农村安全饮水工程管网优化设计分析

陈娜姚佩李聪项超

（镇安县水利工作队 陕西 镇安 711500）

农村饮水工程的管网系统不仅是改善人民生活条件的必要基础设施，同时也是农村经济发展的必要基础。为了满足农民的基本用水需求，它主要通过修建的各级饮水管网来调度有限的水资源，将用水输送到相应特定的地点[1]。通过管网的建设往往可以有效地改善农村饮水情况。农村饮水工程中，总投资的50%至80%往往花费在管网的投资中，甚至更多。由此可见，农村饮水系统的主要投资都花费在供水管网的建设和管理中[2]。随着优化设计方法的不断发展，管网的设计也不断引进先进的优化设计方法，合理的管网优化设计可以节省可观的工程投资，产生非常显著的经济效益[3]。综上，农村饮水工程管网的优化设计是非常重要的、充满现实和应用意义的工作，很多学者都对此进行了相关的研究和分析工作[4]。

通过求解基于可靠性和经济两方面建立的优化设计模型，获得最优的管网设计。农民对水量和基本水压的需求可以很好地得到保证，同时也可以大大节省工程投资[5,6]。基于上述对管网优化设计的想法，结合图论方法与计算机技术，有机结合狄克斯特拉算法和Excel的规划求解方法，运用上述思想和方法在Excel的表格中进行管网优化设计分析，并与传统管网设计方法相比较，确定相对最优的组合方案。

1 Excel在管网优化设计中的运用

管径的优化计算和管网的水力计算是农村饮水工程管网的优化设计中最为关键和复杂的工作。目前有相当一部分设计人员编程来进行平差计算。同时，手算的方法也有一些人仍然在用，如采用手算，则工作相当繁重，而且非常容易出错。而在编程计算时，由于不同的饮水工程管网，管网结构各具特点，管网的布置规划和管径组合复杂程度不同，因此，大部分程序只适用于本项目，很难运用到其他相似的项目中去,而且程序较为复杂，很难被一般的设计人员所掌握。饮水管网优化设计中的水力计算和管径优化计算等问题，可以较为方便地被Excel中的规划求解功能以及功能函数所解决。

Excel总共为用户提供了两个用以求解方程的命令，一是单变量求解，而另一则是规划求解。多变量问题往往可以用规划求解工具进行分析，而且可以得到较为满意的结果。规划求解工具解决实际问题的基本思路为：先指定想要最优化的目标单元格，然后指定若干个可变单元格，这一部分是需要调整的，一直求解直至找到解决的方案；接着指定约束单元格，这些单元格一般要符合某种特定约束条件或者满足某些特定的目标值。具体的求解步骤为，规划求解工具首先被加载，然后将已知方程的关系式和数据输入工作表中，接着打开规划求解参数对话框，并设置相应的目标单元格，然后确定可变单元格并添加相应的约束条件，接着删除或更改约束条件，最后规划求解，并且进行结果处理。

2 实例计算

2.1 工程概况

某乡镇地处陕西南部，该镇地势平坦、土地肥沃，同时该镇多年的平均降水量只在150mm～350mm之间,水资源短缺较为严重。该镇农村人口不到2000人，但由于水资源短缺，农村饮水困难较为严重。为了解决该地区的农村饮水困难问题，拟修建农村安全饮水工程。该工程采用分散式供水，通过修建供水工程将溪水河等水源引至用水点。饮水工程包含取水建筑物、输水管、水处理构筑物、调压及增压建筑物以及配水管网等主要建筑物。其中配水管网系统是本工程最为关键的控制性建筑物。工程管网采用环状管网布置，通过输水管段将水源点和用水节点连接起来，形成整个环状管网的布置。工程采用PVC-U管为管段材料，初步设计管网包含供水节点10个，总共包含管段13段。各节点和管段组合成为工程的最终管网。本文以该区农村饮水工程设计管网为对象，进行管网的优化分析。在管网初步设计的基础上，对管网布置和管径组合进行优化设计计算。

2.2 计算条件和管网布置

图1 管网布置图

在该农村饮水工程的管网设计中，采用PVC-U管作为管道材料。依据建筑安装工程预算定额，供水管网单位长度造价如表1所示，该单价同时考虑了3%的供水管道构筑和管沟开挖回填的土方。选用的管网规划图形，如图1所示。采用海曾-威廉公式来计算PVC-U管道内的水头损失，该方法应用广泛，运用较为成熟和准确。

表1 单位长度管网的造价 元/m

表2 优化设计方法和传统设计方法工程投资结果对比

表3 优化计算结果对比表

管网的费用包括建造费和管理费，其中建造费可表示为：

主要管理费可以表示为：

其中，C为建造费，a、b、α 为常数和指数，Dij和Lij分别为管径和管长，p为相应的费率。

以单位流量的年计算费作为管段的权值进行优化设计，在管网布置未知的情况下，所得最终目标函数为：

其中，Q为管网中流量，W为管网年计算费，A、B、K、P 为简化量，m、n为常数和指数，qij为单宽流量，其它参数同前。

2.3 管网优化设计结果分析

在进行管径的优化设计计算之前，先对管网布置进行了优化设计分析，该分析是在Excel中进行的，通过Excel的优化计算，经济和最优的管网布置形式得以生成（本文所指的最优管网布置形式是指费用最低的管网布置）。在管网优化布置的基础上，将供水的安全性因素考虑在内，然后通过设置连通管网，最终使各管网构成环状管网。计算表明，管线经济性的权值的最小值，可以使用Excel规划方法计算得到，最终达到优化设计的目的。在管网结构布置优化设计的基础上，待选的管径有150、250、350、450 等 9 种，节点的最小压力水头为15m。根据上述基本条件，运用Excel中的规划求解功能以及其0-1优化规划功能，对管径进行最优化计算和优化设计，计算所得结果如表3所示。

表2为两种方法工程投资计算结果对比表。由表可知，采用规划求解法计算所得的工程建造和运行管理费为113.73万元，相对于传统设计计算方法相应费用减少了9.88万元，占传统方法工程总投资的8.0%。运用传统方法进行设计计算时，它是以流量确定为基本前提的，选取相应的标准管径与经济流速相对应，也就是以流速为前提来选取对应的管径，然后根据选取管段的情况，分别计算各管段对应的水头损失。这种方法主要依赖设计人员的经验，它没有建立相关的优化管网模型，受人为因素影响较大。而规划优化的计算模型和计算方法，首先建立优化管网模型，将管网的经济性和供水可靠性考虑在内，在此基础上，利用Excel规划求解和0-1规划方法，优化计算最优的管径组合方案，该方案满足管网建造和运行管理费用最小的目标，通过该方法得到的计算结果更具有合理性和说服力。计算结果表明，优化模型和Excel的规划求解和0-1规划方法计算所得结果，比传统的管网设计方法计算所得结果更经济，也更具有实用价值。

3 结论

本文介绍了Excel中的规划求解功能及其具体的操作步骤，并将其结合优化模型运用于农村饮水工程管网的优化设计中。在对管网布局结构进行优化的基础上，建立管网优化设计模型，采用Excel优化设计方法对管网中管径的组合进行优化计算，并做相应的分析和评价。实例计算表明，农村饮水工程管网优化设计模型中，经济可靠的管径组合方案可以很好的利用Excel规划求解和0-1规划方法求解获得，优化计算结果相对于传统的管网设计计算方法更具有实用价值，计算结果可以为相应农村饮水工程的设计提供一定的参考。陕西水利

[1]张雄,党志良,任双立.农村供水工程的经济模式研究[J].给水排水,2006,32（10）64-66.

[2]周荣敏,雷延峰.管网最优化理论与技术.黄河水利出版社,2002:2-16.

[3]史建,钮秀山.给水管网优化设计的探索-优选管径法的应用[J].苏州大学学报（工学版）,2002,22（2）:69-72.

[4]俞亭超,张土乔.供水系统直接优化调度遗传算法求解模型研究[J].浙江大学学报（工学版）,2006,40（5）:804-809.

[5]陈沐.供水管网优化研究概述[J].山西建筑,2009,35（23）:200-201.

[6]杨世平,阎立华,程琳.多目标遗传算法用于给水管网优化设计的研究[J].供水技术,2009,3（4）:30-33.