摘要：本文分析了目前城市給水管網普遍存在的一些問題以及優化的必要性，給出了簡單的優化設計模型以及有效地優化計算方法，即遺傳算法，為城市給水網管道的設計與優化提供了指導。

　　關鍵詞：給排水,管網設計,優化計算,遺傳算法

　　1.引言

　　城市給水管網是一項重要基礎設施，具有保證城市供水安全的重要作用，給水管網能否正常運行對經濟的發展有重要影響。而管網的建設費用在城市基礎設施建設中的比重一般都比較大，所以，應在保證管網正常運用和市民生活的同時，進一步減少管網建設費用，通過合理的管網設計使其產生最大的經濟效益。

　　城市給水系統主要包括取水工程、凈水工程和輸配水管網工程這三大部分。其中輸配水管網工程約占整個給水系統總投資的 60%-80%，涉及到每年大量供水能量的消耗，并且給水管網的運行費用一般高達制水成本的 30%-50%，因此，有必要對給水管網進行改造并對其技術經濟的合理性進行研究，以達到降低投資，節約能量并保證安全供水的目的。我們在給水工程設計方案的比較中，主要考慮非數量化社會效益的因素，如節約水泥鋼材、節約勞動力和合理利用國家資源及原有設備的利用。

　　2. 目前城市給水管網存在的問題

　　作為市政基礎設施，在目前的情況下，城市的供水業在輸水過程中存在成本高、水壓低和供水困難等問題，因此，城市給水管網的改造和優化對管網的安全性、適用性與經濟性都至關重要。經過一系列的調查統計發現，大部分城市的給水管網都存在如下三個方面的問題。

　　2.1 給水管漏耗嚴重

　　由于管道的的鋪設年限比較久，部分城市出現供水管網老化，尤其是在老城區，供水管網鋪設時間很多都在超過了50年，加上管材質量較差，長期超限運行，年久失修，老化嚴重，經常發生爆管以及各種形式的明漏、暗漏，而這部分管網大約占了全部管網長度的6.2%，導致一般城市自來水漏失率達到10%-30%，平均水平在24%左右，遠遠高于歐洲7%的平均漏損率。據估算，我國每年因給水管網漏損和爆管造成的損失竟高達5億元。

　　2.2 現有管網的供水安全性差、效率低

　　隨著生活水平的提高，人們對水的質量和供水安全都非常關注。一方面，受天氣的影響、供水壓力過高、道路施工措施不妥、地下管道埋設較淺，抗重壓能力差等原因，會導致管道不堪重負，經常發生爆管的現象。另一方面，給水管網系統類似一個反應器，很龐大而且復雜，經水廠處理完畢后的合格給水，在管網中又會發生一系列的物理、化學及生物反應就會導致水質下降，這樣就會既污染水質，又造成安全隱患，因此，必須在滿足環境保護和社會需求的前提下，盡可能減少供水成本，提高管網供水的安全性和經濟性。

　　2.3 給水管網布局不合理

　　一方面，給水管網的設計不合理，仍然停留在以前的規劃控制中，沒能隨著需求的改變而相應變化;另一方面，隨著城市的發展，會使經濟文化中心轉移，以前不發達的區域變成了繁華的商業區和人口集中的地方，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達不到當前的供水要求。

　　3. 給水管網的優化設計

　　3.1管線設計要點

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

　　3.2 管網的優化模型

　　在做給水管網的優化設計時，一般應考慮四個方面，即保證供水所需的水量和水壓、水質安全、可靠性以及經濟性。因為水質安全性不易定量來進行評價，正常時或損壞時用水量會有變化、二級泵房的運行和流量分配等都有不同方案，所有這些因素難以在數學式表達中體現出來，所以管網優化設計主要是在考慮到各種設計目標的前提下，求得在一定的年限內，其建造費用和管理費用之和達到最小時的管段直徑或者水頭損失。

　　在城市給水網總體規劃中首先要進行用水量的預測，即采用一定的理論和方法，有條件地預計城市將來某一階段的可能用水量。用水量預測一般以過去的資料為依據，以今后用水趨向，經濟條件，人口變化，資源情況，政策導向等為條件。各種預測方法是對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，求出預期水量。然后進行給水水源規劃，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、確定城市發展規模、功能布局、給水工程系統布置都有密切關系。最后進行給水工程設施規劃。由于城市給水工程系統的確定是城市給水工程規劃的主要內容。

　　目前給水管網優化設計大多是以非線性數學模型為基礎，通過各種數學方法來進行管網優化計算，并求出經濟管徑，再進行管網的平差計算，以及消防事故時、最不利管段損壞時核算。

　　3.3 管網優化的遺傳算法

　　遺傳算法(GA)是Genetic Algorithm 的簡稱，它的產生來自對生物系統在計算機上進行的模擬研究，由Holland(美國 Michigan大學)教授和他的同事及其學生于1975年首次提出，該算法是受生物模擬技術而啟發來，是一種基于遺傳和進化機制的，適用于復雜系統優化方面的，自適應的概率優化技術。

　　4.結論

　　本文通過對現有城市給水管網普遍存在的問題進行詳細的分析，闡述了對其進行優化設計的必要性，給出了管線設計的一些基本原則。在對給水管網水力優化計算的理論進行系統地介紹的基礎上，分析了優化設計的相關約束條件 進而提出了采用遺傳算法進行優化以尋求最優解。該方法是一種基于計算機計算的新方法，是模擬自然界生物進化過程與機制求解問題的一類自組織與自適應的人工智能技術，該技術已廣泛用于計算機科學、人工智能、信息技術及、工程實踐，在今后的城市給水管網的設計與優化計算中必將大有潛力。

　　5.參考文獻

　　[1] 胡濤，劉遂慶，給水管網目標函數中的技術經濟問題，城市給水，No.2,2003.

　　[2] 王榮和 ,顧國維.大型給水管網系統優化設計技術處理.中國給水排水 ,1995 (6) :20 - 25.

　　[3] 趙洪賓.給水管網系統理論與分析[M].中國建筑工業出版社，2003