给水排水管道工程第7章 给水管网优化设计2
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析市政给排水管网是一个重要的公共设施，其设计优化对城市环境、生态、经济等方面都有着深远的影响。
因此，对市政给排水管网进行优化设计，不仅可以提高其功能效率，还能够节约资源、保护环境，从而促进城市可持续发展。
以下是市政给排水管网的优化设计要点及措施分析。
一、优化管网规划在市政给排水管网的规划设计中，应综合考虑城市发展需要、土地利用、人口规模、水资源等因素，制定相应的管网规划方案。
具体的优化措施包括：1.优化管网布局：根据城市用水情况，采用靠近用水中心、配水压力低、交通便利等因素制定合理的给水管网布局方案。
2.优化管径选择：在管径选择上，应根据管网流量、水力坡度等因素选用合适的管径，避免出现管径过大或过小的情况，从而提高管网效率。
3.优化管网结构：采用多级供水、分级供水和集中供水等管网结构方式，实现供水平衡和减少对城市环境的影响，提高供水水质和安全性。
二、完善监测管理体系针对市政给排水管网的监测管理体系不完善等问题，应采用以下优化措施：1.加强数据采集与分析技术：通过监测分析技术，对管网运行数据进行及时、准确地采集和分析，为城市的供应水量、水质、流量、管网的水力状况等信息提供准确的依据。
2.优化监测评估标准：制定更为科学、完善的监测评估标准，加强对管网建设和运营管理的监测，发现和解决问题，保证市政给排水管网的运行安全和稳定性。
3.加强监测设施建设：建立更加完善、科学的监测设施，对管网的数据信息进行实时监测和录入，确保数据真实可靠，为各项管理决策提供科学依据。
三、提高设备水平市政给排水管网并非一个简单的设施，其内部涉及到多项复杂技术，对管网设备的效率要求较高。
以下是可以采取的优化措施：1.加强设备维护管理：对市政给排水设备定期进行检修和维护，确保设备的正常运行，降低设备故障率，提高设备的运行效率和安全性。
2.采取新技术，提高设备水平：例如采用水力学分析、管网流量预测分析等新技术，可有效降低设备运行的能耗，提高设备的运行效率。
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析市政给排水管网的优化设计是为了提高城市给排水系统的运行效率和服务质量，确保市民的正常生活和城市的可持续发展。
以下是市政给排水管网优化设计的要点及措施分析：1. 管网结构优化：根据城市的用水特点、需求和发展规划，调整管网结构，合理设置主干管、支线管和小区管道，提高管网的整体运行效率和水力性能。
2. 网络设计模型建立：通过建立市政给排水管网设计模型，模拟和分析管网的水力情况，确定管径、坡度、流量等参数，以保证管网的稳定运行和水力条件的合理性。
3. 物料选择与管径设计：根据不同管道的应用需求和管线的物理特性，选择合适的材料，如玻璃钢管、钢筋混凝土管、聚乙烯管等，并根据流量和水质要求设计合适的管径，以提高管网的使用寿命和运行效率。
4. 引进智能化技术：利用现代信息技术，引进智能监控和管理系统，实时监测和分析管网的运行情况，及时发现和解决问题，提高维修和管理效率。
5. 水质保护与净化：加强对给排水管网水质的监测与管理，建立水质保护与净化设施，避免污水和异味的外溢，保护环境和居民的健康。
6. 排水收费及管理：建立合理的给排水收费制度，引导居民和企业合理用水、节约用水，同时加强对管网的日常管理和维护，保证管网的正常运行和服务质量。
7. 防止地质灾害：在设计管网路线时，要考虑地质条件，避免穿越地质灾害点，防止地质灾害对管网的破坏和影响。
8. 管网改造与扩建：根据城市的发展和人口增长情况，定期进行管网改造和扩建，提高管网的容量和服务覆盖范围，满足城市的给排水需求。
9. 联合供水与回收利用：与供水系统、污水处理系统等进行联合设计和管理，实现给排水资源的最大化利用和节约，提高水资源的利用率和可持续发展能力。
市政给排水管网的优化设计是一个复杂而关键的工作，需要结合城市规划、水资源、环境保护等各方面因素进行综合考虑，并进行科学分析和技术应用。
只有通过合理的优化设计和有效的管理措施，才能保证市政给排水系统的稳定运行和服务质量的提升。
7第七章给水管网优化设计
当
t时，
i1
8760q p hp
❖ 能量变化系数可以根据泵站扬水量和扬程的变 化曲线进行计算。假设：
▪ a)泵站扬水量与管网用水量同比例变化； ▪ b)在最高日最高时管网用水量和最低日最低
时用水量之间变化范围内，各种用水量出现 的几率相等。
于是可以推导出以下公式：
❖ 1)若泵站扬水至近处水塔或高位水池，扬程基 本不变(hpt≈hp)，即全部扬程为静扬程，则：
(hp0 / hp ) ' (1 hp0 / hp ) ''
泵站总扬程hp中用于满足地形高差和 用户用水压力需要的部分压力。
[例7.2]
❖ 某给水管网用水量日变化系数为Kd＝1.35，时 变化系数为Kh＝1.82，其供水泵站从清水池吸 水，清水池最低水位为76.20m。设计考虑两 种供水方案：方案一泵站供水到前置水塔，估 计水塔高度35.60m，水塔最大水深3.00m， 水塔所在点地面高程79.50m，估计泵站设计 扬程48.40m；方案二不设水塔，供水压力最 不利点地面高程为82.20m，用户最高居住建 筑5层，需要供水压力24mmH2O，最大供水 时的泵站设计扬程47.50m。试分别求两方案 的泵站能量变化系数。
❖ 所以，可得泵站能量变化系数：
24365
24365
24365
qpthpt
q
3 pt
qh3av[(2
Kz
)3
13
K
3 z
]
''
i 1
8760q p hp
i 1
8760q
3 p
i 1
8760K
q3 3
z hav(KzΒιβλιοθήκη 1)2K3 z
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析
市政给排水管网的优化设计要点及措施分析市政给排水管网的优化设计是城市基础设施建设的重要组成部分，在城市化进程中发挥着至关重要的作用。
为了保证城市给排水系统的高效、安全和稳定运行，需要注意以下几个方面：1.管道布局优化一般来说，城市给排水管网建设需要考虑很多因素，如道路布局、土地利用、地形地势等，需要科学规划。
管道布局要考虑道路交通的流量、尽量避免关键用地、优化管道长度等，这样有利于降低给排水管道建设成本，同时也能减少管道阻力，提高城市给排水系统的运行效率。
2.管道材料选择在市政给排水管网建设过程中，要根据实际需要进行管材的选择。
不同的管材具有不同的特点和优缺点，例如，塑料管材具有耐腐蚀、使用寿命长、重量轻等优点，而铸铁管材则具有耐高温、承受压力能力强等优点。
因此，在选择管材时，需要根据实际使用情况进行评估和考虑。
3.泵站的布置和设备选择对于涉及管线的地区，如浅坑、低洼地带、建筑物内排水等需要进行泵站的布置。
泵站应根据周边环境确定适当的位置。
选择高效的排水泵、制作具有高效节能、自动化程度高的控制系统和监测系统，以提高泵站的运行效率和减少能源耗损。
此外，随着人工智能和大数据技术的不断发展，可以采用智能化管理系统，实现城市排水的实时监控。
4.防止管道堵塞和泄漏城市给排水管网是相对复杂的系统，由于机械故障、堵塞、清理不彻底等原因，管道内常有积液，如果处理不当，就会容易出现堵积、霉变、并且会产生难闻的异味。
为了避免出现这些问题，需要加强对管道的定期检查和维护，及时清理淤泥和污垢，防止管道堵塞，并及时修理泄漏问题，保证整个系统的运转。
总之，城市给排水系统的建设和管理需要综合考虑各个方面，不断完善和改进技术手段，以确保城市基础设施的优质、安全和稳定运行。
第7章-给水管网优化设计
g － 重力加速度，取9.81 m/s2 ；
qpt － 全年各小时流量，m3/s； hpt － 全年各小时扬程，m； ηt － 全年综合效率，为变压器、电机和传动效率之积； E － 最大时电价，元/KWh；qp － 最大时流量，m3/s； Hp － 最大时扬程，m；η － 泵站最大时综合效率； P——管网动力费用系数，元/(m3/s·m·a)，定义为：
Kz——管网用水量总变化系数，即： Kz=KdKh。
（2）泵站压力稳定管网能量变化系数 若泵站扬水至较远处且无地势高差，其扬程全部用于克服管道水头损失(hpt∝qpt2)， 则：
24365
24365
24365
qpthpt
q3pt
t 1
8760q p hp
t 1
8760q3p
t 1
q3 hav
能量变化系数γ：
（1）泵站输水至近处水塔或高位水池（前置水塔系统），扬程基本不变(hpt≈hp)， 则：
24365
24365
q pt hpt
q pt
t1
t1
1
1
8760q p hp 8760q p K d Kh K z
(7.17)பைடு நூலகம்
式中 Kd——管网用水量日变化系数；
Kh——管网用水量时变化系数；
[(2
Kz )3 ...13
8760K
q3 3
z hav
...
K3]
(Kz
1)2 K z3
1
实际情况下，可以采用加权平均法近似计算能量变化系数，即：
(7.18)
(hp0 / hp ) (1 hp0 / hp ) (7.19)
(7.4) (7.5)
(a bDi ci )2
简述给排水管网的优化设计
简述给排水管网的优化设计摘要：伴随我国城市化进程的发展，大规模的城市基础设施建设和改造工程逐年累加，给排水管网的设计改造也凸显其重要性。
给排水系统担负着城市输配水、防汛排涝、污水收集输送的重任，是重要的城市基础设施。
如何利用现有的基础设施，并结合未来城市的发展规划和趋势，在给排水管网方面开展进一步的优化设计是当今从业者需要重点关注和研究的问题。
给排水管网的工作效率直接影响着大众的生活质量，因此提升管网给排水能力具有较高的现实意义。
关键词：给排水管网；设计；对策1.给排水管网的应用现状与存在的问题1.1选材与材料优化问题在给排水管网设计的初期阶段，对于所使用的管网管材的选择必须进行预先调研，结合给排水管网设计和规划的使用年限，选择最为稳妥的设计和施工方案。
给排水系统使用时间较长，往往面临着严重老化和管道渗漏的问题。
早期的给排水管网常用灰口铸铁管和镀锌钢管为主要选材，这类材质在经历长时间的地下运行和使用后极易造成渗漏。
根据相关的给排水工程建设和施工标准要求，供水管线主管道上的覆土厚度至少在1.2m以上。
然而，在城市后续的发展和路政施工中，极易因上方道路规划改变而使覆土厚度降低，导致管线出现破裂或渗漏。
1.2管网设计未充分考虑突发事件常见的因给排水管网设计管理不当而造成严重后果的突发事件主要有污染、泄洪和爆管三种类型。
当前阶段的给排水管网系统在设计管理方面对于以上突发事件的处理能力十分有限。
其一，地下管网的布置情况不够明确。
在完成路面的修复施工后，大量的工程数据资料没有得到妥善保存。
在经过较长时间的使用后，如果出现突发情况，就很难明确找到相应管线的具体位置。
其二，对于排涝期间水源恶化严重的问题，如果污水污染了供水管道，将必须以大面积停水作为补偿代价。
最后，对于极端天气导致的城市排水不畅，会造成路面的大量积水，可能危害社会公众的人身财产安全。
2.给水管网优化设计的注意事项2.1计算水力所谓的计算水力就是指确定一天或者一段时间内所需要的水量变化，确定消耗水量的最大值。
给水排水管网工程优化方案
给水排水管网工程优化方案一、当前水排水管网存在的问题1.老化管道部分地区的水排水管网建设年代较长，管道老化严重，存在渗漏、破损等问题，使得供水质量下降，同时也增加了维护成本。
2.管网布局不合理部分地区的管网布局不合理，管道连接不方便，容易发生管网调度不畅的情况，导致供水不稳定。
3.设施陈旧水排水管网设施陈旧，设备维护困难，由于外部环境的影响，水质不易保证安全。
4.管理不规范管网管理不规范，缺乏科学化管理手段，使得管网运行效率低下。
二、优化方案1.更新管道对已经老化的管道进行更新，改用新型材料，提高管道的韧性和抗腐蚀性，降低维护成本，同时减少渗漏和破损的可能性。
2.重新规划布局对不合理的管网布局进行重新规划，优化管道连接方式，增加汇水口和分水口，改善管网调度，提高供水的稳定性。
3.更新设施更新管网设施，使用新型设备和技术，提高水质和供水效率，减少出现问题的可能性。
4.科学管理实施科学化管理手段，如物联网技术、大数据分析等，实现对管网的实时监控和运行数据分析，及时发现问题并进行处理，提高管网运行效率。
三、优化方案的实施1.更新管道在管线更新过程中，可以采用替换老化管道的方式进行改造，也可以采用局部修复的方式切实寻找和消除管道漏点、管道内壁缓慢渗漏或渗漏，使用新型材料进行表面封闭或原位粘结材料修复，进而提升管道的使用寿命。
此外，可以采用全浸热镀锌、、高压钢塑管等耐腐蚀的新型材料，以提高管道的抗腐蚀能力，降低维护成本。
2.重新规划布局重新规划布局的方式可以通过建设新的调节水厂和储水设施，完善调度终端，增加管网的调度能力和供水的稳定性。
3.更新设施更新设施可以逐步更新水泵、调度设备，采用先进的水处理技术，如反渗透、臭氧等技术，提高水质和供水效率，同时减少出现问题的可能性。
4.科学管理在管网实施物联网技术和大数据分析的基础上，可以实现对管网的实时监控和运行数据分析，及时发现问题并进行处理，提高管网运行效率。
给水管网优化设计方法
（4）对管网进行平差计算，计算年费用折算值，以降低年费用为目标，循 环（3）、（4）步骤。
根据贺忆等人的工作，已完成一套综合平差计算、平差后误差分析、节点水压计算和 年费用折算值计算的通用程序。 程序的输入参数有：初分流量 q、合适的选管区间 GJ、管径 D、管长 GC、节点高程 JG、 表示管网拓扑关系的 LG、KL 矩阵。 程序的输出参数有：平差后各管段流量 q 及水头损失 h、各环闭合差 Dh、各节点水压 H、平差后各节点流量平衡方程的误差分析 EPS、年费用折算值 W。 存储所求的年费用折算值，返回第（3）步。若新求得的年费用折算值 W比存储值小， 则替换存储值，否则保留原 W 值。循环 N 次之后，结束寻优计算，读出存储值，即为所求 得的最小年费用折算值，相应的管径即为最优管径。
随机优化法的求解过程
可根据公式求出管径的精确值，参考市面上管材的规格型号，可得出管网中各管段的可选管径区 间。以球墨铸铁管为例，目前市面上球墨铸铁管的规格型号有：
若一根管段求出的管径精确值为 383.25mm，则其可选管径的上限值为 DN400，下限值为 DN350。
随机优化法的求解过程
（3）决定一组管径的初始值及搜索寻优的管径变化方式；
多次增量优化法的寻优原理
多次增量优化法的寻优原理与增量优化法相同，详见 前述。
将多次增量优化法引入管网优化设计问题
根据初分流量的结果和合理的经济流速取值，可对每根管段确定一个合适的管径区间，如下图所 示：
多次增量优化法的求解过程
对具体的管网设计优化问题，多次增量优化法的求解过程主要有四个核心步骤：
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• 给水管网优化设计数学模型： Min W = w i = [(
i =1 M M i =1
1 p )(a + bDi )li + Pi qi hpi ] + T 100 i = 1,2, ,M
S.t.
kqi n hpi H Fi H Ti = m li Di ( ±q i ) + Q j = 0 i sj H min j H j H max j qi qmin i Di 0 h pi 0
W wi hi ) = ( H j i hi Hj Sj
(7.44)
S j 为与j节点连接的管段集合。
+ 1 j = Fi = H j 1 j = Ti hi
W = Hj
j
Si
wi ( ± i h )
7.3.2－1
hi = H Fi HTi = kqin li Dim
近似优化流量分配计算
迭代迭代公式： q
计算收敛条件：
( j +1) i
7.2.1-4
= q i( j ) ± k(qj )
i Rk
q(k j ) eqopt
k = 1,2,3, , L
允许误差，m3/s，手工 计算可取eqopt=0.0001 m3/s，即0.1L/s； 计算机程序计算可取 eqopt=0.00001 m3/s， 即0.01L/s。
M M
7.2.1-1
p k qin / m / m )(a + b )li + Pi qi hpi ] /m li 100 h fi
/m
求极值原理： 计算结果：q1 = q2 = (- Ph /A) m/(nα-m) = q / 2； A-综合常数。 证明：
目标函数W是凹函数， 函数值是最大值!!!
近似优化流量分配计算
分配流量校正：
(0)
7.2.1-3
求极值原理： qk
=0
用初分配流量泰勒公式展开，舍去非线性项，经整理变 换，得：
ห้องสมุดไป่ตู้
Rk q(k 0 ) = i (0) 2 ( 1) [(q li ] i ) i Rk
± [(q
i (0)
) 1 l i ] k = 1,2,3, , L
i = 1,2, , M
j = 1,2, , N i = 1,2, , M
i = 1,2, , M
给水管网优化设计内容
1、管网规划布置－－管网定线： 依据城市规划和道路设计，按照给水距离最短原 则布置枝状管网－最小代价流理论应用；
按照供水安全性需求步骤环状管网（增加枝状管 网中的连接管，构成环路）； 2、管网管段流量分配： 1）枝状管网管道流量分配：节点用水量确定后， 管道流量即确定，存在唯一解； 2）环状管网管段流量分配：经济性＋安全性。 3、经济管径优化计算。
7.2 环状网管段设计流量分配的近似优化
两项内容： 1）多水源设计供水流量分配： 水资源布局、制水成本、供水成本等；管网 规划决定。 2）管段设计流量优化分配： 年供水费用经济性，供水系统安全性。由于 安全性尚没有确定性指标和理论体系，目前 仅讨论流量分配的近 似 优 化 方 法。
7.2.1
管段设计流量分配优化数学模 型
i =1
M M
i =1
1 p + )(a + bDi )l i + P i q i h pi ] T 100 i = 1,2, , M
S.t.
kq n i h H Fi H Ti = m li pi Di H min j H j H max j Di 0 ⎪⎩h pi 0
j = 1,2, , N
i = 1,2, , M i = 1,2, , M
可以证明，上述模型是一个凸规划问题，
目标函数极值是最小值。
7.3.2 不设泵站管网节点水头优化 （管网中节点压力与年费用的关系）
管网不设泵站，从中任取 一个节点，假设其它节点 水头不变，则管网年费用 折算值随着该节点水头变 化而变化，对目标函数求 偏导数可以得到两者变化 的关系：
【例7.3】某环状管网如图 7.4，管段长度及初分配设计 流量标于图中，进行管段设计 流量近似优化计算， 取β =1.5，χ =0.5，eqopt= 0.1L/s。
7.3 已定设计流量下的管网优化计算
7.3.1 优化管径数学模型： 未知量：管径、节点水头和泵站扬程。
Min W = w i = [(
j = 1,2,
j = 1,2,
,N
,N
i = 1,2,
i = 1,2, i = 1,2,
,M
,M ,M
经济管径模型
关于q或h的数学模 型转换：
h fi =
1/ m
kqin D
m i
li
i = 1,2,3,…, M
k qin / m 1/ m Di = 1/ m li h fi
1 Min W = wi = [( + i =1 i =1 T
M M
i = 1,2,3,…, M
p k qin / m / m )(a + b )li + Pi qi hpi ] /m li 100 h fi
/m
S.t.
kq in H Ti = m li h H Fi pi H Di H min j j H max j Di 0 hpi 0
• 树状管网：管段设计流量 可以由节点流量连续性方 程直接解出，只有唯一分 配方案；（最经济流量分 配） • 环状管网： • 管段流量优化分配---管 径、压力等优化计算的基 础条件。 • 优化流量分配＝经济性＋ 安全性。
管段流量优化分配
目标函数：
1 Min W = wi = [( + i =1 i =1 T
管段设计流量优化分配
定性目标函数： 1）经济性－年费用最低： 2）供水安全性－管段流量均 匀分配： 3）综合近似优化分配模型：
M
i =1
7.2.1-2
Min
(q
i =1
M
1
i
li )
2
i
Min
q
i =1
M
S.t.
± (q ) + Q = 0
i i i Sj
j = 1,2,3,…, N
定义： •管段虚流量－管段年费用折 算值随沿程水头损失减小而 增大的比率，元/(a· m)； •节点虚流量，为管网年费用 折算值随节点水头增加而增 大的比率，元/(a· m)。 •管段虚流量： •设：f