给水管网多工况优化设计的实用性

王荣和 顾国维
(同济大学环境工程学院污染控制与资源化研究国家重点实验室)

　　目前，一般专业人员都采用标准优化方法进行给水管网的优化设计计算，可信度不强，影响优化技术在实际工程中的推广应用。本文应用WDOC软件系统，对设计算例进行单工况和多工况优化设计计算，以说明多工况优化设计计算的作用、设计成果的可靠性和可信度，并对优化结果进行48 h的水力模拟计算。

1 给水管网多工况优化设计计算

　　多种供水工况，主要是指远近期规划的最大用水时、消防时、最大转输时、规划年限内出现情况最多的平均用水时、现状供水工况以及各节点的不同压力和不同流量要求的工况。采用非稳定状态水力模拟可以较好地解决供水事故，但对于个别的事故工况，也可以通过多工况优化设计方法解决。?
　　WDOC软件系统的优化设计计算数学模型是：

　　

　　对模型采用优选管径技术进行求解，使管径D与费用C呈一一对应关系，从而使费用计算更加精确；应用管网服务压力要求范围和水泵的特性曲线方程，采用水泵扬程优选技术确定水泵扬程，使之更加合理。应用此模型及算法已完成太原市给水管网系统250根管段、昆明市给水管网系统370根管段、杭州市给水管网系统1000根管段等多个城市的给水管网实际工程优化设计计算。对模型详细的求解过程及方法参阅文献［1］和［2］。

2 多工况优化设计与单工况优化设计比较

　　参考文献［1］所示的管网系统属多水源管网供水系统，其中西水厂的二级泵房设2台水泵(1备1用)，东水厂的二级泵房设3台水泵(2用1备)，所有水泵为14SH—13型泵。水塔最低水位距地面22.0m，水塔水深为4.0m，水塔截面积为800.0m²，最大转输时供水量是最大用水时供水量的60%，最大转输流量定为120L/s，最大转输压力为274kPa(净压力254kPa，流出水头20kPa)；消防标准定为两个起火点，消防流量为55L/s；事故时供水量为最大时供水量的70%，最低供水水压满足98kPa的消防供水要求。全城地形平坦，标高相同，所有管线为新铺管线。要求：对给水管网系统进行多工况优化设计计算，最大供水时的最小供水压力为196kPa。
　　应用WDOC软件系统，进行了四种情况优化设计计算：①最大用水时的单一供水工况；②在最大用水工况下再考虑消防工况的双工况控制；③在最大用水工况下考虑消防工况和最大转输工况的三工况控制；④在最大用水工况下考虑消防工况和最大转输工况，并且再考虑西水厂停产时的事故工况的四工况控制。分别对这四种情况进行多工况优化设计计算，采用统一的费用指标，通过多工况优化设计计算，每一情况下的管径如表1所示，各种情况下的经济指标如表2所示。

表1 各种情况下的优化管径 mm 管段号 单工况 二工况 三工况 四工况 1 600 600 500 400 2 300 400 400 400 3 300 300 300 300 4 300 300 300 300 5 300 300 300 300 6 300 300 300 300 7 100 200 200 400 8 400 300 400 300 9 300 300 300 300 10 300 300 300 300 11 100 100 100 300 12 100 100 100 100 13 300 300 300 300 14 400 300 300 400 15 300 300 300 300 16 300 300 300 300 17 300 300 300 300 18 100 100 100 100 19 400 400 400 300 20 500 500 500 500 21 600 500 600 600 22 200 300 300 300 23 200 300 300 300 24 200 200 200 200 25 200 200 200 200

表2 各种情况下的技术经济指标 工况 单工况 二工况 三工况 四工况 总投资（万元） 1007.113 1052.117 1059.536 1093.267 运行费（万元/a） 119.253 117.761 118.980 118.822 折算值（万元/a） 283.156 288.988 291.415 296.746

　　每一种情况下的管径组合都不一样，因此导致投资、运行费用和供水条件的不同。情况①如同标准优化法的计算结果，只满足最大供水工况的要求，如果不进行多工况的优化设计计算，而是通过人工调整的方法进行多工况的校核，是很难达到优化要求的。譬如，在最大用水工况下，由于管径的不同而产生各水厂的供水量、水塔出水量、水泵扬程和节点压力的不同，而情况④的优化计算结果使最大用水工况(最低水压197.4kPa)、最大转输工况(最小转输水压276.7kPa)和事故工况(最低水压98.0kPa)三个工况刚好满足供水要求，从而可以发现只用一个最不利工况进行管网计算是不能得出优化方案的。从表2中可以看出，情况②的年费用折算值比情况①多2.06%，但可以满足消防供水的要求；情况③的年费用折算值比情况②多0.84%，从而可以满足最大转输工况的供水要求，情况④的年费用折算值比情况③多1.83%，但可以满足西水厂停产时的事故要求。情况④比情况①多4.80%，可见单工况优化和多工况优化的差别是很大的。
　　另外，多工况优化设计计算结果只满足所有工况在某一时间点上的供水要求，是否满足连续供水要求，还需进行延时水力模拟校核。对情况④的优化设计计算结果进行48 h连续水力模拟校核(在48 h内设置了消防工况和管段的事故工况)，水塔水位变化22.004～25.762m，表明在水塔的最高(26.0m)和最低(22.0m)水位上运行；最低水压除消防时只满足消防要求外，其余全部满足196kPa的供水要求；最高水压(即水泵供水扬程)为443.3～504.0kPa，全部在水泵的高效区运行。从而表明这一优化结果可以满足不同工况下的供水要求。

3 结论

　　用手工法或凭人工经验确定管径，已不能满足给水管网工程设计的要求。通过对各种情况的优化设计计算比较可见，单工况优化设计计算也不能满足工程设计要求。多工况的优化设计计算，可以满足所设计工况下的供水要求，比手工法和单工况优化法优越很多，但由于只能满足某一时间点的供水要求，显然也存在许多不足之处。因此，在进行给水管网工程设计时，不但要进行多工况的优化设计计算，还要对其结果进行长时间的延时水力模拟，从而使所确定的工程方案最大程度地满足设计期内的供水要求。

参考文献

　　1 严煦世.给水排水工程快速设计手册(1)给水工程.北京：中国建筑工业出版社，1998?44～47
　　2 王荣和，顾国维.延时模拟技术在给水管网优化调度中的应用.给水排水，1997；23(9)：9～13
　　3 王荣和，顾国维.优选管径法在给水管网优化设计中的应用.中国给水排水，1998；14(1)：14～17

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　　作者通讯处：200092 同济大学环境工程学院
　　(收稿日期 1998-09-10)