城市供水管网是城市十分重要的基础设施，保证了城市的正常运行，管网优化设计可以提高管网系统的布局合理性、运行经济性和供水安全可靠性。为了更好地保证城市供水管网的有序运行，本文分析了如何对城市供水管网进行优化设计。

1、城市供水管网的现状及问题

随着我国城市的迅猛发展，各地供水管网已具规模，但随着人口增长和生活水平的提高，以及城市产业布局的调整，城市区域用水量有所变化，管网系统在各方面存在一系列问题：

（1）一些城市供水管网出现老化，老城区问题尤为突出，供水管网铺设时间大多在30年以上，管材质量差，年久失修，老化严重，造成爆管以及各种形式的明漏、暗漏。

（2）供水管网的布局不合理，部分还停留在以前的规划控制中，并没有随着需求的改变而改变，供水安全性较差，供水效益也有待提高。

（3）城填供水管网的更新、改造和扩建，导致管网压力分布不均，高压区的供水能力浪费，而管网末梢服务压力却明显不足。

为了保持供水满足正常的生活需要，在大、中型城市当中，供水管网通常都会使用环状管网，这种管网建设的规模大、费用也大，将其进行优化，找出最为经济且实用的方案，是目前的当务之急。

2、供水管网设计的发展及趋势

管网优化设计在国外始于20世纪60年代，管网优化技术研究经历了从单一型向复合型的发展历程，传统的给水管网计算步骤为：(1)分配管段流量，根据管段流量从经济流量表中选择经济管径；(2)管网平差计算，确定实际管段流量；(3)检验各管段，若不满足经济流量，则调整管径，返回步骤2；若满足则进入步骤4；(4)选择水泵，进行流量、水压校核，满足要求则中止计算，否则或重选泵，或调整部分管径，再平差直至满意。上述方法的缺陷在于，(1)经济管径、经济流速等概念是从单管的优化计算中近似而来，在管网中，特别是在大型复杂管网系统中应用就会带来一定误差，甚至是较大误差；(2)经过步骤2的平差计算后，难以保证新得到的管段流量仍在所选管径允许的经济流速范围内，可能还需要调整管径往复试算，这种凭经验试算的方式在数学方法上不是有效的。

因此，对供水管网进行优化设计已在国内外引起广泛重视，随着最优化理论的发展、计算机的出现以及其应用软件的发展，给水管网水力计算有了很大的发展，在理论及算法上日趋完善。信息技术的飞速发展，为管网设计与管理提供强有力的支持和推动，管网水力计算从人工计算转为利用模型软件精确计算，如何调整模型、保持模型精度，成为了新的工作任务。

3、城市供水管网优化设计内容

供水管网优化设计一般是指在既定条件下(即水厂规模和位置已确定)，寻求投资少、能耗低、安全可靠性高的管网系统，包括管网布置、管网定线、管径选择、供水区域划分及加压站设置等的最优设计方案。通过对管网的优化设计计算，可以节省总投资的5%～10%，对供水系统的经济效益和社会效益存在重要意义。供水管网优化设计的内容主要有以下几个方面：

(1)管网优化布置是管网优化设计的基础，在管网规划设计阶段，进行合理的规划和优化设计，并进行系统现状、近期和远期的水力模拟校核，以期达到设计最优化的目的。在进行城市管网布置时，除满足基本要求之外，还应充分考虑地形及地质情况采用统一供水或采用分区分压供水。

（2）管网定线取决于城市平面布置，供水区域的地形，水源和泵站位置，街区和用户的分布以及河流、铁路、桥梁等的位置等。管网定线时需要考虑输水管定线与主干管定线的设计，布置供水管网时应坚持工程量最小、水流畅通以及最大限度上节省能量的原则。

（3）管径优化设计。管网中每个管段管径的大小，与管网系统布局、区域用水量、该管段在管网系统中承担的任务密切相关，管径优化设计需要以最优管网布置为基础，通过管网模型运行求解。

（4）充分考虑地形及地质情况采用统一供水或采用分区分压供水，在管网中可设置加压泵站，优选重力流输配水以节能。

4、城市供水管网优化设计的措施研究

在城市总体及区域供水工程规划设计中，其优化设计一般可采取以下措施和步骤：

（1）结合城市总体规划，合理确定近远期的供水范围、城市用水量、供水水源及规模。《室外给水设计规范（GB50013-2006）》提出，供水工程设计应按远期规划、近远期结合、以近期为主的原则进行设计，近期设计年限宜采用5～10年，远期规划设计年限宜采用10～20年。

（2）研究城市规划布局和地形地势，调查和收集城市供水量、城市用水量、水厂、管网等基础资料，划分供水区域，布置供水管网系统，建立供水管网结构数据库。输配水干管的布置和定线应根据城市规划布局、水源及调节池位置、供水区域地形地势、大用户的分布，以及河流、铁路、桥梁等的位置进行合理确定。大、中型城市一般城市建设区的面积都很大，各区域之间存在有不同程度的地形高差，供水系统往往很复杂，管网系统布置有多种形式，需要进行技术经济比较，寻找最优的管网布置方案。

（3）研究流量优化分配方案。对环状管网的每一个基环分配一个管段流量，则其余管段的流量就可通过节点连续性方程求出，也就得到一种流量分配方案。对于不同的流量分配方案，就对应不同的投资。环状管网最优分配方案就是从上述方案中选出一个投资最小的设计方案。

（4）根据流量分配结果研究管线的规划布置。主干管线的规划要考虑水源与泵站位置，以及符合城镇路网规划要求，沿原有城市道路和规划道路铺设。主干管线隔一段距离要设置联络管，间距易在800～1000m,以保证管网在事故时仍能按设计要求供水。水源的选择和管线的走向布置应尽可能保证水流方向一致，以免造成过多的水头损失，管线应在高处要设排气阀，低处设泄气阀。

（5）确定旧管网更新方案。供水规划设计一般主要涉及到新增供水干管、调整管道的管径、更换老化和漏损严重的管道、扩建和增设加压泵站等几个方面。旧城区供水出现了管网布置不合理、管径偏小、管道老化及漏损严重、局部区域供水压力低等诸多问题，为提高供水质量和保障安全供水，许多城市都迫切需要对供水管网进行改造。规划设计人员应通过查看管网图，分析主、支管道、过路管道的走向及具体分布情况，收集管线管材、管龄、水质、水压、漏损情况等信息，确定需要更新的现状管网，并根据规划用水量，计算确定新管道管径，制定新旧管道碰接的具体措施。

(6)建立供水管网优化设计模型，通过模型软件系统，合理简化管网拓扑图。确定管道水头损失的计算公式，以及新旧管道的粗糙系数。通过水力平差计算得出管网模拟运行结果，使其达到在投资(管径)及常年运行费用(水泵扬程)最小的情况下，满足用户对水量和水压的要求。根据历史纪录和经验，在一般情况下，供水管网中管段直径小于1m时，经济流速在0.5～1.0m/s之间，对于大于1.0m的管径，经济流速在1.0～2.0m/s之间。近年来，一些城市供水管网存在管段流速较低的情况，这是城市给水设施快步发展，设施建设富余量过大造成的问题。我们需要针对当前的经济规律和发展状况，开展经济流速和经济管径的研究，确定各城市和地区的经济流速和经济管径，提高供水企业的经济效益和科学管理水平。

(7)对管网优化结果分析总结，提出优化建议，以保证管网优化工程顺利实施。

3、结语

伴随着计算机技术的飞速发展，管网优化设计算法和模型软件开发研究日益进步，城市供水管网优化理论的工程应用可行性也逐步提升。在保障管网运行安全性和可靠性的前提下，降低管网运行维护成本，提高社会效益和经济效益是管网优化设计的根本目的。目前供水管网优化设计方面仍存在很多难题要克服，探索适合国内应用的优化设计措施仍具有很大的研究意义及发展空间。