市政管网优化技术研究现状与趋势

69CitiesandtownsConstruCtioninGuanGxi2011.9建设论坛市政管网优化技术研究现状与趋势1引言水资源是地球上一切事物生存与发展的最宝贵自然资源，也是人类社会及其经济活动发展的重要基础[1-3]。进入21世纪以来，随着人口的快速增长和社会经济的高速发展，加之人类不合理的开发和利用水资源，水资源短缺已成为世界各国最为突出的社会问题之一[3，4]。现阶段，我国水资源面临着四大严峻挑战，洪涝灾害、水资源供需矛盾突出、水土流失严重以及水污染尚未得到有效控制[5，6]，水资源已成为制约我国国民经济可持续发展的重要因素。伴随城市化进程的加快，我国水资源开发利用的重心逐渐由农业供水向城市供水转移[7]。城市化的发展，将直接导致城市供水在水资源开发利用中的比例增大。中国城市缺水态势已经十分严峻，随着城市化水平大幅提高，水资源短缺将更加严峻[3]。加强城市水资源的基础设施建设和优化，突出强调水资源的节约保护将是解决城市水资源短缺的有效途径[7，8]。市政管网是城市供水系统的主要组成部分。管网优化包括管网的布置优化、设计优化和算法优化，□陆柏昊_LuBaihaoOnOptimizationTechnologyforMunicipalPipeNetwork[摘要]市政管网优化技术以提高城市水资源利用率为目的，是一种节约型、经济型的水资源可持续发展战略。本文综述国内外市政管网优化技术的历史进程和研究现状，重点分析各项管网优化技术的适用性，针对日益突出的水资源紧张和国内市政管网中亟待解决的问题，以某市政管网为例提出解决管网优化问题的可行性方案，为我国市政管网的优化提供技术支持。[关键词]市政管网；优化技术；水资源；技术进展；研究现状[文章编号]1672-7045（2011）09-0069-05[中图分类号]TU992[文献标识码]AAbstract：Throughprojectcase,thispaperdiscussesonoptimizationtechnologyformunicipalpipenetworkbypipenetworklayout,leakageandstormproofing,togetherwithitsresearchstatusanddevelopmenttrend.Keywords：municipalpipenetwork;optimization;waterresources;technologyevolution;researchstatusISSERTATIONConstruction广西城镇建设70论文其能降低年运行费和管网投资费，提高系统可靠性，对降低能耗、节约投资、促进新技术的发展有重要的现实意义[8]。本文综述现阶段国内外在市政管网优化技术方面的研究现状，旨在为市政管网优化的深入研究和工程实践提供阶段性的理论基础，对水资源的合理利用以及可持续发展有重要意义。2市政管网优化技术的历史进程管网优化是一个交叉学科问题，涉及最优化数学理论、技术经济评价体系以及相关计算机功能软件的运用，被广泛应用于城市供排水、农业灌溉、油气输送等领域[9]。管网优化主要是根据优化的目标体系构造模型，利用最优化理论和方法，选取合理的设计参数，确定切合工程实际的设计方案，并以此作为工程建设施工和运行管理的科学依据，力求获得使管网投资、年运行费或单位面积上投资最小，稳定性强，可靠性高，运行效果佳的管网系统。早在20世纪60年代，国外就开始用系统分析方法优化树状管网。与世界前沿研究进程相比，我国市政管网优化设计的研究相对滞后20年左右。市政管网优化技术先后经历了以下几个阶段：经典优化理论在市政管网优化中的应用，代表理论有线性规划、非线性规划、动态规划法等；启发式算法在市政管网优化中的纵向发展，主要有遗传算法、人工神经网络法；多方法优化在市政管网优化中的横向结合，主要表现在线形规划、模糊数学、动态规划、遗传算法相结合的方法，以及地理信息系统（GIS）、MATLAB等计算机软件相结合的方法；分级优化在管网优化中的应用，随着传统算法到新型算法的渐变，分级优化方法已经发展成为更加合理精确的优化方法。3市政管网优化技术的研究现状市政管网分为给水（供水）管网、雨水管网、污水管网。经过近40年的发展和演化，我国市政管网优化技术发生了巨大变化，其优化技术先后经历了从经典传统单一型向新型复合型的渐变过程。3.1遗传算法在管网优化中的应用遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化进程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法[10，11]。周荣敏等（2001年）以遗传算法和图论为理论基础，以管网投资最小为目标，研究应用单亲遗传算法进行树状管网的优化布置[12]。缪海洋等（2005年）在标准遗传算法的基础上，利用传统优化方法中的坐标轮换寻优法进行局部微调，在环状管网水力平衡计算中获得较高精度[13]。陈磊等（2003年）采用遗传算法优化改进BP神经元网络的拓扑结构，模型预测结果比较理想[14]。金溪等（2007年）应用遗传算法对供水管网压力监测点优化布置模型进行求解，验证了求解算法的可行性及优化模型的正确性[15]。董深等（2007年）通过遗传算法对给水管网优化模型中存在的问题进行优化，结果表明改进优化模型在经济性和供水安全性方面具备优越性[16]。遗传算法虽具有高度的并行处理能力和良好的全局搜索能力，但局部寻优能力相对差，易出现早熟现象[17]。遗传算法借助随机进化机制控制优化过程，性能上既优于非线性的爬山搜索法，又具备枚举法的离散变量组合特性，适用于解决离散管径的组合优化问题。3.2数学模型在管网优化中的应用MarquardtD（1963年）提出采用非线性模型，借助最小二乘法，研究管网系统优化问题，取得很好的收敛效果[18]。周荣敏等（2002年）基于Hopfield神经网络模型的优化方法，建立自压式树状管网神经网络优化设计模型，实现了树状管网全局最优化设计[19]。卜义惠等（2003年）建立了给水管网系统实用优化改扩建模型，在不影响水力模型计算精度的前提下，引入管网简化对非改扩建区域的管网实现任意程度的简化，实例验证并取得较好效果。张凤娥等（2007年）应用EPANET水力平差模型验证供水管网的运行情况，根据平差结果对管网进行优化调整，得到满足水压要求的供水管网铺设方案，为供水管网的优化提供科学依据[20]。吴永强等（2010年）提出供水管网优化规划的数学模型，对供水管网进行系统优化，取得较理想的经济效益[21]。3.3计算机技术在管网优化中的应用随着计算机技术飞速发展，市政管网计算机辅71CitiesandtownsConstruCtioninGuanGxi2011.9建设论坛助设计软件得到较大发展，大多是以AutoCAD为操作平台，主要有市政管线设计软件HY-SZGXV4.0、WaterCAD、天正给排水（TWT）、理正给排水设计软件以及给水系统优化软件（WADSOP）。Andrade等（1999年）开发了基于Windows平台的灌溉系统有压管网压力和水量分配仿真模型SPRINKMOD[22]。催海顺（2006年）采用Excel软件对排水管网进行了优化设计，使用方便，输出直观，优化效果好，便于与其他软件资源共享[23]。Morley等（2001年）开发了基于GIS的管网优化决策系统软件（GAnet），可用遗传算法进行管网优化，并具有二次开发功能[24]。4市政管网优化中存在的问题及其解决方案4.1系统布置不合理及解决方案我国经济高速发展，城市化进程加快，自来水普及率稳步提高，传统管网布局和规划科学性差，对新时期管网系统的适用性差，存在管线铺设冗余、连接复杂等现象，导致管理困难、事故影响范围大、供水成本高等问题[25]。管网系统布置应主要根据供水区域的地形、服务区用户的分布情况、城市建设的总体规划、水源、调节池、桥梁、铁路、河流位置等因素综合考虑[26]。管网布置的总体原则是：在符合城市总体规划的前提下，以保障用水安全为基础，满足用户对水量和水压的要求，管网布置尽量按照管线简短、管网布置成环状或者枝环结合，以节省工程造价和提高管网安全性。根据管网布置的总体原则，将遗传算法应用于城市给水环状管网优化设计，可较好地解决管网系统布置不合理的问题。遗传算法模型为：Nw=∑CiLi+p{maxjmax（Hminj-Hj，0）}i=1式中，w为广义目标函数值；N为管段数；Ci为管道单价，元/m；Li为管长，m；p为惩罚因子，为常数；Hminj-Hj为节点j的欠压值，若大于零则表示节点欠压。某市采用遗传算法对某区域环状管网进行优化，该区域管网总长度为7780m，管网最高用水时流量为220.9L/s，最小服务水压为235kPa，管道单价见表1。经计算，所得最优解的管网费用为452166元，与原始设计方案投资的511859元相比，可节约11.66%的投资。4.2管网漏失及解决方案当前管网漏失普遍存在于市政管网中，除管材及各附件的质量问题外，设计、施工及管理也是管网漏失的重要因素。究其原因，可以从管材、技术及管理三方面着手。严格控制管材、管件质量，选择抗腐蚀、延伸率大、强度高、质量好、抗老化的优质管材；管件避免刚性接口，尽可能选择柔性橡胶接口；管材及管件需严格按照使用寿命定期更换[27]。设计施工前，尽量搜集详尽的原始资料，优选方案，精心设计，科学规划；施工人员严格按照图纸施工，保障管基平整结实、覆土密实，施工完毕后进行水压试验。建立管网资料数据库，加强模型法测漏；健全查漏、稽查制度，加强维修。在管网漏失解决方案中，对于老旧管网的改造，可考虑更换管道、喷涂法、翻衬法修复、塑料管穿插等方法。某市老城区2002年以前安装年代较长的未有内衬的普通铸铁管、钢筋混凝土管、钢管共计43786m，该市自来水公司在管道改造中选用开挖较少、时间较短、多方面影响较少的塑料管（HDPE）穿插法和涂衬法，以降低该市自来水管道漏失率。在新建管网中，该市自来水公司设计直径大于300mm干管优先采用内壁涂复具有良好节能效果特种漆的球墨铸铁管，直径小于300mm干管优先采用小阻力的塑料管。此外，该市自来水公司近年更换年久失修的阀门153个，增设管网检测系统6套和测流、测压井55座，增设检漏、测压设备，严格管理管径（m）0.450.40.350.30.250.20.15单价（元/m）15012510585655037表1管道单价ISSERTATIONConstruction广西城镇建设72论文制度，增加管漏自查率，极大地减少了管网漏失率。4.3管网抗暴雨强度差及解决方案近年来，我国各地区频频遭受暴雨侵害，对国家及个人造成不可挽回的损失。综合考虑降雨量、市政管网排水能力及经济因素，可适当加大排水管道、出水口及泵站的标准系数。加大管网建设的资金投入，从根本上改善市政管网的基础设施。加强对管线的管理，及时更换老化管件，普及雨水收集措施。某市属于南方多雨城市，城市内涝时有发生。为此，该市针对雨污合流制的市政管网，逐步改造为雨污分流的管网。在新建雨水管网中，管径按照该市年降雨量的大小及最大时降雨量进行具体的设计，并根据市区内河流湖泊众多的特点，雨水排放要保证在较大降雨后能够迅速地将地面积水排入就近水系，铺设的雨水管道管径在500mm～1000mm之间。5市政管网优化技术的发展趋势5.1市政管网优化是未来研究的重要方向之一基于市政管网优化影响因素的多元化和复杂性，传统管网优化方法计算量大、普适性差，难以广泛应用于复杂管网[11]。利用遗传算法、人工神经网络法、改进遗传算法、模拟退火算法等新型算法，降低求解难度，提高计算效率，已成为市政管网优化计算的主导方向。5.2市政管网优化领域的拓展研究由于地形差异、水源质量及经济水平参差不齐，市政管网工程优化应该从以下几个方面进行深化研究：管网运行可靠性和经济性的管网优化；传统经典算法与新型算法相结合在市政管网优化布置方面的研究；环状管网、环状与树状相结合的混合管网的优化布置与设计方法。5.3市政管