運輸能力，其投資/效益比是相當(dāng)高的。高速環(huán)線之所以能夠提高運輸能力，主要原因是提高了車速?；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”，如果是主干線，則盡量使干線到左右兩側(cè)邊緣的距離相近；如果是內(nèi)環(huán)線，則使環(huán)線到外側(cè)邊緣的距離與到環(huán)中心的距離相近。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局部水頭損失的影響，在技術(shù)上可以避免大口徑管線與小口徑管線的連接，節(jié)省投資。在環(huán)線上之所以要盡量避免局部水頭損失，其原因在于，環(huán)線的管徑比較大，流速也大，按照hf=ξV²/2g，ξ=(0.1～1.5)+(0.03～0.49) ^[3] ，如果取ξ=1.0, v=2.0，則h_f=0.2米，也就是說，每接一條管子，則存在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)的發(fā)展，而在市區(qū)內(nèi)，由于人口和工業(yè)布局的相對穩(wěn)定，用水量的變化比較小。
　　通過高速公路理論進行管網(wǎng)布置的特點是，在環(huán)線建設(shè)時，盡量考慮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，從而避免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)布置并進行管網(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)目標(biāo)函數(shù)
　　管網(wǎng)的目標(biāo)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/KWh); Q_ij:水泵i在供水情況j下的供水量(l/s); H_ij:水泵i在供水情況j下的供水揚程(米); T_ij:水泵i在供水情況j下的運行時間占全年時間的百分?jǐn)?shù)；η_ij:水泵i在供水情況j下的運行效率；p:管段數(shù)；C_kn相對應(yīng)于管徑的每米管線在n區(qū)的投資(元/米)；L_kn對應(yīng)于管徑的管線在n區(qū)的長度(米)；y:貼現(xiàn)率；t:項目計算期(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，…，H_n]^T;
　　　　B為各節(jié)點的節(jié)點流量，對于非水源節(jié)點，b_i=q_i; 對于水源節(jié)點，b_i=10⁵⁰H_r;
　　　　　　 B=[b₁,b₂,…,b_n]^T(2)節(jié)點水壓約束
　　H_ij≥H_rij ，i:節(jié)點號;j:供水情況；H_r:節(jié)點的最低要求水頭；
　　(3)管徑范圍約束
　　D_i={D_1i，D_2i，…，D_di}，i:管段鏈號；d:標(biāo)準(zhǔn)管徑個數(shù)。
　　(4)節(jié)點流量約束
　　q_i={q_1i, q_2i, …, q_ui}， 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)或離開這一曲線，則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)狀分析和基礎(chǔ)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)生產(chǎn)的迅速增長，地下水資源超量開采嚴(yán)重，地下水位逐漸下降，已嚴(yán)重影響到人民的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。為此，太原市決定黃河引水，以解決嚴(yán)重的缺水問題。
　　對黃河水源引水工程，分為三期實施，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)計的原則是，在充分利用現(xiàn)有管線系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行管網(wǎng)系統(tǒng)的擴建設(shè)計，以80萬米³/日為優(yōu)化目標(biāo)，并進行40萬米³/日的校核，再在80萬米³/日的基礎(chǔ)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(biāo)高為844.0米，太原市區(qū)平均地面標(biāo)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(biāo)高840.0米，東側(cè)最高點為858.0米。為了充分利用現(xiàn)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)按三期分別實施；東部加壓區(qū)按照城市發(fā)展規(guī)劃，分為兩期實施，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)，只進行第三期的管網(wǎng)擴建。為此，我們按照太原市城市發(fā)展的規(guī)劃目標(biāo)，進行實地堪察、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(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化法進行優(yōu)化計算，對高速公路布置方案采用多工況優(yōu)化技術(shù)進行優(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(dāng)?shù)氐牟牧蟽r格指標(biāo)、施工及破路費用，得到優(yōu)化計算所需的綜合經(jīng)濟指標(biāo)，如表1所示。

　　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基礎(chǔ)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)用軟件系統(tǒng)，采用多工況控制優(yōu)化技術(shù)進行優(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2～5所示。

　　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行綜合分析，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實施方案。

四、結(jié)論

　　本文提出給水管網(wǎng)的高速公路布置理論，采用示例和實際工程相結(jié)合的方法進行驗證，并得出計算機軟件完全適應(yīng)于進行大型給水管網(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行管網(wǎng)系統(tǒng)的規(guī)劃和設(shè)計，從而可以避免在供水規(guī)模和供水重心發(fā)生變化的情況下，所出現(xiàn)的對現(xiàn)有管網(wǎng)系統(tǒng)進行大范圍改造的問題。尤其對于大中型城市的多水源供水系統(tǒng)，管網(wǎng)的高速公路布置方案，更顯示出其特有的優(yōu)越性。

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王榮和 博士、副教授， 同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 200092
研究方向：給水排水工程設(shè)計與運行中的最優(yōu)化
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