楊洪法 田勝海 付建國(guó)

　　摘 要 本文結(jié)合重慶市供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，提出了重慶市管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化的假設(shè)條件與近似優(yōu)化模型，利用此模型來(lái)從整體上優(yōu)化管網(wǎng)的改擴(kuò)建工程，確定輸配水系統(tǒng)改期改造的最優(yōu)布局，它具有一定的實(shí)用性，為下一步的精確優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。
　　關(guān)鍵詞 重慶市 給水管網(wǎng) 改擴(kuò)建 優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　0 建模的背景

　　重慶市位于長(zhǎng)江與嘉陵江交匯處，是我國(guó)主要的重工業(yè)城市之一，由于充沛的水源，385米高差變化的地形，70年不斷創(chuàng)新的供水歷史，所以形成了凈水系統(tǒng)多達(dá)16套，取水與輸配水泵站多達(dá)58個(gè)，分區(qū)分壓供水為主導(dǎo)供水方式的特殊供水格局。57%的取水量取自于嘉陵江，43%取之于長(zhǎng)江，最大日供水能力達(dá)123.5萬(wàn)m3/日，供水人口227萬(wàn)，供水區(qū)域269km2，市政供水管網(wǎng)總長(zhǎng)約1229km。給水管網(wǎng)的主要特點(diǎn)是：管網(wǎng)既有串聯(lián)分區(qū)又有并聯(lián)分區(qū)，每一個(gè)分區(qū)內(nèi)都具有高位水池和加壓泵站，管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜：泵站供水揚(yáng)程高，供水總單耗高達(dá)850kwh/km3；每套供水系統(tǒng)的輸配水管線(xiàn)相對(duì)國(guó)內(nèi)其他大城市短，不同供水系統(tǒng)的管網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立。
　　由于歷史原因，許多大工廠都有自己的自備水廠，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，自備水廠逐漸停止運(yùn)行從而導(dǎo)致了市政供水的供水量不斷增加，水量增加的主要特點(diǎn)是：以大用戶(hù)方式增加，并且大部分在市政管網(wǎng)的邊緣。因此，管網(wǎng)不斷地延伸，管網(wǎng)改擴(kuò)建的工程量日益加大，而且在改擴(kuò)建時(shí)往往要新增或者改建泵站，所以非常有必要在這樣一個(gè)復(fù)雜的供水系統(tǒng)中，建立一個(gè)實(shí)用的管網(wǎng)改擴(kuò)建近似優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

　　1 管網(wǎng)改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的建立

　　管網(wǎng)的改建是指現(xiàn)有管網(wǎng)功能的合理化與完善過(guò)程，管網(wǎng)的擴(kuò)建是指管網(wǎng)的延伸過(guò)程，它們的優(yōu)化設(shè)計(jì)比新建管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要顯得更加復(fù)雜，因?yàn)槠鋯?wèn)題的核心是既要充分發(fā)揮已有管線(xiàn)的輸水能力，又要使改建及新建管線(xiàn)、泵站、高位水池的總投資及今后的運(yùn)行費(fèi)用最少，這樣涉及的因素就多。
　　管網(wǎng)改擴(kuò)建設(shè)計(jì)中必須滿(mǎn)足這樣一些原則：1、水質(zhì)的安全性；2、水壓、水量的保證性；3、供水的可靠性；4、供水的經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算的目的是根據(jù)這些原則，以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)責(zé)任制函數(shù)，其余幾點(diǎn)為約束條件建立模型，進(jìn)行求最優(yōu)的供水系統(tǒng)布局，最優(yōu)的泵站數(shù)、泵站位置與供水揚(yáng)程，最優(yōu)的管徑。
　　1.1 建立改擴(kuò)建優(yōu)化設(shè)計(jì)模型的基本假設(shè)
　　重慶市的供水系統(tǒng)非常復(fù)雜，如果完全采用標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化方法進(jìn)行計(jì)算，則要求求解的參數(shù)非常多，可行性情形準(zhǔn)確性都非常低，并且計(jì)算結(jié)果的管道圓整比較困難，所以為了建立實(shí)用的旨導(dǎo)模型，在已知測(cè)壓點(diǎn)的測(cè)壓最低數(shù)據(jù)值，與不同材質(zhì)、不同規(guī)格的管道安裝的綜合估價(jià)的基礎(chǔ)上，提出如下一些假設(shè)。
　　1 假設(shè)擴(kuò)建管網(wǎng)不降低已有管網(wǎng)的壓力。
　　提出該假設(shè)的理由是：在新增水量與現(xiàn)有最高日供水量之和小于水廠設(shè)計(jì)供水量的前提下，或者水廠已擴(kuò)建的前提下，水廠送水泵站的供水能力與高位調(diào)節(jié)池一般還沒(méi)有達(dá)到它的設(shè)計(jì)狀態(tài)，也就是說(shuō)送水泵站懷高位水池有能力維持管網(wǎng)壓力不降。
　　2 串聯(lián)分區(qū)內(nèi)管網(wǎng)的控制點(diǎn)在下一級(jí)加壓泵站的水池進(jìn)水處。
　　其原因是，加壓泉站是重要節(jié)點(diǎn)，泵站中的水池只充當(dāng)用戶(hù)（只發(fā)生進(jìn)水量的變化），不充當(dāng)前一級(jí)管網(wǎng)的水源，并且了為節(jié)省供水能量，應(yīng)當(dāng)充分利用前一級(jí)管網(wǎng)的壓力，所以盡量把加壓站設(shè)在管網(wǎng)中地形較高，自由水壓較低的地方。一句話(huà)，根據(jù)加壓站的位置來(lái)計(jì)算分區(qū)的年動(dòng)力費(fèi)用。
　　3 分管網(wǎng)的綜合造價(jià)是管徑與材質(zhì)的函數(shù)，該函數(shù)為離散的表格函數(shù)，其值是管道工程估算值與過(guò)去已竣工管道工程的結(jié)算值的平衡結(jié)果。
　　4 新增泵站、水池的造價(jià)不配中以忽略。
　　在標(biāo)準(zhǔn)的管網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)計(jì)算時(shí)，往往忽略泵站與水落石出池造價(jià)，但在重慶市由于管網(wǎng)完成輸配水功能 的時(shí)間短，各分區(qū)內(nèi)管線(xiàn)不長(zhǎng)，泵站的功率大，泵站與水池的造價(jià)占管網(wǎng)改造總費(fèi)用的20%以上，并且變化大，所以不能忽略。泵站、水池的造價(jià)值與泵站的功率有關(guān)，它具有規(guī)模效益的特征，其造價(jià)參數(shù)的確定可根據(jù)過(guò)去已竣工泵站臺(tái)票結(jié)算費(fèi)用值，用最小二乘法來(lái)進(jìn)行擬合確定，在實(shí)際應(yīng)用中也可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行估算。由于它占總投資的比例比管網(wǎng)小，所以對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確度的要求沒(méi)有管網(wǎng)高。
　　1.2 模型的建立
　　模型的目標(biāo)函數(shù)是：擴(kuò)建與改建、新建與改建加壓泵站、水廠送水泵站換泵改造的總投資與日常費(fèi)用 之和最小，采用年成本計(jì)算法，并引入代表醬時(shí)間價(jià)值的投資回收系數(shù)。目標(biāo)函數(shù)主要從經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)約束設(shè)計(jì)。

　　

　　s.t.：連續(xù)性方程：Aq+q_i=0 q≥ q_min
　　　　　水量增量條件：∑q_i+Qn≤ Q_s
　　　　　能量方程： B_h+△H=0
　　　　　水頭損失： h=k(qn/D_i^m)
　　　　　壓力條件： H_I≥H_min

　　W——年成本
　　A——管網(wǎng)銜接矩陣，B——回路矩陣
　　f(Di)——管道安裝綜合造價(jià)，它是一個(gè)離散的表格函數(shù)
　　δi1——道路開(kāi)控修正系數(shù)
　　δi2——管道施工賠償系數(shù)
　　L——管段長(zhǎng)度（km）
　　γ——水泵的運(yùn)行比例，其值為最高時(shí)水泵運(yùn)行比例/（水泵供水日變化系數(shù)×?xí)r變化系數(shù)）
　　q——管段流量，q_I——節(jié)點(diǎn)流量
　　Qn——現(xiàn)有最高日供水量，Qs——水廠最高日供水量
　　Ci——泵站的單位造價(jià)系數(shù)
　　E——電價(jià)
　　P（A/P，I，n）——投資回收系數(shù)，P（A/P，I，n）=i(1+I)ⁿ/((1+I)ⁿ-1),其中I為年利率，n為計(jì)算年限；
　　當(dāng)I=9%，n=20年時(shí) 其值為0.1019
　　p——管網(wǎng)與泵站的大修與管理費(fèi)用提存率

　　2 設(shè)計(jì)模型的應(yīng)用與修正

　　2.1 應(yīng)用模型的過(guò)程
　　管網(wǎng)改擴(kuò)建的優(yōu)化包含著許多層次，它是一個(gè)逐步分解優(yōu)化的過(guò)程，應(yīng)用時(shí)首先是布局的優(yōu)化，然后才是管徑與泵站參數(shù)的優(yōu)化，通常布局的變化對(duì)投資額的影響非常大。并且在實(shí)際應(yīng)用中，由于標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化模型含有多種性質(zhì)的變量，直接應(yīng)用數(shù)值求解非常困難。而以上提出的模型簡(jiǎn)單，求解比較容易，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，先根據(jù)原有自備水廠用水量、可能新增的用水量等調(diào)查資料并結(jié)合城市規(guī)劃，確定用水量的地理分配；然后設(shè)計(jì)不同的管線(xiàn)布置、泵站與高位調(diào)節(jié)池位置，并計(jì)算節(jié)點(diǎn)流量；最后應(yīng)用經(jīng)濟(jì)流速來(lái)初步選定管徑，比較不同布局情況下的w值，一般考慮w值最小的布局方案為設(shè)計(jì)方案，但同時(shí)滿(mǎn)足可靠性，漏損率小，管理簡(jiǎn)潔等要求，因?yàn)閣值畢竟只是一個(gè)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。得出供水系統(tǒng)的最優(yōu)布局后，再用以上模型細(xì)部?jī)?yōu)化方案的管徑參數(shù)，水池參數(shù)與泵站參數(shù)。
　　2．2 應(yīng)用模型時(shí)所涉及的問(wèn)題
　　1 在沒(méi)有建立水力計(jì)算模型前提下，改擴(kuò)建管段位置的確定進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)首先必須要了解管網(wǎng)的現(xiàn)狀，由于重慶市管網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前還沒(méi)有建立完善的水力計(jì)算模型，管網(wǎng)現(xiàn)狀只能根據(jù)管網(wǎng)圖和已有的67個(gè)節(jié)點(diǎn)壓力遙測(cè)點(diǎn)，15個(gè)高位水池水位測(cè)定點(diǎn)的資料，通過(guò)集結(jié)的方法來(lái)估計(jì)擴(kuò)建管線(xiàn)可以接水節(jié)點(diǎn)的壓力，以及可能需要改建管段的節(jié)點(diǎn)壓力。這時(shí)把一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)看作一個(gè)集結(jié)點(diǎn)，它濃縮了該點(diǎn)附近管網(wǎng)的壓力特征，然后通過(guò)測(cè)壓數(shù)據(jù)庫(kù)中正常記錄的最低壓力和管網(wǎng)圖、抄表水量分配及水量產(chǎn)銷(xiāo)差分配來(lái)估算接水點(diǎn)的最低壓力現(xiàn)狀。并通過(guò)實(shí)際調(diào)查方法，實(shí)際測(cè)壓方法來(lái)驗(yàn)證，從而準(zhǔn)確確定改擴(kuò)建管段的位置。
　　2 布局時(shí)應(yīng)考慮的因素
　　在重慶市進(jìn)行管網(wǎng)布局時(shí)，首先要使供水分區(qū)內(nèi)浪費(fèi)的富裕水頭盡量減小，加壓泵站的位置應(yīng)當(dāng)考慮充分利用管網(wǎng)現(xiàn)有的水壓。泵站盡量設(shè)計(jì)成均勻供水工作方式，以降低機(jī)泵的臺(tái)數(shù)，簡(jiǎn)化管理，盡量采用高效率的水泵。特別是對(duì)較長(zhǎng)距離的輸水，通過(guò)增加調(diào)節(jié)池容積的均勻供水布局方式，可以大大降低管道工程造價(jià)，從而降低工程總造價(jià)。各分區(qū)管網(wǎng)最高時(shí)的供水功能由泵站與高位池共同完成。泵站內(nèi)水池的容積包括前一級(jí)的管網(wǎng)的部分調(diào)節(jié)容積以及泵站輸?shù)较乱患?jí)管網(wǎng)的的轉(zhuǎn)輸調(diào)節(jié)容積兩部分。在管網(wǎng)布局時(shí)還應(yīng)考慮水質(zhì)的保證性，節(jié)點(diǎn)流量變化大的管段合理的布置成環(huán)，以降低管網(wǎng)水的濁度。
　　例如在重慶某供水工程中需要從市政管網(wǎng)上相距3km的兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)分別向兩個(gè)不同地理位置的高區(qū)供水，考慮以上因素進(jìn)行布局后，既可以采用兩個(gè)泵站供水方式w值為40．1萬(wàn)元，也可以采用一個(gè)泵站供水36．8萬(wàn)元，根據(jù)上述模型的原理，并考慮可靠性與管理因素，最終選擇了w值小的設(shè)計(jì)方案。
　　2．3 模型的修正
　　在實(shí)際中模型本身可能有少算項(xiàng)目，以及資金來(lái)源的組成性質(zhì)變化，而且模型參數(shù)可能存在誤差，所以模型必須實(shí)際中不斷的進(jìn)行修正，今后我們將不斷地積累這方面的資料，使這個(gè)模型能更加實(shí)用于工程實(shí)際。

　　3 結(jié)論

　　重慶市的管網(wǎng)系統(tǒng)比較大，并且組成非常復(fù)雜，管網(wǎng)改擴(kuò)建的影響的因素很多，以上模型從整體上、總層次上優(yōu)化了管網(wǎng)的改擴(kuò)建，基本能用于工程實(shí)際，給工程方案的優(yōu)化及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)提供了一個(gè)比較科學(xué)的依據(jù)，給下一步的工作提供了一個(gè)初步思路，從而希望給公司帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。

Optimal Design Model of Chong Qing water supply networks
Yang Hongfa Tian Shenghai Fu Jianguo

　　Abstract Based on the characteristics of Chong Qing water supply system, Optimal design model of Chong Qing water supply networks is presented .The purpose of this model is to ascertain the optimal overall arrangement of water distribution system.It can be used effectively in the extend and reconstruction of water supply networks.
　　Key words ChongQing water supply network reconstruction optimization design

　　參考文獻(xiàn)
　　1、許仕榮，給水管網(wǎng)的計(jì)算理論與電算應(yīng)用，湖南大學(xué)出版社，長(zhǎng)沙.1997
　　2、仲偉俊.城市供水系統(tǒng)的計(jì)算調(diào)度與設(shè)計(jì)，東南大學(xué)出版社.南京，1995
　　3、呂某.供水網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化計(jì)算.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，Vo131，N04，38——42
　　4、Harish.Energy management opportunities.J.AWWA Vol90,Issue2