王榮和 顧國維
(同濟大學環境工程學院污染控制與資源化研究國家重點實驗室)

　　目前，一般專業人員都采用標準優化方法進行給水管網的優化設計計算，可信度不強，影響優化技術在實際工程中的推廣應用。本文應用WDOC軟件系統，對設計算例進行單工況和多工況優化設計計算，以說明多工況優化設計計算的作用、設計成果的可靠性和可信度，并對優化結果進行48 h的水力模擬計算。

1 給水管網多工況優化設計計算

　　多種供水工況，主要是指遠近期規劃的最大用水時、消防時、最大轉輸時、規劃年限內出現情況最多的平均用水時、現狀供水工況以及各節點的不同壓力和不同流量要求的工況。采用非穩定狀態水力模擬可以較好地解決供水事故，但對于個別的事故工況，也可以通過多工況優化設計方法解決。?
　　WDOC軟件系統的優化設計計算數學模型是：

　　

　　對模型采用優選管徑技術進行求解，使管徑D與費用C呈一一對應關系，從而使費用計算更加精確；應用管網服務壓力要求范圍和水泵的特性曲線方程，采用水泵揚程優選技術確定水泵揚程，使之更加合理。應用此模型及算法已完成太原市給水管網系統250根管段、昆明市給水管網系統370根管段、杭州市給水管網系統1000根管段等多個城市的給水管網實際工程優化設計計算。對模型詳細的求解過程及方法參閱文獻［1］和［2］。

2 多工況優化設計與單工況優化設計比較

　　參考文獻［1］所示的管網系統屬多水源管網供水系統，其中西水廠的二級泵房設2臺水泵(1備1用)，東水廠的二級泵房設3臺水泵(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，最大轉輸時供水量是最大用水時供水量的60%，最大轉輸流量定為120L/s，最大轉輸壓力為274kPa(凈壓力254kPa，流出水頭20kPa)；消防標準定為兩個起火點，消防流量為55L/s；事故時供水量為最大時供水量的70%，最低供水水壓滿足98kPa的消防供水要求。全城地形平坦，標高相同，所有管線為新鋪管線。要求：對給水管網系統進行多工況優化設計計算，最大供水時的最小供水壓力為196kPa。
　　應用WDOC軟件系統，進行了四種情況優化設計計算：①最大用水時的單一供水工況；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輸工況，并且再考慮西水廠停產時的事故工況的四工況控制。分別對這四種情況進行多工況優化設計計算，采用統一的費用指標，通過多工況優化設計計算，每一情況下的管徑如表1所示，各種情況下的經濟指標如表2所示。

表1 各種情況下的優化管徑 mm 管段號 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 各種情況下的技術經濟指標 工況 單工況 二工況 三工況 四工況 總投資（萬元） 1007.113 1052.117 1059.536 1093.267 運行費（萬元/a） 119.253 117.761 118.980 118.822 折算值（萬元/a） 283.156 288.988 291.415 296.746

　　每一種情況下的管徑組合都不一樣，因此導致投資、運行費用和供水條件的不同。情況①如同標準優化法的計算結果，只滿足最大供水工況的要求，如果不進行多工況的優化設計計算，而是通過人工調整的方法進行多工況的校核，是很難達到優化要求的。譬如，在最大用水工況下，由于管徑的不同而產生各水廠的供水量、水塔出水量、水泵揚程和節點壓力的不同，而情況④的優化計算結果使最大用水工況(最低水壓197.4kPa)、最大轉輸工況(最小轉輸水壓276.7kPa)和事故工況(最低水壓98.0kPa)三個工況剛好滿足供水要求，從而可以發現只用一個最不利工況進行管網計算是不能得出優化方案的。從表2中可以看出，情況②的年費用折算值比情況①多2.06%，但可以滿足消防供水的要求；情況③的年費用折算值比情況②多0.84%，從而可以滿足最大轉輸工況的供水要求，情況④的年費用折算值比情況③多1.83%，但可以滿足西水廠停產時的事故要求。情況④比情況①多4.80%，可見單工況優化和多工況優化的差別是很大的。
　　另外，多工況優化設計計算結果只滿足所有工況在某一時間點上的供水要求，是否滿足連續供水要求，還需進行延時水力模擬校核。對情況④的優化設計計算結果進行48 h連續水力模擬校核(在48 h內設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)水位上運行；最低水壓除消防時只滿足消防要求外，其余全部滿足196kPa的供水要求；最高水壓(即水泵供水揚程)為443.3～504.0kPa，全部在水泵的高效區運行。從而表明這一優化結果可以滿足不同工況下的供水要求。

3 結論

　　用手工法或憑人工經驗確定管徑，已不能滿足給水管網工程設計的要求。通過對各種情況的優化設計計算比較可見，單工況優化設計計算也不能滿足工程設計要求。多工況的優化設計計算，可以滿足所設計工況下的供水要求，比手工法和單工況優化法優越很多，但由于只能滿足某一時間點的供水要求，顯然也存在許多不足之處。因此，在進行給水管網工程設計時，不但要進行多工況的優化設計計算，還要對其結果進行長時間的延時水力模擬，從而使所確定的工程方案最大程度地滿足設計期內的供水要求。

參考文獻

　　1 嚴煦世.給水排水工程快速設計手冊(1)給水工程.北京：中國建筑工業出版社，1998?44～47
　　2 王榮和，顧國維.延時模擬技術在給水管網優化調度中的應用.給水排水，1997；23(9)：9～13
　　3 王榮和，顧國維.優選管徑法在給水管網優化設計中的應用.中國給水排水，1998；14(1)：14～17

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　　作者通訊處：200092 同濟大學環境工程學院
　　(收稿日期 1998-09-10)