1999年6月第15卷第2期陕西工学院学报JOURNAL OF SHAANXI INSTITU TE OF TECHNOLO GY J une 11999Vol 115　No 12【文章编号】1002-3410(1999)02-0046-04给水管网优化设计研究综述3王晓峰　(陕西师范大学旅游与环境学院99#,陕西西安　710062)【摘　要】　本文详细叙述了给水管网优化设计国内、外的研究现状,针对目前研究中存在的一些问题,作者提出了一些观点和解决问题的办法,和读者共同探讨。

【关　键　词】　给水管网;　优化设计;　综述【中图分类号】　TU991.32 【文献标识码】　A收稿日期:1999-03-13作者简介:王晓峰(1972—),男,陕西师范大学助教。

3陕西省第二农业区开发项目:陕农发(1989)25号1　前　言给水管网是给水设计的重要组成部分,在该系统中,管网的投资很高。

因此,人们对管网设计以使其产生最大的经济效益。

然而,给水管网设计的任务是艰巨而复杂的。

在设计过程中涉及到大量的需要认真考虑的相关因素。

如今,优化设计更趋艰难,主要是因为在设计过程中,要将费用效益及可靠性同步考虑。

其复杂性通过以下几个因素来体现:(1)决策变量的离散性(如有效经济管径);(2)与管材、劳动力、管道布置和开挖等费用有关的复杂离散函数;(3)设计中涉及到的多种需水量荷载形式;(4)在加压系统中,为了计算能量费用所需管道流量及压力方面的一系列知识。

2　研究现状自从20世纪60年代人们就开始用系统分析方法设计给水管网,并将优化程序应用于其中。

最早的给水管网设计模型是为树状网设计的,如Karmeli et al (1968)、Schaake 和Lai (1969)。

这些模型没有考虑类似阀门的附属物,但根据水力特性说明了其影响。

其它非线性模型在当时也被提出,如Schaake 和Lai (1969)。

以上这些模型仅用于树状网系统,没有线性规划法的计算优势,不能得出比较好的结果。

1977年Alperovits 和Shamir 提出了一个基本线性规划公式的、能引入任何理论和产生实际兴趣的第一个环状系统模型,其中使用了保证环状网水力连续性的附加约束(如围绕环的水头损失代数和等于零),这说明线性规划法具有强大的实用性。

在1979年Quindry et al.对该模型进行了修正。

自从20世纪70年代以来,大量的管网优化设计技术被相继提出。

Walski (1985)、Walters (1988)以及G oulter (1992)在他们的论文中提出了最中肯最有发展前途的建议。

Alperovit 和Shamir (1977)应用梯度搜索法得出给水系统中满足最小总费用的流量形式Quindryal et al (1981)用两阶段法设计给水管网。

在优化结构中,两阶段法在模型中的使用代表了管网优化设计模型研究的一个新阶段。

在该阶段,Rowell 和Barnes (1982)用两阶段法来确定管网布置及管道尺寸。

之后,Bhave 和Larn (1983)对L P G 法中的变量进行了研究。

Morgan 和G oulter (1985)对Hardy -Cross 网络解算器和优化布置、新系统的设计及规划系统扩建结合起来。

1989年Lansey 和Mays 将一般降阶法和一个现存的给水模拟模型结合起来优化管网、估计泵站及水箱尺寸,该法计算集中,但在优化模型和模拟模型之间需要大量的迭代运算,而且每一步都要考虑梯度项。

1994年Eiger et al 扩充了该法,用广义二元论计算普通优化解的下限值。

可靠性是在可能机械损坏情况下满足需水流速的概率。

研究给水系统可靠性是必不可少的。

1986年G oulter 和Coals 提出了两种定量法来评估管网可靠性。

1987年Su.et al 将一个稳定可靠的模拟模型与一个优化模型结合起来阐明基于风险性之上的管网设计。

Lansey et al (1989)使用随机约束模型进行设计,其中包括需水量、水压力以及管道强度系数的不确定性。

Bao 和Mays (1990)提出使用Monte carlo 来模拟测量系统可靠性。

在过去十年里,对大型给水系统建模的能力没有得到多大的改善,由于计算机的广泛使用,建立、运行数学表达式或管网模拟型是很廉价的,然而费用没有减少,这主要因为在校核模型和收集数据时,参数估计不准确,造成模拟模型失真,基于模拟分析之上的设计和运行决策严重出错。

1988年K evine nsry 和Chuda Basnet 精确地提出了非线性规划法来解决估计管网模型参数。

在不同荷载条件下检测给水管网性能时,估计参数相当重要。

1996年P.V.Niranjan Reddy 和K.Sridharan 、P.V.Rao 研究出了基于G auss -Newton 最小化技术的最小平方权重法(WL S )来估计给水管网的参数,该项研究的一个行要特点是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。

该法在现实生活的三个管网中得到应用。

在环状给水管网设计系统中选择优化法进行灵活量化是非常必要的。

Heekyung Park 和Jon C.Liebman 把个别管道损坏引起的缺水作为测量可靠性的一种方法,该法与管道损坏频率K 、周期及其严重性相结合。

在此基础上他们研究出了改变梯度的线性规划模型,该模型控制管网中每个管网的缺水不大于指定的需水量指标。

通过以上阐述,我们可知有许多优化模型来设计给水管网,但是这些模型还不能用于市政水利工程,主要是缺乏合适的“包装”。

令人满意的模拟和优化技术应该和决策支持系统(DSS )相结合,才能处理大量的决策数据,并且和现实问题结合起来,以上这些暗示了对高效的空间数据管理及分析工具的需要,例如地理信息系统(GIS )。

GIS 提供函数来研究开发把准确的空间信息输入到管网优化设计模型中,并使空间分析及评估结果的输出更趋简单。

如果给定参数的空间及时间变量,GIS 就会执行费用分析、管网定线和布置,并且用有效的彩色图形显示出结果。

1991年Zick 将G eo/SQL 及AutoCAD 合并入给水系统分析器WADISO (Walski et al.1990)来给用户提供改变给水管网后影响的瞬息反馈。

后来人们提出了一种典型的决策支持系统———WADSOP (给水系统优化程序),该系统为承担给水工程规划设计提供了一种灵活且有价值的工具。

其中用非线性规划技术作管网解算器,比传统方法(Hardy -Cross 、Newton -Raphson 等)具有明显的收敛速度快的优点。

我国给水管网优化设计研究最近几年也取得很大进展。

方永忠用生成树变换法求输配水系统最短供水路线,解决了多水源输配水系统中有一个以上节点流量为负值的最短供水路线・74・第2期 王晓峰　给水管网优化设计研究综述 问题;王荣和、顾国维等编制HYPNW 和PCAD 软件系统,建立了青岛高科技开发园区给水管网优化设计模型,该模型属地形起伏大、水源多、分区供水的大型给水管网优化设计数学模型,并对输入、输出数据进行特殊处理,建立图形菜单和数据库,绘制水力计算成果图、等压线图,并且在给定平面图的情况下自动生成纵剖面施工图。

3　存在问题给水管网系统是城市市政工程基础设施的主要部分,是新兴城市或新建开发区的重要工程项目之一。

同时,给水管网系统投资大,投资偿还期长,有很大的可塑性,通过优化设计可以节省大量工程投资。

然而历史上人们的大部分兴趣集中在流量分析高效算法的研究上,很少研究开发设计优化管网的方法,且很少有计算机软件包经济可靠地使用在设计中来对管网进行优化设计。

也就是说,到如今还没有正式优化技术在设计中被合理采用。

过去二十年,人们的注意力主要集中在开发管网设计优化模型,对布置已定的树状网来说,设计受压管流和自由表面流污水管道标准方法已经存在,对变化的树状网来说,设计方法已有,但在用到大系统中时还需进一步研究;对环状网来说,开发研究的方法受到阻碍,优化过程中未出现的环需要可靠性约束。

我们可以预言,可靠性在给水管网设计中越来越重要。

然而,在设计程序中又不能明确提出。

可靠性的忽视主要是缺乏管网可靠性的测量,而这些测量在说明可靠性时又是复杂的,在计算上是可行的,在实际优化模型中,全面考虑可靠性还未成功,还需几年甚至几十年的不懈努力。

过去,人们把大量的时间和精力花费在经济选泵上,而对渗漏问题很少过目。

这种情况令人悲哀,因为漏水可能占总供水量的很大比例。

渗漏量代表经济损失的一项重要指标。

在一些老化、退化的城市给水管网中,渗漏值有时高达50%。

随着计算机的飞速发展,在管网设计中需要开发一种决策支持系统(DSS ),这种系统能将优化模型与模拟模型相结合来开发它们的潜力,并用一个相互作用图表显示输入输出数据,概括说明管网设计算法的可靠性,而且该DSS 系统还能得出多个解。

4　解决问题的方法和途径给水管网是供水系统的重要部分,必须提高其安全可靠性。

在规划设计中进行风险分析,对串联、并联及复杂的给水环节,需要进行可靠性分析。

利用计算机对管网各管段损坏时的供水影响进行程度分析,采用双管供水并在适当位置加以连通,通过技术经济手段因地制宜的选用适当方式。

为使给水管网优化设计充分反映实际,并能广泛使用,必须对给水管网现状进行深入细致地调查,掌握准确的原始资料。

并对其进行科学地加工处理。

这是一项繁琐、艰苦又极其重要的工作,是优化设计及其应用不可缺少的基础。

我们必须高度重视,并投入大量的人力物力,使整理的资料满足需要。

管网更新改造是提高给水安全可靠性,降低漏水量和改善管网水质的重要途径。

更新改造的方法要因地制宜合理选用,可根据资料和技术经济比较,建立评价管道模式,同时根据经济效益及实际条件选择更新改造的优先顺序。

・84・ 陕　西　工　学　院　学　报 第15卷合理控制管网漏损。

漏损控制的重要内容是选择合理的检漏方法。

通过技术经济比较选择合理方法和检漏周期。

合理配置检漏仪器也是控制漏损的重要内容之一。

同时,降低过高的压力也是降低漏损和节能的一个措施。

如若发现漏水,则应尽快检修,将漏损降到最低限度。

用计算机对给水管网进行现代化管理,这是供水行业中较新的科研与生产相结合的课题。

我们必须根据给水管网的现状特点,从实际出发,对国内外同类型及相似系统进行大量调研、查询。

在总体方案设计、主机及外围设备、数据加工处理等方面既要满足实际,同时便于操作、节省投资,使优化设计程序尽快投入到工程实际应用之中。

参　考　文　献[1]　Saud A.Taher John badle ,Member ASCE.optimal Design of Water -Distribution Network With GIS.Journal of Water Resources Plannung And Management J uly/August 1996.[2]　Nlperovits ,E.,and shamir.U (1997).“Design of Optimal Water Distribution System ”.Water Resour.Res ,13(6):885-900.[3]　方永忠..中国给水排水,1996(4):10-14.[4]　宋仁元.“输配水管网供水安全”专题研讨会技术小结.城市供水,1996(2):4-8.[5]　李庆华.城市供水管网计算机管理系统的建立和实现.城市供水,1996(2):25-28.[6]　王荣和,顾国维.大型给水管网系统优化设计技术处理.中国给水排水,1995(6):20-25.Description of research of the optimal designof water -distribution networksWAN G Xiao 2feng(Institute of Tourism and Environment of Shaanxi Normal University ,Xi ’an 710062,China ) Abstract :　The domestic and abroad present state of research of optimal design of warer -distribution networks is described in details.Some views and methods that can be used to solve these Problems are Presented for researchers to discuss.K ey w ords :　water -distribution networks ;　optimal design ;　description・94・第2期 王晓峰　给水管网优化设计研究综述 。