摘要：树状给水管网系统广泛地应用于村镇、小城镇和小型工矿企业供水中。据统计，通过优化设计，可得到投资省、成本低且高效的设计方案。本文通过对树状给水管网优化现状的调查分析，列举目前国内外有关树状给水管网优化设计的相关研究，希望给从事相关工作的人员提供参考与帮助。
关键词：树状给水管网；优化设计；研究现状
中图分类号：G710 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）50-0235-02
一、前言
水资源作为人类发展的命脉，在生产、生活各个领域起到至关重要的作用。做好水输送、水安全的各项工作，对整个城市的发展显得尤为重要。中国作为一个发展中国家，各项基础设施比较薄弱，加上技术经济水平的限制，很多输水工程都有很大的优化进步空间。当前情况下，我国大多数的水输送系统运营管理水平较低，而且目前大多数操控都以工作人员的经验为主，缺乏必要的合理性汇入经济性分析。随着我国经济的快速发展，城镇化进程不断加快，用水量随之增加，对水质、水量、水压的要求越来越高。有关数据显示，我国的大多数地区的老厂区、老街区仅仅依照以往的经验值来确定输配水管网的管径、坡道等设计参数，缺乏科学依据。在实际的管网运行中，各种工况是非常复杂的，不能够仅仅凭着几种简单的方案对比来确定管网建设的方案，否则很难建立最为经济，最为可行的供水系统。由于一些管网中的管段使用时间过长，年久失修，管道的腐蚀程度又比较严重，甚至有管道内壁上产生大量沉积物，而且这些沉积物随时间的推移，越积越多，这些都会使供水产生二次污染，严重时甚至可能会对工业产品的质量或人体健康造成威胁。
综上所述，配水管网的优化设计和改善不仅影响到合理的供水电耗，还关系到适应用水需要、提高供水安全可靠性、合理投资、降低管网漏失及改善管网水质等各项因素。因此，对城市供水管网系统的优化设计研究不仅是城市供水行业急需解决、关系到供水行业技术进步的一个重要内容，也是具有重要社会效益和重大经济效益的研究课题。
二、给水管网优化目的
管网的优化设计，应该考虑到四个方面，即保证供水所需要的水量和水压，水质安全，可靠性（保证事故时的水量）和经济性。给水输配水管网通过管道（渠）将水输送到各个节点，在保证各个节点所需服务水压以及流量条件下，怎样去选择给水输配水管网系统中各个组成部分的管段规格和尺寸，由此获得最经济的设计方案，就是管网优化设计要解决的首要问题。
给水输配水管网系统的优化问题主要分为三个大的方面：第一，给水输配水管网的优化布置问题；第二，给水输配水管网系统的优化设计问题，即是在给水输配水管网的布置方案确定之后，选择合适的水泵扬程和确定好各级管道的具体尺寸，从而达到系统管网的年费用折算值（或投资）最小的目标；第三，给水输配水管网的优化调度问题。
三、树状给水管网基本形式
树状管网系统布置形式较多，一般根据需要可在系统中设置水池、水塔（或高地水池）等水量、水压调节构造物。另外，还可根据水源的具体位置设置泵站以进行系统的压力调节。一般情况，当水源处地面标高较高时，可采用重力流供水，这种供水管网系统工程的初期投资费用和后期的运营管理费用都较低；但当不具备水源位置优势时，可在管网系统设置水泵以满足供水需求，即泵站加压的供水系统，该系统根据用户用水量与泵站供水量的差异大小，可采用设置水塔或不设水塔两种方式；一般设置水塔的目的主要是缓解二级泵站的工作压力，降低能耗，满足用户多变的用水需求。实验证明，通过设置水塔不但可降低泵站的设计流量，缩短二级泵站工作时间，还可以有效地保证系统所需的水压。为降低工程投资，一般将水塔的位置布置在用水量较大较集中或地势较高的地方。根据供水管网系统中水塔的位置，供水系统中水塔的位置，供水系统可分为网中水塔管网系统，对置水塔管网系统和网前水塔管网系统。
四、优化现状调查研究
近年来国内外许多的专家学者对树状管网系统的优化设计做了大量研究，主要的研究工作为：2001年周荣敏和林性粹[1]建立了自压式树状管网两级优化设计系统的模型，并采用人工神经网络方法实现了树状管网非线性规划模型的快速求解，采用的人工神经网络技术的两级优化设计模型在适用范围、求解速度及获得最优化解的能力上，均优于以前单一的非线性规划模型及线性规划模型，人工神经网络技术的两级优化设计模型是实现树状管网全局优化设计的一种新方法；2002年周荣敏和买文宁等专家[2]应用Hopfield神经网络模型的优化计算原理与方法，建立了自压式树状管网神经网络优化系统的设计模型，并用计算机软件模拟方法进行求解。研究结果表明：人工神经网络法是快速求解自压式树状管网非线性规划模型的一种全新的途径，结合两级优化算法可以实现树状管网全局的最优化设计；2002年周荣敏和雷延峰等专家[3]分别用单亲遗传算法和Hopfield神经网络算法进行了机压式树状管网的优化布置及优化设计，能够在管网投资的最小及最优的树状管网的布置形式上，获得每年费用最低及最优设计方案。研究结果表明：该方法途径是可行和有效的，能减小管网工程的投资、提高设计水平及设计效率。2004年白丹和高彬[4，5]等学者针对对置水塔树状管网系统和网前水塔树状管网系统的组成部分的压力及流量关系，以管网系统每年消耗费用最小值作为目标函数，在保证管网系统满足各节点所需流量和压力的条件下，建立起该类管网系统的优化设计的线性规划模型，并获得了不错的优化效果；2008年马孝义和范兴业等专家[6]针对树状管网布置中较多依赖设计人员经验的缺陷，提出了一种基于整数编码遗传算法的树状管网的两级优化的方法。第一级优化的途径是根据树状管网单点供水的原则进行，建立了结合实际工程设计经验的树状管网优化布置的整数编码遗传算法的模型，解决了传统二进制编码方法易产生不可行解的难题，可以快速寻找一组符合工程实际情况的管网布置优化方案。第二级优化的途径是在确定管网布置方案组的基础上而采用整数编码的遗传算法，并以最小投资为目地，建立了管网优化的模型和算法。编制了灌溉类管网的两级优化设计的Matlab程序，进行了大量工程实例的验证，并与单亲遗传算法（SPGA）和管网布置经验设计方法进行了大量比较，结果表明：基于整数编码的管网优化设计途径可以方便地将设计经验融入到优化设计计算方案中，并能降低管网优化设计的复杂性以及求解难度，可快速有效地求解符合实际工程的管网优化设计方案。2012年周荣敏和雷延峰[7]将改进的单亲遗传算法并采用Kruskal算法及Dijkstra算法进行了群体初始化代替随机群体初始化的过程；采用轮盘赌的方式和单亲换位的算子作为主要的遗传算子，取消选择率和换位率以及单亲逆转算子，使算法结构变得更加简洁明了；增加单一化的最优化群体，并自动更新最优化群体来适应度值的下限。研究结果表明，通过一系列的改进，在同样能获得最优化解的前提下，运行程序的时间由70s缩短为5s，最大的遗传代数从500代以上缩短到100代以下，改进的单亲遗传算法（ISPGA）的性能得到了显著提高。2013年邱金亮和王静等专家利用组合的遗传算法，针对大多数的树状管网系统，提出了在考虑系统工作制度的条件下基于单亲遗传算法及基于整数编码遗传算法的三级优化方法，结果证明该方法可以进一步使管网系统得到整体的优化设计，使管网在满足规范设计的要求时同时可以明显地降低工程的总投资。2013年许文斌和王圃等专家以管网每年消耗费用的折算值作为目标函数，以管径的优化作为参数，建立起了树状供水管网的最优化的设计模型。根据树状流量管网的单一性，结合工程实际情况将支管和干管的大型树状管网按照不同的层次进行了分解，再逐层应用模拟退火遗传的算法对这一模型进行了求解。这样可以最大地避免因整个树状管网系统管段数过多以及染色体过长而导致的进化容易陷入局部的最优解或者难以收敛等缺点。同时，在算法应用过程中，并对退火遗传算法进行了适当的改进，使其更有效地应用到实际工程中去。结果表明可以显示出在支管和干管分明的大型树状管网设计中，枝解法的优化算法可以更好地获得优化运行效果。
五、结语
从以上的研究数据来看，目前关于树状给水管网的优化设计研究是相对较成熟且全面的，另外，从研究的成果看，这些优化模型不仅有适用于城市树状供水管网系统的，同时也有适用于农田灌溉管网的，且其优化模型应用于实际的生产运行中时，都取得了较好的优化设计效果，为生产一线提供了宝贵的参考价值。
参考文献：
[1]周荣敏，林性粹.自压式树状管网的两级优化设计模型与神经优化设计[J].节水灌溉，2001，（2）：1-3.
[2]周荣敏，买文宁，雷延峰，林性粹.自压式树状管网神经网络优化设计[J].水利学报，2002，（2）：66-70.
[3]周荣敏，雷延峰，林性粹.压力输水树状管网遗传优化布置和神经网络优化设计[J].农业工程学报，2002，18（1）：41-44.
[4]白丹.对置水塔树状管网系统优化设计的线性规划模型[J].农业工程学报，2004，20（1）：87-90.
[5]白丹，高彬，边博，叶文宇，程小娟，陈克强.网前水塔树状管网系统优化设计研究[J].沈阳农业大学学报，2004，35（5-6）：561-563.
[6]马孝义，范兴业，赵文举，康银红.基于整数编码遗传算法的树状灌溉管网优化设计方法[J].水利学报，2008，39（3）：373-379.
[7]周荣敏，雷延峰，基于改进单亲遗传算法的树状管网布置优化[J].水利学报，2012，43（10）：1243-1247.
