（市政工程专业论文）城市给水管网运行分析及优化调度研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 和铁西水厂) 的供水分界线及邯郸市管网中的最不利区段；结 合供水系统中各因素的运行状况作出调整，对管网中存在的不 足提出改进的建议，进而满足供水水量、水压的前提下，节省能源、优化调度。本研究所开发的邯郸市给水系统优化调度软件对水量变化 适应性强，输入基础数据少，对问题要求少，可操作性强，便于维护等优点，通过该软件对邯郸市供水方案作出了优化调整， 基本上达到了预期目的，该软件不仅适用于邯郸市给水管 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo nt h eo p e r a t i o n a ld e s i g na n d o p t i m i z a t i o na t e m p e ro ft h ew a t e r d i s t r j b u t i o nn e 铆o r ki nt h ec i t y a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fo u rc o l u l t r ye c o n o m y ，t 1 1 eu r b a n p o p u l a t i o ni n c r e a s e sc o n t i n u o u s l y ；t h ei n d u s n yp r o d u c e sm ea b i l i t y t oi m p r o v ei n c r e a s i n 百y ，t 1 1 er e q u e s to ft h ec i t yw a t e rs u p p l ys y s t e m w i l lb em o r ea n dm o r eh i g h e r ，a n dt h es c a l ew i l lb ei n c r e a s i n g i y h u g e t h ec o m p l e x i t yo fm ew a t e rs 即p l ys y s t e ma l s ow i l lb e i n c r e a s e da n dm e 饥l d i t i o n a le x p e r i e n t i a la t t e m p e rc a nn o t 王l tf o rm e d e m a do ft h e n o w a d a y ss o c i e t y sd e v e l 叩m e n t ， t h e o p t i m a l a 仕e m p e ra i l dm a l l g e ro ft h ew a t e rs 叩p l ys y s t e mw i l lb e c o m em o r e i m p o r t a n t t h i sp 印e ri st ot a k em ep i p en e 觚o r ko f h a l l d a nc i t ya sa l l e x 枷p l e ，c a 啊i n go nt h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h em o v e m e n t c o n d i t i o no ft b ew a t e rs u p p l ys y s t e mo fh a n d a nc i t y ，a c c o r d i n gt o m em a t l l e m a t i c sm o d e l ，t 1 1 ea l g o r i 血m s ，m em o d e mc o n 打o lt h e o r i e s a i l dt h ef o r e c a s t i n & c o m b i n et ot h em o d e lo fm eo p t i m a la n e m p e r ， o p t i m i z em ed e s i g no f t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m a t t h es a m et i m e ，i n o r d e rt oi m p r o v et h ec r e d i b i l i t ya n dt h ee c o n o m yo fs u p p l yw a t e r t 1 1 es y s t e m ，w ea p p l yt b ec o m p u t e rt e c h n i q u et ot h ee m u l a t i o no fm e w a t e rs u p p l ys y s t e ma n de m p o l d e rt 1 1 es o r w a r eo ft l l e o p t i m a l w a t e rs u p p l ys y s t e mb yp i p ee q u a t i o n ，眦t l l e m a t i c sm o d e l ，a 1 1 ds o o n t h eo p t i m a ia t t e m p e ro ft 1 1 e 、v a t e rs u p p l ys y s t e m sb yt h e 向l l 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章引言 1 1 论文的研究背景及意义 目前，在面向a g e n t 方法研究中，软件工程专家引入了角色概念。角 色在软件工程领域是一个比较新的概念，软件工程专家对它的定义莫衷一 是，尽管如此，它在软件工程设计规范中还是具有相当重要的价值，所以 i s o 和o m g 等国际标准组织的专家对角色的定义、关系和作用也展开了 深入的分析研究，同时也出现了多种基于角色概念的面向a g e n t 软件丌发 方法，其中比较有影响的工作包括w 0 0 1 d r i d g e 的g a i a 方法，美国空军研 究所开发的m a s e 方法以及b u s h 等人丌发的s t y x 方法等。这些研究工作 将角色视为系统分析设计中的一个独特概念，作为面向a g e n t 设计的基础， 揭示出角色具备的一些重要特性，比如依赖性、动态性等。但是这些工作 对角色性质的发掘仍然不够完整，在对角色与a g e n t 相互关系上仍然有许 多工作要做。 角色在分析到实现整个开发过程中都具有重要的地位和作用，系统的 目标由各个角色承担，a g e n t 间的合作交互则通过绑定在其上的角色决定， 使得a g e n t 角色的动态变化可自然实现。 马光伟等( 2 0 0 1 ) 提出以信念、愿望和义务作为基本思维属性来描述 a 2 e n t 的思维状念和社会属性，把义务作为研究的重点和定义高层社会范 畴的基本概念。我们认为义务这个思维属性最好在角色层次上分析，因为 义务反映了两个或多个社会角色之间的关系，不论哪个a g e n t 来担当角色 1 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 s a v et h ee n e r g y ，o p t l m a ia t t e m p e r t h es o 脚a r eo ft h eo p t i m i z a t i o no ft h eh a n d a n c i t y sw a t e r s u p p l ys y s t e mh a sal o to fm e r i t s ，a sf o l l o w s ，a d j u s tt ot h ew a t e r q u a n t i t yc h a n g em ea d a p t a b i l i t ys t r o n g ，i n p u tt h eb a s i cd a t al i m e ，t o m ep r o b l e mh a v el i t t l er e q u e s t ，m a n e u v e r a b i l i t ys t r o n g ，e a s yt o m a i n t e n a n c ee t c u s i n gd l i ss o r m e ，a d j u s tm ep l a no fw a t e r s u p p l yi nh a n d a nc i t y ，b a s i c a l l yc o m et om ea l l t i c i p a j l tp u r p o s e ， t h es o f t w a r en o to n l yb ea p p “c a b l et ot h ec i t yw a t e rs u p p l yp i p e n e t w o r ko ft h eh a n d a nc i t y ，b u ta l s oc a na p p l yt ot h eo t h e rc i t i e si n t l l e a n a l y t i c a lc a l c u l a t i o n ，p r o v i d es t r o n gs u p p o r t f b rt h ep i p e r l e t w o r kr e b u i l d ，t h em o r ei m p o r t a n t ，w h i l es a t i s 母t h ep r e m i s eo f t l l ew a t e rq u a n t i t y ，h y d r a u l i cp r e s s 虹er e q u e s t ，w i mm a x i m u m1 i m i t r a i s et 1 1 ee c o n o m i cb e n e m sa 1 1 ds o c i a lb e n e f i t so fm ew a t e rs u p p l y s y s t e m s ，i m p r o v et h ec r e d i b i l i t y ，s a f 乱ya i l de c o n o m yo fm ew a t e r s u p p l ys y s t e m ，h a v ev e r yv a s t 印p l i e df o r e 伊。蚰d k e yw ，0 r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e m ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，t l l e o p t i m i z a t i o no fp i p en e 觚o r k ，o p t i m i z a t i o na n e m p e r 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章文献综述 城市整个给水系统包括水的取集、处理和输配的一个大的系统。根据 水源不同、供水对象不同及地形不同等，给水系统的组成也有所不同。其 中输配水管网是城市供水系统的重要组成部分，它承担着把处理成合格的 饮用水安全、可靠地输配给用户，并同时保证用户对水质、水量和水压的 要求。在给水工程的建设中，输配水管网的投资占整个给水工程总投资的 6 0 8 0 ，而且还涉及管网运行的能量消耗。城市给水管网系统庞大， 调度管理复杂，仅靠人工调度及简单的遥测遥控技术，不能保证给水系统 的供水和运行可靠性，且无法达到节能效果，尤其是对给水系统的故障无 法进行及时诊断。因此，对给水管网的运行调度合理性及其管网优化进行 研究，探讨城市给水系统的运行状况和特点，采用科学、合理的理论和优 化调度方法，开发给水系统优化调度技术，使整个给水系统不但能在可靠 的状态下运行，而且还能达到显著的节能效果，对提高城市给水系统的经 济效益和社会效益有着重要的意义。 我国城市给水事业发展迅速，规模还在不断扩大，对城市旧的给水管 网的改建、扩建以及新建工程的要求日益迫切，城市用水企业也在不断地 注入大量资金用于管网的运行管理方面的技术改造，以期实现经济高效、 现代化的运行管理。 由于城市给水系统运行调度管理水平低下，不能适应现代化城市发展 的要求，使得供水能耗大大增加，管网运行成本提高，因此供水系统的节 能降耗成为供水企业不得不研究的课题。有资料报道【1 l ：全国给水行业每 年耗电超过4 0 亿度，各城市自来水企业均成为最大的用电单位之一。如 果科学合理地调度送水泵站，能节省电耗6 1 2 ，如以节电5 计，对供 水为5 0 万m 3 d 的供水企业来讲，每年可节省电耗1 5 0 万至2 0 0 万度。因 太原理工大学硕士研究生学位论文 以，城市给水管网的优化调度研究是城市供水行业亟待解决的问题，也同 时是具有重大经济效益和社会效益的研究课题。 1 2 给水管网的研究动态 水是人类生产、生活不可替代的宝贵资源。随着社会发展，越来越受 崩济熨麓撸潞灞渤膨+ 优化调度杨芸张宏伟军。熹严臻划雾矧托；彭到j 引剥死手犯期岭爨函氟莹内f 髯氡蓦置f 扩蝣剖薛卜雕癣斯i 节 水状态下的城市供水 管网优化调度模型。崔建国、于庆江【2 0 1 阐述了管网分区在管网调度中的必 要性，为管网系统的区域化管理和优化调度提供了基础。吕谋、张士乔口” 对优化调度控制方法进行了系统的分析，进而提出了大规模混合实用优化 调度模型及算法。随着科技水平的发展及人类对供水要求的不断提高，建 立供水系统及优化调度系统是供水行业发展的必然趋势。 g i s ( 地理信息系统，g e o g r a p h ic a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 以空间数据为 基础，在计算机软、硬件支持下对空间数据进行采集、管理、分析、显示， 并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动态的地理信息。由于g i s 能够建立二维矢量拓扑关系，特别是其网络分析功能，为给排水管网的 规划设计、管理调控提供了强有力的工具。 g i s 在国内供水系统中的应用集中在输配水管网的日常管理中，实现 了供水管网图形数据和属性数据的计算机录入、修改，对管线及各种设施 进行属性查询；对各类图形及统计分析报表显示和输出，除此之外，还为 爆管、漏水事故的抢修、维修提供相关信息，从而基本实现了管网的信息 化管理1 2 2 l 。 城市管网的功能会因各种类型的故障而破坏，其中因管材和管接头损 坏而引起的管线故障是最经常和最严重的。如何快速、准确地找出事故点 的位置，及时调度闸门，使维修时问最短、停水区域最小、关闭的闸门最 少，即闸i 、j 的优化调度问题，成为保证供水可靠性的关键所在。在多闸门 的环状管网中，关闭与发生事故点有关管段的方案有许多种，而寻找最佳 方案便成为闸门优化调度的中心技术。 太原理工大学硕士研究生学位论文 能利用管网图中各因素已有的数据和位置关系，实际应用中难以获得事故 点的横、纵坐标值。而在g i s 技术支持下的给水管网闸门优化调度正好能 弥补这些缺点，而且界面直观【2 3 1 。 g i s 可用于水资源规划与管理，地下水水质保护等众多领域1 2 4 1 ，在供 水系统中进一步开发应用的前景十分广阔，可以与g p s 系统相结合，在未 来的信息时代发挥更大的作用。 12 2 人工神经网络理论 人工神经网络计算模型中，在工程界应用最为广泛的为反向传播模 型，即b p 网络模型。该模型不仅能够训练输出线性可分的处理单元( p m c e s s i n ge l e m e n t ，简称p e ) ，而且对于复杂的非线性分类，则以多层网络隔 开，对p e 加以修正，得到满意的输出结果。b p 网络计算方式不仅具有输 入输出层，而且有一层或多层隐含神经元，将输入的信息传递到隐层的神 经元上，经过各神经元特性为s i n 鹭m o i d 型作用函数运算后，把隐层神经元 的信息传递到输出神经元，最后给出结果。b p 神经网络技术应用中最关 键的构造参数包括输入层、隐含层和输出层的节点数，以及在神经网络各 层之间连接权值和节点域值的初始化【2 5 】。 在城市用水量预测问题上，存在着输入与输出的对应关系这种对应关 系并非线性类型，而是受多种复杂因素约束与影响。因此，人们称城市用 水量预测问题是“多变量非线性离散排布”的因果关系。用人工神经网络 理论建立预测模型，可以客观地描述这种复杂的因果关系【2 。 1 2 3 灰色预测模型 城市年用水量为城市建设规划以及供水管网改、扩建提供依据。我国 城市年用水量序列特点是记录时间短，记录数据少。针对我国城市年用水 量数据序列的这种特点对其进行分析研究，利用灰色系统理论，建立预测 年用水量g m ( 1 ，1 ) 模型。通过后验差检验证明g m ( 1 ，1 ) 模型为一种行之 有效的预测年用水量的模型。用水量预测在城市建设规划、供水系统的优 化调度中都具有重要的作用。其中，日用水量预_ ；! 砸4 和时用水量预测多用于 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 能利用管网图中各因素已有的数据和位置关系，实际应用中难以获得事故 点的横、纵坐标值。而在g i s 技术支持下的给水管网闸门优化调度正好能 弥补这些缺点，而且界面直观【2 3 1 。 g i s 可用于水资源规划与管理，地下水水质保护等众多领域1 2 4 1 ，在供 水系统中进一步开发应用的前景十分广阔，可以与g p s 系统相结合，在未 来的信息时代发挥更大的作用。 12 2 人工神经网络理论 人工神经网络计算模型中，在工程界应用最为广泛的为反向传播模 型，即b p 网络模型。该模型不仅能够训练输出线性可分的处理单元( p m c e s s i n ge l e m e n t ，简称p e ) ，而且对于复杂的非线性分类，则以多层网络隔 开，对p e 加以修正，得到满意的输出结果。b p 网络计算方式不仅具有输 入输出层，而且有一层或多层隐含神经元，将输入的信息传递到隐层的神 经元上，经过各神经元特性为s i n 鹭m o i d 型作用函数运算后，把隐层神经元 的信息传递到输出神经元，最后给出结果。b p 神经网络技术应用中最关 键的构造参数包括输入层、隐含层和输出层的节点数，以及在神经网络各 层之间连接权值和节点域值的初始化【2 5 】。 在城市用水量预测问题上，存在着输入与输出的对应关系这种对应关 系并非线性类型，而是受多种复杂因素约束与影响。因此，人们称城市用 水量预测问题是“多变量非线性离散排布”的因果关系。用人工神经网络 理论建立预测模型，可以客观地描述这种复杂的因果关系【2 。 1 2 3 灰色预测模型 城市年用水量为城市建设规划以及供水管网改、扩建提供依据。我国 城市年用水量序列特点是记录时间短，记录数据少。针对我国城市年用水 量数据序列的这种特点对其进行分析研究，利用灰色系统理论，建立预测 年用水量g m ( 1 ，1 ) 模型。通过后验差检验证明g m ( 1 ，1 ) 模型为一种行之 有效的预测年用水量的模型。用水量预测在城市建设规划、供水系统的优 化调度中都具有重要的作用。其中，日用水量预_ ；! 砸4 和时用水量预测多用于 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 供水系统的优化调娄二珏霉罂咨车凳雏扯蛋l 确堋陋为糖确阿以i 型封 业戮婪新封于j ； 明骄孽有很高的适应堆。警缝辖於愁蛩i 2 ： ! i 。i 2 岂霪2 餮型嶝港嗡省漆溶罐疡獬 4 毪羽。劣器嚣堙姓。蒋黯；坝蓥萋预测i 一蛸5 雌蝉静鹳嚣攀域毫磐 鋈幕瞄丢；驻孥甭签晶墨霖麓翟g 壅蓉飘缎蔚般翻打肛驽刚珊谨懒碍 瞳港埤暖硝廉 _ f ： 渤i 砺痔审酌要 变量，通过大量数 据的回归计算和分析建立各变量之间的回归方程【3 ”。 另外，还有直接优化调度模型，级优化调度模型，二级优化调度模 型等等。 1 3 研究内容 给水系统的优化调度是城市基础设施建设的重要组成部分，实现给水 系统的优化调度不仅可以保障安全可靠的供水，更重要的是可以极大的降 低供水成本，提高企业效益。但这种调度问题既有共性又有特殊性，使其 理论和实际应用仍然存在许多技术难题。 邯郸是河北省经济比较发达的大型城市，目前自来水供水量为2 0 万 m 3 d ，整个给水系统包括两个水源地，一个加压泵站和两个自来水厂及城 市管网系统。其中，一个地表水厂，个地下水厂。自从9 8 年7 月，铁 西水厂建成并投入运行以来，使整个给水系统规模庞大，调度管理更加复 杂化，人工调度及简单的遥测已不能保证给水系统的可靠性，无法达到节 能效果，尤其是对系统的故障无法及时诊断，整个系统调度管理水平已不 能适应现代化城市供水需求。因此，整个给水系统的高可靠性和低能耗运 行的优化调度已成为当前自来水公司亟待解决的问题。本研究分析了邯郸 市给水系统运行状况和特点，考虑该管网存在的实际问题，采用科学的理 论和优化调度方法，开发给水系统优化调度技术，使整个系统不但能在可 靠的状态下运 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章城市管网计算理论与方法 2 1 用水量预测 科学技术的迅速发展，使人们感到科学预测未来的必要性和迫切性， 没有科学的预测就不可能做出正确的决策。2 0 世纪7 0 年代形成门自成 体系的综合性学科预测学。 这疗翊饕掣薹裂站弹凇嚣吼吼刊鞠掳捌鬻糍犯划；划耙艘型览琵 麴；聊噶璎翔冀博曜潘峨掣甄鼎；必蘩；瓤犁。弘利i 矧弼对预测 结果进行评价后作为优化调度模型因子，规划建立以经济成本为最优结果 的目标函数。然后搜索一、二级调度的全局最优解，将结果存入数据库， 根据最优解调度下一一时段的系统运行。 (3 ) 给水优化调度软件的开发：把建立的模型和数据信息以友好界面 的形式反映给管理者，一方面便于了解在线调度的结果及各种设备运行情 况，一方面可以按需要查阅数据库。 (4 ) 计算机控制接口技术：优化调度数据库与控制元件实现数据交换， 以达到系统优化控制的目的。 8 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 天气影响。晴天较阴雨天用水量大，高温天气较低温天气用水量 大； ( 2 ) 节假闩影响。节假日居民用水量有所增加，但 _ 矮俄鹫 肇引狲 敢1 必剽f ；璀谥灶银再姓基鍪耳i i 争蛋蕾两；窃嚣弱萝i 飘孜始蛭业辨孵明驰型臣彭蔗! 彰浸争 铲露誊写荐j 嘶囤弗藏计萎哆瞪了谤；毽缓帑泳! 缸e 弱萤副崮斟新斋倒； 赫薛簿鞘鞭醣黼场弱，窃姑信两 个独立的管网，对两 个管网分别单独计算。这在连接管线的流向和流量易于确定的时候可以分 解，但在大多数管网成环布置、多处连接的情况下难以实现【”】。 2 3 测压点的布置 2 3 1 测压点位置的选择 管网中的测压点应分布均匀且具有代表性，并能反应整个管网供水压 力的全貌。当出现管网压力分布不合理时，能及时调度各水厂的供水量和 扬程，经济有效地调整供水压力分布。也只有这样布置的测压点，才有助 于提高管网调度的业务质量，使管网压力能够适应用户的需要，不致压力 过高或过低，造成供水量不足或浪费供水电耗。城市管网中的控测点应设 置测压点。所测压力通常是用水高峰时水量调度的重要指标，累积这些数 据又是给水系统改造和扩建的必需资料。 在多水源给水系统中，设置在供水分界线附近的测压点应该稍多一 些，使其能更明显的反映出分界线推移的变化，为合理调整供水分区提供 依据。 一般情况下，测压首先是为了观察、分析整个给水管网现有的输水能力， 制订经济合理的调整方案，并为今后的管网改造与规划提供数据，故测压 点宜设置在大管径干管的交叉点附近。同时，测压也为了考察配水管网的 供水能力，提供供水的服务质量，故还应在确保供水的地区、经常发生水 压不足的地区或能考察调度质量的地区设置测压点。这时测压点一般设置 在中、小管径的配水管网上。 为了全面系统地掌握管网压力的分布情况，校对管网水力分析时原始 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 在管线合并处理中，并联、串联管线的合并在理论上可以得到精 确的计算结果，在大中城市的给水管网中，有3 0 的管线可以做此简化处 理。此外平行管线合并和管线省略一样需要考虑对其四周管线的处理，有 一定误差。 ( 3 ) 管网分解是当一个供水区域仅由少数几条管线供水和其他管网相 连时，可以将连接的管线断开，将一一个管网分解为两个独立的管网，对两 个管网分别单独计算。这在连接管线的流向和流量易于确定的时候可以分 解，但在大多数管网成环布置、多处连接的情况下难以实现【”】。 2 3 测压点的布置 2 3 1 测压点位置的选择 管网中的测压点应分布均匀且具有代表性，并能反应整个管网供水压 力的全貌。当出现管网压力分布不合理时，能及时调度各水厂的供水量和 扬程，经济有效地调整供水压力分布。也只有这样布置的测压点，才有助 于提高管网调度的业务质量，使管网压力能够适应用户的需要，不致压力 过高或过低，造成供水量不足或浪费供水电耗。城市管网中的控测点应设 置测压点。所测压力通常是用水高峰时水量调度的重要指标，累积这些数 据又是给水系统改造和扩建的必需资料。 在多水源给水系统中，设置在供水分界线附近的测压点应该稍多一 些，使其能更明显的反映出分界线推移的变化，为合理调整供水分区提供 依据。 一般情况下，测压首先是为了观察、分析整个给水管网现有的输水能力， 制订经济合理的调整方案，并为今后的管网改造与规划提供数据，故测压 点宜设置在大管径干管的交叉点附近。同时，测压也为了考察配水管网的 供水能力，提供供水的服务质量，故还应在确保供水的地区、经常发生水 压不足的地区或能考察调度质量的地区设置测压点。这时测压点一般设置 在中、小管径的配水管网上。 为了全面系统地掌握管网压力的分布情况，校对管网水力分析时原始 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 资料是否符合实际情况，每年或每季度特别是每年用水量最大的这一天应 进行比平时测压点更多的全面普测。这样除了原设的永久性测压点外，根 据需要和人力物力条件，在鬲髻是苷瓮| 一i i ! | f 矧忆州蓟糍苌屠辐i 篓计鱼 前乍衰箬甬窜辩描“蛩辩嚣张1 2 ；， g ? l 蛩鑫捌争裂呲掣掣 里搭罐堙旧懈粤弼悝濞乏强缉使惮。魑罐学浩薹掣孢篁翔焉须 分别计算。 从比流量求出各管段沿线流量的公式如下： 叮j = 吼， ( 2 2) 式中 吼一沿线流量，l ，s ； ，一该管段的长度，m 。 2 42 节点流量 管网中任一管段的流量，由两部分组成：一部分是沿该管段长度l 配 水的沿线流量，另部分是通过该管段输水到以后管段的转输流量。转输 流量沿整个管段不变，而沿线流量由于管段沿线配水，所以管段中的流量 顺水流方向逐渐减小，到管段末端只剩下转输流量。 按照用水量在全部干管上均匀分配的假定求出沿线流量，只是一种近 似的方法。如上所述，每一管段的沿线流量是沿管线分配的。对于流量变 化的管段，难以确定管径和水头损失，所以有必要将沿线流量转化成节点 流出的流量。这样，沿管线不再有流量流出，即管段中的流量不再沿管线 变化，就可根据该流量确定管径。 城市管网中，工业企业等大用户所需流量，可直接作为接入大用户节 1 3 为接入大用户节13x 太原理工大学硕士研究生学位论文 点的节点流量。工业企业内的生产用水管网，水量大的车间用水量也可直 接作为节点流量。 这样，管网图上只有集中在节点的流量，包括由沿线流量折算得节点 流量和大用户的集中流量。大用户的集中流量，可以在管网图上单独注明， 也可和节点流量加起来，在相应节点上注出总流量。一般在管网计算图的 节点旁引出箭头，注明该节点的流量，以便于进一步计算i m l 。 2 5 流量分配 供水管网流量分布的计算与分析是供水系统设计、运行、管理的重要 环节。目前，利用供水管网的信息数据和平差计算结果，借助计算机进行 计算，能够分析在供水分界线或结合面上，节点和管段的流量分布和组成， 从宏观上掌握供水管网运行现状，为供水管网的水质、水压监控、事故分 析处理、日常运行与管理提供方便”l 。流量分配的方法有以下几种： 2 5 1 均匀法 首先要确定各管段流向并且从管网终端节点起分配流量。设节点i 上 游连结管段k i 均匀分担节点i 的节点流量及下游管段流量p ”，即 吼= 叭g ( 2 _ 3 ) j d l 式中d i 一第i 节点下游连结管段集合； 髓一第j 节点上游联结管段数i 0 一第i 节点流量。 2 5 2 节点累计法 首先要确定各管段流向，从管网配水源节点到终节点赋以各管段分配 流量比例，即配水源节点聍。= 1 其他节点 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 打# = 七脚 ( 2 4 ) 式中 一节点i 的上游连结管段集薹。需嚣鼎懈：i j ：；竖噬点萋骟陋 咻d 礤垄域咝舞彗碗刖牡殳璺缎e 上捌到单鉴塌绣岖! 幕 鞘藩鹨和! 霾趔 s 薹d i k 摹 i 主毳i 一焉曜囊i 法i 懈臻名蒯硝娶瓢莉葱割j 隋变炙g ! ，；i ；竺彗l 。 ；i 型稳影弘i 巨哕! 蟊蠢管三想热呲p 胁班留氤鞋j 函氅l l ；i 达为求各变量在满足约 束条件下平方和的最小值3 8 1 。其数学表达式为 ： l i l i n 矿g ) = x x ，x r ” s ，f ，爿x日= o ，b 尺”，爿r ”j f 2 7 1 上式可化为求多元函数条件极值来求解，建立拉格朗日函数 ( x ，j i )2 吉x 7 x + 7 ( 爿x 一曰) ( 2 8 、 由极值必要条件：v = o 得 x + 7 爿：o 爿x b 2oj f 2 9 进而求得k 和x 。 为了更简便明了，设变量x 为环状给水管网各管段的流量吼，下标 i i 表示管段两端节点编号，则拉格朗日函数为： 驴：去q ；+ ：匹吼+ q ，一q 。) ( 2 l o ) “ 。1 7e r 式中：吼一管网q 的初分流量，有的= 一田； d 一管网管段总数( 输水管不计入) ； 卜一管网节点总数( 不包括水源点) ； q ，q 。一分别为管网第i 节点的节点流量和水源流入第i 节点的供水 流量；若无水 太原理工大学硕士研究生学位论文 应该注意：( 1 ) 利用式( 2 1 5 ) 很容易构成方阵气从而形成爿。阵。( 2 ) a o 是对称稀疏矩阵，可用相应的解法求得k 。及k ，再由式( 2 1 3 ) 求得初 分流最如= 脚一向，若吼 o ，则水流从i 流向j ，反之，吼 o 向? ( 一q ，) = 一向? ( g ，) ( 2 一1 7 ) 上式既明同一管段，当水流方向相反时，水头损失绝对值相等但符号 相反。显然，管线i 的水头损失等于管线上全部管段的水头损失总合： 矽( 玑) = 硝( 吼) ( 2 1 8 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 应该注意：( 1 ) 利用式( 2 1 5 ) 很容易构成方阵气从而形成爿。阵。( 2 ) a o 是对称稀疏矩阵，可用相应的解法求得k 。及k ，再由式( 2 1 3 ) 求得初 分流最如= 脚一向，若吼 o ，则水流从i 流向j ，反之，吼 o 向? ( 一q ，) = 一向? ( g ，) ( 2 一1 7 ) 上式既明同一管段，当水流方向相反时，水头损失绝对值相等但符号 相反。显然，管线i 的水头损失等于管线上全部管段的水头损失总合： 矽( 玑) = 硝( 吼) ( 2 1 8 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 以下介绍管段q ( i j 表示管段两端的节点) 的水头损失和流量g 。，关系 的经验公式，这些公式多数可用于以下近似式表示： 3s 切( 吼) 屯蚓 ( 2 - 1 9 ) 式中 5 。一管线i 上管段j 的摩阻； | 1 i j 一管线i 上管段j 的非线性指数； s i g n ( q q ) 一流量q u 的符号，o 时，s i g n ( q q ) = 1 ， 吼 0 时，s i g n ( q 日) 2 - l a s 日和“u 由试验或按经验公式定出，取决于管段的参数，有时也和流量q 有关+ 管线i 上泵站j 的水头损失珥( 吼) 由泵站流量确定。多数情况下，可 近似的用于多项式表示水泵特性： ( 口，) = a + 6 q ，+ c g ? ( 2 - 2 0 ) 式中，a ，b ，c 为系数；瑶，1 ( g 】) 在水泵高效率工作范围内为常数或单调减函 数，即： 兰彤( g ，) o “q ， 将式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 代入式( 2 1 6 ) 中，得恒定流条件下，管段u 的 流量和水头损失关系式如下： 红= 芝s 蹭即( 坞k r 一芝似+ 6 吼+ 凹；) ( 2 2 1 ) 26 2 常用水头损失公式 前面介绍的理论公式是经过许多次试验测定并有充分的理论依据情 况下得出的，可用任何计量单位，现已逐渐为人们所接受。但是，在生产 实践中，虽然有些公式在理论上还有不足之处，精确度也稍差一些，但在 一定程度上仍可满足设计的需要，所以还在使用。这就是以流量和管径表 示的指数公式，通式如下： 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 五= 等“ 向= 口幻2 = 旦等；堑，9 2 在过渡区( v d d ) t h e n d d = p n i s l ( k ) = i 1 1 j s ( k ) 2 j e n d i f n e x t j n e x t i 求解失败 i f ( d + l 群= 1 拌) t h e n m r i n v = f a l s e e x “f u n c t i o n e n d i f i f ( n 【s 1 ( k ) k ) t h e n f o r j = 1t on p = m t x a ( k ，j ) n l t x a ( k ，j ) = r n t x a ( n l s l ( k ) ，j ) m t x a ( 1 l l s l ( k ) ，j ) 2p n e x t j 9 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 e n d i f i f ( n j s ( k ) k ) t h e n f o r i = 11 on p = m t x a ( i ，k ) m t ) 【a ( i ，k ) = m t x a ( i ，n j s ( k ) ) m t x a i ，n j k ”= p n e x ti e n d l f m t x a ( k ，k ) = l 拌r r l t x a k ，k ) f o r j = 1t on 1 f ( i k ) t h e n m t x a ( k ，j ) 2m t x a ( k ，j ) + m t x a ( k ，k ) n e x t j f o r i = lt 0n 【f ( i k ) t h e n f o r j - 1t on i f ( j k ) t h e nm t x a ( i ，j ) = m t x a ( i ，j ) 一m t x a ( i ，k ) + m t x a ( k ，j ) n e x t j e n d i f n e x ti f o r i = 1t on i f ( i k ) t h e nm t x a ( i ，k ) = 一m t x a ( i ，k ) 4m t x a ( k ，k ) n e x ti n e x tk 调整恢复行列次序 f o r k = n t b1s t e p - 1 i f ( n j s ( k ) k ) t h e n f o r j = 1t on p = m t x a ( k ，j ) 】0 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 m t x a ( k ，j ) 2m t x a ( n j s ( k ) ，j ) i m x a ( n j s ( k ) ，j ) = p n e x t j e n d i f i f ( 1 l i s l ( k ) k ) t h e n f o r i = lt o n p 2m t x a ( i ，k ) m t x a ( i ，k ) 2m t x a i ，n l s l ( k ) ) n n x a ( i ，r i i s l ( k ) ) = p n e x ti e n d i f n e ) 吐k 求解成功 m r i n v = t m e f o r f r = 1t or l f o rc c = 1t or 一1 a a t ( 巩c c ) = m t x a ( 吐c c ) n e x tc c n e x tr r n = r 一1 a a t 与a 的乘积 f o r i i = 1t o f 一1 f o r j j = 1t oc a a t a ( i i j j ) 2o 拌 f o r k k = lt or 1 a a t a ( i i ，j j ) = a a 队( i i ，j j ) + a a t ( i i ，k k ) + a 敞，j j ) n e mk k n e m j j n e x t i i 1 0 l 太原理工大学硕士研究生学位论文 附录2 水头损失计算程序的开发及源代码 p r i v a t es u bc o m m a n d l c l i c k ( ) 获取管径 s e l e c tc a s ec o m b olt e x t c a s el o o ：d = o 0 9 c a s e1 5 0 ：d ；01 4 9 c a s e2 0 0 ：d = o 1 9 9 c a s e2 5 0 ：d = o 、2 4 9 c a s e3 0 0 ：d ；o 3 c a s e3 5 0 ：d = o3 5 c a s e 4 0 0 ：d = o 4 c a s e 4 5 0 ：