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浅谈城市给水管网优化设计

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浅谈城市给水管网优化设计

篇1：浅谈城市给水管网优化设计

浅谈城市给水管网优化设计

摘要：管网优化技术在工程实践中运用不仅能节省大量的资金,而且还能改善整个管网的水力条件,将产生巨大的经济效益和社会效益.本文以某城市给水系统作为工程实例,对该市的.管网在新建或改扩建时进行了优化布置并对其合理简化,经水力计算得出了令人满意的效果.作者：谭柳苗作者单位：柳州威立雅水务有限公司,广西,柳州,545000 期刊：城市建设 Journal：CITY SONSTRUCTION 年，卷(期)：, (7) 分类号：关键词：给水管网设计

篇2：浅析城市给水管网系统方案技术

浅析城市给水管网系统方案技术

随着生活水平不断提高,我国城镇供水管网建设上还很薄弱,本文对于城市给水管网系统相关技术进行分析,即从给水模式的.选择、管网的合理布置、供水是否分区及分区形式的选择、管道选材、施工等情况进行相关技术分析.

作者：韦培佳刘兴秀李昊作者单位：济宁供水集团总公司,山东济宁,272100 刊名：中国科技博览英文刊名：CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY REVIEW 年，卷(期)： “”(25) 分类号：P33 关键词：给水管网优化布置管材选择管道施工

篇3：城市给水系统优化调度研究

城市给水系统优化调度研究

用水量预测研究和给水管网数学模型研究是优化调度的基础,用水鼍预测模型是在分析城市用水量序列数据模式的基础上,综合利用统计回归的'方法建立的数学表达式;给水管网数学模型是建立水厂出厂压力和流量与管网测压点之间的经验数学表达式,它反映了给水系统的运行工况.优化调度模型的建立和求解是优化调度的核心.

作者：许强盛宁 XU Qiang SHENG Ning 作者单位：许强,XU Qiang(西安航空技术高等专科学校动力系,西安,710077)

盛宁,SHENG Ning(陕西科技技术学院,西安,710000)

刊名：水科学与工程技术英文刊名：WATER SCIENCES AND ENGINEERING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z2) 分类号：X21 关键词：用水量预测管网模型优化调度模型

篇4：灌溉管网优化设计方法研究论文

摘要:分别阐述了管网布置和管径优化问题的研究进展，分析了求解优化模型的各种算法，通过比较，认为遗传算法在优化应用中，能取得良好效果，预估遗传算法在管网与管径同步优化方面能得到应用。

关键词:灌溉管网优化;遗传算法;同步优化

随着社会经济的高速发展，水资源的需求量在不断增加。我国总用水量的60%以上用于农业灌溉。相比发达国家，我国灌溉水利用率较低，农业节水潜力巨大。农田灌溉主要通过管道和渠道输水，相比渠道，管道输水有以下优势，首先，管道输水避免了远距离输水过程中的蒸发和渗漏损失，提高了水利用效率，而且不会因为渗水导致土壤盐碱化而无法种植作物。其次，除了地面简单的给水设施外，大部分管道都铺设在地面以下，输水占地少，使得土地的利用效率明显提高，并且管灌对地形的要求低，可逆坡灌溉。第三，灌溉管道水流运动一般依靠外力作用，使用灵活，便于自动化管理，大大减少了灌溉管理人员的工作量，有利于田间管理。因此，管道灌溉是节水灌溉的趋势。在管道供水系统中，工程总造价的50%-80%用于管网，而且不同管网水力特性不同，能耗和运行管理费用不同，因此从满足水量和水压要求的各种可行方案中，寻求系统造价最低或年费用最小的设计方案，对节约投资有非常重要的意义。管网系统的优化研究主要是通过构造抽象或简化的设计模型，利用优化理论和技术合理选择有关参数。

篇5：灌溉管网优化设计方法研究论文

管网系统工程从规划设计到运行管理，各阶段相互影响，但是每一个阶段设计任务不同，采用的优化模型和算法不同，因此，目前在优化设计中仍然按照相对独立的阶段分别进行设计。

(1)管网布置优化:管网水力计算是建立在管网布置确定的基础上。

管网布置是否合理，最直接的影响就是管线长度，管线越长，造价越大。其次管网布置还需要综合考虑地形、施工的难易、管路运行可靠性等因素，而这些因素有时需要借助设计者的经验。国内外的学者对管网布置进行了深入研究。董文楚(1984)以造价最小为原则优化了树状输配水管网的布置，首先通过距离最短原则布置了给水栓，然后按1200夹角和经济流速对管网布置进行了逐级调整。朱振锁(1991)分析了自压喷灌管网各级管道单位面积造价与管网形状和面积的关系，并提出了优化布置的顺序。林性粹等人(1993)在低压树状管灌系统优化设计中，首先利用正交表进行了管网布置，然后据非线性数学规划法优化了管径，但得出的不是标准管径。魏永曜(1992)应用总长度最短法得出的最小生成树优化了管网布置，并对其进行了修正，之后以管网造价最小为目标优化了管径，提出了适应不同地形的数学规划法。王雪珍(1995)编制了输配水管网布置和绘图的程序。周荣敏等应用改进的遗传算法，以管网造价最小为目标，优化了树状管网的布置。

(2)管径优化:管径优化是建立在管网布置的基础上。

管径优化设计模型包括基于工程经验的非数学规划模型和基于数学技术的数学规划模型两大类。其中线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型都属于数学规划模型，应用较广。若约束条件或目标函数存在线性函数，称为线性规划模型，同理，若存在非线性函数，称为非线性规划模型。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程的最优化方法。在管网系统中，管道和各种水力元件的水头损失等都是非线性的，因此，非线性规划模型能够比较真实精确地反应管网系统的实际状态。国内外很多学者建立了大量管网优化设计的非线性规划模型。魏永曜(1983)采用了经济管径而非经济流速来优化管径，首先确定了管段经济水头损失值，然后利用微分求极值确立相应管径，该法简单，但考虑因素较少，而且需对求解管径标准化，破坏了解的最有性。刘子沛(1986)以离散的标准管径作为优化变量，利用动态规划法优化了串联管网，由于该法建立在地形高差大等条件下，实用受限。杨健康(1990)建立的非线性规划模型是以管径为变量，优化目标为允许水头差的分配。陈渠昌、郑耀全等人()以一定的假定为基础，限定了地形和毛管出流量的范围，以支毛管压力差分配比例为变量，建了单位面积管网投资最小的平地田间管网优化设计模型，由于条件多，应用受限。翟国亮、董文楚()等以变径支管组合方式和组合比例系数为变量，年费用最小为优化目标建立了优化模型，计算步骤是首先计算经济组合比例参数，然后对多种组合方式进行了年投资计算，然后选择最优方案，由于计算繁杂，应用受限。张庆华、马庆斌等人()以管径为变量，管道系统年费用最小为优化目标，建立了管径无约束情况下的优化模型及其求解方法，该方法考虑的影响因素较少，很难推广。王新坤、林性粹等人(2001)以田间管网投资最小为目标建立了优化模型，利用枚举法和动态规划法分两级对支管管径进行了求解，首先利用枚举法确定出了支管允许水头差，然后利用动态规划法得出了支管管径，由于田间面积较大时，不宜采用枚举法，实用受限。白丹在管网优化方面作了很多研究，例如利用线性规划法对管长和水泵扬程进行了优化。目前，随着计算机软硬件的高速发展，涌现了一些智能优化算法，诸如人工神经网络、模拟退火算法以及遗传算法等。周荣敏、林性粹等人()对压力树状管网进行了优化设计，首先以管路长度最短为目标，利用单亲遗传算法进行了优化布置，然后利用神经网络技术优化了管径和水泵扬程，该法在大规模的管网设计中具有明显的优越性。

2存在问题及展望

目前，管网优化算法理论方面的研究和革新较少，多数着眼于算法的改进和创新，各种方法都有自身的优缺点及适用性。单纯形法是求解线性规划模型的通用算法。线性规划模型约束条件多，未考虑非线性的费用项，影响了求解问题的规模和精度，这些不足都限制了线性规划模型的推广应用。适用于非线性规划模型的算法较多，如罚函数法、梯度法等，各种算法都有各自的适用性。另外，非线性规划模型的变量一般为连续变量，需要把优化结果调整为标准值，影响了解的最优性。动态规划模型在小型树状管网的优化设计中显示出了优越性，但随着管网形式的复杂化，动态规划模型对硬件的要求越来越高，运行时间也较长，有时无法得到最优解。另外，动态规划模型模型受人为主观因素影响大，没有构造模型的统一方法，因此，动态规划模型应用受限。模拟退火算法具有较强的局部搜索能力，不易使搜索过程进入理想的搜索区域，寻优效率不高。人工神经网络算法需要具备扎实的计算机知识，算法的实现有硬件和软件两个方面，硬件实现最大的优点是处理速度快，但缺乏通用性和灵活性。软件实现的最主要问题是人工神经网络模型计算量特别大。遗传算法是一种可处理任何形式目标函数的全局寻优算法，寻优原理是模拟自然界的生物进化，即在选择、交叉，变异过程中不断优化，并始终以概率1接近最优解，虽然算法中各种参数的选择会影响寻优结果，但是算法的鲁棒性使得受参数影响较低。另外，Matlab遗传算法工具箱可以提供了大量函数，这些函数的应用简化了遗传算法计算机的`程序编辑，并且已经得到广泛的应用。大量的实例研究表明，应用遗传算法优化管网设计可节约6%-49%的管网费用，一般都能找到15%-25%的节约，且系统越复杂，投资越节省。周荣敏利用单亲遗传算法进行了树状管网的优化布置，在较短时间内获得了一批最优或近最优的最小生成树布置方案。但是对于实际问题而言，由于管网连接方式不同，各管段流量分配、水力分析的结果也不同，下面举一个简单的例子说明，如下图所示:两个简单树状管网节点连接方案图Figure1Twosimplespanningtreesforanetwork1点代表水源，分别向节点2，3，4供水，很明显，左图管线长度大于右图，但左图各节点离水源点近。若地势平坦，各节点高程一样，则最远点水压满足要求，其它都满足。在水源水压一定的条件下，为保证最远节点2点的水压要求，1-3，3-4管段须通过减小流速减少能量损失，这就需要增大1-3，3-4管的管径。管径增大，投资也就增大了。因此管线造价有可能更高。所以管线最短未必投资最少，管网布置和管径同步优化是非常有必要的。

3结语

随着节水灌溉在我国的广泛普及，管网优化越来越受到工程人员的重视，这一方面的的研究将日趋深入和完善。遗传算法在德国16个大领域、250多个小领域中得到广泛引用(1993)，在国内，遗传算法在管网优化中的应用非常有限。随着遗传算法研究和应用的不断深入和发展，可以预见，遗传算法在管网布置和管径同步优化方面能得到应用，从而使管网系统设计整体最优。

参考文献:

［1］许海涛．灌溉管网优化设计研究进展［J］．节水灌溉，(6):16-19．

［2］周荣敏，雷延峰．管网最优化理论与技术［M］．郑州:黄河水利出版社，2002．

［3］范兴业，马孝义，等．灌溉管网优化设计方法与软件的研究进展［J］．中国农村水利水电，(2):19-22．

［4］张华，吴普特，等．灌溉管网优化研究进展［J］．节水灌溉，(2):24-27．

［5］周荣敏，林性粹．应用单亲遗传算法进行树状管网优化布置［J］．水利学报，2001(6):14-18．

［6］白丹．灌溉管网优化设计［M］．西安:陕西科学技术出版社，．

［7］魏永曜．微分法求解树状管网各管段的经济管径［J］．喷灌技术，1983．38-41．

［8］刘子沛．用离散管径的动态规划优化树状管网［J］．喷灌技术，1986．34-35．

［9］陈渠昌，郑耀泉．微灌田间管网支毛管优化设计探讨［J］．灌溉排水，1996(1)，17-21．

［10］张庆华，马庆斌．管道灌溉系统经济管径的计算［J］．中国农村水利水电，2000(7)，14-15．

［11］翟国亮．微灌变径支管优化设计方法研究［J］．节水灌溉，1997(3)，43-45．

［12］王新坤，林性粹．枚举法与动态规划法结合优化田间管网［J］．干旱地区农业研究，2001(2)，61-65．

［13］周荣敏，林性粹．压力输水树状管网遗传优化布置和神经网络优化设计［J］．农业工程学报，2002(1)．41-44．

篇6：城市防涝和排水管网优化设计论文

城市防涝和排水管网优化设计论文

引言

降水是再平凡不过的自然现象，但随着近年来全球变暖，降雨越来越频繁，一些由于频繁降雨引起的内涝现象越来越多，可以说强降水给我们的城市排水系统带来压力，甚至超过排水管网的承受能力，逐渐的，降水形成积水，积水形成内涝，人们的正常生活受到影响。值得一提的是，内涝后水污染会更严重，这是因为积水得不到处理导致更多的污水进入河道湖泊等地，还有在降水过程中，大气内的污染物随雨水落到各处，这为我国的排水管网系统带来更大的压力。

一、内涝成因

首先与城市地面性质或径流变化有关。城市化进程的不断深化，使我们的城市更多高楼大厦拨地而起，路面铺的更平坦，土地本身的渗水能力被削弱，大自然的水循环系统也起不了作用。大面积地面硬化，使地面雨水的径流系数增大，径流量很容易发生变化，这样地下排水管网成为唯一的主要接受口，污水通过排水管网收集，可一旦雨量过大，超过管网负荷就会出现内涝。

其次与城市气候有关。当我们的城市发展到一定规模后，我们的活动相对密集，城市地貌会因为改造发生变化，城市气候与生态都随之发生改变，这里我们常说的热岛效应、雨岛效应、浑浊岛效应循环交替，城市开始频发降雨，且很难停下来，灾害不断叠加放大，内涝极易形成。

再次排水管网落后。城市在发展变换，排水管网的规划和建设却相对落后，这里要提及新城区与旧城区的矛盾问题，往往老城区在排水管网的规划上相对传统，都是雨水与污水合流排放的，新城区会将二者分开，但在新旧结合处管网却无法结合，因为老城区管网设施早已无法与新城区系统连接，进而呈现了彼此独立的尴尬，待到强降雨时，老城区极易出现积水，内涝也是常有的。

最后排水管网内部存在问题。在城市内涝调查中我们发现，雨天城市垃圾很有可能随着水流冲进排水管网，这时容易造成堵塞，还有一部分排水管网因地势原因，管道坡度较小，在强降雨时，以至于水流在附近无法正常流入，形成排水检查井处淤流，久而久之垃圾聚集，一旦冲入排水口也有可能造成堵塞，非常不实用。从另一方面看，排水速度慢了，势必提升了内涝的.可能性。

二、城市防涝与排水管网的关系

城市排水管网是市政基础设施，是保护我们平安生活的系统。排水设施平时连接着泵站、沟渠等，是城市排水的重要组成，一旦出现问题，城市极易内涝。另外，城市排水管网是个大工程，对于它的检验、规划、考察、设计等不能出现一丝纰漏，因为它工程规模大、涉及到的投资较多，施工一次的难度相对较强，而且需要很长的工期，是政府的大行动，因此规划设计最好一次到位。

对于排水管网优化设计是必要的。市政管网是市政建设的组成部分，它的投资占整个排水系统的一大半，随着城市发展，排水管网的普及不断扩大，问题也开始衍生，为了增强排水管网的负载能力，尽量减少城市的内涝灾害，必须加强对排水管网的建设，对其进行优化设计。

三、我国排水管网设计中存在的问题

1、理念落后

目前我们对于排水管网处理内涝始终保持一个观念，就是最短路径与最快速度，这就将城市排水防涝当成了简单的排放雨水的项目，不重视雨水的下渗等自然循环系统的恢复，始终将压力放置在排水管网上，另一方面我国的排水管网标准不高，对于污水处理能力有限，对内涝没有防治设计。

2、设计落后

目前我国城市排水管网设计还是以19世纪推理公式为基础，对于小面积基础是可以处理的，而且还要水流平缓，当积水面积变大，水流湍急时，公式推理会失真，洪峰值计算不准确，降水流量变化也不好掌握，这样的排水管网对于防涝来说是远远不够的。

3、设计标准低

目前我国的排水系统标准为一年一遇或三年一遇。该标准沿用了许多年，没有及时随着城市的变化而变化，近年来我国城市化进程加速，市政道路附近的地块被占用，这对雨水排放产生影响，水浸街的现象时有发生，当雨季来临时，经常会出现内涝，甚至造成人员死亡的事件。

4、雨水利用率低

市政排水中，排水管网的压力最大，城市水循环系统使用率很弱，这与我们设计的排水管网有一定关系，没有考虑到设计储存雨水的空间，也没有为雨水流通设计通道，排水管网的压力增大了，水量超过管网过流能力后，内涝也就出现了。

5、细节设计不合理

在管网系统设计过程中，许多人为因素显得很不合理，比如在调研没有完成的情况下，用错误的数据做设计参数，最终导致管径不合适，或者坡度设计不合理，再或者没有预留管线过街，不合理的设计为未来管网运行埋下安全隐患，甚至在暴雨来临时，形成内涝。

四、排水管网优化设计

我们这里要优化设计的内容主要涉及到两项，一为排水管渠，一为污水管网。在平面布置确定的基础上对其实施优化设计。目前国际上相对较好的优化设计方法有：

1、两相优化法

此方法以流速约束条件为基础，选出流速最合理的设计，倘若流速提升需要根据步长提升，在根据确定的流速确定流量进而进行最优充满度和管径的选取，最后计算出最优坡度。

2、遗传算法

在我们进行市政排水管网优化设计时，采取任何方法都要遵从设计规范，以最低的经济投入为基准。遗传算法是一种编码处理，即对涉及到的参数都进行编码作业，再针对目标函数做转换，最后进行生物进化过程的模仿，不断接近目标函数。

3、非线性规划法与线性规划法

前者有利于适用目标函数及变量，有利于实现对管径及埋深的最优化选择，从另一个角度看，它对目标函数与相关约束条件都有一定的限制，而后者即线性规划法则恰恰相反，它能用一级泰勒公式代替线性规划，它的缺点是将管径变成了变量，并且需要很长的准备期。

4、动态规划法

目前动态规划法在我国较为常用，它是将观望设计作为一个过程，进而对过程进行合理的划分，再开始进行优化设计工作。动态规划法将节点埋深作为变量，通过坡度进行全面搜索，该方法可以直接用标准管径，这是它的优势，但由于它要求的状态点间埋深间隔比较小，致使存储量和实践间隔提升，基于它的迭代过程使其局限性提升。当管径成为变量时，存储及计算速度方面形成优势，衍生管径法，这种方法使计算精度得到优化。

5、坡度优化

满管流或非满管流排水管网中，管段节点水位高程是一样的，这里可以将之归纳为能量连续着的排水设计段，倘若将造价的最小值作为目标函数，输水量用设计管网起始点水位差最大值即可，这时最大的约束就是设计规范，可以构建坡度模型，通过对模型的分析求得最经济的坡度。

五、结束语

目前城市内涝已经成为重大安全隐患，我们应在防涝的工作上下大力度，不断加强市政工程建设，优化排水管网设计，力争从根本上解决设计理念落后、标准低、细节差等问题，通过两相优化法、遗传算法、非线性规划与线性规划法、动态规划法、坡度优化等开展对排水管网的优化设计，力争使市政排水管网的作用得到更大的发挥，缓解排水压力，促进防涝。