（市政工程专业论文）小城镇给水管网优化调度管理研究.pdf

中文摘要 摘要 本文结合我国小城镇供水管网系统的特点和经营管理现状，采用系统的观点 和最优化的理论，从优化调度运行所涉及的各相关环节上对小城镇供水系统优化 调度管理进行研究，从用水量预测模型、供水管网运行工况模型、优化调度模型 上进行运行模拟，通过建立小城镇供水管网系统的数学模型来实现对小城镇供水 管网系统的优化调度，提出了基于供水管网系统建模技术为平台的优化调度管理 模式来实现对小城镇供水管网系统的运行调度管理，建立运行调度管理模式可使 得小城镇供水管网系统优化调度向科学化管理迈向一大步 短期用水量预测是小城镇供水系统优化决策的重要依据。本文分析了小城镇 用水量影响因素及其特点，从理论和工程实用性上出发介绍了灰色预测模型和几 种常用时间序列预测模型在短期用水量预测中的应用，重点探讨了灰色g m ( i ，1 ) 模 型在小城镇用水量预测中的应用，提出了灰色g m ( 1 ，1 ) 模型用于用水量预测的最佳 模式，首次提出并建立了用水量预测模型的灰色系统理论综合评价体系，克服了 以往对用水量预测模型采用单一评价指标的不足之处，为小城镇用水量预测模型 的评价和模型的择优提供参考。 小城镇供水管网工况分析模型是供水系统优化决策计算中的重要环节。本文 在分析国内外管网工况模型发展的基础上，介绍了两类工况模型即微观模型和宏 观模型的基本特点及建模思路。在微观模型方面，为便于计算机对供水管网系统 进行水力模拟，提出将供水系统中几大特殊系统组件的工况特性模式转化为节点 和管段工况特性模式，建立了节点连续性方程的一般形式，并给出了计算机采用 节点水压法求解工况模型的思路，其结果可用于管网系统的工况分析；在宏观模 型方面，选择了以测压点压力宏观模型、测流点流量宏观模型、水源供水量和水 源供水压力之间的关系模型替代复杂的管网水力平衡方程，这种宏观模型引入了 实时测压测流信息，可以保持与原管网相同或近似特性，较满意的反映管网实际 工况，实例考核表明，该宏观模型可用于小城镇供水管网系统的工况模拟。最后 针对管网工况分析模型的发展情况，指出了小城镇初期建立宏观模型，长远规划 上建立微观模型的必要性。 小城镇供水管网系统优化调度模型是进行优化决策的关键。在简单的介绍优 化调度的目标及优化调度建模的一般方法和步骤的基础上，建立了小城镇供水系 统的直接优化调度和两级优化调度模型。直接优化调度模型充分将管网和泵站耦 合，将水泵特性融入到优化调度模型中，该方法充分的体现了系统分析的建模思 想。两级优化调度模型求解相对容易，计算速度快，适用于系统比较复杂、水源 重庆大学硕士学位论文 泵站多的供水系统。 本论文以重庆江津市白沙镇为例，建立了该镇供水管网系统多级串联加压泵 站逐时优化调度模型，对模型采用动态规划求解得出一个调度周期2 4 小时内每级 泵站开机的最佳时段，实现对该镇供水系统的优化调度。优化结果表明，供水系 统优化运行后的经济、社会效益明显。同时，自沙镇供水系统具有典型山地小城 镇供水系统的特点，因此，本文中的建模方法也可以为那些地处山区、系统结构 与本文所述相似的山区城镇供水系统的优化调度建模提供一定借鉴。 关键词：小城镇，给水管网，用水量预测，工况模型，优化调度模型 i i 英文摘要 a b s t r a c t b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a l lt o w nw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks y s t e ma n d t h ev i e w p o i n to f t h es y s t e ma n dt h eo p t i m i z e dt h e o r y , t h ea r t i c l es t u d i e so nt h eo p t i m a l c o n t r o lo ft h es m a l lt o w n sw a t e rs u p p l ys y s t e m , a n dc a r r i e so nt h es i m u l a t i o nm e t h o d u s i n gt h ew a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n gm o d e l ，w a t e rp i p en e t w o r kw o r k i n g - s t a t e a n a l y s i sm o d e la n do p t i m a lc o n t r o lm o d e l t h r o u g he s t a b l i s h i n gt h ew a t e rs u p p l yp i p e n e t w o r ks y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h es m a l lt o w n sw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k s y s t e mi so p t i m i z e d t h eo p t i m a lc o n t r o lm o d eb a s e do nt h ew a t e rs u p p l yp i p en e t w o r k s y s t e mm o d e l i n gt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d , w h i c hm a ym a k et h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo f t h es m a l lt o w nw a t e rs u p p l ys y s t e ma d v a n c et ot h es c i e n t i f i cm a n a g e m e n t t h es h o r t - t e r mw a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s tp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h eo p t i m a l c o n t r o lo f t h es m a l lt o w nw a t e rs u p p l yn e t w o r k a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h es m a l lt o w nw a t e rc o n s u m p t i o n 。t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h eg r a y f o r e c a s t i n gm o d e la n ds e v e r a lk i n do ft i m e s e r i e sf o r e c a s t i n gm o d e la p p l i e di nt h e s h o r t - t e r mw a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t , d i s c u s s e dt h eg r a yf o r e c a s tm o d e li ns m a l lt o w n w a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n ga p p l i c a t i o n , a n dp r o p o s e dt h eb e s tp a t t e r no fg r a ym o d e l u s e di nt h ew a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n g as y s t e mf o rf a yc o m p r e h e n s i v e a s s e s s m e n ta n do p t i m a ls e l e c t i o no f w a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n gm o d e l w a sp r o p o s e d a n de s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e t h es y s t e mh a so v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g eo ft h e c u s t o m a r ym e t h o d su s i n g i nt h ea s s e s s m e n to fam o d e l ，a n dp r o v i d e dt h es u g g e s t i o nf o r q u a l i f i c a t i o na n da p p r a i s a lo f t h e s m a l lt o w nw a t e rc o n s u m p t i o nf o r e c a s t i n gm o d e l w o r k i n g - s t a t ea n a l y s i sm o d e li sa l s op l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti nt h eo p t i m a lc o n t r o l o ft h es m a l lt o w nw a t e rs u p p l yn e t w o r k b a s e do nt h ea n a l y s i so fp i p en e t w o r k w o r k i n g s t a t ea n a l y s i sm o d e li nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h e e s s e n t i a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l s ：m i c r o s c o p i cm o d e la n dm a c r o s c o p i cm o d e l i n m i c r o s c o p i cm o d e l ，f o rt h ec o m p u t e rc a r r y i n go nt h eh y d r a u l i cs i m u l a t i o nt ot h ew a t e r s u p p l yp i p en e t w o r ks y s t e mc o n v e u i e n t l t r a n s f o r m i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h eb i gs p e c i a ls y s t e ms u b a s s e m b l yt ot h eo p e r a t i n gm o d ec h a r a c t e r i s t i cp a t t e mo ft h e n o d ea n dt h ep i p ei nw a t e rs u p p l ys y s t e mi sp r o p o s e d 1 1 1 eg e n e r a lf o r mo fn o d e c o n t i n u i t ye q u a t i o ni se s t a b l i s h e d ，a n dt h eh y d r a u l i cp r e s s u r em e t h o d sa r ep r o p o s e d t h er e s u i tc o u l db eu s e di nt h ew o r k i n g s t a t ea n a l y s i so ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m i n m a c r o s c o p i cm o d e l ，t h em a c r o s c o p i cm o d e lc h o o s e st h ep r e s s u r em a c r o s c o p i cm o d e l m 重庆大学硕士学位论文 b a s e do nt h ep r e s s u r et a p ，a n dt h er e l a t i o nm o d e lb e t w e e nt h ew a t e rs o u r c ev o l u m eo f d i v e r s i o na n dt h ew a t e rs u p p l yp r e a s u r ei n s t e a do f c o m p l e xp i p en e t w o r kw a t e rh y d r a f i c b a l a n c ee q u a t i o n , t h i sk i n do f m a c r o s c o p i cm o d e li n t r o d u c e st h ei n f o r m a t i o nw h i c hc a n r e a l - t i m em e a s u r e dt h ep r e s s u r ef l o w e d a n dm a i n t a i nt h es a m eo rt h ea p p r o x i m a t e c h a r a c t e r i s t i c 、】i ，i t l lt h eo r i g m a lp i p en e t w o r k t h em a c r o s c o p i cm o d e lr e f l e c t st h ea c t a a l o p e r a t i n gm o d eo ft h ep i p cn e t w o r kw e l l t h ee x a m p l ei n d i c a t e dt h i sm a c r o s c o p i c m o d e li sa v a i l a b l ei ns m a l lc i t i e sw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks y s t e m f i n a l l y , f o rt h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no f t h en e t w o r kw o r k i n g - s t a t ea n a l y s i sm o d e l s ，i ti se s s e n t i a lf o r t h e s m a l lc i t i e st oe s t a b l i s hm a c r o s c o p i cm o d e li nt h ei n i t i a lp e r i o da n dm i c r o s c o p i cm o d e l i nt h el o n g - t e r mp l a n n 培w a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks y s t e mo p t i m a lm o d e li st h ek e yt oc a r r yo nt h e o p t i m i z e dd e c i s i o n - m a k i n g b a s e do nt h es i m p l ei n t r o d u c t i o na b o u tt h eo p t i m a lg o a l a n dt h eg e n e r a lm e t h o da n ds t e p so ft h eo p t i m a lm o d e l ，t h i sa r t i c l eh a se s t a b l i s h e dt h e w a t e rs u p p l ys y s t e md i r e c tu p t i m a lm o d e la n dt w ol e v e lo fo p t i m a lc o n t r o lm o d e l 。t h e d i r e c to p t i m a lc o n t r o lm o d e lf u l l yc o u p l e st h ep i p en e t w o r ka n dt h ep u m p i n gs t a t i o n , a n dt h ew a t e rp u m pc h a r a c t e r i s t i ci n t r o d u c e di nt h eo p t i m a lm o d e l t h i sm e t h o df u l l y e m b o d i e st h em o d e l i n gt h o u g h t t h et w ol e v e lo fo p t i m a lc o n t r o lm o d e ls o l v e se a s i l y r e l a t i v e l y , a n dt h ec o m p u t a t i o ns p e e di sq m c k i ti ss u i t a b l ef o rc o m p l e xs y s t e mw h i c h i n c l u d e sp l e n t yo f w a t e rs o u r c e si nw a t e rs u p p l ys y s t e m t a k eb a i s h at o w nw a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks y a t e ma sa l le x a m p l e , t h ea r t i c l eh a s e s t a b l i s h e dt h eo p t i m a lc o n t r o lm o d e lo ft h em u l t i s t a g es e r i e sp r e s s u r i z e dp u m p i n g s t a t i o nb a s e do nt h ev i e w p o i n to ft h es y s t e ma n dt h eo p t i m i z e dt h e o r y n 艟m o d e li s u s e dt h ed y n a m i cp r o g r a m m i n gs o l u t i o nt oo b t a i nt h eb e a tt i m ef o ro p e n i n ge a c hl e v e l p u m ps t a t i o n si na l lo p t i m a lc y c l e w a t e rs u p p l yp i p en e t w o r ks y s t e mi nb a i s h at o w n c a np r o v i d e st h er e f e r e n c eo f t h eo p t i m a lc o n t r o lm a n a g e m e n tt ot h eo t h e rs i m i l a rw a t e r s u p p l ys y s t e m k e y w o r d s ：s m a l lt o w n , w a t e rs u p p l yn e t w o r k , w a t e rd e m a n df o r e c a s t i n g , w o r k i n g - s t a t ea n a l y s i s ，o p t i m a lc o n t r o lm o d e l i v 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，也不包含为获得重迭盍堂 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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 源硝蔓 签字日期：。年t 上月辱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鏖太堂有关保留、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。本人授权重麽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：缘s 锥 导师签名：旄幼f 签字日期：伽。6 年i2 月争日 签字日期：w 。6 年t 2 月罕日 i 绪论 1 绪论 1 1 小城镇及其发展 迄今为止，我国尚未对小城镇的概念和范围做出明确的界定，世界各国也没 有划分小城镇的统一标准，理论界的看法也不尽相同但归结起来小城镇一般有 两个层次的含义：一是设市城市以外的建制镇，包括县城镇；二是除第一层次 外，还包括乡镇府驻地为主体的集镇。由于二类中强调了小城镇发展的动态性和 乡村性，是目前我国小城镇理论与实践中更为普遍的观点。 本文所研究的小城镇主要指第二类层次的小城镇，即小城镇既包括了现在属 于城市范畴的建制镇，也考虑发展前景，将成为建制镇的集镇包括在内。它是城 市经济向农村渗透和农村生产力在一定区域内聚集的结果8 。，随着农村经济的发 展，小城镇不断地背离了其乡村性社会特征而向城市过渡，所以本文将以城市化 进程来研究小城镇。 新中国成立以后，我国的小城镇发展主要经历了三个阶段：( 1 ) 1 9 4 9 年一1 9 5 7 年是我国小城镇的恢复与初步发展阶段；( 2 ) 1 9 5 8 年1 9 7 8 年是我国小城镇发展 的大起大落和停滞的阶段；( 3 ) 1 9 7 9 年至今是中国小城镇迅速发展的阶段。到2 0 0 2 年我国的小城镇总数量已经达到1 9 8 1 1 个。，比改革开放初的2 1 7 6 个增长了近1 0 倍，表1 1 为我国从1 9 9 5 年一2 0 0 3 年的小城镇发展概况。我国的城镇化水平也提 高了许多，从改革开放初的1 7 9 提高到2 0 0 3 年的4 0 5 ，接近中等发达国家的 城镇化水平表1 2 为我国1 9 4 9 年2 0 0 3 年城镇化水平发展状况。 袭1 i1 9 9 c , - - - 2 0 0 3 年我国小城镇数量一览表 t a bi it h eq u a n t i t yo f s m a l lt o w ni nc h i n a b e t w e e n1 9 9 5 0 2 0 0 3 资料来源：中国统计年鉴2 0 0 3 ，( 城市经济学 随着国民经济的快速增长和社会的全面进步，我国的小城镇建设将会得到迅 速和持续的发展。“小城镇，大战略是党中央、国务院对发展和建设小城镇的战略 重庆大学硕士学位论文 定位，国家在“九五”、“十五”和“十一五”期间都把发展小城镇作为一项重大的任务 来实施钉。 1 2 小城镇供水管网特点及运行方式 1 2 1 小城镇供水管网系统的分类 小城镇供水管网系统根据管网的布置形式、调节和供水方式、水源等性质的 不同，大致可分为如下形式： 表1 3 供水管网系统的分类 t a b1 3t h et y p e so f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ks y s t e m 根据表1 3 的不同组合形式，形成不同形式的小城镇供水管网系统。多数小城 镇管网为树枝状，供水水源为地下水，设有水塔、高位水池等调节设施 1 2 2 小城镇供水管网特点 小城镇供水管网与大、中城市供水管网相比，多数供水管网呈树枝状，供水 整体性差，成环困难，市政供水条件差，供水可靠性差；供水管道特别是配水管 道材质差、敷设简陋，小城镇供水管网的特点主要体现在： ( 1 ) 供水管网系统规模小，时变化系数大 小城镇相对大、中城市经济落后，人均综合用水定额比大、中城市小，管网 系统规模小，管道直径小 5 3 。小城镇供水系统由于其规模小，用水不均匀，昼夜 用水量变化大，时变化系数大拍3 ( 可达3 4 ) ，用水高峰时几乎是户户用水，用水 低峰( 夜间) 用水量很小，有些时段( 如凌晨时) 无人用水，部分水厂和泵房甚 至停止工作，仅靠水塔的贮水供应用户。 ( 2 ) 供水管网建设薄弱，管网材质差 小城镇管网建设基础薄弱，发展不平衡。有些管网使用年限过久，有资料 1 统计，城镇中近4 0 万k m 管道，有1 3 超过了使用年限，急需更新改造，且经常 发生爆管漏水事故，造成自来水公司的严重亏损；另有资料强统计，2 0 世纪6 0 7 0 年代新发展的一些小城镇供水管网，水量净漏损率有的达到1 4 ，此数值超过国 家要求城市供水企业管网基本漏损率不应大于1 2 的标准一1 ，更是远远超过了发 达国家要求自来水公司漏损率控制在6 以下的标准。 2 i 绪论 ( 3 ) 供水能力不足，供水可靠性差 小城镇用水主要包括“”：工业、居民生活用水、环境美化、绿化等其它用水， 其中最主要的是前二类。大部分小城镇自来水主要提供居民生活用水，对于企业 一般自备水源，到夏季用水高峰期间，自来水厂虽竭尽全力，也难于满足用户要 求。此外，小城镇管网多为树状网，管网各个部分之问流量调节能力较差，供水 可靠性差，且能量浪费严重。 ( 4 ) 给水设备运行效率低，能量浪费严重 小城镇管网规划不尽规范或建设不到位，管网布局不尽合理，不少单位自建 水井和水塔，以至于城镇水塔林立却不互相连通，造成给水设备效率低；各种给 水设备常年不更换，造成有些设备无法正常使用，管段阀门无法调节关闭、水泵 脱离高效区运行的现象比较普遍。此外，由于水泵配置的不合理，夜间供水量减 小时无合适的水泵机组运行，导致出厂压力、管网压力很高，单位供水电耗为白 天的1 3 1 5 倍，浪费极大 ( 5 ) 管网调度不及时，运行管理困难 当前小城镇供水技术管理力量不足，对调度工作不够重视，技术人员偏少， 运行调度人员素质偏低，很少配备专业调度机构，造成发生管网漏水爆管等事故 时检修不及时，以至于渗漏等现象严重。此外，小城镇供水管网地理位置分散， 给供水管网的运行调度管理增加了一定的困难。 1 2 3 小城镇供水管网运行方式 不同区域小城镇供水管网系统形式不同，造成管网运行方式复杂多样目前 部分小城镇采用地下水直接进入管网的一级供水和清水池泵站加压的供水方式哺1 ， 部分小城镇甚至无独立水厂，其供水主要来源于当地中心城市，这种方式可以视 为一级供水方式。 由于小城镇用水不均匀，昼夜用水量变化大，时变化系数大，用一级供水方 式就不太合适。这是因为供水量要满足最大日最大时的要求，就需要最大时的设 备能力，否则就会产生供水不足、水压降低的问题，有些用户就用不到水。或者 由于调度不及时，也会产生水压过高或过低，造成管网破坏和用户无水的现象， 因此一般不宜采用一级供水方式。 为使管网安全、可靠、经济地运行，小城镇供水管网应充分根据管网自身特 点和用水要求确定运行方式。建议采用如下运行方式： ( 1 ) 设置调节设施供水方式 小城镇供水管网系统规模小，时用水量变化大，供水不均匀，加上供水管网 自身结构的不完整，供水管网流量调节能力差，输水管网压差变化较大，供水可 靠性差，甚至有些水厂或泵房是间歇运行。因此，一般情况下小城镇都设置水量 重庆大学硕士学位论文 调节构筑物并充分利用地势高差采用重力供水对水压有特殊要求的用户可以考 虑自行加压或设置贮水设备以维持一定的水压，以保证供水正常。 小城镇供水工程中常用的调节构筑物主要包括清水池、水塔、高位水池、压 力罐等。 清水池；一般设在昼夜连续供水，并可用水泵进行调节的小型水厂，其次 是供水系统要求所需设置清水池的系统 水塔：一般设在给水系统规模小，供水范围较小的水厂以及间歇运行的水 厂，适应于无合适地形设置高位水池的系统。水塔所需调节容量较小，其容积由 二级泵站供水线和用水量曲线确定，若无详细资料，可按照最高日用水量的l o 1 5 设计，个别村镇给水可以增大到5 0 水塔一般建在地形最高处，其水柜底 高于地面的高度e 可按照下式计算： - i , = 皿+ 一( z ：一z ：) ( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中：e 为控制点c 要求的最小服务水头，册；吃为按最高时用水量计算 的从水塔到控制点的管网水头损失，所；五为设置水塔处的地面标高，m ；互为 控制点的地面标高，小。 从式( 1 1 ) 可知，建造水塔处的地面标高五越高，则水塔高度e 越小，这是 水塔建在高地的原因。水塔应尽可能放在给水区的中心地段，且应靠近最大用水 户和水压要求较高的用水户。其位置主要根据给水区域的地形坡度五以及最高用水 时从水塔到控制点的水力坡度l 而定。当厶 1 时可放在水塔供水范围内的中心地区。 水塔在供水系统布置上有前置式、对置式、网中式三种。前置式是由水塔向 管网供水，它能及时控制水塔内水位，使设备便于自动化控制；对置式是由水泵 和水塔联合向管网供水，可降低管径和设备能力，一般适于2 4 小时运转；网中式 水塔是利用小城镇较高的有利地形高程，能满足用户最低水量与水压要求。小城 镇可以依据其供水区域的地形特点、用水区的分布情况选择适宜的水塔设置方式。 高位水池：高位水池主要适合于丘陵地带和山区，调节容量较大( 可以达 到最高日用水量的5 0 1 0 0 ) ，供水可靠。在有地形高差的环境下，把水源的 来水送入高位水池，再利用重力对管网供水，这样高位水池可以起到调蓄作用， 在用水低谷时蓄水，用水高峰时作为水源供水，可以间歇供水，这样工艺简单， 便于维护管理，降低运行费用。 压力罐：压力罐是给水系统中利用密闭储罐内空气的可压缩性来存储、调 节和压送水量的装置，其功能相当于水塔和水池。它具有占地少、造价低、安置 室内、自动控制的优点，但对电力要求高、调节容量小、不适于缺电地区。由于 小城镇管理落后，在使用中一些自动装置经常损坏失修而变成了手动定时控制， 4 i 绪论 失去了自动连续供水的意义，此外，在进行消毒时投加的消毒剂如c 1 2 对气压罐有 腐蚀，影响其使用寿命。总的来说，这种调节设备宜作为一种临时供水设备，应 用范围将越来越小 根据调节构筑物在水泵的前后位置，可以将其分为两大类：一类是泵前的， 只能调节水量，不能贮存能量( 压力) ，主要是清水池，这类调节方式是大型供水 系统常用的调节方式；另一类是泵后的，既可以调节水量，又能贮存能量，主要 有水塔、高地水池和气压罐，对于小城镇供水系统，应主要采用第二类方式。显 然调节构筑物主要是根据小城镇供水供电状况、地形、经济等条件选用。 总之，调节设施的设置应依据实际供水系统的特征及用水变化特点确定。小 城镇应充分利用调节设施的调蓄能力，利用水塔、高位水池进行峭0 峰填谷”，使得 供水泵站的供水量的变化趋于平缓而又能满足变化剧烈的用水量要求，同时还要 加强管理，保持供水水质能满足健康饮用水水质要求 ( 2 ) 变频调速供水方式 变频调速供水主要采用两种供水方式n ”：变频恒压( 变流量) 供水和变频变 压( 变压力) 。其基本控制原理都是利用变频调速器控制水泵转速而达到供水目 的的供水方式。当管网压力发生变化时，压力传感器检测管网压力将其转换成电 信号送到控制柜内的微机处理器；当用户用水量发生变化时，微机对设定的信号 和压力传感器反馈的信号进行比较、运算、调节自动输出相应的控制信号，送往 变频调速器，改变变频器的输出电压及频率，使水泵转速发生变化，从而调节一 e 1 2 4 j , 时不同时刻的供水量水压变化，这样可以使供水曲线较好地与用水曲线吻 合，使水泵机组在最高效率范围内工作，免去了人工控制的麻烦。调度运行时结 合定时器使用，可实现定时交频供水，每天可进行数次供水，而供水期间采用变 频调速控制。 近年来，随着控制技术的提高，变频器价格降低，采用变频供水方式可有效 地解决了采用调节设施产生二次污染的问题。因此，对于新建小城镇供水系统也 可考虑采用变频供水方式。 ( 3 ) 二泵站分级供水运行方式 供水系统的调度管理可以考虑采用传统的二泵站分级调度方式，这种分级调 度方式主要有两种：一种是时段分级技术，即根据管网用水变化规律将全天分成 少数几个时段，以固定方式开启水泵；另外一种是流量分级技术，即根据用水量 的变化曲线拟定二级泵站的设计供水线。供水与用水之间的流量差主要通过水塔、 高位水池调节。这种方式在供水系统中较为普遍，是国内外大多数供水系统采用 的调度方式，它不仅能满足供水要求，同时可避免水泵的频繁开启，有利于设备 的维护管理，是传统而有效的调节方式。这里存在分级数如何确定的问题，分级 5 重庆大学硕士学位论文 数应结合供水系统实际，根据小城镇用水变化规律和特点及其水泵机组的工作状 况，以及水源和水池的状况制定设有水塔的供水管网系统，可以先考虑采用一 级工作图，即泵站均匀供水，但要模拟出现有的水塔设施能否满足调节峰值和谷 值流量的要求。若不满足，应该根据用水量的均匀程度，考虑采用分级供水，一 般的供水分级数不超过3 级在分级的情况下只要水泵选择合理，可使水泵一直 在节能状态下工作不设置水塔、水池等调节水量构筑物，则泵站的工作曲线约 等同于用水量变化曲线，即每小时泵站供水量和用水量相等。 ( 4 ) 分区、分压供水以及中途加压供水运行方式 部分小城镇特别是山地小城镇由于其地形高差悬殊，地形起伏大，为保证供 水安全可靠性，避免为满足一部分地势较高地区的服务压力而提高整个管网系统 的服务压力，降低能耗，可以考虑采用分压、分区或局部加压供水方案，如小城 镇平行于等高线发展时考虑采用并联分区供水；垂直于等高线发展时采用串联分 区供水，如重庆江津白沙镇供水系统就是采用串联加压多级( 3 级) 供水，每一级 泵站与该级相应的蓄水池相连。此外，某些地区供水服务压力不足时考虑设置加 压泵站，如输配水管线较长时，在管网中产生较大的沿程损失，为了维持管网末 稍的服务压力，势必提高水厂的出厂压力，以致在于管的前段地区形成过高的服 务压力，这是不经济的，也不安全。如果在输配水干管的中途适当位置增设加压 泵站，可以把出厂压力降至仅满足第一座泵站前的服务压力，以后再进行加压， 以满足后一座加压泵站前或管网末梢的供水服务压力，这样可以降低加压泵前段 的运行压力，从而降低能耗，特别是在前段地区沿程引出流量较大的情况下，节 能潜力更大。在分区、分压或设置加压泵站时要考虑到其节省的电力费用与增加 的基建、管理运行费用进行技术经济的优化分析，在技术经济合理的运行方式的 前提下确定其供水方式。这样可以保证各区管网水量压力平衡，降低系统的供水 压力，减少各区之间用户相互影响，同时节省了能耗，使得管网系统、安全、经 济、可靠地运行。 ( 5 ) 区域供水运行方式 小城镇传统的供水模式h 2 = 是一个村设一个供水站，一个镇建一个水厂，一个 县设一个自来水公司。这些村镇自来水厂，规模小、设备简陋、管理水平跟不上， 各水厂之间相互独立、各自为政。这种模式虽然在解决居民的用水需求、保障经 济社会发展等方面曾发挥过积极作用。然而，根据净水厂的规模经济效应n2 1 ，当 水厂的规模增大时，单位水量的建设费用会相对下降；当水厂规模较小，尤其在 6 1 绪论 图1 1 净水厂建设费用指标曲线 f i 9 1 1 t h ec u r v eo f c o n s t r u c t i o ne x p e n s ei n d e xo f w a t e rp l a n t 2 x 1 0 4 m 3 d 以下时，单位工程造价指标会迅速增长。因此，为了利用净水厂的规 模经济效应，在技术经济优化分析的基础上可以考虑集中建厂、实施区域供水， 即由一个主体供水单位向周边和邻近的村镇供水，以改善整个地区的供水水质、 水量和促进整个地区的乡镇经济发展。同时，由于区域供水一般是由少数水力控 制元素组成n ，便于小城镇供水管网的统一调度管理，已渐渐成为供水事业的发 展方向 1 4 3 a 1 3 国内外供水管网运行调度管理 1 3 1 国内外大中城市供水管网优化调度管理 国外自2 0 世纪6 0 年代起一些发达国家就开始了以计算机作为供水系统辅助 调度管理的探索，如“”美国的费城( p h i l a d e l p h i a ) 、丹佛( d e n v e r ) 及加拿大的多伦 多( t o r o n t o ) 、葡萄牙谣部城镇辛特拉( s i n t r a ) 们等就是采用遥测设备将管网中控制 点的压力、水厂出厂压力、出厂流量、水位、功率及温度等实际运行参数自动适 时地传送到中心调度室，并对异常现象做出自动报警，依此作为控制人员实际操 作的依据，基于自动化程度已经相当高，采用的模型基本上都是微观模型；以色 列伯尔梅特公司1 发起组织相关供水和能源管理设备和控制系统的软硬件的公司 进行了优化调度研究并开发了“节水系统”项目。国外学者如：美国的k e l a n s e y , r o b e r td e m o y e rj r , l e o r m s b e e ；英国的r s p o w e l l ，b c o u l b e c k , p j o w i t t ， r b r r o w s ；日本的k a z u m a s a ，m u g u r u m a , m t u s k i y a m a 以及以色列的u s h a m i r , c d d h o w a r d 等人在供水管网优化调度管理建模理论方面开展了较多的研究工 作。国内的许多专家如：赵洪宾、赵新华、陈跃春、仲伟俊、王训俭、俞国平、 7 重庆大学硕士学位论文 张宏伟、吕谋等人也在优化调度建模方面做了有益地探讨目前在美国、英国、 日本、法国等地的一些城市已经基本实现了供水系统的计算机优化调度管理，并 编制了一系列通用的优化调度管理软件：如英国的g i n a s1 1 8 1 美国的o p w a d “9 】 等；此外，我国部分高校如天津大学、哈尔滨工业大学，浙江大学、湖南大学等 也开始了计算机用于优化调度管理这方面的研究工作和工程实践，并取得了不少 的研究成果：如开发了城市供水运行决策支持系统眨、城市供水业务管理系统娃1 1 、 给水管网信息管理和分析系统w n w 2 2 。然而，我国与西方发达国家经济发展水 平、管理水平、控制技术、检测技术、城镇化率等方面都有较大的差距。发达国 家对于与居民息息相关的自来水基础设施极为重视关注，赋予足够的供应能力， 除对水质十分重视外，对于投资和能耗费用比重都较大的管网系统更是作为重点 对待，因此在调度安排上有较大的余地，加压泵在需要以及适宜之处到处可见。 发达国家要求供水公司对管网运行状态进行年度总结( 2 3 3 发达国家普遍建立了管 网g i s 系统，并利用管网压力、流量、摩阻系数等重要参数来模拟管网运行，进 而进行优化调度和管网监测。 我国大型水司( 深圳、上海、福州等水司) 乃筇i 也正在做管网建模，管网 g i s 系统和管网检漏的工作，但还未取得突破性进展，主要问题在于管网技术资料 和资金上，虽然有不少城市相继组建了专业测量队伍，但力量不足、设备欠缺、 目的不明确，使得建模实用性不是很高。 1 3 2 国内外小城镇供水管网优化调度管理 发达国家在小城镇供水管理方面明显优于我国，小城镇供水的生产过程已比 较规范化，管理的重点在于管网日常运行中的健康检查上旺3 ，且大部分力量用在 新管网的建设，管网的检漏以及管网的修漏更新上。发达国家特别注重小城镇供 水安全可靠性，管网优化调度是日常的工作内容，管网漏水监控也是有计划的进 行，对管网的监测系统比较完善，对管网运行情况掌握全面，也提高了其爆管预 防的能力 我国小城镇供水企业在管网优化调度管理方面的研究还是一个空白，对管网 系统技术力量的配备特别是调度部门相对薄弱，有些就起不到供水统帅指挥作用， 甚至有些小城镇自来水公司无专门调度机构，无专门调度管理人员，更谈不上说 采用计算机监控系统进行优化调度，其供水管网的调度管理基本凭借人工经验、 凭感觉在运行，管理水平处于一个非常低的状态。许多小城镇缺水严重，有的地 区被迫低压供水，消极调度，也谈不上合理调度，其供水管理概念是模糊的，管 网资料不全、不准，甚至没有，对管网运行状态更是不清不楚，对爆管还没有建 立起需要管理的概念。 部分小城镇供水系统的调度管理模式采用二泵站分级调度方式，这种调度方 8 1 绪论 式在小城镇供水管网调度管理上流行了相当长的时间，是传统而有效的运行方式， 然而分级数大多是凭经验确定，且这种方式是否合理，则要看用水量的大小和均 匀性，由于小城镇用水量不均匀，用水量逐月、逐日、逐时变化很大，靠人工经 验采用分级调度方式也不尽合理；部分小城镇采用水塔、高位水池和小型压力调 节设旌调节的方式，该模式充分发挥调节水池的削峰填谷作用，能改善水泵工作 状况，提高水泵的工作效率，但是在具体各个时段水塔作为水源还是负荷，却是 凭借经验确定：无法真正发挥调节作用。因此应该以系统工程理论及最优化技术 为理论基础，优化预测所得的某时段管网用水量，并辅以管网水力模型分析和调 度模型为调度依据，结合人工调度经验，选择安全、可靠、经济运行的供水调度