随着社会的发展，我国人口的城市化比例越来越高，各城市的工业产值不断提高，从而使城市供水日趋紧张，不但对水量的需求越来越大，对水质的要求也越来越高。目前，大多数城市的用水率已进入“s”增长的加速上升期[1]，水已成为制约许多城市迅速发展的关键因素之一。城市供水部门已认识到供水的重要性，都已开始实施大规模的引水工程，如引黄工程等。目前开始实施国家“十五”计划，各城市的引水工程大多已进入水厂建设阶段，从而使管网配套工程显得尤为迫切。
给水管网工程投资巨大，管线埋藏于地下，从而使资金浪费、供水不合理等问题不易曝露，存在的隐患较多。为了彻底消除这些不合理因素，必须在管网规划和设计阶段，进行合理的规划和优化设计，并进行系统的现状、近期和远期的水力模拟校核，以期能达到设计最优化的目的。
本文提出给水管网优化设计的高速公路理论，利用计算机软件加以实现[2]，并通过太原市黄河水源80万米3/日的管网扩建工程加以验证。结果表明，这一方法可适用于大中型城市的管网扩建工程。
二、 给水管网多工况优化设计的高速公路理论分析
1、 给水管网优化设计的高速公路理论分析
给水管网规划、定线是管网设计的初始阶段，其布置的合理与否直接关系到供水运行的合理与否及水泵扬程的设置。在管网规划和布置中存在的主要问题是，当城市的发展重心、投资方向、城市规划，或供水规模发生变化时，按常规方法所设计的管网，由于无法解决优化及对条件变化适应性的矛盾，使设计、管理及施工部门常常处于被动的“修补”地位，从而出现道路的多次“开膛破肚”，造成大量的破坏和人工及资源的浪费。出现这一现象的根本原因，在于设计人员自始止终的下意识里就存在对管网系统“修修补补”的固有设计思路，没有从宏观及方法上加以拓展。
我们都知道，高速内环或外环道路，可以大幅度地提高一个城市的交通运输能力，其投资/效益比是相当高的。高速环线之所以能够提高运输能力，主要原因是提高了车速。基于这一思路，我们提出给水管网设计的高速公路理论，反映到管网的规划及定线上，可以从以下几个方面加以考虑：
1)对中小型城市，选择一条纵向上可布置双管的“主干线”或形成“内环线”，如果是主干线，则尽量使干线到左右两侧边缘的距离相近;如果是内环线，则使环线到外侧边缘的距离与到环中心的距离相近。对大型城市，可以考虑建立双环线或“中”字线。
2)在环线上，使环线只与干管相连，不与支管相连，这样在水力上可以减小局部水头损失的影响，在技术上可以避免大口径管线与小口径管线的连接，节省投资。在环线上之所以要尽量避免局部水头损失，其原因在于，环线的管径比较大，流速也大，按照hf=ξv2/2g，ξ=(0.1～1.5)+(0.03～0.49) [3] ，如果取ξ=1.0, v=2.0，则hf=0.2米，也就是说，每接一条管子，则存在0.2米的水头损失，这样对下游的影响较大。
3)水流从环线上下来后，通过支管连接到用户，这时可使这些支管尽量缩小，满足最小水压的要求即可。其原因是，城市供水的快速增长主要来自于城市规模的不断扩大和新增工业、企业的发展，而在市区内，由于人口和工业布局的相对稳定，用水量的变化比较小。
通过高速公路理论进行管网布置的特点是，在环线建设时，尽量考虑到远期用水量的增长，使之满足远期的供水要求，而无需考虑远期供水的方向，从而避免由于供水重心的变化而造成的管网的大变动，使管网的适应范围更广。通过算例证明，应用高速公路理论所设计的管网，其投资同采用常规布置并进行管网优化的方法相近。
2、 给水管网多工况优化计算
所谓多工况优化计算，就是在优化过程中，同时考虑到最大用水时、事故时、消防时、最大转输时等各种可能出现的供水工况，使所设计的管网系统同时满足多种工况的供水要求[]1,4,5,6]。
1)目标函数
管网的目标函数是通过年费用折算值来表示:
l:供水工况数;s:水泵台数;e:电费(元/kwh); qij:水泵i在供水情况j下的供水量(l/s); hij:水泵i在供水情况j下的供水扬程(米); tij:水泵i在供水情况j下的运行时间占全年时间的百分数;ηij:水泵i在供水情况j下的运行效率;p:管段数;ckn相对应于管径的每米管线在n区的投资(元/米);lkn对应于管径的管线在n区的长度(米);y:贴现率;t:项目计算期(年)。
2)约束条件
(1)节点方程约束
ah=b
其中a为线性化系数矩阵，h为各个节点的水压：h=[h1，h2，h3，…，hn]t;
b为各节点的节点流量，对于非水源节点，bi=qi; 对于水源节点，bi=1050hr;
b=[b1,b2,…,bn]t
(2)节点水压约束
hij≥hrij ，i:节点号;j:供水情况;hr:节点的最低要求水头;
(3)管径范围约束
di={d1i，d2i，…，ddi}，i:管段链号;d:标准管径个数。
(4)节点流量约束
qi={q1i, q2i, …, qui}， i:节点号; u: 供水工况数。
(5)水泵流量-扬程约束
水泵扬程使之在已输入的水泵特性曲线上运行，偏离高效区或离开这一曲线，则认为必须修改条件或更换水泵。
h=h0+aq+bq2, h0：水泵静扬程(米);a,b:系数;
(6)水源水量约束
三、太原市80万米3/日给水管网扩建工程
1、现状分析和基础资料
太原市是山西省的省府所在地。太原市地处小盆地地带，世世代代以地下水作为取水水源。但自八十年代以来，由于受北方干旱气候的影响以及工业生产的迅速增长，地下水资源超量开采严重，地下水位逐渐下降，已严重影响到人民的日常生活和工业生产的发展。为此，太原市决定黄河引水，以解决严重的缺水问题。
对黄河水源引水工程，分为三期实施，一期供水量为40万米3/日，二期供水量为80万米3/日，三期供水量为190万米3/日。管网规划设计的原则是，在充分利用现有管线系统的基础上，进行管网系统的扩建设计，以80万米3/日为优化目标，并进行40万米3/日的校核，再在80万米3/日的基础上，扩建成190万米3/日的供水规模。
2、规划方案
黄河水源呼延水厂出水水位标高为844.0米，太原市区平均地面标高为800.0米左右，可资用水头44米左右，西侧最高点地面标高840.0米，东侧最高点为858.0米。为了充分利用现有水头，并以节约能量为目的，管网系统分为三个区，即重力供水中心区、东部加压区和西山加压区。中心区按三期分别实施;东部加压区按照城市发展规划，分为两期实施，即第二期和第三期;西部加压区在第一期和第二期利用现有管网系统，只进行第三期的管网扩建。为此，我们按照太原市城市发展的规划目标，进行实地堪察、用水量调查和现状分析，并采用常规规划法和高速公路规划法，对规模为80万米3/日和190万米3/日的供水量，分别提出三个管网布置方案，即二期的常规布置方案、内环高速公路布置方案和外环高速公路布置方案，三期的常规布置方案、“中”字高速公路布置方案和内外环高速公路布置方案，并对常规布置方案采用标准优化法进行优化计算，对高速公路布置方案采用多工况优化技术进行优化计算。如图为所推荐的“中”字高速公路布置方案(粗虚线为高速主干线)。
3、优化计算及结果分析
按照太原市当地的材料价格指标、施工及破路费用，得到优化计算所需的综合经济指标，如表1所示。
表1 太原市1997年管线综合价格指标管径(mm)200300400500600700800900
价格(元/m)627.81143.81210.91473.11771.12080.52442.32824.8
管径(mm)10001200140016001800200022002400
价格(元/m)3187.64258.35201.06303.77801.08800.410621.011499.9
电费：0.35元/kwh;项目计算期：20年;投资收益率：5%;水泵效率：80%。
多工况优化计算的控制条件：
1)水压要求：在最大用水时，所有节点的最小自由水压，除大网东侧二个最不利节点满足12.0米外，其余节点均要满足20.0米，并且60%以上的节点压力要满足28.0米的要求;在消防时，所有节点均要满足消防要求10.0米。
2)流量要求：最大用水时的流量按高日高时设计;事故时的流量为最大用水时的70%，消防时是在最大时流量的基础上，对重力供水区增加4个流量为100l/s的消防点，对东部加压区增加二个40l/s的消防点，对西部加压区增加二个35l/s的消防点。
对高速公路布置方案，我们应用软件系统，采用多工况控制优化技术进行优化设计计算，其优化结果完全满足各节点在不同工况下的流量和压力要求，其优化结论如表2～5所示。
表2 一期40万米3/日优化计算结果40万米3/日中心区
内环布置 中心区
外环布置
总投资(万元)54219.70349382.672
年折算值(万元)4433.3244049.028
运行费用(万元)82.59486.435
管线总长度(km)173.627163.200
平均管径(mm)923.444907.255
其中新铺管线:
总长度(km)105.28097.962
平均管径(mm)1249.6491230.437
表3 二期80万米3/日优化计算结果80万米3/日中心区
内环布置 中心区
外环布置 东部加压区
总投资(万元)54788.06656309.7037896.238
年折算值(万元)4488.1804609.875920.640
运行费用(万元)91.84491.439287.026
管线总长度(km)198.568196.06654.844
平均管径895.259926.029577.300
其中新铺管线:
总长度(km)96.06899.06042.247
平均管径(mm)1370.2721389.357615.432
表4 三期190万米3/日优化计算结果190万米3/日中心区
“中”布置中心区
内外环布置东部加压区西部加压区
总投资(万元)55650.29752853.004349.9773686.143
年折算值(万元)4465.5244241.062366.617570.631
运行费用(万元) 338.534274.845
管线总长度(km)245.176246.06257.22024.553
平均管径(mm)1187.8861183.769574.091574.995
其中新铺管线:
总长度(km)73.25368.5252.37619.686
平均管径(mm)1706.1701717.410500.000612.022
表5 优化计算结果经济分析 总投资
(万元)年费用折算值
(万元/年)年运行费用
(万元/年)
内环布置方案：一期(40万吨/日)54219.7034433.32482.594
外环布置方案：一期(40万吨/日)49382.6724049.02886.435
内环布置方案：二期(80万吨/日)12150.7441546.127653.715
二期小计66370.447
外环布置方案：二期(80万吨/日)18509.4122052.118653.310
二期小计67892.084
“中”布置方案：三期(190万吨/日)56000.2744832.141613.379
三期总计122370.721
内外环布置方案：三期(190万吨/日)53202.9814607.679613.379
三期总计121095.065
通过对优化结果的投资、水力条件、运行管理、施工方便程度等方面进行综合分析，我们推荐第二期的内环高速公路布置方案和第三期的“中”字高速公路布置布置方案为可实施方案。
四、结论
本文提出给水管网的高速公路布置理论，采用示例和实际工程相结合的方法进行验证，并得出计算机软件完全适应于进行大型给水管网系统的多工况控制优化设计的结论。
应用给水管网系统的高速公路布置理论和软件系统，使人们完全用一个全新的观念进行管网系统的规划和设计，从而可以避免在供水规模和供水重心发生变化的情况下，所出现的对现有管网系统进行大范围改造的问题。尤其对于大中型城市的多水源供水系统，管网的高速公路布置方案，更显示出其特有的优越性。
