（水利工程专业论文）武汉市沙湖地区排水工程优化运行研究.pdf

摘要 泵站工程是水利工程的重要组成部分，在工农业生产和人民生活中占有重要 地位，特别是城市排水泵站，除排放雨水外，还承担城市生活污水、生产废水排 放任务，对保障城市健康发展、提供良好环境具有重要作用。泵站运行中需消耗 大量能量，如何提高效率，降低能耗，充分发挥泵站工程效益，做到优化运行， 潜力广阔，意义十分重大。近些年随着泵站工程的快速发展，在泵站优化运行研 究方面取得了很大进展。 城市排水系统常由多座泵站、调蓄湖泊、管网沟渠等组成，工程设旌复杂， 水雨情多变，其优化运行是一个大系统问题，既涉及到泵站间的优化组合，又涉 及各站的运行台数、不同机组组合及工况调节的配合，需解决一系列理论和实际 问题。优化运行的目标，是根据不同泵站、各泵装置之间的运行特性和水雨情对 排水流量的要求，通过对流量的最优分配，达到效益最好的目的。不同运行条件 优化目标不同，在正常运行情况，以最低能耗为最优目标；在暴雨抢排时，以最 大流量为最优目标。为达到优化运行的目的，必须对错综复杂的排水系统进行分 析，找出主要影响因素，概化模型。再利用大系统的理论，建立两层递阶分解协 调数学模型，第一层为泵站间的整体协调，求解子系统间水量最优分配，第二层 ( 子系统优化层) 为机组间的优化。并根据动态规划理论，明确目标函数和约束 条件，利用计算机编程进行计算。 本论文以武汉市沙湖排水系统为研究对象，深入分析了系统特点，搜集大量 工程技术资料，利用大系统的理论，应用动态规划法，建立数学模型，并通过计 算机编程求解。该优化运行研究探讨了大系统泵站的优化运行理论和方法，对泵 站系统优化运行具有参考意义。 关键词：排水泵站系统理论优化运行 a b s t r a c t p u m p i n g s t a t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fh y d r a u l i ce n g i n e e r i n g i t p l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c i n g a sw e l la si np e o p l e l i v i n g e s p e c i a l l y t h ep u m p i n gs t a t i o ni n b i gc i t y , i t s f u n c t i o nn o to n l yi n c l u d e s d r a i n i n gt h er a i n w a t e r , t h el i v i n gs e w e r a g ea n dt h ei n d u s t r i a lw a s t ew a t e r b u ta l s o i n c l u d e s e n s u r i n g t h e h e a l t h yd e v e l o p m e n t o ft h e c i t y a n d p r o v i d i n gp e r f e c t e n v i r o n m e n t r u n n i n gap u m p i n gs t a t i o nw i l lc o n s u m ea b u n d a n te l e c t r i ce n e r g y , s o h o wt oo p t i m i z et h ep u m p i n gs t a t i o nr u n n i n gt oi m p r o v ei t se f f i c i e n c ya n dr e d u c ei t s e n e r g yc o n s u m i n g h a s v e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w i t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n to fp u m p i n gs t a t i o ne n g i n e e r i n g ，t h er e s e a r c ho nh o w t o o p t i m i z et h e r u n n i n g o f p u m p i n g s t a t i o ni sa l s o p r o g r e s s i n gv e r yq u i c k l y p u m p i n gs t a t i o n s ，r e g u l a t i n gl a k e s ，t u b en e t a n dt r e n c h e sb u i l du pt h e c i t y d r a i n a g es y s t e m t h es y s t e mi s s oc o m p l e xt h a ti f y o uw a n tt oo p t i m i z et h eb i g s y s t e m ，y o um u s td e a l w i t hs u c hq u e s t i o n sa st h e s e ：t h ec o m b i n a t i o no fd i f f e r e n t p u m p i n gs t a t i o n s ，t h en u m b e ro fw o r k i n gp u m pu n i ti no n ep u m p i n gs t a t i o n ，t h e c o m b i n a t i o no fd i f f e r e n tp u m pu n i ta n dt h ea d j u s t i n go fp u m pu n i tw o r k i n gs t a t u s t h eo p t i m i z a t i o ng o a li st og e tt h eb e s tb e n e f i t st h r o u g ht h e o p t i m i z a t i o na l l o t m e n to f t o t a lf l o wt od i f f e r e n tp u m p i n gs t a t i o n t h eo p t i m i z a t i o ng o a li sd i f f e r e n ta c c o r d i n gt o d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c e s t oa c h i e v et h e o p t i m i z a t i o ng o a l ，w em u s ta n a l y z et h e c o m p l e xd r a i n a g es y s t e m t of i n dt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r sa n db u i l d u pt h e m a t h e m a t i cm o d e l t h e nw ec a ns o l v ei tb ym e a n so f c o m p u t e rp r o g r a m m i n g t h et h e s i sp u te m p h a s i so ns h a h u d r a i n a g es y s t e mi nw u h a n a f t e rw eh a d a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so f t h ec o m p l e x s y s t e m ，w e b u i l tu pt h em a t h e m a t i cm o d e la n d t h e nw es o l v e di tb y u s i n gt h ec o m p u t e rt e c h n i q u e s t h er e s e a r c hi si m p o r t a n tt ot h o s e w h o p u t t h e i re n e r g yo nt h e s t u d yo f p u m p i n g s t a t i o no p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：d r a i n i n gp u m p i n g s t a t i o n ，s y s t e m ，o p t i m i z a t i o nr u n n i n g i i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，本人愿 意承担由此而产生的法律后果和法律责任，特此郑重声明。 j彳圻， 闲 ： 年 ) 氰午 签 一 隰 妒 苦亿划仑批籼 武汉大学工程硕士论文 第一章引言 1 1 泵站工程的发展概况 泵站工程是指利用机电提水设备及其配套建筑物进行排水和灌溉的工程。 它通常由排灌水利系统、输配电动力系统以及泵站枢纽工程等组成，在水资源调 配及工农业供排水等方面起着十分重要的作用。随着工农业现代化的要求及科学 技术的发展，泵站工程也得到了迅速的发展。 1 1 1 国外泵站的发展概况 国外大型泵站主要用于圈海造田，开垦干旱土地及沼泽地、防洪防潮、农 田灌溉、排水以及调水、输水等。由于自然条件的差异，各国大型泵站的特点各 有不同。 1 、美国 美国地势高差大，面积广阔，多为高扬程大流量的灌溉站，其装机容量很 大。西北部哥伦比亚力水库抽水站，设计流量为4 6 0 m 3 s ，一级抽水站扬程为9 4 m ， 计划安装1 2 台水泵，就近利用大古力水电站的电力抽水，灌溉干旱高原6 2 5 万 亩农田。引水系统中还有两座水库，有效库容分别为0 2 7 亿m 3 和5 8 亿m 3 。因 此可以充分利用电力系统中低谷负荷时多余电能和季节性电能抽水，蓄存水库备 用，故泵站用电成本较低廉。 2 、日本 日本是个岛国，山多地狭，人口众多。为了扩大耕地面积，进行了围海造 田，开垦沼泽地，因此多为低扬程大流量的排水站。1 9 7 1 1 9 7 3 年建成了新川 河口泵站，排水能力为2 4 0 m s ，扬程2 6 m ，安装6 台直径为4 2 m 、流量为4 0 m 3 s 的贯流式水泵、总装机为7 8 0 0 k w 。1 9 7 5 年建成的三乡泵站，将中川水系流域的 低洼地区的涝水排向江户川，是日本最大的混流式泵站。它的设计扬程为6 3 m ， 排水能力为2 0 0 莳s ，单泵流量为5 0 m 3 s 。 3 、荷兰 荷兰从十三世纪就开始围海造田，迄今已增加土地九百多万亩，全国约4 5 武汉大学工程硕士论文 的面积在海平面以下，农田排水是一个突出的问题。自本世纪以来，由于排水设 备的迅速发展，使荷兰土地的垦殖得到了迅速的扩大，荷兰也成为世界上水泵技 术先进的国家之一，泵站主要以低扬程大流量为主。19 7 3 年建造的爱莫顿泵站， 是荷兰目前最大的泵站，扬程2 3 m ，单机流量3 7 5 m 3 s ，排水流量为1 5 0 m 3 s ， 将来可能扩大至3 5 0 4 0 0 m 3 s 。 4 、前苏联 前苏联的大型泵站较多，如著名的库拉霍夫及莫期科运河轴流泵站等。泵 站除应用于平原地区的农业排灌外，主要还用于扬程较高的运河供水以及跨流域 调水，梯级泵站规模较大。 1 1 2 国内泵站发展概况 我国地域辽阔，地理气候条件复杂多变，水资源在时间和空间的分布十分 不均匀，工农业生产和生活的用水需求存在着很多矛盾。新中国成立以来，随着 工农业的迅速发展，各类农田早涝保收标准的提高，高原灌区的大力发展，沿江 滨湖洼甸渍涝地区的改造，地下水源的开发和利用，以及多目标的大型跨流域调 水工程的规划与实施等，促使我国的泵站事业得到了很大的发展。至1 9 9 6 年， 全国共有固定泵站4 9 8 万处，配套机电井3 3 2 5 万多眼，排灌动力总装机容量 达7 0 1 9 6 万k w ( 其中电动机4 3 0 3 4 万k w ，内燃机2 7 1 6 2 k w ) ，机电排灌总面 积5 1 亿亩。其中大型泵站2 8 3 处，装机容量2 5 9 3 万k w ，受益面积8 0 7 0 4 万 亩。这些泵站对抗御旱涝灾害，保证农业高产稳产，促进农业机械化的进程，起 着重要的作用。 我国泵站的特点是数量多、规模大、范围广、类型多、发展速度快，已建 成大面积排灌区主要分布在江浙长江三角洲、湖南洞庭湖地区、湖北江汉平原、 广东珠江三角洲、苏北里下河地区及西北高原灌区等。现姆主要大型泵站介绍如 1 、江都排灌站 江都排灌站自1 9 6 1 年开始兴建，到1 9 7 7 年全部配套工程建成，是我国建 设最早、规模最大的综合利用泵站工程，由四座大型泵站组成，共安装大型轴流 泵3 3 台，设备总容量5 3 0 0 0 千瓦，总抽水能力达5 0 8 m 3 s ，几十年来发挥了巨大 武汉大学工程硕士论文 的效益，保证了易涝易旱的里下河地区及相邻的徐淮地区3 6 0 万亩农田连年获得 丰收，还为大运河常年补水通航及沿河城镇生活生产用水提供了充足的水源。 2 、淮安抽水站 淮安抽水站位于苏北灌溉总渠与大运河交汇处，是江水北调东线工程的二 级泵站，包括3 座泵站，装机1 2 台，设备总容量1 9 8 0 0 k w ，设计流量2 5 0 m 3 s 。 其中淮安二站安装了我国最大的轴流泵，转轮直径4 5 m ，单机配套功率f i o o o k w ， 总流量1 2 0 莳s 。淮安三站安装了2 台国产尺寸最大的可逆式灯泡贯流泵机组( 直 径3 1 9 m ，配套功率1 7 0 0 k w ，发电功率5 0 0 6 0 0 k w ) 。 3 、高潭口电力排灌站 高潭口电力排灌站位于湖北洪湖县永丰乡，是四湖流域水利枢纽工程骨干 站之一，装机1 0 台，总容量1 6 0 0 0 k w ，流量2 4 0w s ，排水面积4 9 8 8 k m 2 ，灌溉 面积4 0 万亩。 4 、樊口泵站 樊口泵站位于湖北鄂州樊口镇，安装4 台轴流泵，转轮直径4 m ，单机功率 6 0 0 0 k w ，提排流量2 2 0m 3 s ，担负梁子湖水系5 0 万亩农田排涝任务。 我国泵站工程由于建站时缺乏按地区或水系的总体规划，设计中忽视动能 经济观点以及机电产品类型和质量上存在的一些问题等等原因，致使在技术水 平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一定的差距。 1 2 城市排水工程 1 2 1 城市防洪排水的重要性 城市化是人类文明发展的必然趋势，城市化水平高低，是社会发展的重要标 志。随着现代化工业进一步发展，导致人口越来越密集，经济总量越来越大，城 市的规模也越来越大。1 9 6 0 年全世界生活在1 万个城市的人口，占总人口的2 0 ；至1 9 8 0 年已有4 0 的人口聚集于城市中；目前已超过人口的一半。我国1 9 4 9 年城市人口0 6 1 亿，城市1 3 6 个，都市化水平为1 1 2 ；1 9 9 4 年城市人口2 4 3 亿，全国设市城市5 7 0 个，城市化水平2 1 9 ；1 9 9 7 年设市城市6 6 8 个，城市 化水平3 0 4 。若将常年在城镇打工的农民和乡镇企业职工也计入城市人口， 武汉大学工程硕士论文 实际的城镇人口总数已达到全国人口的一半。城市工农业总产值和国民收入占全 国的8 0 o 以上，其中有重要城市2 0 0 余个，占全国7 0 工业总产值，这些城镇 总要沿河分布，依靠堤防和排水工程的保护，城市防洪与排水，在整个国民经济 发展中占有极其重要的地位。 1 2 2 城市排水的特点 城市的排水包括三类，即生活污水、工业废水和降水。与农田排涝不同，城 市排涝具有下述特点。 ( 1 ) 排水面积小，汇流时间短，以洪峰控制。城市相对汇水面积小，涝渍多 由短历时( 几分钟到1 2 h ) 暴雨形成；一般没有滞蓄库容，排水沟道及其附属 设施多以洪峰确定其规模。城市排水流量实测资料很少，一般按暴雨推算径流， 并考虑排水沟道的水流前进时间后，分区叠加而成。 ( 2 ) 城市排水系统复杂，一般都在地下。城市排水系统规划设计，一般按管 网的布置与设计。早期阶段，常采用雨污合流系统，新兴城市或城市改造时，一 般采取雨污分流系统，城市生活与工业废水经过处理后排入水体，污水处理是城 市排水系统中的重要组成部分。城市排水管网还包括检查，维护，清淤的检查井， 进入孔等附属设施，日常管理较困难些。 ( 3 ) 城市排水同一系统中根据排水区的重要程度与特殊要求，可采取不同的 排水标准。一般是根据经验确定暴雨的重现期，而其暴雨重现期的确定并不真正 表示多少年一遇的概念。 ( 4 ) 排水系统一般随街道布局布置，机动性少。地面街道及建筑物确定以后， 排水系统总体布局基本确定。现代化城市建设中，与排水系统布置有关的还有供 水系统，供气系统，供热系统，电力线网，通讯线网，地下铁路，人行隧道等， 以排水系统尺寸较大，要与各种系统协调布局。 在城市排水系统中，泵站是必要的组成部分，生活污水和工业废水经排水管 渠汇集后，由排水泵站将污水抽送至处理厂，经过处理后的污水再由排水泵站排 放至容泄区。此外，还有专门抽送雨水、污泥等各种用途的泵站。由于承担大量 工业生活污水排放任务，调蓄容量小，暴雨时汇流时间短，城市排水泵站运行具 有汛期需经常运行、突降雨时需抢排、常年耗电量大、运行维护费用高等特点。 4 武汉大学工程硕士论文 1 3 泵站的经济运行 泵站在为国民经济服务的同时，每年也消耗着大量能量。如果能提高泵站 效率，降低能量消耗，结余的资金将十分可观。因而，泵站的经济运行是非常重 要的。 排水区或灌区需要的排、灌水流量是根据作物需水状况、水文、气象等各 种因素确定的。随着这些条件的变化，排水或灌溉流量也不相同。而流量又取决 于泵站的扬程，水泵的性能及开机台数等因素。另外，扬程变化后水泵的流量、 效率、装置效率、运行时间、耗电量及运行费用都会发生变化。因此，制定泵站 运行方案就是在满足排水或灌溉流量的要求下，合理地确定水泵的运行方式、开 机台数，以达到泵站运行能耗少、运行费用低、经济运行的目的。 泵站的运行方式主要通过水泵工况的调节来实现，一般通过调整叶片角度 来改变水泵工况。轴流泵、导叶式混流泵和大型蜗壳式混流泵都具有较大的轮毂， 通常可以设计成叶片可调的水泵，在轮毂内设有操作机构，将操作杆上下移动转 变为叶片轴的转动。目前，我国许多泵站安装的泵型为可调节叶片的轴流泵，这 一有利条件，使我们可以根据水头变化调节叶片角度，控制水泵的流量，达到经 济运行的目的。 酷 t ， 妥 卜。 h 。 。 h * 。r l 爷 冉 1 童 2 一一 、 l 泵站经济运行基本原理如图所示。图卜1 为水泵在不同安装角时的性能曲 武汉大学工程硕士论文 线，a 点是叶片角度为0 时最高效率工作点。当泵站多平均的净扬程为h 。时， 水泵可在点a 工作，此时效率最高。但是，如果泵站实际运行时的净扬程是h 。 。时，则水泵的工作点由点a 移至点b ，水泵的效率也随之降至b 。这时，如果将 叶片安装角调到一2 ，水泵的工作点则由b 点移到c 点，水泵的效率也由b 点上 升至c 点，而a 、c 的效率几乎不变，这样，当扬程在一定范围内变化时，水泵 仍具有较高的效率。 泵站一般由多台机组组成，当泵站的净扬程发生变化时，合理的确定开机 台数，调节各机组叶片的安装角，通过优化组合，可使整个泵站的能耗最小，达 到整体最优的目的。 泵站经济运行主要是研究泵站科学管理的优化技术和调度决策，用系统工 程的观点和系统分析的方法，对大系统( 如包括泵站工程在内的整个排灌系统) 或小系统( 如泵站内的机组运行系统) 进行综合性的分析比较，使泵站在最经济 的工况下运行。即在一定时期内，按照一定的最优准则，在满足各种约束条件的 前提下，使泵站运行的目标函数达到最大或最小。 泵站经济运行方式的确定必须从系统分析的角度出发。系统分析一般有两 种：一是在资源相同的条件下，充分合理地利用资源，使排灌站发挥最大的经济 效益；二是在目标和任务已定的条件下，如何以最小的资源消耗来完成系统相同 的任务。根据大型电力排灌站实际情况的不同，其经济运行的方式有多种方案， 但一般主要有以下几种： ( 1 ) 按泵站效率最高的方式运行： 泵站效率是泵站输出功率与泵站输入功率之比的百分数，即为电动机、水泵、 传动装置、管路、进出水池等项效率的乘积。对于水泵选型配套及管路设计比较 合理的泵站，水泵最高效率对应的工作点，与泵站最高效率对应的工作点偏离很 小，此时，按水泵最高的方式运行可以获得较高的泵站效率。但对于水泵选型和 管路设计不合理的泵站，水泵效率高时，管路效率、电动机效率及进出水池效率 不一定最高，必须考整个泵站的效率，才能达到能源消耗低，运行费用较低的目 的。 ( 2 ) 按泵站耗电最少的方式式运行； 泵站的能耗不仅与泵站的效率有交，而且与流量、扬程等因素有关。当抽水 流量给定时，选择在当时扬程下，水泵效率较高的叶片角度运行，才能使其能耗 武汉大学工程硕士论文 较少。 ( 3 ) 按泵站运行费最少方式运行； 排灌站的运行费不仅包括抽水电费，还包括辅助设备的耗电费、设备折旧费、 人员工资、管理费等，对于抽水费在运行费中所占l l 锣i j 较大的排灌站，其运行费 可优先考虑抽水电费，否则必须将其余费用都列入运行费进行考虑。 ( 4 ) 按泵站抽水流量最大的方式运行； 在某些特殊情况下，例如排除灾难性的特大涝水时，为了最大限度地减少灾 害损失，不能只以排灌站的运行效益最佳为衡量标准，必须服从整个社会效益的 标准，在满足排灌站功率约束的前提下，要求以最大流量抽水，这时抽水成本可 能较高，但从整体社会效益来看是好的。 1 4 泵站经济运行的研究状况 泵站的经济运行问题和水电站的经济运行问题有许多相似之处，虽然水电 站以“发电”为主，泵站以“抽水”为主，但它们在满足安全运行的前提下，都 要考虑“负荷”在机组间的分配，考虑机组的投入顺序、投入台数和机组运行方 式等。 建国以来，随着大、中型水电站的增加，电网的扩大，水电站的经济运行 有了很大的发展。水电站经济运行的内容主要有：水电站厂内经济运行、水电站 短期最优运行及长期最优运行。其中，厂内经济运行主要是研究出力平衡、流量 平衡和水头平衡，水电站的运行动力特性，机组的最优启停次序及投入运行的机 组台数，机组间有功负荷和无功负荷的最优分配方式，机组间备用容量的分配方 式，水力机组的最合理调节程序及电能生产的质量控制等；短期最优运行主要研 究电力系统在短期内的电力和电量平衡，各水电站间、水火电站间负荷的分配， 抽水蓄能水电站及潮汐电站的合理运行方式，水电站进行日调节时上下游不稳定 流对运行方式的影响和水资源合利用对水电站运行方式的影响等；长期最优运行 主要研究季度、年度和多年的最优运行方式，具体有；电力系统各电厂之间长期 的电力电量平衡方式，备用容量的分配，检修安排方式，单一水电站的长期最优 运行方式，梯级水电站和水电站群最优运行方式等。 对于泵站的经济运行，国内的一些专家和学者进行了研究。马文正、丘传 武汉大学工程硕士论文 忻、贺贵明在1 9 9 3 年第三期的水利学报上发表了“泵站运行的优化调度”， 从提高水泵、动力机、供电系统和管理机构的综合效率出发，针对多泵站运行系 统，在其工作条件变更的情况下及时作出运行决策，即决定未来一定时间内各泵 站的最优开机台数及各类水泵不同的时间的最优叶片开度，以达到到运行费用最 小的目的；水利部淮河水利委员会汪安南在1 9 9 3 年第1 1 期农田水利与小水电 上发表了“大型轴流泵站最优运行方式探讨”，提出了以大型全调节轴流泵站运 行费用最小为目标的数学模型，并采用动态规划法进行了求解；河北工程技术学 校刘家春在1 9 9 8 年第二期的水泵技术上发表了“泵站经济运行方案的确定”， 根据轴流泵站的的运行情况，给出了用系统分析的方法确定泵站经济运行方案的 数学模型及求解方法。江苏省连云港戴振伟和扬州大学储训等在1 9 9 7 年3 月排 灌机械上发表了“多级泵站优化调度研究”，采用模拟技术，用三维离散动态 规划的数学模型，对梯级泵站的优化调度进行了技术处理，取得了较好的经济效 益。 但总的来说，和对水电站经济运行的研究相比，人们对泵站的经济运行问 题的研究还比较落后。由于泵站自动化程度不高，而经济运行必须由一套自动化 系统提供计算所需的数据，并执行优化计算的结果，客观上阻碍了对经济运行的 研究。加上泵站以事业体制为主，人们对泵站运行更注重安全和社会效益，对经 济效益未引起足够的重视。随着我国市场经济的建立和完善，科技水平迅速提高， 水利投入不断加大，这种情况将得到改善，泵站的经济运行将得到们的广泛重视， 已有一些大型泵站如江都四站等进行了自动化建设。 本文在一些专家和学者研究的基础上，对泵站的经济运行问题进行了探讨， 并结合沙湖地区新生路泵站、前进路泵站的实际情况，对泵站群的优化调度进行 了分析。同时，通过对动态规划法、大系统分解协调法等优化调度方法的运用， 对这类复杂泵站系统的经济运行问题进行了初步的研究，建立了运行的实用模 型。 武汉大学工程硕士论文 第二章工程概况 2 1 武汉市城市排涝中存在的问题 武汉市地处江汉平原，地势低洼，江湖环绕。每年的五月至十月，江城暴雨 频繁，江、湖水位暴涨，武汉城区地面高程普遍低于两江水位2 至6 米，城市经 常受到涝灾的威胁。目前武汉市的城市排涝问题，主要包括以下几个方面： 1 外江洪水位高，城市排水受容泄水位顶托，排水不畅。 武汉市排水主要以城区江河，湖泊作为排水承泄区，外江拱水或暴潮期间， 受洪水位( 或潮水位) 顶托，城市排水不畅，甚至受外江洪水倒灌，形成大范围 的城区积水，污水，雨水混淆，不仅影响交通，生产与商贸的正常秩序，而且造 成严重的污染扩散。1 9 9 8 年7 月2 1 日到2 3 日武汉市遭受特大暴雨袭击，汉阳 l h 暴雨8 8 m m ，全市5 4 h 累计降雨4 3 5 2 册，全市雨水量达1 1 亿m 3 ，长江水位 达2 3 7 5 m ( 紧急水位2 7 3 0 m ) ，受外江水位顶托，全市五十多座泵站( 1 1 8 台) 满 负荷运行，仍排水不及，2 l 面积受涝，最高渍水达2 m 以上，4 2 3 万户房屋进 水，市区4 0 多条主要交通线路全部积水，交通受阻，部分城区供电中断；停产 半停产企业达1 0 3 1 家；各类商业损失达2 6 亿元。 2 城市排水系统不完善，不配套。 随着城市迅速扩大，排水基础设施跟不上，特别是城市增容以后，排水面积 扩大，城市水文情势迅速变化，原排水干管却基本不变，加之淤塞严重，一遇稍 大暴雨，即酿成城区积水。我国城市排水问题臼益严重，这也是最主要原因。随 着武汉市市政建设力度的加大，这一问题正逐步得到解决。 3 排涝工程的运行缺乏统筹考虑，耗能较大，效率不高。 武汉市内河湖交错，水系发达，各排水系统相互关联。在实际运行中，很少 考虑系统的效率和耗能。通过科学调度，统筹考虑，各排水系统效率有很大的提 升潜力。 4 排水标准闯题 城市雨水排水标准，一般指暴雨的重现期。国外城市居民区，短时街边淹没 ( 宽2 - 3 m ) ，影响很小，一般取l 2 a 一遇；商业区需要较高的保证程度，一般 9 亟堡奎堂王堡堡圭兰塞 为5 l o a 一遇。我国室外排水设计规范规定一般选用0 5 - 3 a 一遇，重要交通干 道，重要城区可选2 5 a 一遇，系根据国内城市实际采用的重现期归纳综合确定 的。例如北京居民区为0 3 3 l a ，城市干道，中心区1 2 a ，特殊地区3 l o a ；上 海市区0 5 l a ，广州一般l 2 a ，其中主要地区为2 2 0 a ；武汉，天津，南京， 沙市为l a 。相对来说，武汉市排水标准偏低。特别是由于管理水平低与配套不 完善，排水系统淤塞，运行不畅，设施老化损坏，相当大的排水系统达不到设计 标准。或因城市增容，地面设旌改善，水文情势变化较大，原设计标准不能反映 新的变化，以致标准偏低。 5 排水体制和城市环境问题 武汉市的排水体制目前大多采用雨污合流制，大量城市污水未经处理，直接 排入江、湖，成为水资源的重要污染源。每降暴雨，污水四溢，臭气蔓延，是造 湖泊水质恶化污染严重的重要原因。因此，从水资源的保护和将来城市的发展来 看。这一体制必须改变。 2 2 研究区基本情况 2 2 1 武昌沙湖排水区域的代表性 排水泵站是城市排水系统的重要组成部分，作为城市重要的市政基础设施， 是防止城区涝灾，维护城市正常生活的保护神，在城市水环境和社会功能系统中 具有重要地位。 目前，分布在武汉三镇的大小排水泵站达5 1 座，总抽排量达6 8 2 m 3 s ，这些 泵站运行水平的好坏，运行效率的高低，直接关系着城市抗涝渍灾害的能力和排 水泵站社会、经济效益的充分发挥。因此，为提高武汉市排水泵站的整体管理水 平，降低泵站运行成本，就需要从安全和经济两个角度研究整个排水及泵站系统 的最优运行策略。 武昌沙湖地区排水区域为沙湖港至长江边、蛇山以北地区，面积5 4 k m 2 。该 排水区既有武汉市的老城区，也有近几年发展起来的新城区，其中包括了多种工 程设施：泵站、渠道、管道、长江、湖泊等。其中有新泵站也有老泵站，有大泵 站也有小泵站；有老城区原有的管渠系统，也有近几年新建设的管渠系统；有排 武汉大学工程硕士论文 江系统，也有排湖系统。其管网和汇水情况非常复杂。总体来看，武昌沙湖地区 排水区域在整个武汉市的排水系统中具有很强的代表性，其在运行管理中反映出 来的问题在城市排涝工程中非常典型。 鉴于武汉市城市排涝存在的问题和武昌沙湖排水区域的代表性，本课题以该 区域的排水泵站为主要研究对象，通过排水系统及泵站系统的优化调度，分析研 究其节能的潜力和提高其抗灾能力，为整体提高武汉市排水泵站的管理水平做出 前瞻性的工作。 2 2 2 研究区系统组成及现状 武昌沙湖地区水系汇水范围为沙湖港至江边、蛇山以北地区，面积5 4 k i n 2 。 可形成相对独立的三片排水系统：沙湖系统( 汇水面积2 4 8 4 k m 2 ) ，罗家港系统 ( 汇水面积2 2 5 7 k i n 2 ) 和港西系统( 6 6 3k m 2 ) 。 研究区沙湖排水区域汇水面积约2 4 8 4 k r n 2 ，汇水范围东到徐东路以东，西 以蛇山、武珞路为界，北靠长江，南倚中北路、中南路和小洪山。又分为沿江系 统( 汇水面积i 5 8k m 2 ) 、蛇山北系统( 汇水面积4 4 2 k i n 2 ，又称内沙系统) 、外 沙湖系统( 汇水面积1 8 8 k m 2 ) 组成。区域内现有前进路泵站( 旦t 9 m 3 s ) 、新生 路泵站( q t 4 0 m 3 s ) 、徐家棚泵站( q b 2 2 m 3 s ) 、下新河泵站( o = o 8 5 m 3 s ) 、曾 家港泵站( q b = 1 7 2 m 3 i s ) 等6 座泵站，设计总流量5 4 4 5m 3 s 。图1 1 为沙湖排水 区各排水系统和排水泵站的组成情况。 武 自 沙 湖 地 区 水 系 沿江系统 蛇山北系统 筷子湖泵站 下新河泵站 徐家棚泵站 前进路泵站 曾家巷泵站 翥鬲磊_ 卜_ 叫i 翮 港西系统l - 港西泵站 图2 1 武昌沙湖地区排水系统及排水泵站组成 1 l 武汉大学工程硕士论文 根据武汉市城市总体规划( 1 9 9 6 2 0 2 0 ) ，一批新的水利设施修建起来后， 研究区内徐家棚泵站、下新河泵站、曾家港泵站、筷子湖泵站将被改建或废止， 在该区域内起主要作用的是新生路泵站和前进路泵站。 新生路泵站和前进路泵站是武昌沙湖排水系统中的主要排水泵站。沙湖地区 地势低洼，其地面高程在2 0 m 6 0 m ( 黄海高程) ，低于长江、汉江的汛期水位。 目前城区的排水主要是依自然地形经管涵、沟渠、闸或泵站排入长江。汛期沿江 的各闸关闭，除少数湖泊可用于调蓄外，而汛期、雨季在同一时期发生，新生路 泵站和前进路泵站基本上担负了研究区内所有渍水的排出任务。 2 2 3 研究区内主要排水泵站情况 新生路泵站位于武汉市武昌新生路与武青三干道交汇处，占地2 0 8 5 亩，设 计装机总容量为6 1 5 0 0 k w ，装有1 6 0 0 k w 异步电机6 台，水泵型号为 s e z l 6 0 0 1 3 9 5 1 2 0 0 ，总抽排能力为4 0 m 3 s ，设计最高扬程为1 5 5 m ，起排水位 为2 0 1 0 ，控制水位为2 0 ，4 5 m ，预排水位为1 9 2 5 。泵站于2 0 0 0 年5 月竣工并投 入运行，i t o k v 变电站、1 0 k v 及6 k v 变电所、机组等均采用自动监控保护系统， 生产过程实行计算机监控和数据自动采集。是目前武汉市自动化程度最高，设备 最先进的排水泵站。 前进路泵站位于武汉市武昌区前进路，于1 9 8 3 年建成并投入运行。装机容 量3 4 8 0k w ，装有4 0 z l q 5 0 型立式轴流泵3 台，j s l 一1 5 - 1 0 4 8 0 k w 立式异步 电机3 台，设计总抽排能力9m 3 s ，起排水位为1 9 8 5 ，控制水位为2 0 4 5 ，预排 水位为1 9 7 5 。运行了1 4 年之后，先后对机电设备和叶轮、导水锥经过更新改造， 使泵站实际抽排能力达到了原设计流量。 曾家巷泵站位于前进路和临江大道交汇处，傍防水墙而建，该站建于1 9 5 4 年，站内装有1 2 h l b - 5 0 型水泵6 台，j q 2 9 1 4 型电机5 台，直防式电机1 台。 该站主要抽排沿江旧城区来水，基于该站的老化情况和曾经出现的险情，根据武 汉市城市总体规划( 1 9 9 6 - 2 0 2 0 ) ，该泵站将废止，该地区的来水通过管涵接入 前进路泵站。 7 另外，由于徐家棚泵站、下新河泵站、筷子湖泵站将被废止或改建，在本研 武汉大学工程硕士论文 究项目中暂不考虑。 2 3 本项目的研究内容 1 统筹考虑研究区内排水工程的运行，结合内外沙湖的调蓄功能，针对不同的 运行条件( 如：日常排污、实时排渍、预报排水等) ，分别建立泵站及泵站系 统运行的数学模型，研究其最优运行规则。 2 在优化计算的基础上，分析计算结果，结合研究区工程运行的实际情况，综 合考虑泵站系统的整体效益，确定研究区泵站的合理运行方式，提出科学的 运行方案。 3 研究区泵站系统联合调度优化运行运行软件的编制。 武汉大学工程硕士论文 第三章系统特点及研究途径 3 。1 系统特点 武昌沙湖排水区是由相互关硖的多个分区、多项工程所组成。具有以下特点： 1 系统的优化效益不可公度 沙湖排水区是为武昌地区的排污和城市排涝服务，其排水效益主要表现为环 境质量的保护和城市的减灾防灾效益，这是一种社会效益，很难用货币来衡量。 通过本项目的研究，其效益主要表现为提高其排水能力和降低排水能耗。 2 排水能耗与排水需求相互矛盾 出水外江水位越低，泵站耗能越小。沙湖地区地势低洼，而武汉市的汛期和 雨季恰在同一时期发生，除少数湖泊可用于调蓄外，城区降水全依靠泵站抽排出 江。此时，需要排出的水量大，、而外江却处于高水位，处于泵站耗能最大的水位 条件。能耗与排水需求相矛盾。 3 系统的运行管理是一个大系统决策问题 该研究区由相互关联的多个分区组成、每个分区内又有多项工程。各工程的 运行相互关联，又相互制约，各分区和工程的运行管理实质上是一个大系统优化 决策问题。 3 2 研究途径和思路 武昌沙湖地区排水工程的运行具有汛期闭闸期间运行时间长、外江水位变化 大、目常排污流量小、暴雨需抢排等特点，因此日常运行主要考虑经济运行、暴 雨时主要考虑最大流量，本研究以该地区的新生路泵站和前进路泵站及其控制区 域为主要研究对象。将泵站的运行分为日常排污、实时排渍和预报排水。 3 2 1 日常排污 本研究所称的沙湖地区臼常排污任务是指： 1 、排水泵站在汛期没有降雨时承担的排污水任务 武汉大学工程硕士论文 2 、排水泵站在非汛期没有降雨时承担的排污水任务； 3 、排水泵站在非汛期降雨时所承担的排雨水任务。 根据对沙湖地区排水泵站以往运行资料的分析，可以发现沙湖地区排水泵站 在同常排污运行时主要有以下几个特点： 、 1 、污水来流量较小； 2 、以自排为主，提排为辅； 3 、日常排污能耗占泵站总能耗的比重较小。 根据排水泵站在日常排污时的运行特点，拟定以下调度规则： 1 、由于排水量较小，为便于管理，每次排污运行时只投入一个泵站； 2 、为防止出现频繁开机的现象，每次每台机组运行时间不得低于1 小时。 3 2 2 实时排渍 本研究所称的沙湖地区实时排渍是指排水泵站在汛期遇到中到大雨，排水流 量较大时所承担的排水。 沙湖地区排水泵站在进行实时排渍运行时有以下几个特点： 1 、雨水来流量较大，但没有超过泵站排水能力； 2 、不考虑调蓄，来水经泵站实时排出； 3 、雨水来流量变化较大。 根据排水泵站在实时排渍时的运行特点，拟定以下调度规则： l 、前进路泵站与新生路泵站的前池通过连通涵相连，两座泵站联合运行。 2 、为防止出现频繁开机的现象，每次每台机组运行时间不得低于1 小时。 3 2 3 预报排水 本研究所称的沙湖地区预报排水是指沙湖地区即将出现特大暴雨时的一种 排涝方式。 沙湖地区排水泵站在进行预报排水运行时有以下特点： l 、雨水来流量特别大，有可能超过泵站的排水能力； 2 、必须利用外沙湖进行调蓄； 3 、雨水来流量变化较大。 武汉大学工程硕士论文 根据排水泵站在预报排水时的运行特点，拟定以下调度规则： 1 、暴雨来l 摘之前对外沙湖进行预排： 2 、前进路泵站与新生路泵站的前池通过连通涵相连，并同时与沙湖连通 3 、前进路与新生路两座泵站联合运行。 3 3 研究步骤 研究步骤如下： 1 、系统概化。根据沙湖排水区的实际运行状况，分析排水区内各工程的功 能与地位，做出能反映系统实际运行情况的概化图。 2 、建立数学模型。沙湖排水系统是一个由多个不同泵站组成的大系统，优 化过程是一个多层次、多指标、多因素的系统，每个泵站的运行将影响整个系统 的优化调度。针对排水区不同时期的运行条件，运用大系统优化理论与方法，建 立相应的优化模型，应用动态规划法建立符合要求的目标函数和约束条件。 3 、搜集排水区特征资料，确定模型参数。包括工程特征资料如排水区面积、 高程、涵管结构、断面尺寸、长度、纵坡、各泵站机组台数、型号、性能曲线、 运行资料等。水文资料如降雨量、降雨强度、长江水位、泵站前池特征水位、内 外沙湖水位等。分析并计算产水量、抽排水量、排水能力、内外沙湖调蓄水量等。 4 、计算机编程并计算结果。利用v i s u a lb a s i c 系列软件编制泵站系统 优化工程的计算程序，楚个数字计算通过良好的入机交互界面在计算机上实现， 运算迅速、方便、准确、节省人力。 武汉大学工程硕士论文 第四章模型概化 沙湖研究区内主要包括前进路泵站、新生路泵站、内沙湖、外沙湖，以及相 应的管网渠道。主要担负沙湖周边、中南路、解放路、武青三干道及和平大道地 区的雨污排放任务。依据其所处的地理位置及武汉市政十五基础设施规划， 将其分为蛇山北系统( 内沙湖系统) 和外沙湖系统。鉴于研究区排水管网系统和 所承担排水任务的多样性和复杂性，必须对其进行概化处理，以理清系统层次， 抓住问题的重点。 4 1 概化原则与方法 根据以下原则进行概化： 1 、必须与系统的实际运行状况相符合： 2 、便于研究目的地实现。 根据目前研究区内排水工程的实际运行情况，排水管渠主要负责雨污的汇流 和收集。在非汛期，雨污一般可以自流排出，必要时辅以抽排；在汛期，雨污水 则只能通过前进路泵站和新生路泵站进行抽排。根据系统内排水工程的分布及控 制范围，以新生路泵站和前进路泵站为核心，划分其各自的控制范围。整个排水 系统可以分为四个部分： 1 、解放路、中山路和前进路地区，该地区属于内沙湖系统，包括原筷子湖 泵站和曾家巷泵站的控制范围，来水既可汇入内沙潮，也可直接由前进路泵站排 出。 2 、民主路和中山路部分地区，属于内沙湖系统，来水接入内、外沙湖的连 通涵，因此既可通过内、外沙湖调蓄，又可通过泵站直接排出。 3 、中南路、金沙路地区，属于外沙湖系统，排水管道汇集来水通过明渠接 入内、外沙湖的连通涵，与明主路来水会含。 4 、新生路、和平大道、武青三干道地区，该地区的来水原先由前进路泵站 和曾家巷泵站负责，新生路泵站建成以后，这一地段的来水直接由排水管涵接入 新生路泵站。 武汉大学工程硕士论文 另外，新生路泵站通过两座排水闸分别与内、外沙湖相连，并利用内外沙 湖进行调蓄。 4 2 系统概化图 根据上述概化原则和系统组成与功能，建立排水系统概化图，如图4 1 所示。 图4 1 武昌沙湖地区排水系统概化图 武汉大学工程硕士论文 第五章数学模型的建立及求解 5 1 大系统分解一协调递阶分析 综合前面的分析，沙湖研究区由相互关联的多个分区组成、每个分区内又有 多项工程。各工程的运行相互关联，又相互制约，各分区和工程的运行管理实质 上是一个大系统优化决策问题。 大系统是一种规模大、因素多、结构复杂、功能综合的系统，往往含有很多 的变量和约束条件，所以企图应用一般的优化技术或单一的模型求解是有困难 的，也是不可取的。因此，对于大系统优化问题，通常是把复杂的大系统先分解 成若干比较简单的子系统；然后采用一般的优化方法，分别对各予系统择优，实 现各子系统的最优化；最后根据整个大系统的总目标，考虑各子系统之间的关联， 协调修改各予系统的输入和输出，实现大系统的全局最优化。这种大系统分解一 一协调方法既是一种降维技术，即把一个具有多变量、多维的大系统分解为多个 变量