（环境工程专业论文）城市给水管网工况模拟技术及其应用的研究.pdf

摘要 摘要 当前，各国供水行业都在以安全供水、降低能耗与漏失为目标，对城市给 水系统实施优化运行。城市给水系统优化运行的基础是全面、正确、科学、合 理地进行给水管网系统工况的模拟与控制，这也是本领域科学研究的热点问 题。本文在大量收集文献资料和现场数据的基础上，对城市给水管网系统工况 模拟技术进行了深入的研究。 本文在多年实践的基础上，系统地总结和归纳了给水管网工况模拟的经 验，运用近代数学理论及计算机技术，建立模拟理论与方法，深入研究了给水 管网工况模拟过程。本文较全面地分析了城市给水管网水量变化规律及其影响 因素，提出了用水量预测的实用技术以及节点流量、漏失量的模拟计算方法。 在用水量预测技术方面，创新性地将基准日的用水量引入回归预测模型中，分 别采用高斯牛顿和人工神经网络的b p 算法建立日用水量组合预测模型，对残 差序列建立自回归模型，用递推最小二乘法估计参数，克服了传统的时间序列 方法和回归分析方法中的不足，提高了用水量预测的精度。根据管流水力学的 基本理论，考察了给水管网系统阻力变化现象，在分析给水管网阻力变化对管 网工况动态模拟影响的基础上，构建了管道阻力系数现场实测方法，通过实测 参数和管流水力学阻力的计算方法进行实际给水管网阻力系数的模拟，创新地 提出了不同管龄管道海曾威廉c 值的数学模型，调整了传统的阻力系数计算方 法。本文根据给水管网的运行特征，以节点流量连续性方程、能量方程和水力 平差计算方法为基础，构建了给水管网系统微观模型及其校核方法。 结合笔者的实际管网系统微观建模经验，提出了一套实用的从基础数据录 入、现场实测到管网水力模拟计算、建立管网模型以及模型校核的管网微观建 模理论与方法。基于理论分析和试验，建立管网漏失量与压力之间的关系模 型；结合频域分析和数理统计方法，绘制用水量变化曲线，建立节点流量模 型；基于大量管网阻力系数现场实测数据，建立阻力系数经验模型；提出管网 压力分析法，克服了传统平差计算方法的两个假设：即供水量大于需求量和管 网漏失量不随压力变化；基于灵敏度分析和聚类分析，提出管网测压点优化布 置新方法。提出了一套微观模型校核方法，并建立管网微观校核模型，实现了 模型参数的自动调整，保证了微观模型的准确性。本文针对大型城市给水管网 的复杂性及用户参数的随机性，对管网微观模型求导生成的雅可比矩阵用高斯 约当法消元，推导出了基于微观模型线性化的化简复杂管网的新方法。以该方 法为基础，编制计算机程序系统。化简复杂管网的方法，可适应各种拓扑结构 和不同复杂程度的给水管网，化简后的模型的计算精度完全可满足要求。这种 化筒复杂管网的方法，对通过建模进行大型给水管网系统的运行工况分析意义 重大。 在该课题研究或实验过程中，均以笔者的科研项目为依托，理论联系实 北京工业大学工学博l - 学位论文 际，着重以天津给水管网为实例，验证文中提出模拟技术。通过有关实例，进 一步说明了城市给水管网工况模拟的重要性和模拟技术的实用性。 关键词给水管网系统；微观模型；用水量预测；模型校核；模拟 a b s t r a c t m u n i c i p a l w a t e rs u p p l y s y s t e m i sac o m p l e xn e t w o r kt h a t c o m p o s e db v r e s o u r c e s ，p u m p sa n du n d e r g r o u n dp i p e l i n e i ti sp l a y i n gt h ei m p o r t a n tr o l et os u p p l y w a t e rf o ri n h a b i t a n t ，i n d u s t r ya n dc o m m e r c i a l ，t o s a t i s f ys o c i a lw a t e rd e m a n d s u f f i c i e n t l ya n dq u a l i t a t i v e l y h a sg e n e r a l l yb u i l th i g hd e m a n d ，m u l t i 。s o u r c e sa n d c o n n e c tc o m p l e xw a t e rs u p p l ys y s t e mi nc h i n am e t r o p o l i s ，t h es y s t e mf a c eap r o b l e m i st h a tt h et r a d i t i o n a lo p t i m a ls c h e d u l em e t h o dc a n tf i tt h i s s t a t e a sf o r t h e m e t r o p o l i sm u l t i s o u r c e sw a t e rs u p p l ys y s t e m ，u n d e rt h ec o n d i t i o nt os a r i s f yt h e u s e r sd e m a n d ，o p e r a t i n gt h ew a t e rs u p p l ys y s t e mt ob em o r ee c o n o m i c a l ，r e a s o n a b l e a n ds a f ei sap r o b l e m ，w h i c hh a v et ob es e t t l e du r g e n t l yi nt h ew o r l d t h r o u g hc o l l e c t t h em a s s i v ep r o d u c t i o nm e a s u r e m e n td a t aa n dr e f e rt oc h i n e s ea n df o r e i g nr e l a t e d r e s e a r c hp a p e r , t h i sp a p e rr e s e a r c ht h et h e o r ya n dp r a c t i c eo fo p t i m a lc o n t r o li n m e t r o p o l i sm u l t i s o u r c e sw a t e rs u p p l ys y s t e m an e wa l g o r i t h mo fw a t e rn e t w o r ks i m p l i f i c a t i o nb a s e do nm i c r o s c o p i cm o d e l l i n e a r i z a t i o nw a sp u tf o r w a r d ，t h el i n e a r i z a t i o no fm o d e lw a sr e a l i z e db yd e r i v a t i o n o fm i c r o s c o p i cm o d e l a n dt h e naj a c o b i a nm a t r i xw a so b t a i n e d e l i m i n a t i n gt h e j a c o b i a nm a t r i x b yg a u s s - j o r d a na l g o r i t h m t h es i m p l i f i c a t i o nm o d e l ，w h i c h d i s t i n g u i s h e sb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ys y s t e mm i c r o s c o p i cm o d e la n dt h e m a c r o s c o p i cm o d e lw a sf o r m e d t a k et h ea l g o r i t h ma sf o u n d a t i o nt h ec o m p u t i n g p r o g r a mw a se s t a b l i s h e d t h ep r o g r a mc a nf i tw i t ha n yk i n d so ft o p o l o g i c a la n d c o m p l e xn e t w o r k ，a n ds e ts i m p l i f i c a t i o ne x t e n ta r b i t r a r i l y d u r i n gs i m p l i f i c a t i o nt h e p r o g r a mn e e dn o ta n yu s e ri n t e r v e n t i o n t h r o u g hs i m p l i f yt h ee x a m p l en e t w o r k ，i t w a sp r o v e dt h a tt h ep r e c i s i o no ft h es i m p l i f i e dm o d e lc a ns a r i s f yt h er e q u e s to f n e t w o r ks i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o nt i m ec a r lb es a v e dg r e a t l y v e r i f y i n gt h e s i m p l i f i e dm o d e lb yt h ep r a c t i c a ln e t w o r k ，t h ee f f e c to ft h em o d e li ss a t i s f a c t o r y i n v i e wt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t r o p o l i sm u l t i - s o u r c e sw a t e rs u p p l y s y s t e m ，a m a c r o s c o p i cm o d e lw a sp r o p o s e d t h ef o r mo fm o d e li ss i m p l e ，c a nr e p r e s e n t v a r i o u s n e s so fw a t e rs u p p l ys y s t e ms t a t e o f - a r ts e n s i t i v e l y b e c a u s et h em o d e lw a s b u i l to nb a s i so fm a s s i v ep r a c t i c a lo p e r a t i n gd a t a ，i tc a ns u i tf o rp r a c t i c a ls t a t eo f m e t r o p o l i sm u l t i - s o u r c e sw a t e rs u p p l ys y s t e m i tm a k eb a s e m e n tf o ro p t i m a lc o m r o l r a p i d l ya n de x a c t l y b a s e do nt h ea u t h o r se x p e r i e n c eo fw a t e rd i s t r i b u t i o nm o d e l i n g as e to f m o d e l i n ga p p r o a c hw a sp u tf o r w a r d ，w h i c hi n c l u d e dg i sd a t ai n p u t ，f i e l dt e s t ， h y d r a u l i cs i m u l a t i o na n dm o d e lc a l i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y s i sa n d e x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hr e s p e c tt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n l e a k a g ea n dp r e s s u r ew a se s t a b l i s h e d t h ed i u r n a jc u r v e so fc u s t o m e r sw e r ea n a l y z e d j 北京t 业大学工学博卜学位论义 b yu s i n gf a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l la n ds t a t i s t i c sm e t h o d s t h e n ，t h en o d ef l o wm o d e l w a se s t a b l i s h e d 、t h e e x p e r i e n c e dm o d e lo fr o u g h n e s sc o e f f i c i e n tw a sb u i l tb y a n a l y z i n gt h ed a t ao ff i e l dt e s t s h e a d d r i v e na n a l y s i so fw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s w a sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a no v e r c o m et h ed e f e c t so ft h ef l o wa n a l y s i sm e t h o dw h e r e i tw a sa s s u m e dt h a tt h ep r e s s u r ee x c e e dn oe f f e c to nt h el e a k a g ea n dt h ea m o u n to f w a t e rs u p p l yw a sm o r et h a nt h a to fw a t e rd e m a n d b a s e do ns e n s i t i v ea n a l y s i sa n d c l u s t e ra n a l y s i s ，an e wm e t h o df o r o p t i m i z i n gl o c a t i o n so fp r e s s u r em o n i t o r i n g s t a t i o n sw a se s t a b l i s h e d am e t h o do fm o d e lc a l i b r a t i o ni n c l u d i n gm a c r o l e v e la n d m i c r o l e v e lc a l i b r a t i o nw a sd e v e l o p e d t h ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o na l g o r i t h mw a su s e d t of i n dt h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h em i c r o l e v e ic a l i b r a t i o nm o d e l h e n c e ，t h e p a r a m e t e r sc a nb ea u t o m a t i c a l l ya d j u s t e d ，a n dt h ea c c u r a c yo fm o d e lc a nb ea s s u r e d t a k i n gt i a nj i n gw a t e rs u p p l ys y s t e ma sa ne x a m p l e ，t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m w a ss o l v e d ，t h er e s u l to fo p t i m a ls c h e d u l es h o w st h ea b o v ea l g o r i t h mi se f f e c t i v ea n d f e a s i b l e ，t h ep a p e rc o n s i d e r e dt h a to p t i m a lc o n t r o li n c l u d e sn o to n l yo p t i m a ls c h e d u l e p u m pb u ta l s oa n a l y z i n gs t a t e o f - a r to fw a t e rs u p p l ys y s t e mt od i r e c tt h ep r o d u c e p r o c e s ss c i e n t i f i c a l l y s ot h ed i f f i c u l t yw h i c hm e t r o p o l i sm u l t i s o u r c e sw a t e rs u p p l y s y s t e mo p t i m a ls c h e d u l ei nc h i n ac a n n o tb ep r a c t i c e dw o u l db es o l v e d k e y w o r d sw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ；m i c r o s c o p i cm o d e l ；w a t e rd e m a n dp r e d i c t i o n ； m o d e lc a l i b r a t i o n ；s i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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了谢意。 虢芬唔日期 关于论文使用授权的说明 丝j7 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢彰星靳签名辑r 期：兰! 墨璺7 1 1 引言 第1 章绪论 水是一种宝贵的且不能替代的自然资源，是人类赖以生存的基本条件。随 着社会的进步和经济的发展，水资源的供需矛盾越来越突出。2 0 0 0 年联合国 世界水资源综合评估报告指出：水问题将严重制约2 1 世纪全球经济与社会 发展，并可能导致国家间的冲突。如果说2 0 世纪的许多地区冲突是为了争夺石 油，那么2 l 世纪将会是为了争夺水资源。在全球性水资源匮乏的情况下，合 理科学地利用水资源，高效经济地发挥给水系统的功能，是一个涉及到人类社 会可持续发展的问题。给水工程是城市的重要基础设掩，是社会存在和人民生 活的命脉，在经济建设和人民生活中发挥着重要作用。随着国民经济的飞速发 展，我国供水事业得到了迅速发展。仅在“十五”期间城市年需水量就超过6 0 0 亿m 3 ，供水事业已开始走向“加强管理，提高效益阶段”【z 4 l 。 当前，能源紧张仍是世界性问题，随着经济建设的发展，能源矛盾在我国 尤为突出，节约能源成为我国的基本国策。我国数以千计的城市给水管网系 统，按目前的经验方式运行能耗浪费很大。若采用优化运行，则不仅能节省大 量能源，而且可使管网在合理的状态下运行，即在保证供水要求的前提下使管 网的压力分布更为合理。据资料统计在优化运行的条件下，送水泵站可节省电 耗1 2 ，如以5 计算，日供水量1 0 0 万吨的给水管网系统，每年可省电三 百万至四百万度，这数字相当可观1 5 j 。全国大中城市日供水量以亿吨计，如实 现优化运行，则年省电可达亿度以上，可见经济效益巨大。优化运行的前提条 件，是实现给水管网的工况模拟。给水管网的工况模拟技术是当前国际上供水 行业研究的热点问题，该项技术的应用是供水行业提高管理水平的重要标志。 城市给水管网工况的模拟结果，可以有效地指导生产，最大程度地减小管网漏 失量、减小供水产销差。在水资源匮乏、水源污染严重、建设资金短缺、城市 供水难以满足需求的情况下，减小管网漏失更是意义重大。此外，最大程度地 提高供水服务水平，保质保量地满足用户需求也是目前我国供水行业亟待解决 的课题。 总之，水作为人类生存的基础和城市的命脉，直接关系着城市的可持续发 展。对于这种有限的、不可替代的重要资源，必须合理地加以利用。面对能源 危机和水源危机，作为水资源合理利用重要一环的给水管网系统，由水源、泵 站及地下管网等组成，担负着保质保量地满足用户用水要求的重任。给水管网 系统必须在确保安全供水的前提下，以提高供水效益和服务质量为目标，应用 现代控制理论以及各种数学方法，引入先进的计算机技术和传感执行系统，安 全、经济、合理地进行控制、管理和运行。 1 2 给水管网系统面l 临的问题 由于我国的水资源短缺，同时，人们的生活水平的提高，使用水的需求越 来越大，这就使我国水资源短缺和需水量日益增加的矛盾更加突出，所以我国 供水事业面临的问题： ( 1 ) 供需矛盾地球上的淡水资源非常有限，真正可供人类使用、易于取 到的淡水仅占o ，2 6 ，且分布不均。世界经济的持续发展，尤其是有机化工、 医药、杀虫剂及除草剂等生产工业的迅速增长，有机化合物的产量和种类不断 增加，各种生产废水和生活污水末达到标准就直接进入水体，使得有限的水资 源也因此受到污染，对城市供水造成了严重危害。另方面，随着城市规模的 不断扩大，工业和农业等社会经济的持续发展，用水与日剧增嘶l 。供需矛盾的 激化，使得给水管网系统难以满足用户对水量的需求，供水企业不得不采取低 压供水、减少漏失以及长途输水等措施来缓解矛盾，这加大了给水管网系统的 运行难度，要求管网系统的优化运行。 ( 2 ) 供水效益亟待提高在计划经济体制影响下，传统观点认为给水系统 应是由政府投入经办的城市基础设施，是隐含有福利性质的公用事业。随着供 水观念的转变，人们渐渐意识到水是一种商品，而供水部门不仅是社会的服务 者，还是商品的生产者、经营者。既然是商品，就应追求商品的利润和企业效 益。为此，在满足社会需求和环境保护要求的前提下，应尽量减小供水成本。 电费占自来水成本比重最大，一般在3 0 4 0 左右，降低电耗始终是贯彻节 能方针、提高供水企业经济效益的重要措施，是目前给水管网系统运行所面临 的关键问题之。通过合理调度，可减小长距离输水或水处理的费用，以便降 低供水成本。 管网漏失在计算供水成本中往往被忽视，实际上它是影响供水企业经济效 益最重要的因素之一。漏失的水经过了处理和加压，在水资源紧张和供水能力 不足的情况下，造成很大经济损失，大量的水白白浪费，造成水资源浪费。降 低漏耗不仅带来经济效益，还有环境效益和社会效益。1 9 9 8 年全国城市漏失总 量为3 4 9 7 亿r n 3 ，相当于l o 座供水量为1 0 0 万m 3 d 水厂的供水量1 6 i ，如按供 水成本0 9 元m 3 ，每年我国城市供水行业因漏失而造成的经济损失达3 1 4 7 亿 元，可见经济损失巨大。由于给水管网漏失水量难以准确计算，从供水行业自 身管理和经营角度出发，往往采用供水产销差异代替漏失进行统计分析。供水 产销差异过大是长期困扰我国供水行业的一个老大难问题。 随着近年来劳动力价格的提高，劳动力成为了供水成本的个不可忽视的 项目。我国给水管网系统管理手段落后，从资料的日常管理( 如图纸等) 到运 行( 如开关阀门、水泵等) ，大多还停留在手工操作阶段。对城市给水管网系统 这么一个规模庞大、结构复杂、影响因素众多且动态变化的系统，目前仍需使 用大量的劳动力来完成管理、运行和维护工作。实现科学管理，提高生产效 率，提高服务质量，也是当今给水管网系统运行面临的一大难题。 ( 3 ) 老城区管网老化与改扩建我国的中等以上城市的给水管网普遍存在 老化问题，城市的规模越大、历史越悠久，这种老化现象越明显。有些城市2 0 世纪3 0 年代铺设的管道仍在使用，管网经过几十年的运行之后，管道的有效过 水断面显著缩小，使得供水电耗增加。而且管道内的卫生状况也发生了变化， 出现了供水水质的“二次污染”。这些与城市规模的发展、用户对供水水质、水 压及安全性的要求发生了严重的矛盾。因此，我国中等以上规模的城市，都在 进行或筹划给水管网的改扩建工程。合理科学的进行或筹划管网的改扩建是当 前要解决的主要课题。解决这一问题的前提条件是进行给水管网的有效建模， 完成能够反映运行现状的不同工况下的水力计算。 给水管网系统老化与改扩建问题，在我国具有普遍性，建立在网络环境条 件下的城市给水管网动态模拟系统不仅可以促进供水行业的科学化管理，而且 也可以促进数字化城市工程的进展速度，促进全社会的科学化管理”，。 ( 4 ) 给水管网系统的优化运行与输配水的安全性随着我国城市化进程的 加快，各地的供水设施发展迅速，新旧管网的融合、供水泵站的扩容是一个显 著的标志。在这种情况下，如何高效、经济、合理地发挥系统的功能，达到系 统的优化运行是一个人们所重视的问题。在国内，绝大多数供水企业还是凭借 经验运行、人为决策，艇个管理过程缺乏科学的依据。这种状态的主要原因就 是供水企业的管理者没有掌握给水管网系统的运行工况，对整个系统的运行没 有从水量预测、水力计算、状态参数优化等方面进行指挥、观察、决策。在发 挥给水管网系统正常功能的前提下，保障安全供水、最大限度地提高给水管网 系统的可靠性和运行的安全性也是一个十分重要的问题。只有通过给水管网系 统的安全评估和风险评估，对全部用户的特征分析及其用水量预测以及设施的 使用寿命评估等环节，才能有效地解决给水管网系统输配水的安全性问题。 ( 5 ) 计算机、信息技术的应用与相关理论的拓展在当今计算机技术、信 息技术高速发展的条件下，建立数字化城市已成为2 l 世纪全球性的城市化进程 目标。随着遥测设备的系统化以及地理信息系统、全球定位系统、遥感系统的 日趋成熟，使得提高给水管网系统的管理水平和改变管理层面的内涵成为可 能，这就需要在计算机和信息工程的应用理论、控制系统的模拟理论以及给水 管网传统的水力计算理论等方面有所突破与创新，这也是制约给水管网理论深 入发展的一个重要因素。 1 3 课题背景及研究的目的和意义 城市给水管网系统是城市重要基础设施，它的运行工况直接影响供水的安 全性。如何准确地描述给水管网系统的工况是当前国内外供水行业研究的热点 问题，也是供水系统运行管理的关键。解决此问题的前提条件是进行给水管网 系统工况模拟。 目前，我国许多城市都在进行给水管网系统的改建、扩建以适应城市规模 发展及用户对水量水质的要求。国家计委在2 0 0 3 年下发了全国老城区给水管网 北京t 业大学工学博士学位论文 改造的文件并投入巨资实施。国家科技部在2 0 0 2 年首次以“8 6 3 ”的形式下达了 水工程专项研究项目，将城市饮用水的安全保障问题提到了一个更高的层次。 国内供水企业也纷纷改制，以降低供水成本优化运行，提高供水的安全性为企 业的运行目标【6 l 。这些均以给水管网运行工况的模拟结果为依据。 随着计算机及相关技术迅猛发展，近年来各地供水企业普遍采用水费计算 机收缴系统，已经或正在建设以企业现代化管理为目标的给水管网专用地理信 息系统( g i s ) 、管理信息系统( m i s ) ，准备开发管网全球卫星定位系统 ( g p s ) 7 1 。 自2 0 世纪8 0 年代尤其是改革开放以来，各地自来水公司逐年投入大量的 资金伴随城市开发建设进行了管网更新改造，废弃更换陈旧管线。如我国自来 水历史最悠久的旅顺和大型城市天津等城市，老旧不明的管线在管网中所占比 例很小，这使得管网拓扑结构基本清晰。同时随着g i s 、管线探测技术的迅速 应用和大规模管网普查的开展，切实掌握管网准确的拓扑结构和基础参数已切 实可行。同时在政府政策引导促进下，我国各水司开展全蕊的管网普查工作， 基本查清现有管网的布置连接情况。这为建立供水系统微观模型提供了坚实的 数据基础。 随着管网平差计算理论研究的逐步深入，方程组解法的改进和计算机运算 速度大幅提高，对大型复杂供水系统微观模型的求解耗时也大大缩短。如在 1 9 9 4 年时对4 0 0 0 个节点规模的管网平差计算一次需8 小时，在1 9 9 6 年时需1 5 分钟，在2 0 0 0 年时需1 分钟，到目前仅需1 0 秒。同时为了给水管网建模的需 要，开发出了系列测试仪器，在实际管网上可获取和校核必要的参数。上述情 况为建立管网微观模型提供了基础条件。 目前我国各城市水资源普遍紧张，尤其北方城市缺水十分严重，各地节水 办普遍采取了节水、限制用水的措施。用户根据划定的用水指标严格用水，实 行阶梯水价，超量用水重罚。在有的缺水严重城市限制减少的用水量可占总用 水能力的5 0 以上。同时水厂的产水量直接受水源来水量限制。所以目前用户 用水不能体现其自然用水的水量和用水规律，传统的水量预测方法不能发挥其 功能。水厂各时段产水量主要由水源水量调配和用水指标决定。此外通常的用 水量预测，得到的是系统的总用水量，限于实测条件难以做到节点流量的预 测。如何确定总用水量在各节点的分配? 如果按“比例负荷”来进行，有待进步 的研究【8 1 。 从调度控制城市给水管网这个复杂大系统的角度来说，虽然采用管网的宏 观模型无疑较微观模型节省了计算时间和存贮容量，但该模型并不能了解管网 内部的工作状况，不能完全取代微观模型。随着计算机技术的发展，计算速度及 存贮容量的对管网计算的限制会逐渐减小，微观模型在节点流量及摩擦阻力系 数的确定方面尚需发展准确、可行的分析方法。 多数给水管网系统的运行决策问题都是复杂的、大型的、非线形的、混合 变量问题，因而难以直接求解。优化控制算法的选择是管网建模的核心，考虑 到给水管网的复杂性，特别是受到管网模型的限制，至今难以找到统一有效的 优化算法。 笔者从事给水管网系统方面的研究2 0 多年，积累了丰富的经验。曾主持或 参加了国家“8 6 3 ”、国家自然科学基金、省级科技攻关等多项课题。该学位论文 也是笔者从事多年科研的总结。 该课题研究的目的是：根据我国城市给水管网的特点及运行管理模式，提 出用水量的预测技术，构建给水管网的微观模型及模型校核方法并应用于实际 工程。 通过这一课题的研究，形成一套完整的给水管网系统工况模拟技术，为给 水管网的优化运行及改扩建创造良好的基础。 本课题以“8 6 3 ”分项课题“出厂水二次污染控制和安全输配技术”为立项背 景，作为“8 6 3 ”分项课题的基础性研究内容。出厂水二次污染控制及安全输配技 术研究的主要内容是建立给水管网的水质模型，该模型的基础条件就是给水管 网的工况模拟，即建立微观模型，进行各种条件下的水力计算。工况模拟的耪 度直接影响给水管网水质模型的精度。因此，开展该课题的研究不仅可以提高 供水企业的管理水平和经济效益、社会效益，而且对于安全供水和防止水的管 网二次污染都有着十分重要的理论意义和应用价值。这也是目前国内供水企业 关注和亟待解决的生产实际课题。 1 4 国内外研究现状及发展趋势 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给水系统运行工 况模拟手段的探索，如美国的费城，丹佛1 q 及加拿大的多伦多i l 叫等城市，就是 采用遥测设备将管网中控制点的压力、水厂出口压力、出厂流量、水位、功率 及温度等实际运行参数自动传送到中心调度室，并对异常现象做出自动报警， 以此作为管理人员实际操作的依据。目前在美国、英国、日本、法国等地的一 些城市已基本实现了简单的给水管网系统计算机优化管理，并编制了一些相应 的管理软件，如英国及美国某些城市的供水管理部门“副等。d a s a v i c 、 g a w a l t er s 【i3 1 、w b f d es c h a e t z e n 1 4 1 和m v f p e r e i r a 、l m v g p i n t o t qn e s a i l i c h t 怕】等人将随机系列算法，重点是遗传算法引入供水系统状态变量方程求解 中，并进行深入研究，取得了良好的效果。b u l a n i c k i l l7 j 和g c e m b r a n o i i s l 等人 分别采用g a m s 建模语言，应用c o n o p t 优化软件包求解供水系统非线性的 优化问题，力图建立运行管理的通用软件。b c o u l b e c k 1 9 l 开发了给水管网模拟 计算软件包g i n a s f i n e s s e ，并将其应用在实际泵站的优化调度中，取得了 明显的节能效果。b u l a n i c k i i 捌等在给水管网优化运行模型中考虑了新建管网的 水泵选择和水质情况。k e v i ne l a n s e y | 引j 在优化管理模型中加入了水泵歼关次数 的约束条件。p a u lw j o w i t t l 2 2 l 、u ，z e s s l e r l 2 3 】4 等管网方程组线性化，并以线性规 划求解该模型。l e vf i n k e l s t e i n t 2 4 1 用人工智能机器学习理论解决传统优化调度问 题，并与已有的算法进行比较。l i n d e l le o r m s b e e f 2 习收集大量代表性文献，回 北京工业大学t 学博士学位论文 顾总结国外现有的给水管网系统模拟方法，按管网规模( 水池数目、水源数 目) 、水力工况模型形式、水量预测方法、数学模型形式( 动态、非线性、混合 离散、隐式) 进行归类分析统计，并分析各自的优缺点和限制因素。 根据目前所掌握的文献资料，国外在该课题的研究方面主要的进展情况如 下： ( 1 ) 用水量预测模型用水量预测是进行给水管网系统模拟的前提条件， 它的准确度直接影响模拟的精度。用水量预测可分为短期预测与长期预测。国 外许多学者在用水量短期预测方面开展了多方面的研究，主要在日用水量与时 用水量两方面从解释性预测与时间序列预测的不同角度，对预测模型输入变量 的精度及数量、输入变量与输出变量的因果关系以及影响输入变量的因素等问 题，提出了相关的数学模型或解释方法。如：m o s s ，m a i d m e n t ，s m i t h ，s t e i n e r , s a s t r i 等考虑过去用水状态预测日用水量【2 “3 2 l ，把系统视为“暗箱”，预测过程只 依赖于历史观测数据，据此建立了指数平滑预测模型、自回归模型、滑动平均 模型等。k l e i n e r 等人又在空间上，实现了给水管网事故时的用水量预测的节点 分配模型。 ( 2 ) 给水管网系统水力模型近年来，国外学者进行了大量水力模型的研 究1 3 4 3 5j ，从不同的角度和不同问题的需求出发，提出了宏观模型、微观模型、 简化模型三种类型。所谓宏观模型是指在配水系统的大量生产运行数据的基础 上，利用统计分析的方法，建立起来的有关给水管网参数间的经验数学表达式 【3 6 】。它不考虑给水管网中各节点、各管段的结构参数与状态参数，从系统整体 角度出发，直接描述主要参数间的经验函数关系。这些主要参数为给水管网系 统的进口流量、出口压力、调节构筑物状态、总供水量、控制点的自由水头 等。r o b e rd e m o y e r 首次提出给水管网系统宏观模型之后1 3 ”，许多国外学者又 相继建立了线性动态模型、比例负荷模型、非比例负荷模型口8 4 ”。所谓微观模 型是指充分利用给水管网运行的数据，全面考虑给水管网的拓扑结构，从系统 的基本组成元件的水力特性出发，用稳态下的管网水力方程描述和计算给水管 网系统的非线性特性所建立的模型。该模型的核心内容是连续性方程和能量方 程的求解与约束条件的量化与数学表达。与宏观模型相比，微观模型对给水管 网系统的变化及节点用水量分布的变化适应性更强。y z h e n g 等人充分论证了 管网拓扑结构发生变化时，微观模型的维护原则及过程【4 ”。在此基础上，又有 人对微观模型的数据结构、水力计算形式及模型求解进行了研究1 4 4 “j 。建立的 给水管网系统微观模型，需校核后方可保证其准确性。微观模型校核过程就是 消除模型计算值与现场监测值之间的偏差，经过许多学者研究，出现了多种校 核方法，包括“模型复核”、“参数调整”、“模型校正”、“阻力系数辨别”、“状态 估计”、；渗数估计，等方法。m g r e c o i 叫和l e oa i n 0 1 a f 4 8 】总结了前入的研究成 果，提出调整漏失系数和阻力系数的校核方法，但从实用角度，该方法具有显 著的局限性。所谓简化模型是介于宏观模型与微观模型之间的数学模型，该模 型一般用逐条管段简化法和参数拟合法求解1 4 ”。在此基础上，b r a n d o n 提出了 简化模型分步求解的方法u ，将管线的串、并联形式及替代管线的当量阻力问 题与用户的分布、沿管线流量的变化相结合，建立简化模型。h a m b e r g 和 s h a m i r 对这种方法作了进一步探讨，提出了逐步合并系统中的管段的操作过程 p ”。由于简化模型的实质是网络结构的改变1 5 ”，所以它把整个配水系统分为若 干个区域，使管网中每个节点仅属于一个区域。d e m o y e r 和h o r o w i t z l 5 3j 以及 c o u b l e c k t 5 4 1 建立了由一个多项式方程组成的简化模型，用来反映系统中不同元 件之间的相互影响关系。在某些特殊情况下，可以用一个简单的线性化的方程 式描述管网的特性。如：j o w i t t 和g e r m o m o p o n l o s f 5 5 1 用一个近似的线性模型模 拟一个由泵站控制的管网系统，l i t t l e 和m c c r o d d e n 5 6 】建立了一个简单的线性模 型模拟水池液位基本恒定的给水管网系统。 国外尤其是发达国家给水管网系统有如下特点： ( 1 ) 给水管网布置形式比较简单，多数采用枝状管网形式，由于人口和城 市规模发展缓慢甚至萎缩，用水量变动幅度小。 ( 2 ) 普遍实行变电价政策，管网中含有多个调节水池，可充分利用峰谷电 价调节供水。 ( 3 ) 资金充裕，调度监测系统( s c a d a ) 建设完善，数据采集能力强， 大中城市可实现离线控制，小城镇或简单供水区域己实现在线控制。 ( 4 ) 管网中设有很多减压阀、调节阀、节流阀等关键控制性阀门，调度手 段灵活多样。 ( 5 ) 普遍实现按流域、跨地域、分区供水，长距离多级调度供水。 ( 6 ) 管网模型求解一般采用线性近似简化计算方法。 国内城市给水管网系统模拟技术的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，赵洪宾教 授将计算机技术应用于给水管网系统的建模中，提出了“实用工况”和微观模型 与宏观模型相结合的建模思路及分析方法1 3 1 ：陈跃春7 1 提出了建立时段宏观模 型的方法：王训俭等b 鲥对非比例负荷宏观模型进行了研究：姜乃昌、韩德宏 b 扪研究了泵站内变速泵变速调节的优化调度问题：姜乃昌、韩德宏巧”提出了 用于给水管网工况分析的解析宏观模型；赵新华1 等运用统计回归法建立了 给水管网系统等效网络模型，对配水管网进行了动态模拟；郑爽英”对沈阳 市给水管网系统宏观调度模型进行了研究：孙文深哺引结合大庆给水管网系统 提出了实用给水管网工况分析与模拟的方法；吴学伟哺”在模拟管网和实际管 网中进行研究并建立了给水管网系统多目标直接优化模型。同时哈尔滨工业大 学给排水系统研究室先后在哈尔滨、大庆、郑州、沈阳、牡丹江、赤峰、大连 等地进行了给水管网系统运行工况分析的实际应用，逐步由管网综合信息管理 与简单平差计算相结合的朴素观点，上升到系统的给水管网建模理论坤“卅。到 9 0 年代末，以赵洪宾教授为首的课题组开始以天律给水管网系统为例正式进行 建模工作的研究旧7 0 1 ，并在旅顺、烟台等地管网建模工作中使建模理论得以发 展。 根据国内的研究情况，主要有以下几方面的成就： ( 1 ) 完成了给水管网系统图文数据库的建立该数据库可以录入不同规模 的给水管网全部资料，并具有动态管理、可查询、可修改的功能，与地理信息 系统进行了有机的结合，该研究成果为提高供水企业的管理水平与档次奠定了 基础。 ( 2 ) 给水管网系统建模的基础工作国内许多学者在借鉴国外同类研究成 果的基础上，在给水管网系统的建模方面做了大量工作，并取得了有益的研究 成果。首先，在用水量的预测上，不仅用时间序列和非线性回归的方法进行中 长期预测，而且构建了适合我国各供水企业实际情况的组合模型，并引入神经 网络方法进行求解，取得了可以满足生产需求的效果；其次，在计算方法上， 引入了现代数学，使得给水管网的许多工程问题可以建模”l 或量化，在理论 上，拓宽了给水管网的基本方程组【7 ”。尤其是管网平差计算，结合软件技术的 发展，得到了大幅度的改进与提高：第三，随着控制技术的发展，给水管网系 统状态变量与控制参数的在线控制方式得到了发展在手段与装备上具有显著 的先进性和实用性；第四，国内的供水企业，纷纷投入