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【摘 要】作为城市供水系统的重要组成部分，给水管网需要大量资金投入，占到了整个供水工程建设投资比例的绝大部分。所以对给水管网进行优化设计，在保证用水安全性、可靠性的前提下，降低工程造价，具有巨大的经济效益和现实意义。本文就市政给水管网设计进行简单的探讨，并就一些优化设计作出简单介绍。
【关键词】给水管网设计；评价体系；设计细节；优化设计
给水管网直接沟通着供水厂与千家万户，铺设管线较长，是城市供水系统中投资最高的建设部分，约占给水系统总成本的 50%-80%。因此科学合理的给水管网设计对城市发展，人们安居乐业具有非常重要的作用。科学合理的给水管网能够保证服务范围内居民充足的用水、水压，还能整体上降低节点水龄，减小管网漏失率，从而降低水厂制水成本、供水能耗[1]。
1.市政给水管网规划的意义
伴随着城市化水平的不断提高，城市供水公司的规模也在不断的壮大，但现实供水情况是仍然难以满足群众对用水的需求，特别是一些城市在用水高峰期还会出现停水的状况。为了给城市居民提供优质、充足的用水，市政给水管网的设计必须要深入研究，不断优化，同时也对市政给水管网规划人员提出了更高的要求，市政给水给水管网的规划是整个城市供水体系的决定因素，良好的规划有着非常大的必要性和意义：（1）它指导着后期的施工建设，其规划的优劣直接关系到城市居民和工业企业能否随时随刻的享受到健康优质的水资源服务。（2）好的规划能满足居民生活和工业生产的需要，提高对水资源的利用率，以及为国家节省建设费用。
2.给水管网设计的的评价体系
随着计算机、自动化技术的快的飞速发展，工程应用中系统的组成要素越来越多，复杂性越来越高，给水管网在运行过程中，由于其系统构造、老化趋势、疲劳程度、环境以及人为因素的影响，其健康状况会逐步衰退。这就需要对给水管网设计进行合理的评价，做到前期审核上的严格把关，及时发现问题，及时解决。
科学有效的评价体系要得到执行，还需要建立严格的制度保障和正确的原则引导：（1）正确的故障排查。对管网设计的评价最根本目的就是找到设计中的不足之处，要在前期就要考虑到以后给水管网可能出现的问题，例如供水中严重的漏失现象，地段的合理性等等，所有可能出现的问题都要考虑进去。（2）经济性。我国目前大力倡导的“建设资源节约型，环境友好型社会”的理念，给水管网设计的评价体系要大力贯彻，设计之处要就要从经济性方面考虑，做到节约资源，降低能耗。（3）可靠性。评价体系的建立要本着认真可靠负责的态度对设计进行评价，同时要保证设计下的给水系统能在规定的使用状态下，在规定时间内完成预定功能的性能[2]。
3.给水管网的设计细节
给水管网的设计关系到整个城市的供水安全，更关系到居民的日常生活，所以对给水管网设计要从多方面综合考虑[3]。
3.1给水管网管材设计
给水管网管材设计包括管道材料的选择和管型的确定。（1）管道材料的选择上，由于科学技术的日益飞进，在管道材料开发方面也有着不小的进步，所以对管道材料有着多方面的选择，现阶段我国给水管网实践中主要用的是有钢管和球墨铸铁管金属管材，同时还有着非金属管材种类，比如目前技术相当成熟的聚乙烯管和硬聚氯乙烯管，不过，给水管网是一个多变性和负责性的问题，所以在管材选择上要因地制宜，根据具体情况具体分析，充分发挥各种管材安全可靠和满足使用要求。（2）管径的确认应根据给水总体规和专项规划图确定。
并适当考虑现在用水情况及今后的发展情况。给水管径的确认要考虑多方面的情况，例如新旧城区的区别，给水流量在日月之中的变化，给水管线铺设的长短等等方面[4] [5]。
3.2给水管接口设计
作为市政给水管网设计的一个重要项目，市政给水管的接口也应该在设计规划考虑范围内，它主要包括刚性接口和柔性接口，还可以采用外侧填料对接口进行处理。不同的接口使用不同的地方，具有不同的优势。承插铸铁管的主要采取刚性接口的形式，往插口缝隙中填缝料才属于刚性接口，现在基本都使用粘合力强的石棉水泥。当管道的内壁为橡胶圈接口可做成坡形，可在管道口内嵌入楔形橡胶圈来起密封作用，以避免漏水事故的发生，而橡胶圈接口就是一种柔性接口，工程实践表明柔性接口抗震性能很好，而且可以大大提高施工的速度[6]。
3.3市政给水管网的抗震性
市政管网设计之处要考虑到其抗震性，其原因是我国处于东太平洋地震板块中，所以经常会有不同程度的地震发生，地震对市政给水管网可能造成管道断裂，使得水到处洒落而浸泡重要设备，给水管水量大的情况下还可能会出现水灾，市政给水管网的基础坍塌还可能会导致设备损坏和人员伤亡现象的发生[7]。所以在设计进行选址时应尽量避开地震断段，应在设计在地质构造和岩坡相对稳定地带，而且位于地震区的城市的水源不宜少于两个。
4.市政给水管网优化设计
在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般采取以下方法和步骤：
4.1与城市发展相结合
与实际相结合就是要立足实际，充分了解城市的未来规划，根据城市的发展进度来合理的设计城市给水管网并合理确定近远期的供水范围、城市用水量、供水水源及规模。
4.2与城市地理环境结合
在大城市中，由于所占有面积较大，不同的区域有可能就会出现不同的地址情况，所以在布局给水管网时要考虑城市的地理环境，并对不同的布局方案进行比较，择优运用。
4.3建立给水管网优化设计模型
模型的建立是为了更好满足优化设计的要求，出发点是经济性，但是，在现阶段的优化设计中，要改变传统的以工程造价为目标的单一优化模型，要多采用包含管网、泵站投资建设和运行维修等费用的非线性规划模型。并通过数学方法进行管网优化计算，从而使得整个管网系统投资及相应的运行维修费用最低。 4.4选择最优计算法
给水管网的优化设计方法，目前国内外主要有经典优化法、线性规划法、界限流量法、动态规划法、广义简约梯度法、遗传算法、优选管径法[8]，这些优化方法各有利弊，要根据具体的工程来选择。以下一有关一些重要算法的简单介绍：
4.4.1生物进化规划和遗传算法
随着生物工程的发展，遗传算法已经介入到工程领域，其主要在有泵管网、管网扩建与改建等课题中也开始有应用，在给水管网设计中是一种策略枚举法，以单工况，单水源的简单情况为例：第一步对工程中所限定的不同标准管径进行编码，从而不同的管径组合方案会形成不同的代码串。第二步对每一个代码串进行解码，由水利计算子程序求出该方案下管网水利特性[9]。第三步运用遗传算法对产生的初始方案进行选择、重组，进一步产生新一代个体，然后仿照生物的进化过程演化下去，最终得到满足需要的最优个体，解码后即为该课题最优方案。
4.4.2直接优化法
直接优化法是对方案和方案中的一些数据进行直接的选择计算并得到最优结果。直接优化法有利有弊，优点是直观和方便，缺点是由于设计人员的能力有限，结果不尽相同，并不一定是最优解。
直接优化法主要方法是电子表格法和两厢优化法，其中，两厢优化法是针对管道埋深来说的，它基于设计流量确定后，在约束条件满足的情况下，通过选取最经济流速等来确定管径大小和最优坡度[10]。
4.4.3动态优化法
动态优化法是目前市政管网设计上比较常用的优化方法，它主张将市政管网管道设计分阶段，然后再对每一阶段的管道进行优化设计。，动态优化设计主要有两个方面：一是节点埋深间隔要小，增加存储量和时间间隔。二是以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。
5.结语
所有市政给水管网优化设计其根本目的是为了设计出更加符合城市发展的给水管网，所以对于以后的市政给水管网设计要秉着以人为本，降低工程造假的原则，从实际情况出发，合理安排，更好的建设好城市供水这一基础公共设施。
参考文献：
[1]《城市工程管线综合规划规范》，中国建筑工业出版社，1998.
[2]秦 立 为 ， 李 树 平.给 水 管 网 系 统 的 性 能 评 价 [J].工 程 质 量 ， 2007（13）：52-55.
[3] EDWARD K， KHU T S. Novel Cellular Automata Approach to Optimal Water Distribution Network Design[J]. Journal of Computing in Civil Engineering， 2006， 20（1）： 49-56.
[4]FUJIWARA O， KHANG D B. A two-phase decomposition method for optimal design of looped water distribution networks [J]. Water Resources Research， 1990， 26（4）： 539-549.
[5] 冯月明，李宁宁，市政给排水工程施工管理探析[J]，轻工设计，2011.
[6] ALPEROVITS E， SHAMIR U. Design of Optimal Water Distribution Systems[J]. Water Resource Research.， 1977， 13（6）： 885-900.
[7] 刘秉赞，郑大华，震区给水排水设计思考与做法[J]，给水排水，2008.
[8] LANSEY K E， MAYS L W. Optimization Model of Water Distribution System Design [J]. Jomual of Hydraulic Engineering， 1989， 115（10）： 1401-1418.
[9] 刘保川 .供水管网系统漏失分析与模型研究 [D].哈尔滨工业大学 ， 2009：94.
[10]张增荣 . 给水管网单目标多工况优化设计的研究与应用 [D]. 上海 ： 同济大学，2008.
【关键词】给水管网设计；评价体系；设计细节；优化设计
给水管网直接沟通着供水厂与千家万户，铺设管线较长，是城市供水系统中投资最高的建设部分，约占给水系统总成本的 50%-80%。因此科学合理的给水管网设计对城市发展，人们安居乐业具有非常重要的作用。科学合理的给水管网能够保证服务范围内居民充足的用水、水压，还能整体上降低节点水龄，减小管网漏失率，从而降低水厂制水成本、供水能耗[1]。
1.市政给水管网规划的意义
伴随着城市化水平的不断提高，城市供水公司的规模也在不断的壮大，但现实供水情况是仍然难以满足群众对用水的需求，特别是一些城市在用水高峰期还会出现停水的状况。为了给城市居民提供优质、充足的用水，市政给水管网的设计必须要深入研究，不断优化，同时也对市政给水管网规划人员提出了更高的要求，市政给水给水管网的规划是整个城市供水体系的决定因素，良好的规划有着非常大的必要性和意义：（1）它指导着后期的施工建设，其规划的优劣直接关系到城市居民和工业企业能否随时随刻的享受到健康优质的水资源服务。（2）好的规划能满足居民生活和工业生产的需要，提高对水资源的利用率，以及为国家节省建设费用。
2.给水管网设计的的评价体系
随着计算机、自动化技术的快的飞速发展，工程应用中系统的组成要素越来越多，复杂性越来越高，给水管网在运行过程中，由于其系统构造、老化趋势、疲劳程度、环境以及人为因素的影响，其健康状况会逐步衰退。这就需要对给水管网设计进行合理的评价，做到前期审核上的严格把关，及时发现问题，及时解决。
科学有效的评价体系要得到执行，还需要建立严格的制度保障和正确的原则引导：（1）正确的故障排查。对管网设计的评价最根本目的就是找到设计中的不足之处，要在前期就要考虑到以后给水管网可能出现的问题，例如供水中严重的漏失现象，地段的合理性等等，所有可能出现的问题都要考虑进去。（2）经济性。我国目前大力倡导的“建设资源节约型，环境友好型社会”的理念，给水管网设计的评价体系要大力贯彻，设计之处要就要从经济性方面考虑，做到节约资源，降低能耗。（3）可靠性。评价体系的建立要本着认真可靠负责的态度对设计进行评价，同时要保证设计下的给水系统能在规定的使用状态下，在规定时间内完成预定功能的性能[2]。
3.给水管网的设计细节
给水管网的设计关系到整个城市的供水安全，更关系到居民的日常生活，所以对给水管网设计要从多方面综合考虑[3]。
3.1给水管网管材设计
给水管网管材设计包括管道材料的选择和管型的确定。（1）管道材料的选择上，由于科学技术的日益飞进，在管道材料开发方面也有着不小的进步，所以对管道材料有着多方面的选择，现阶段我国给水管网实践中主要用的是有钢管和球墨铸铁管金属管材，同时还有着非金属管材种类，比如目前技术相当成熟的聚乙烯管和硬聚氯乙烯管，不过，给水管网是一个多变性和负责性的问题，所以在管材选择上要因地制宜，根据具体情况具体分析，充分发挥各种管材安全可靠和满足使用要求。（2）管径的确认应根据给水总体规和专项规划图确定。
并适当考虑现在用水情况及今后的发展情况。给水管径的确认要考虑多方面的情况，例如新旧城区的区别，给水流量在日月之中的变化，给水管线铺设的长短等等方面[4] [5]。
3.2给水管接口设计
作为市政给水管网设计的一个重要项目，市政给水管的接口也应该在设计规划考虑范围内，它主要包括刚性接口和柔性接口，还可以采用外侧填料对接口进行处理。不同的接口使用不同的地方，具有不同的优势。承插铸铁管的主要采取刚性接口的形式，往插口缝隙中填缝料才属于刚性接口，现在基本都使用粘合力强的石棉水泥。当管道的内壁为橡胶圈接口可做成坡形，可在管道口内嵌入楔形橡胶圈来起密封作用，以避免漏水事故的发生，而橡胶圈接口就是一种柔性接口，工程实践表明柔性接口抗震性能很好，而且可以大大提高施工的速度[6]。
3.3市政给水管网的抗震性
市政管网设计之处要考虑到其抗震性，其原因是我国处于东太平洋地震板块中，所以经常会有不同程度的地震发生，地震对市政给水管网可能造成管道断裂，使得水到处洒落而浸泡重要设备，给水管水量大的情况下还可能会出现水灾，市政给水管网的基础坍塌还可能会导致设备损坏和人员伤亡现象的发生[7]。所以在设计进行选址时应尽量避开地震断段，应在设计在地质构造和岩坡相对稳定地带，而且位于地震区的城市的水源不宜少于两个。
4.市政给水管网优化设计
在城市给水工程规划设计中，给水管网优化设计一般采取以下方法和步骤：
4.1与城市发展相结合
与实际相结合就是要立足实际，充分了解城市的未来规划，根据城市的发展进度来合理的设计城市给水管网并合理确定近远期的供水范围、城市用水量、供水水源及规模。
4.2与城市地理环境结合
在大城市中，由于所占有面积较大，不同的区域有可能就会出现不同的地址情况，所以在布局给水管网时要考虑城市的地理环境，并对不同的布局方案进行比较，择优运用。
4.3建立给水管网优化设计模型
模型的建立是为了更好满足优化设计的要求，出发点是经济性，但是，在现阶段的优化设计中，要改变传统的以工程造价为目标的单一优化模型，要多采用包含管网、泵站投资建设和运行维修等费用的非线性规划模型。并通过数学方法进行管网优化计算，从而使得整个管网系统投资及相应的运行维修费用最低。 4.4选择最优计算法
给水管网的优化设计方法，目前国内外主要有经典优化法、线性规划法、界限流量法、动态规划法、广义简约梯度法、遗传算法、优选管径法[8]，这些优化方法各有利弊，要根据具体的工程来选择。以下一有关一些重要算法的简单介绍：
4.4.1生物进化规划和遗传算法
随着生物工程的发展，遗传算法已经介入到工程领域，其主要在有泵管网、管网扩建与改建等课题中也开始有应用，在给水管网设计中是一种策略枚举法，以单工况，单水源的简单情况为例：第一步对工程中所限定的不同标准管径进行编码，从而不同的管径组合方案会形成不同的代码串。第二步对每一个代码串进行解码，由水利计算子程序求出该方案下管网水利特性[9]。第三步运用遗传算法对产生的初始方案进行选择、重组，进一步产生新一代个体，然后仿照生物的进化过程演化下去，最终得到满足需要的最优个体，解码后即为该课题最优方案。
4.4.2直接优化法
直接优化法是对方案和方案中的一些数据进行直接的选择计算并得到最优结果。直接优化法有利有弊，优点是直观和方便，缺点是由于设计人员的能力有限，结果不尽相同，并不一定是最优解。
直接优化法主要方法是电子表格法和两厢优化法，其中，两厢优化法是针对管道埋深来说的，它基于设计流量确定后，在约束条件满足的情况下，通过选取最经济流速等来确定管径大小和最优坡度[10]。
4.4.3动态优化法
动态优化法是目前市政管网设计上比较常用的优化方法，它主张将市政管网管道设计分阶段，然后再对每一阶段的管道进行优化设计。，动态优化设计主要有两个方面：一是节点埋深间隔要小，增加存储量和时间间隔。二是以管径为状态变量， 通过流速和充满度决策。
5.结语
所有市政给水管网优化设计其根本目的是为了设计出更加符合城市发展的给水管网，所以对于以后的市政给水管网设计要秉着以人为本，降低工程造假的原则，从实际情况出发，合理安排，更好的建设好城市供水这一基础公共设施。
参考文献：
[1]《城市工程管线综合规划规范》，中国建筑工业出版社，1998.
[2]秦 立 为 ， 李 树 平.给 水 管 网 系 统 的 性 能 评 价 [J].工 程 质 量 ， 2007（13）：52-55.
[3] EDWARD K， KHU T S. Novel Cellular Automata Approach to Optimal Water Distribution Network Design[J]. Journal of Computing in Civil Engineering， 2006， 20（1）： 49-56.
[4]FUJIWARA O， KHANG D B. A two-phase decomposition method for optimal design of looped water distribution networks [J]. Water Resources Research， 1990， 26（4）： 539-549.
[5] 冯月明，李宁宁，市政给排水工程施工管理探析[J]，轻工设计，2011.
[6] ALPEROVITS E， SHAMIR U. Design of Optimal Water Distribution Systems[J]. Water Resource Research.， 1977， 13（6）： 885-900.
[7] 刘秉赞，郑大华，震区给水排水设计思考与做法[J]，给水排水，2008.
[8] LANSEY K E， MAYS L W. Optimization Model of Water Distribution System Design [J]. Jomual of Hydraulic Engineering， 1989， 115（10）： 1401-1418.
[9] 刘保川 .供水管网系统漏失分析与模型研究 [D].哈尔滨工业大学 ， 2009：94.
[10]张增荣 . 给水管网单目标多工况优化设计的研究与应用 [D]. 上海 ： 同济大学，2008.