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摘要：为了更加深刻了解给水管网设计计算原理及其相关规定，本文就管网定线、消防流量、消防校核和管网平差以及给水网管道的设计与优化几个问题谈谈实际管网设计过程中的几点体会，并给出了详细的解释。
关键词：给水管网；管网定线；管网设计；优化计算；管网平差
引言
城市给水管网是一项重要基础设施，具有保证城市供水安全的重要作用，给水管网能否正常运行对经济的发展有重要影响。而管网的建设费用在城市基础设施建设中的比重一般都比较大，所以，应在保证管网正常运用和市民生活的同时，进一步减少管网建设费用，通过合理的管网设计使其产生最大的经济效益。
一、城市给水管网定线原则
城市给水管网定线是指在带有地形城市现状和规划道路的平面图上确定管线的走向和位置。定线时一般只限于管网的支管以及干管之间的连接管，不包括从干管到用户的分配管和接到用户的进水管。干管及支管的使用功能应明确分工，避免小直径的管道长距离敷设。
定线时，干管延伸方向应和二级泵站输水到水他、水塔、大用户的水流方向一致。顺水流方向，以最短的距离布置一条或数条干管，干管位置应从用水量较大、道路较宽、地下管线障碍较少的街区通过；干管和干管之间的连接管网形成了环状网，连接管的作用在于局部管线损坏时，可以通过它重新分配流量，从而缩小断水范围，较可靠地保证供水。
干管一般按城市规划道路定线，但尽量避免在高级路面或重要道路下通过，以减小今后检修时的困难。管线在道路下的平面位置和标高，应符合城市或厂区地下管线综合设计的要求，给水管线和建筑物、铁路以及其他管道的水平净距，均应参照有关规定。管网布置应尽量少穿河流铁路等地面障碍物。近期规划尽量减少动迁房屋等，尽量保证管道双侧配水，以提高管道的利用率。
二、管网设计流量计算时不加入消防流量
管网设计是按照最高日最高时流量进行的，最高日最高时流量中是不包括消防流量的。按照工程设计最不利原则，仅从流量来考虑应该是最高日最高时发生火灾时为最不利情况。但是，我们国家执行的是低压消防模式，在着火点只需要满足10米服务水头就可以了，所以从服务水头的要求上来看这比生活服务水头要低。这种规定笔者认为是很有道理的，一方面，如果管网设计时就加入消防流量，势必增大管网的规模，增大投资，另一方面，城市发生火灾的概率是很小的，发生火灾时，牺牲一部分利益（服务水头降低，部分用水点断水）用水户基本能够接受。
三、消防校核其实质就是一种验证
消防设计一直是给水排水专业设计工作中的重中之重，消防校核也是管网设计中的一个重要内容和步骤。由于给水管网设计时没有考虑消防流量，消防校核其实质就是一种验证，验证按照最高日最高时流量设计的管网和所选水泵能否满足消防时最不利点10米服务水头的要求。这里要强调的是消防校核是一种验证，而不是重新设计，有些设计人员在做消防校核时以最高日最高时流量加上消防流量，然后重新选管径、重新进行水力计算和重新选水泵，这其实是对消防校核的错误理解。这里提出一种建议：随着社会经济的发展，用户对供水安全性要求的提高，即使发生火灾时也不希望停水，经济因素不再是主导因素，用户需求是主导因素，管网设计就应该以最高日最高时流量加上消防流量作为设计流量了，这样虽然增大了工程投资，但可以带来两个好处，一是火灾时不停水，二是不发生火灾时管网水头损失下降，对节省运行费用是有好处的。消防校核这个步骤就可以省略了。
四、管网平差的目的是使设计更加符合实际情况
管网平差是给水管网设计计算中最不好理解的一个环节，现在计算机平差取代了原来繁琐的手工平差，设计人员操作起来简单多了，但是很少有人去想为什么要进行管网平差。实际的管网水流中，总是自动的同时满足能量方程和连续性方程，而设计时，无论是初分流量还是初定节点水压，仅仅是满足连续性方程或者能量方程。这就说明我们设计的这种情况在实际管网水流状况中永远都不会发生，也就说明我们的设计偏离了实际情况，符合实际情况的设计才是最合理的设计。既然偏离了实际情况，所以我们就不能根据初分流量或者初拟压力进行后续步骤的计算，这就要求对初分流量或者初拟压力进行调整，使之趋向或者接近实际情况。这种调整的过程就是管网平差。所以管网平差的目的就是使得我们的设计接近于实际情况。管网平差可以调整流量，也可以调整管径，因为管径是不连续的，而流量是连续的，调整流量便于操作，所以实际管网平差通常是调整流量。
五、目前城市给水管网存在的问题
作为市政基础设施，在目前的情况下，城市的供水业在输水过程中存在成本高、水压低和供水困难等问题，因此，城市给水管网的改造和优化对管网的安全性、适用性与经济性都至关重要。经过一系列的调查统计发现，大部分城市的给水管网都存在如下三个方面的问题。
5.1给水管漏耗严重
由于管道的的铺设年限比较久，部分城市出现供水管网老化，尤其是在老城区，供水管网铺设时间很多都在超过了50年，加上管材质量较差，长期超限运行，年久失修，老化严重，经常发生爆管以及各种形式的明漏、暗漏，而这部分管网大约占了全部管网长度的6.2％，导致一般城市自来水漏失率达到10％-30％，平均水平在24％左右，远远高于欧洲7％的平均漏损率。据估算，我国每年因给水管网漏损和爆管造成的损失竟高达5亿元。
5.2现有管网的供水安全性差、效率低
随着生活水平的提高，人们对水的质量和供水安全都非常关注。一方面，受天气的影响、供水压力过高、道路施工措施不妥、地下管道埋设较浅，抗重压能力差等原因，会导致管道不堪重负，经常发生爆管的现象。另一方面，给水管网系统类似一个反应器，很庞大而且复杂，经水厂处理完毕后的合格给水，在管网中又会发生一系列的物理、化学及生物反应就会导致水质下降，这样就会既污染水质，又造成安全隐患，因此，必须在满足环境保护和社会需求的前提下，尽可能减少供水成本，提高管网供水的安全性和经济性。
5.3给水管网布局不合理
一方面，给水管网的设计不合理，仍然停留在以前的规划控制中，没能随着需求的改变而相应变化；另一方面，随着城市的发展，会使经济文化中心转移，以前不发达的区域变成了繁华的商业区和人口集中的地方，而且人们生活用水的用量在不断增加，使得原有的给水管网达不到当前的供水要求。
六、给水管网的优化设计
6.1管线设计要点
在目前接触到的项目中管线定线采用的地形图为1:1000，但是，必要时也可以通过现场的踏勘来确定或修正。如果仅仅是改造工程，需要注意的是，最理想的管位应为和老管道净距1.5m。但在实际操作中，有些管道之间影响不太大，净距也可酌情减少。另外，若工程管线的各个竖向管道之间产生矛盾，应当遵行如下原则：一是支管要避让干管；二是可弯曲管应避让不可弯曲管；三是规划管线要避让现状管线；四是压力管应避让重力管；五是管径小的管线应避让管径大的管线。
6.2管网的优化模型
在做给水管网的优化设计时，一般应考虑四个方面，即保证供水所需的水量和水压、水质安全、可靠性以及经济性。因为水质安全性不易定量来进行评价，正常时或损坏时用水量会有变化、二级泵房的运行和流量分配等都有不同方案，所有这些因素难以在数学式表达中体现出来，所以管网优化设计主要是在考虑到各种设计目标的前提下，求得在一定的年限内，其建造费用和管理费用之和达到最小时的管段直径或者水头损失。
在城市给水网总体规划中首先要进行用水量的预测，即采用一定的理论和方法，有条件地预计城市将来某一阶段的可能用水量。用水量预测一般以过去的资料为依据，以今后用水趋向，经济条件，人口变化，资源情况，政策导向等为条件。各种预测方法是对各种影响用水的条件作出合理
的假定，从而通过一定的方法，求出预期水量。然后进行给水水源规划，要了解该城市的水资源总量和可开采量，这与城市用水供需平衡、确定城市发展规模、功能布局、给水工程系统布置都有密切关系。最后进行给水工程设施规划。由于城市给水工程系统的确定是城市给水工程规划的主要内容。
目前给水管网优化设计大多是以非线性数学模型为基础，通过各种数学方法来进行管网优化计算，并求出经济管径，再进行管网的平差计算，以及消防事故时、最不利管段损坏时核算。
6.3遗传算法的应用
给水管网是城市供水系统的重要组成部分，它占整个给水工程投资的70%～80%。随着城市规模的扩大，管网也不断向着大型化、复杂化的方向发展，这使得优化设计在给水管网设计中变得尤为重要。给水管网的优化问题涉及因素众多，是一个混合离散变量的非线性多目标优化问题。将目标函数集中在经济最优目标上，同时为保证供水可靠性，设定最小管径约束，以防单纯经济考虑导致树状网的出现。这样给水管网的优化问题就转化为在给定管线布置及可供管径规格等条件下求解最优管径和最优水源流量问题。近年来，遗传算法已经有了一些分配系统规划和设计的应用研究，并显示了较大的优越性。
遗传算法解决给水管网优化设计问题的优点：
(1)遗传算法的寻优过程是一种随机寻优过程，最优解不会在狭窄的区域内收敛，不至于形成局部最优解；
(2)易于处理离散变量函数的优化问题，避免了管径调整；
(3)应用遗传算法进行环状管网优化设计时，无需预先分配流量模式，而是通过遗传进化过程寻找能满足管网水力特性和管网造价低的管径组合方案。
结束语
本文通过对现有城市给水管网普遍存在的问题进行详细的分析，阐述了对其进行优化设计的必要性，给出了管线设计的一些基本原则。分析了给水管网优化设计的相关约束条件，进而提出了采用遗传算法进行优化以寻求最适当的设计方法。城市给水管网的优化设计与应用具有重大的经济效益和社会效益，虽然目前城市给水管网优化理论研究已经取得很大进展，优化设计及计算方法日趋完善和精确，但在实际应用中仍然存在一些问题和缺陷，还需城市给水工作者努力探索和研究。
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