（市政工程专业论文）城市供水管网系统方案优选研究.pdf

中文摘要摘要给水管网是城市供水系统的重要组成部分，管网的投资也在整个给水系统中占有很高比例。不论是区域给水还是分散给水模式，供水管网系统选择是否分区及分区形式时，经常需要结合具体情况作多方案的比选，选择技术可行、经济合理的最佳方案，以降低供水管网系统的建造及运行费用，提高供水企业的效益。常用的方案选择方法有相关因素直接比较、经济评价及财务分析比较和多目标综合比较等，本文针对城市供水管网系统的特点，对各种比较与评价方法及其在方案优选中的应用进行了分析和讨论。主要工作和结论如下：鉴于给水管网工程成本估算涉及众多影响因素，且具有不确定性的特点，本文以模糊数学理论和预测科学为基础，建立工程特征集合t = ，f 2 f 。 ，利用各工程五，互瓦之间存在的相似性，用隶属函数肼来表示相似工程各特征元素t ，从属于工程费用这一模糊集合r 的相似程度。通过分析积累的历史造价数据，结合工程技术人员的实际经验，建立给水管网工程模糊关系系数表，用贴近度来度量模糊性，从而建立不同管径管道单位长度造价和加压泵站单位水量建设成本的快速估算数学模型。然后通过对分区分压给水能量的分析，来计算分区后管网系统节约的运行费用。在对给水管网建造成本分析时，考虑资金的时间价值，对方案计算期内各有关经济评价参数和指标进行计算和分析，将不同时间建设投资折算为每一年的建造成本，使各方案不同阶段的建设投资具有可比性。然后结合对年运行费的分析和计算，从管网的全部现实成本即整体经济性的角度，选择在设计年限内年费用最低的设计方案。本文还以“多目标综合优选理论”和“相对优越性排序”概念为理论基础，对方案的多因素，多目标综合优选进行了探讨。应用层次分析法，建立了较为全面的城市供水管网系统的多层次、多目标的递阶层次结构模型，将定量指标和定性指标相结合，客观数据和主观经验相结合，从而将多个评价指标问题合理地转化为单个综合评价指标的形式，在一维空间中进行方案综合排序和优选。最后，将研究成果应用于实际工程设计，结果表明运用本文提出的成本计算和方案比选方法，用模糊数学的原理把城市给水管网设计和建设中的各种主、客因素，用数学的形式定量表现出来，实现了工程建设费用的快速估测，减少了在方案选择时主观因素的影响，该方法简便易行，结果真实可靠，具有一定的可行性和实用性。关键词：模糊数学，隶属函数，经济评价，层次分析法，递阶层次结构模型英文摘要a b s t r a c tt h ep i p en e t w o r k o f w a t e rs u p p l yi sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e mo fu r b a n ，a n di t sc a p i t a li n v e s t e da l s oh a v eag r e a tp r o p o a i o ni nt h ew h o l es y s t e m i ti sn e e d e dt oc o m p a r ed i f f e r e n ta l t e r n a t i v e sa n ds e l e c tap r o p e ro n et or e d u c ec o s ta n di n c r e a s et h eb e n e f i tf o rt h ee n t e r p r i s eo f w a t e rs u p p l y , w h e t h e rf o rt h em o d e lo fr e g i o n a lw a t e rs p p l yo rt h ed i s p e r s i o n a l n 圮s t a n d a r dm e a i l st os e l e c ti n c l u d et h et e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i n gv i s u a l l y , c o m p a r i n go f e c o n o m i ca p p r a i s i n ga n df i n a n c ea n a l y s e s c o m p l e x c o m p a r i n g w i t h m u l t i p l e o b j e c t i v e s a n d s o o n 1 1 1 i sa r t i c l e a n a l y s e d a n dd i s c u s s e dt h em e t h o d so f p r o g r a mc o m p a r i n ga n da p p r a i s i n ga n dt h e i ra p p l i c a t i o n ，a n dh a v et h ec e n c l u s i o n sb e l o w ：f i r s l w i t hv a r i o u se l e m e n t si n v o l v e da n dt h eu n c e r t a i n t yf o rt h ec o s to f w a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，a n db a s e do nt h et h e o r yo ff u z z i n gm a t h e m a t i c sa n dp r e d i c t i v es u b j e c t , b u i l dt h ec h a r a c t e r i s t i ci n t e g r a t i o no fw o r k st = ，f 2 乞) a n de x p r e s st h es i m i l a r i t yo fv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i ce l e m e n t st jd e p e n d e n to nt h ef u z z ys e to ft h ec o s to ft h ew o r k s写，五瓦w i t h t h e m e m b e r s h i p f u n c t i o n 所a n a l y s e t h e c o s t d a t a a c c u m u l a t e d a n d t h ee x p e r i e n c eo f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k st ob u i l dt h ef u z z yr e l a t i o n s h i pq u o t i e n tt a b l eo ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k sa n d 啪t h es i m i l a rg r a d et om e a , 蛐r ef u z z i n e s st ob u i l dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fe s t i m a t i o na n dg e tt h eu n i tc o s to f t h ed i f f e r e n tp i p ed i a m e t e ra n dt h ep u m ph o u s e t h e na n a l y s et h ee n e r g yu n u s e dw h i c hc a nb er e d u c e da f t e rs p a c i n gt og e tt h eo p e r a t i n gc o s ts a v e do f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s c o n s i d e r i n gt h et i m ev a l u e ，c o n v e r tt h ec o n s t r u c t i o nc o s tg e n e r a t e di nd i f f e r e n tt i m et ot h es a m et i m eo f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k st om a k ei tc a nb em e a s u r e d t h e nw i t l lt h ea n a l y s i sa n dm e a s u r i n go fa n n u a lo p e r a t i n gc o s t ，d i s c u s st h et e c h n i ca n de c o n o m i ce l e m e n t sa n de c o n o m i ce v a l u a t i o np a r a m e t e ri nt h et i m eo fc o u n t i n gt os e l e c tas c h e m ew i t ht h el o w e s ta n n u a lc o s ti nt h ea l t e r n a t i v e s t h e nb a s e do nt h et h e o r yo f m u l t i p l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o na n dr e l a t i v es u p e r i o r i t y ,d i s c u s st h em e t h o do fm u l t i p l eo b j e c t i v eo p t t r n i z a t i o n u t i l i z et h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o g r e s s t o b u i l d t h e h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e o f t h e w a t e r s u p p l y n e t w o r k s a n d a s s o c i a t e t h ei n d e xo f q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v e , t h eo b j e c t i v ed a t aa n ds u b j e c t i v ee x p e r i e n c et oc o n v e r tt h ep r o b l e mo f m u l t ia p p r a i s a li n d e xi n t ot h ef o r mo f t h es i n g l ep r o p e r l yt oc o l l a t eg e n e r a l l ya n ds e l e c ta nr a t i o n a lo n e f i n a l l y , a p p l y t h e e o n s e q u e n c e i n t o t h e a c t u a l ，t h e r e s u l t i n d i c a t e t h a t t h e w a y s o f c o s tl u重庆大学硕士学何论文c a l c u l a t i o na n da l t e r n a t i v e sc o m p a r i s o np r e s e n t e do ft h i sa r t i c l ee x p r e s st h ev a r i o u sf a c t o r sq u a n t i t i l yd u r i n gt h ed e s i g ho fw a t e rs u p p l yn e t w o r k sb a s e do nt h ef u z z i n gm a t h e m a t i c st or e d u c et h ei m p a c to f q u a l i t a t i v ee l e m e n t sd u r i n gt h eo p t i o n s t h em e t h o di ss i m p l e ，f e a s i b l ea n dp r a c t i c a l ，a n dt h er e s u l ti sr e l i a b l e k e y w o r d s ：f u z z i n gm a t h e m a t i c s ，m e m b e r s h i pf u n c t i o n ，e c o n o m i ce v a l u a t i o n ，t h ea n a l y t i ch i e r a r c hp r o c e s s ( a h p ) ，t h em o d e lo f h i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：括既畚签字日期：2 町年年月刁e t学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密() ，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密( ) 。( 请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：诲花袈导师躲獭签字日期：2 唧年年月刃日签字日期：明年年月) 7e tl 绪论1 绪论1 1 问题的提出及研究意义1 1 1 问题的提出现阶段我国城镇供水基础很不稳固，尤其在管网建设上还很薄弱，许多城市的供水管网建设大都滞后，城镇近l 3 管网超过了使用期，急需更新改造【l 】。很多城市多年来城区供水都由城市统一压力供应，供水压力极不平衡，部分管网供水压力不足的同时，又有部分供水管网常在较高压力状态下运行。使得供水管道经常发生断水事故，严重影响了城市供水的安全性，并使供水电耗居高不下。同时随着我国城市化进程和工业的日益发展，每年都要新建和改造大量水厂，相应也要铺设大量管道。从给水工程实例分析，在给水方面每增加1 0 0 0 0 m 3 d 的供水能力，需要新建给水管道1 3 1 5 k m 2 l 。故对于城市给水管网的改建、扩建及新建的要求己日益迫切。随着相同流域内各城市的相互依存性的增加，对城市给水系统的区域性综合规划也提出了要求，传统的局部供水模式将逐渐被区域供水模式所替代【3 1 。区域联合供水是以一个或若干个距离很近的大城市为中心，将其附近的城镇、居民点和工业区作为一个整体来考虑，成为一个大的供水区域，从全局最优出发来进行综合规划，将区域内的水资源及全部供水设施和用水要求作统筹安排。这样既可以改善小城镇的供水水质，淘汰技术落后、效率低下的城镇水厂，又可以充分利用中心城市水厂的能力和现有供水设施，做到设施共建共享，以节省工程投资，降低供水能耗和费用。区域供水模式下管网配置更合理，但同时供水范围扩大，地形更复杂，管网延伸远，使长距离输配水管网增加，一般宜采用分区分压供水以降低能耗。不少地区也曾经根据自然地形提出分区分压供水，以降低运行成本，但只凭经验判断如此可以节能降耗，没有系统的理论依据和计算模型4 l ；同时由于城区供水管网不够完善，无法严格地将供水压力按照地势高差和用户需求分开。所以很多城市尽管早已认识到供水分区、分压不仅可以降低供水运行成本，而且可以提高供水的安全可靠性，有很好的企业经济效益和社会服务效益，但收效甚微。因此设计中应对各供水方案进行评价和比较，以确定最佳的供水方式，使整个系统的投资和运行达到最佳状态。1 1 2 研究的意义给水系统是重要的市政基础设施，是社会生产和人民生活的命脉，在保障经济建设和人民生活中发挥着重要的作用。给水管网在城市给水系统中占有重要的重庆大学硕士学位论文地位，一方面给水管网是联系水源点和用户的桥梁，另一方面给水管网的投资大，一般占整个给水工程总投资的6 0 一8 0 9 】，随着区域化供水的发展进程，输配水管网系统范围的扩大，具有长距离输水特点的管道数量的增加，管网造价占整个给水系统的比重将越来越丈。管网运行电费在给水成本中所占比例也较大，一般为3 0 - 4 0 【l ，供水行业的用电量占全国总用电量的1 0 8 ，占工业用电量的1 5 1 【l ”。所以工程建设中常常需要对给水管网技术经济合理性进行研究，探讨如何对管网进行统一规划、合理布局、合理选择经济管径、布置泵站，达到降低投资、节约能量和保证供水安全性的目的，而选择合理的供水方式是优化设计的起点。因此通过对建设项目的现实成本的分析和计算，向投资者推荐技术经济最优的方案，是对国家经济资源进行优化配置的最直接、最重要的手段。工程基本建设项目和更新改造项目都需要进行方案评价，从技术、经济等多方面进行分析和讨论，建立评价指标体系，从而对不同建设方案作出判断和决定，以确保决策的正确性和科学性，避免或最大限度地减小投资方案的风险。1 2 本文研究的目的和研究内容1 2 1 本文研究的目的城市给水管网工程基础设施建设是一项耗费巨大的投资，管网运行耗电是整个给水工程日常运行费用的重要组成部分，此部分能耗具有巨大的节能潜力。合理选择管网供水方式可以降低管网的运行及建造费用，提高企业效益。所以在投资前期必须进行详细的规划和技术经济论证，对给水管网工程各项费用进行分析和计算，运用合理的评价方法，从多个可行方案中选择一个最佳方案。本文对管网建造费用和动力费用主要影响因素进行了讨论和分析，针对方案选择中工程费用的特点，提出各项主要费用的计算方法，采用动态经济评价方法，选择具有可比性的年折算费用最低的供水方式和供水管网设施，使决策反映实际，反映系统的真实内容，为项目建设前期的投资决策提供科学的依据，同时也保证了竣工投产后的运行管理和提高供水企业的供水效益。考虑到供水工程事实上是一个非常复杂的系统问题，不仅牵涉到经济，而且涉及环境、社会等各个方面，仅仅依靠经济分析评价，作为选定方案的方法虽然有一定的道理，但往往因为没有把经济以外的因素考虑到整体方案中或者没有将经济以外的因素加以量化考虑到方案中去，决策不够准确，使得项目在建成后的运行中暴露出许多问题，给社会和企业造成很大的损失，对城市经济的发展有很大的影响，也给城市居民的生活带来了不便。而层次分析法( ( a h p ) 具有系统性、灵活性、实用性等特点，特别适合于多目21 绪论标、多层次、多因素的复杂系统的决策。因此本论文通过层次分析法的应用，建立起各供水管网方案的多指标递阶层次结构模型，以找出综合评价指标最优的方案。以避免在方案选择中的主观性、片面性。1 2 2 本文研究的主要内容给水管网工程寿命周期内的全部现实成本主要是管网建设成本和动力费用两部分。给水管网的建造成本计算涉及因素较多，在时间有限、资料不齐等条件下进行方案的比较，运用一般的管网费用函数公式或传统造价方法需要较多的技术经济参数或实际造价资料，计算过程复杂，而且在方案比较阶段也没有必要。因此本文通过分析给水管网工程的特征因素和积累的历史造价数据，结合工程技术人员的实际经验，运用模糊数学方法，给出了给水管网工程模糊关系系数表，可以快速估测出不同管径管道单位长度造价和加压泵站单位水量造价。管网的运行成本主要是动力费，采用分区给水方式可以降低供水能量费用，因此本文通过对分区分压给水能量的分析，对管网运行费用和分区后管网系统节约的运行费用进行了计算。在对给水管网建造成本分析时，考虑成本的时间价值，将不同时间建造成本折算为同一时间的建造成本，从而使不同阶段的建设投资具有可比性。然后结合对年运行费的分析，采用合理的经济评价方法以实现对设计方案的最优化选择。另外，本文还从系统分析的角度，采用层次分析的方法，将决策问题的有关元素分解成目标、准则、指标、方案等层次，在此基础上将定性分析和定量分析相结合、主观经验和客观数据相结合，对方案进行多目标综合优选。灿开法较完整地体现了系统工程学的系统分折和系统综合的思路，将整个供水管网工程看成一个系统，根据系统内部因素之间的隶属关系，将一个复杂的问题转化为有条理的有序层次，以一个层次递阶图直观地反映系统内部因素之间的相互关系( 系统分析阶段) 。这样复杂系统的求解就被分解为相对简单得多的各子系统的求解，然后再逐级地进行综合( 系统综合排序) 。最后，将研究成果应用于实际工程中，结果表明运用模糊数学理论计算管网建设成本，方法新颖，结果快速可靠；应用费用分析理论和多目标综合优选理论，进行城市给水管网的多方案评价择优，具有可行性和实用性，决策能较真实地反映客观实际。32 城市给水管网系统方案技术分析2 城市给水管网系统方案技术分析2 1 概述给水模式的选择、管网的合理布置、供水是否分区及分区形式的选择，管道选材、施工等情况都影响城市供水管网的造价及运行。2 1 1 管网系统的优化布置给水管网包括输水管渠和配水管网两大部分，输水管不宜少于两条，一般距离较长，因此与河流、高地、交通路线等的交叉较多；配水管网遍布整个供水区域，根据管道的功能，可划分为干管、配水支管、进户管三类。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、水泵的设置和管道的施工条件等，对工程投资和管理维护有很大影响。只有先优化管网布置方案，然后在优化布置方案的基础上进行管网水力参数的优化确定，才可以建立切合实际情况的数学模型，通过科学计算取得较合理的管网设计方案。当前我国经济发展迅速、城市化进程加快、自来水普及率逐步提高。但同时原有供水系统布局和规划有欠科学，致使管线连接复杂、铺设冗余，出现了供水成本高、管理困难、事故影响范围大等问题，故今后的工作中应逐步改善管网布局以适应经济发展和满足用户要求。供水范围应根据地形、水源等统一规划，以满足用户对水量、水压的要求，尤其注意高、远、偏等缺水地区，输配水管网应均匀分布在全供水区域内，同时要兼顾管道施工、维护、检修的方便。管网布置应根据供水区域的地形、城市建设规划、水源和调节水池位置、街区和用户特别是大用户的分布以及河流、铁路、桥梁等的位置等因素综合考虑。给水管一般沿规划道路敷设，尽量做到线路简短，输配水干管线路尽量通过用水量较大的地段，管网尽量布置成环状，枝、环结合，初期以枝状为主，辅以网中调节设施，后期建设中逐步成环，以提高供水安全可靠性和节省工程造价。当城市地形高差大、管网延伸远或给水范围广，布置管网时宜采用分区分压供水以降低能耗、避免管网水压超出水管所能承受的范围，以确保供水系统的安全可靠性，降低供水成本。若城市狭长发展宜采用并联分区，因增加的输水管长度不多，而高、低区的泵站方便集中管理；城市沿垂直于等高线的方向延伸时，宜采用串联分区，通过加压将水送至高区。总之，对城市给水管网布置应满足以下要求：符合城市总体规划的要求，布置管网时应考虑给水系统分期建设的可能性，留有充分的发展余地；管网平均分布在整个给水区域内，使用户有足够的水量和水压；管网布置必须保证供水安全可靠，当局部管网发生故障时，断水范围减到最小；力求以最短距离敷设管线，5重庆大学硕十学位论文以降低管网造价和供水能量费用；根据地形、水源位置、用水量分布等具体条件，考虑是否分区和选择分区形式，拟定若干方案，进行比较。2 1 2 管材的技术性能管材的性能直接影响到城市供水的可靠性和经济性，城市供水对管材的基本性能要求主要有：封闭性能好，具有一定的承压能力和良好的封闭性，以降低漏损和保证持续供水；输送水质好，一般的输配水管道都延伸较长，容易出现二次污染，因此要求管道既要有良好的耐腐蚀性又不会向水中析出有害物质；水力条件好，供水管道的内壁光滑、不易结垢，以保证管道畅通和降低水头损失，确保最不利点的服务水头，提高供水企业的经济效益；造价低，管网的建设成本在供水系统投资中占有较大比重，其中的管材选择是影响管网建设成本的主要因素，因此在保证供水需求的基础上应力求降低管道造价。我国目前的城市给水管中，d n 8 0 d n l 0 0 0 以铸铁管应用最广；d n l 0 0 0 以上以预应力钢筋混凝土管较多，塑料管和球墨铸铁管发展迅速，有条件的地区己开始使用复合材料管道。钢管具有适应性广、加工灵活方便、承压高等优点，但造价较高，且耐腐蚀性差，焊缝多，使用寿命短，因此给水工程大多只在泵房、大管径、水压高、穿越障碍和地形复杂等特殊地段使用。铸铁管是目前供水行业使用较广泛的一种市政供水管材，据统计我国城市供水管网中铸铁管占8 0 以上【l 引，近几年逐渐淘汰了灰口铸铁管，开始大量使用球墨铸铁管。我国台北市在1 9 9 6 年敷设3 4 1 2 k m 管道中，球墨铸铁管占8 4 8 2 。日本东京市城市供水管网中，球墨铸铁管约占9 0 。美国近几年内，年安装供水管道2 3 万k m ，球墨铸铁管占4 7 7 。在国外，d n 5 0 2 9 0 0 m m 之间均有球墨铸铁管的产品，在国内，d n l 0 0 2 2 0 0 m m 之间也有球墨铸铁管的产品。球墨铸铁管是上世纪9 0 年代兴起的金属管材，内衬了水泥砂浆，管内输水符合卫生要求：若输送水的水质不稳定，则砂浆内表面应刷涂卫生级树脂保护，耐腐蚀性不比非金属管材差，而比钢管高3 到4 倍。球墨铸铁管抗拉伸强度接近钢管，可承受内水压力超过2 0 m p a 以上，比非金属管材强。球墨铸铁管系延伸率、刚度、抗拉强度均较大的金属管道，承受土壤静荷载及地面动荷载的能力通常比其它管材强。球墨铸铁管的管件规格齐全，能适应新安装需要，也能适应运行管道上不停水引接分支的需要。球墨铸铁管系柔性接口，折装方便、承受局部沉陷的能力好，特别在有地下水或管内有少量余水的状况下维修容易，它比非金属管材维修难度小。球墨62 城市给水管网系统方案技术分析铸铁管通常外表面首先喷涂锌层，再喷涂沥青保护，这方面比非金属管材弱，但比钢管强。球墨铸铁管通常有5 0 1 0 0 年的使用寿命，比化学管材及钢管使用寿命长。球墨铸铁管造价较钢管经济，但要高于其它管材。同时球墨铸铁管还存在以下缺点：d n _ 1 4 0 0 m m 及d n ：s 2 0 0 m m 的球墨铸铁管，铸造难度大、相对价格高；大口径球墨铸铁管管壁簿，承、插口端容易变形，影响管道敷设。因此，在国内各城市供水管网中，球墨铸铁管目前适用于d n 3 0 0 1 2 0 0 m m 之内。钢筋混凝土管分为自应力和预应力，接口常为特制的橡胶圈密封，承压能力较金属管低。自应力管是用自应力砼并配置一定数量的钢筋制成的，制管用的自应力水泥是由4 2 5 号或5 2 5 号普通硅酸盐水泥、3 2 5 或4 2 5 号矾土水泥和二水石膏，按适当比例加工制成，所有钢筋为低碳冷拨钢丝或钢丝网，通过自应力混凝土膨胀产生预应力，提高其抗压能力。国内生产的自应力管规格主要在1 0 0 6 0 0 m m之间，由于工艺简单，制管成本较低，有1 0 0 多个生产厂家，年产量近1 0 0 0 k i n ，但由于生产过程中的质量不易控制，容易出现二次膨胀及横向断裂，目前主要用于小城镇及农村供水系统中。预应力管包括一阶段管、三阶段管、预应力钢筒砼管，管径在d n 6 0 0 3 6 0 0 m m 之间，是大口径输水管材中比较理想的管材。一阶段管的制管过程是先把作为环向预应力钢丝的钢筋骨架放到装配好的管模中，布置上纵向钢筋，用电热法或机械法使纵向钢筋获得预应力，然后浇注砼，此后向特制的橡胶内膜中注水升压，使胶模膨胀，砼、外模和钢筋一道膨胀变形，把砼中水份排挤掉。环向钢筋获得了预应力，并立即进行蒸汽养护，待砼凝固后将内模中的水压泄放，脱外模即成产品。此种工艺的特点是强度及抗渗性较好，管壁较薄，但外模合缝处容易漏浆，修补率高，承口要磨削加工。三阶段管是指一根管材分三个阶段制成，先做成一个带纵向预应力的砼管芯，管芯外缠环向预应力钢丝，然后作水泥砂浆保护层。预应力钢筒砼管是在带钢筒( 薄钢筒的厚度约1 5 m m 左右) 的砼管芯上，缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并作水泥砂桨保护层而制成的管子。它的开发应用已有半个多世纪的历史，这一技术是法国b o n n a公司最先研制的，到上世纪四十年代，欧、美竞相开发，目前美、法各国的年产量达数十万公里，其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒砼管最多的国家，广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水干管、工业供水及废水管线等方面，目前世界上规模最大的利比亚“人工河”第一期工程，全长1 9 0 0 k m ，就是使用直径4 m 、工作压力2 8 m p a 的预应力钢筒砼管敷设，工程全部完工后运行情况良好。使用它的工程造价虽比三阶段预应力管高，但它的综合质量比后者强得多；它的工程造价比钢管低，敷设速度、防腐性能等方面比钢管好，是大口径输水管材中比较理想的管材。塑料管是新型的化学建材，通过合成树脂加添加剂经熔融加工而成，具有化7重庆大学硕十学位论文学稳定性好、耐腐蚀性强、导热系数小、水力性能优越、运输方便、维修容易等优点。聚氯乙烯管( p v c ) 目前在给水管道上主要使用的是不增塑的硬聚氯乙烯管( u p v c ) ，通常町用粘接剂粘接，也可用胶圈柔性连接。这种管材是国内推广使用最早的、目前使用量最大的塑料管材。不少自来水公司已经把此类管材用于d n ( 2 0 0 m m 的配水管道上，替代传统的灰口铸铁管及镀锌钢管，管材、管件连接基本上均采用胶圈柔性连接方式，但在实践中发现此类管材较脆，在不均匀受力条件下容易爆管。聚乙烯管( p e ) 以密度区分，有低密度聚乙烯管( l d p e ) 、中密度聚乙烯管( m p v c ) 、高密度聚乙烯管( h d p e ) 。h d p e 管具有较高的强度及刚度，m d p e 管具有良好的柔性和抗蠕变性能，广泛用于供水管道上。塑料管的不足之处在于它刚性、硬度、抗高压等性能相对金属管差，耐高、低温能力也有待加强，尽管可以添加各种性能的改善剂，但同金属管相比还有较大差距。在承压较高、大口径( d n 3 0 0 ) 以上，塑料管难与球墨铸铁管相比，但在d n 3 0 0 以下，有很大的竞争优势，如耐蚀性好、输水阻力小、水质优、造价低等。复合管是一种新兴的供水管材，一般以金属作为支撑，内衬环氧树脂或水泥，重量轻、内壁光滑、阻力小、耐腐蚀性能好。从使用性能上来说，复合管是d n _ 3 0 0 m m 供水管道较理想的管材，它兼有金属管材强度高、刚性好和非金属管材耐腐蚀的优点，但由于目前价格偏高，限制了它的广泛使用。而且由于两种材质热膨胀系数相差较大，如粘合不牢固，环境温度和介质温度变化又较剧烈时，容易脱开，导致质量下斛1 4 1 。2 1 3 管材选择管材选择对给水工程造价的影响举足轻重，因此通过技术经济分析合理选用管材是管网经济运行的重要途径。市政给水管道工程中，当前可供选择的管材种类，除通常采用的球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、钢管等外，近年来又相继出现了各种类型的塑料管和复合管等新型给水管材，不同的管材各具优点与缺点，目前主要是由部分专家和决策人凭经验，以技术、经济为工程设计原则，通过分析管道承受的压力、外部荷载、地质及施工条件、市场供应情况及管材材质等因素，来确定管材标准与形式，在确保供水安全的同时取得良好的技术和经济效果。按照给水工程设计和运行的要求，给水管材应性能可靠，能承受要求的内压和外荷载；来源有保证，管件配套方便，运输费用低或管道生产周期短；施工机具简单、安装容易；使用年限长，维修工作量少；输水能力能长期保持；相同条件下，工程造价低。供水管道管径的选择通常是利用输水管道中的经济流速来确定经济管径，然2 城市给水管网系统方案技术分析后根据经济管径和管道所要承受水压的要求来选定管材、进行管道旌工及维护管理。这样，所选的管材不同，单位管长所需要的投资就不一定相同，经济管径不一定是投资最省的管径。因此为了提高管材选择的科学性，排除管材选择的个人主观性，常需要运用一定的科学方法，保证决策的正确性。常用的方法有：供水管材比选法、多目标系统综合分析法等。供水管材比选法是一种即符合经济管径要求且投资最省的管材的比选方法，它利用供水管网管道的沿程水头损失公式，推导出不同种管材的比选公式。较综合地考虑管道的经济流速、管道材质、管道承受水压要求、自由水头要求、管长、管道粗糙率、管中过流量等因素，确定出管径既经济、管材又适宜、投资又省的管材。供水管材比选法公式推导与结论【l 习：在供水管路中水流在流动的过程中有管路阻力损失，流动时所消耗的能量，由沿程水头损失和局部水头损失两部分组成，为简化计算，取局部水头损失为沿程水头损失的5 一l o ，由水力学可知：，水头损失h = j 矿2( 2 1 )c r式中七一考虑局部水头损失后的系数，取k = 1 0 5 1 1 ；h 一管道水头损失( m ) ；，一管道长度( m ) ；v 一管道中水流平均速度( m s ) ；胄一水利半径( m ) ，圆管r = d 4 ，d 为管道内径( m ) ；1ic 一谢才系数( m 1 s ) ，c = 三币；n刀糙率系数与管道内径有关将有关数值代入并简化得：赢每lo29kn21矿q-唼6d(，rd2【丢( 和2 i t ) 2d _设甲、乙型管材管道过流时存在水头损失 = 坞，即：l o 2 9 研= 1 0 2 9 碗如劳q 一管材的管中过流量( m 3 s ) ：9( 2 2 )( 2 3 )重庆大学硕七学位论文表2 1 异种管材比选公式表应用条件公式管材比选结论= 如肖甲、乙管材的管艮、过流量和水头损失一啊= h ：旦：( 旦) ”0 1 = q 2d 2、他。定时，甲、乙管材的管径之比等于它们的糙率比的8 3 次方。= 如当甲、乙管材的管跃、管径和水头损失一定a = h 2鱼：旦q也时，甲、乙管材中的过流每之比跟它们糙率d l = d 2成反比。q l = q当甲、乙管材的管径、过流量和水头损失一啊= 也丢= c 毒，2定时，甲、乙管材的管长之比跟它们糙率的d l = d 2平方成反比。q l = q 2若 1 2 ，啊 n 2 ，岛 如当甲、乙管材的管长、过流量和管径一定时，若n t = f 2 ， = 吃糙率大的水头损失丈、糙率小的水头损失d l = d 2小，糙率相等时水头损失相等。多目标综合分析方法是对管材选择的各方面的影响因素进行综合分析，建立管格选择综合评价指标体系( 图2 1 ) ，通过数学运算选择综合评价指标最优的管材【1 0 】。广管材造价厂i 经济因素安装费用l 运行费用，材质i 使用寿命管材选择f 技术因素l 装萎藿数l 酎腐蚀性fl 工艺性能广安全可靠性l 其他因素i 对地形适应性l 施_ t - 难易l 对水质的影响图2 1 管材选择综合评价指标体系f i g 2 1c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i n gi n d e xs y s t e mo f p i p em a t e r i a ls e l e c t i o nl o2 城市给水管网系统方案技术分析2 1 4 管道施工管道的施工也是管网工程建造费的重要影响因素，管道施工费取决于许多控制因素，主要包括管材、埋深、基础、支墩、接口等。管道工程的费用与埋设深度相关性很强，给水管道的埋设深度，主要由土的冰冻情况、外部荷栽和管材强度决定。非冰冻地区管道的埋深主要由管径、外部荷载、管道强度、管道交叉情况以及土壤地基等因素决定，金属管道的覆土厚度一般不小于0 7 m ：非金属管的覆土厚度应不小于1 肚1 2 m ，覆土必须夯实以免受到动荷载的作用而影响其强度；冰冻地区管道的埋深除决定于上述因素外，还需考虑土壤的冰冻深度。管沟基槽开挖由土壤条件决定：在土壤条件好、无地下水、管道埋深较浅的地段，开挖直槽。遇到土壤条件差、有轻度滑坡、有少量地下水的地段，管道埋深较深的开挖混合管槽。在村庄、水田，土壤条件一般，管道埋深较浅，有轻度滑坡的地段，开挖梯形沟槽。遇到池塘，地下水位高，有轻度滑坡，需要明沟排水的地段开挖合槽管沟。在管道埋深较深，土壤条件差，易于塌方的特殊地段分层开挖组合槽。管道基础是为了防止管底只支在几个点上，而引起管道破裂甚至整个管段下沉。根据原状土情况，常用的基础有三种：天然基础、砂基础和混凝土基础。当土壤耐压力较高和地下水位较低时，可不做基础，管道直接埋在管沟中未扰动的天然地基上；在岩石或半岩石地基处，需铺垫厚度为l o o m m 以上的中砂或粗砂作为基础，再在上面埋管；在土壤松软的地基处，应采用强度不小于c i o 的混凝土基础：若遇土壤特别松软或流沙或通过沼泽地带，承载能力达不到设计要求时，可采用各种桩基础。在管道施工完毕后，当管线加压后，在管线弯头、三通、两端、变径等处会产生不平衡力，发生管道偏移。为了确保管线正常运行，通常采用水泥固定支墩，尺寸可根据实际情况进行设计。挡墩的底面必须与管沟的原土紧密接触，并有足够的接触面积。当地基土为淤泥质土时，还要注意支墩的沉降问题。管材接口施工中，焊接、粘接的管道应考虑热涨冷缩，适当距离安装柔性接口、伸缩器或u 形弯管。接口安装柔性快速抢修接头，既可减少停水时间，又可提高管道的安全性。大口径管件的柔性接口，需安装防滑脱装置，减少支墩尺寸。阀门在管道上连接，应有可拆装的活动部件。对于铸铁管而言，楔型胶圈符合国际标准( i s 0 2 5 3 1 ) ，但对承口铸造尺寸要求较严；国内推行的梯唇型胶圈，用胶量较大，但承口内侧铸造成形容易。热塑性塑料管材有多种类别，但连接方式归纳起来有四种：胶合剂粘接、胶圈夹紧式连接、熟熔式插接、电熔合连接。防止给水管外壁腐蚀的方法包括：采用非金属管材，如预应力或自应力钢筋重庆大学硕士学位论文混凝土管、玻璃钢管、塑料管等；在金属管表面上涂油漆、水泥砂浆、沥青等，以防止金属和水相接触而产生腐蚀；阴极保护，保护水管的外壁免受土壤侵蚀。给水管网的维护管理主要包括管道检漏和修漏、管道清垢和防腐蚀、管道设备的维护和检修等。管道与检查井的连接常因接合不良而产生漏水，所以应该重视。在整个管道施工中，回填工艺也非常重要，回填质量优劣直接影响整个系统的运行。2 2 城市给水管网系统给水管网系统是论述水的提升、输送、储存、调节和分配的技术科学。工程设计和管理的基本要求是以最少的建造费用和管理费用，满足用户水量和水压要求，保证水质，降低漏损，达到规定的供水可靠性。2 2 1 给水管网系统在城市给水中的重要性给水管网是城市供水系统的重要组成部分，在给水工程总投资中，输水管渠和管网( 包括管道、阀门、附属设施等) 所占费用一般约7 0 8 0 ，其运行电费占供水成本的3 0 4 0 。目前的供水管网系统配置不合理，缺少统一规划，能耗浪费现象较严重。管网的运行电耗中用于克服管网水头损失和满足最小服务水头后多余的耗电占供水系统总能耗的比重很大，此部分能耗隐藏着巨大的节能潜力。对给水管网进行多方案比选可以降低管网的运行及建造费用，从而极大地提高供水企业的效益和竞争力。2 2 2 分散供水模式下的管网系统随着我国给水事业的迅速发展，各城市给水管网一般均已具有一定规模。分散供水模式下的给水管网在其新建成的一定时期内，其供水能力是可以满足用户用水要求的。但随着人口增长和生活水平的提高，城市用水量急剧增长，给水管网供水能力逐渐不能适应用水量增长的需要。目前我国多数管网材质较差，近1 3 管网超过了使用期，管道内外腐蚀、渗漏严重，管道内壁结垢，影响了给水的水压、水量与水质。旧城区的拆迁、改造、扩建，城市规划方案的分期实施或变更，使已有管网系统中的部分管道不能适应当前或规划期内供水的需求。城市街道的拓宽、扩建，其他管线的施工等原因，使原有管道位置、埋深须做相应的调整或改建。某些城市的管网压力分布不均问题日益突出，即当输配水管线较长时，在管网中产生较大的沿程水头损失，为了维持管网末梢服务压力，必须提高水厂的出水压力，使得管网前端服务压力过高，造成区域之间的水压差过大，在高压区供水能量浪费，漏水严重，甚至可能出现爆管，但如果降低出厂水压，又满足不了低压区的用水要求。有些地区的城市供水受到水源水质和水量的制约，但由于受到区域地理和行1 22 城市给水管网系统方案技术分析政的限制，本身对供水的发展很难解决。例如，浙江的某些地区水源污染严重，很难取得好水，如由该城市本身去研究，只能从预处理和深度处理着手。但如果从全省范围去研究就可考虑临近城市水源的引用等多种方案，统筹解决地区多个城市的供水问题。又如，江苏部分地区的城市，离太湖远，只能从长江取水，但长江岸线几乎被占尽，只有局部适应取水的河段，因此应从全省大局出发统一考虑区域统一供水0 2 。部分地区已经认识到在整个供水区域内统一规划，根据自然地形分区分压供水，在高、低压区间的输水干管上增建加压泵站，对管网水压进行局部提升，在满足用户用水需求的前提下，可以降低加压泵站前段的运行压力，从而降低运行电耗，特别是在前段地区沿程流量较大的情况下，节能潜力更大。但是由于城区的供水管网还不太完善，无法严格地将供水压力按照地势高差和用户需求分开。所以目前应把城镇供水管网工程作为投资重点，发展城镇供水设施，在条件允许时，可采取区域联合供水，也可以以股份制的形式建设跨区域的联合供水工程。从而促进中国城镇供水事业的发展，逐步缩小我国供水事业与国际上的差距。2 2 - 3 区域供水模式下的管网系统区域性给水系统，就是以一个或若干个距离很近的大城市为中心，将其附近的城镇、居民点和工业区作为一个整体来考虑，成为一个大的供水区域，从全局最优出发来进行综合规划，将区域内的各种水资源、全部供水设施和用水要求作统筹安排，经过优化计算得出一套最佳供水方案。从而合理开发利用区域内的水资源，充分发挥供水设施的能力，节省工程投资，降低供水能耗和费用。国外城市分区供水起步于2 0 世纪8 0 年代，英国伦敦的给水管网被改造为1 6个区域，日本东京的管网由5 0 多个区域组成，大阪的管网有1 8 个区域【5 】。英国是实行区域供水最早的国家，它基本上在本土全部推行了给水系统区域化，并已建立起相应的立法体系和管理体制；苏联在四十年代就已提出区域化的问题，并一直在注意这方面的进展；美国开展这一工作较晚，但陆续有一些单位研究和推动这方面的进展，其区域规划是按州进行的