王榮和 顧國(guó)維
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

　　目前，一般專業(yè)人員都采用標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化方法進(jìn)行給水管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，可信度不強(qiáng)，影響優(yōu)化技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。本文應(yīng)用WDOC軟件系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)算例進(jìn)行單工況和多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，以說明多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的作用、設(shè)計(jì)成果的可靠性和可信度，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行48 h的水力模擬計(jì)算。

1 給水管網(wǎng)多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

　　多種供水工況，主要是指遠(yuǎn)近期規(guī)劃的最大用水時(shí)、消防時(shí)、最大轉(zhuǎn)輸時(shí)、規(guī)劃年限內(nèi)出現(xiàn)情況最多的平均用水時(shí)、現(xiàn)狀供水工況以及各節(jié)點(diǎn)的不同壓力和不同流量要求的工況。采用非穩(wěn)定狀態(tài)水力模擬可以較好地解決供水事故，但對(duì)于個(gè)別的事故工況，也可以通過多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)方法解決。?
　　WDOC軟件系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型是：

　　

　　對(duì)模型采用優(yōu)選管徑技術(shù)進(jìn)行求解，使管徑D與費(fèi)用C呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使費(fèi)用計(jì)算更加精確；應(yīng)用管網(wǎng)服務(wù)壓力要求范圍和水泵的特性曲線方程，采用水泵揚(yáng)程優(yōu)選技術(shù)確定水泵揚(yáng)程，使之更加合理。應(yīng)用此模型及算法已完成太原市給水管網(wǎng)系統(tǒng)250根管段、昆明市給水管網(wǎng)系統(tǒng)370根管段、杭州市給水管網(wǎng)系統(tǒng)1000根管段等多個(gè)城市的給水管網(wǎng)實(shí)際工程優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)模型詳細(xì)的求解過程及方法參閱文獻(xiàn)［1］和［2］。

2 多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)與單工況優(yōu)化設(shè)計(jì)比較

　　參考文獻(xiàn)［1］所示的管網(wǎng)系統(tǒng)屬多水源管網(wǎng)供水系統(tǒng)，其中西水廠的二級(jí)泵房設(shè)2臺(tái)水泵(1備1用)，東水廠的二級(jí)泵房設(shè)3臺(tái)水泵(2用1備)，所有水泵為14SH—13型泵。水塔最低水位距地面22.0m，水塔水深為4.0m，水塔截面積為800.0m²，最大轉(zhuǎn)輸時(shí)供水量是最大用水時(shí)供水量的60%，最大轉(zhuǎn)輸流量定為120L/s，最大轉(zhuǎn)輸壓力為274kPa(凈壓力254kPa，流出水頭20kPa)；消防標(biāo)準(zhǔn)定為兩個(gè)起火點(diǎn)，消防流量為55L/s；事故時(shí)供水量為最大時(shí)供水量的70%，最低供水水壓滿足98kPa的消防供水要求。全城地形平坦，標(biāo)高相同，所有管線為新鋪管線。要求：對(duì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，最大供水時(shí)的最小供水壓力為196kPa。
　　應(yīng)用WDOC軟件系統(tǒng)，進(jìn)行了四種情況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算：①最大用水時(shí)的單一供水工況；②在最大用水工況下再考慮消防工況的雙工況控制；③在最大用水工況下考慮消防工況和最大轉(zhuǎn)輸工況的三工況控制；④在最大用水工況下考慮消防工況和最大轉(zhuǎn)輸工況，并且再考慮西水廠停產(chǎn)時(shí)的事故工況的四工況控制。分別對(duì)這四種情況進(jìn)行多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，采用統(tǒng)一的費(fèi)用指標(biāo)，通過多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，每一情況下的管徑如表1所示，各種情況下的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如表2所示。

表1 各種情況下的優(yōu)化管徑 mm 管段號(hào) 單工況 二工況 三工況 四工況 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 各種情況下的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 工況 單工況 二工況 三工況 四工況 總投資（萬(wàn)元） 1007.113 1052.117 1059.536 1093.267 運(yùn)行費(fèi)（萬(wàn)元/a） 119.253 117.761 118.980 118.822 折算值（萬(wàn)元/a） 283.156 288.988 291.415 296.746

　　每一種情況下的管徑組合都不一樣，因此導(dǎo)致投資、運(yùn)行費(fèi)用和供水條件的不同。情況①如同標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化法的計(jì)算結(jié)果，只滿足最大供水工況的要求，如果不進(jìn)行多工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，而是通過人工調(diào)整的方法進(jìn)行多工況的校核，是很難達(dá)到優(yōu)化要求的。譬如，在最大用水工況下，由于管徑的不同而產(chǎn)生各水廠的供水量、水塔出水量、水泵揚(yáng)程和節(jié)點(diǎn)壓力的不同，而情況④的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果使最大用水工況(最低水壓197.4kPa)、最大轉(zhuǎn)輸工況(最小轉(zhuǎn)輸水壓276.7kPa)和事故工況(最低水壓98.0kPa)三個(gè)工況剛好滿足供水要求，從而可以發(fā)現(xiàn)只用一個(gè)最不利工況進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算是不能得出優(yōu)化方案的。從表2中可以看出，情況②的年費(fèi)用折算值比情況①多2.06%，但可以滿足消防供水的要求；情況③的年費(fèi)用折算值比情況②多0.84%，從而可以滿足最大轉(zhuǎn)輸工況的供水要求，情況④的年費(fèi)用折算值比情況③多1.83%，但可以滿足西水廠停產(chǎn)時(shí)的事故要求。情況④比情況①多4.80%，可見單工況優(yōu)化和多工況優(yōu)化的差別是很大的。
　　另外，多工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果只滿足所有工況在某一時(shí)間點(diǎn)上的供水要求，是否滿足連續(xù)供水要求，還需進(jìn)行延時(shí)水力模擬校核。對(duì)情況④的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行48 h連續(xù)水力模擬校核(在48 h內(nèi)設(shè)置了消防工況和管段的事故工況)，水塔水位變化22.004～25.762m，表明在水塔的最高(26.0m)和最低(22.0m)水位上運(yùn)行；最低水壓除消防時(shí)只滿足消防要求外，其余全部滿足196kPa的供水要求；最高水壓(即水泵供水揚(yáng)程)為443.3～504.0kPa，全部在水泵的高效區(qū)運(yùn)行。從而表明這一優(yōu)化結(jié)果可以滿足不同工況下的供水要求。

3 結(jié)論

　　用手工法或憑人工經(jīng)驗(yàn)確定管徑，已不能滿足給水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)的要求。通過對(duì)各種情況的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算比較可見，單工況優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算也不能滿足工程設(shè)計(jì)要求。多工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，可以滿足所設(shè)計(jì)工況下的供水要求，比手工法和單工況優(yōu)化法優(yōu)越很多，但由于只能滿足某一時(shí)間點(diǎn)的供水要求，顯然也存在許多不足之處。因此，在進(jìn)行給水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)時(shí)，不但要進(jìn)行多工況的優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，還要對(duì)其結(jié)果進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的延時(shí)水力模擬，從而使所確定的工程方案最大程度地滿足設(shè)計(jì)期內(nèi)的供水要求。

參考文獻(xiàn)

　　1 嚴(yán)煦世.給水排水工程快速設(shè)計(jì)手冊(cè)(1)給水工程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998?44～47
　　2 王榮和，顧國(guó)維.延時(shí)模擬技術(shù)在給水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用.給水排水，1997；23(9)：9～13
　　3 王榮和，顧國(guó)維.優(yōu)選管徑法在給水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.中國(guó)給水排水，1998；14(1)：14～17

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　　作者通訊處：200092 同濟(jì)大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院
　　(收稿日期 1998-09-10)