（环境工程专业论文）城市给水管网爆管事故在线监测研究.pdf

中文摘要 城市给水管网爆管具有突发性强的特点，不仅会造成大量水资源的浪费，而 且还可能影响到城市的正常运行。目前，我国大中城市主要根据地面是否有水溢 出( 居民报告或人工巡视) 来发现爆管事故和寻找爆管位置。虽然现有的s c a d a 系统也具有简单的报警功能，但是由于目前我国大中城市给水管网中水压流量 监测点的密度还很低，难以对爆管位置和爆管程度进行快速准确把握。 本文的主要工作是在前人研究的基础上，对城市给水管网爆管事故在线监测 进行系统的研究，包括爆管事故状态的水力分析、爆管事故的在线监测、以及流 量监测点的优化布置等内容。本文的主要创新之处如下： ( 1 ) 提出了城市给水管网爆管事故状态水力分析的一个方法，方法并可以考虑 渗漏、低水压供水以及泵站启动的影响，通过数值计算分析了爆管位置和爆管程 度对管网节点水压的影响。 ( 2 ) 提出了城市给水管网爆管事故在线监测的一个方法。方法通过在线监测爆 管前后给水管网中几个节点的水压变化，利用人工神经网络技术来诊断爆管位 置、爆管程度和爆管事故的影响范围。方法可适用于给水管网爆管事故及其他突 发事故等的在线监测。 ( 3 ) 提出了城市给水管网爆管事故在线监测的第二个方法。方法通过在线监测 爆管前后给水管网中几个节点的水压变化，利用人工神经网络技术来推测管网中 其它所有未监测节点的水压变化，从而快速和准确地诊断爆管位置和爆管程度以 及爆管事故的影响范围。 ( 4 ) 提出了城市给水管网流量监测点优化布置的一个方法。方法采用摄动分析 建立给水管网流量敏感度方程，通过敏感度分析解决流量点的优化布置问题。方 法不仅可以找出管网中流量最敏感的管段，而且还可以根据流量敏感度排序进行 管网分区。 关键词：给水管网，爆管，在线监测，水力分析，神经网络技术，优化布置 a b s t r a c t ab r e a ki nu r b a nw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ， w i t h s t r o n gu n e x p e c t e d c h a r a c t e r i s t i c s ，n o to n i yw 1 lr e s u l ti nw a s t eo fw a t e rr e s o u r c e ，b u ta l s om a ya f f e c t o r d i n a 叮o p e r a t j o no ft h ec i t ) r u p t on o w ，b r e a kp o s i t i o na n de x t e n ti nw a t e 。 d i s t r b u t i o ns y s t e m sa r ef o u n dm a i n l yb a s e do ni ft h e r ci s w a t e ro v e r f l o w ( b y r e s i d e n t i a lr e p o r t i n go ra r t 讯c i a li n s p e c t i o n ) i nl a 唱ea n dm o d e r a t ec i t j e si no u r n a t i o n a l t h o u g he x i s t i n gs c a d as y s t e m s c a np e r f o 唧s i m p l ew a m i n gf u n c t i o n ，b e c a u s et h e d e n s i t yo fw a t e rp r e s s u r e n o w r a t es t a t i o n si sv e 呵l o wi nw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m si n i a r g ea n dm o d e r a t ec i t i e si no u rn a t i o n ，i ti sd i 伍c u l tt 0d i a g n o s et h eb r e a kp o s i t i o n a n de x t e n tq u i c k l ya n da c c u r a t e l y b a s e do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c h 、o r k ，t h i sd i s s e r t a t i o ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d o n l i n em o n i t o r i n ga n dd i a g n o s i so fb r e a l ( si nu r b a nw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，w h i c h i n c l u d e sh y d r a u l i c 锄a l y s i si nb r e a ks t a t u s ，o n l i n em o n i t o r i n go fb r e a l ( s ，0 p t i m a l m o n i t o r i n go ff l o w r a t es 协t i o n s ，e t c t h em a i l li 0 v a t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o n a r e f o i i o w e d ： ( 1 ) am e t h o df o rh y d r a u l i ca n a l y s i so f 锄u 南锄w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m i n m h l t i p l eb r e a k ss 乜咖si sd e v e l o p e d ，i nw h i c hl e a i ( a g e ，l o ws u p p i yp r e s s u r e ，a n dp 啪p s c a nb ec o n s i d e r e d t h ee 骶c to f p o s i t i o na n de x t e n to fab r e a k o nn o d ep r e s s u r ew 舔 d i s c u s s e d ( 2 ) am e t h o df o ro n l i n e 面o h i t o r i n go fab r e a ki n 锄u r b 锄w a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mi sp r o p o s e d t h em e t h o dd i a g n o s e sb r e a kp o s i t i o n ，e ) 【t e n ta n di n f l u e n c ea r e a u s i n gn e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u eb a s e do no n l i 鹏m o n i t o r i n g o fw a t e rp r e s s u r e v a r i a t i o na ts c v e r a in o d e si nt h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mb e f o r ea n da r e rt h eb r e a k t h em e t h o dc a nb ea p p i i e dt oo n l i n em o n i t o r i n go fb r e a k sa n do t h e ru n e x p e c t e d e v e n t si naw a t e rd i s t r b u t i o ns y s t e m ( 3 1t h es e c o n dm e t h o df o ro n l i m o n i t o r i n go fab r e a ki n 锄u r b a nw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sp r o p ：0 s e d 1 n h em e t h o dq u i c l ( i ya n da c c u m t e l yd i a g n o s e sb r c a k p o s i t i o n ，e x t e n ta n di n f l u e n c ea r e a b a s e do nw a t e rp r e s s u r ev a r i a t i o n a ta 儿 n o n m o n i t o r i n gn o d e si n 恤w a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，w h i c ha r ee s t i m a t e d b y0 n l i n e m o n i t o r i n go fw a t e rp r e s s u r ev a r i a t i o na ts e v e r a in o d e sb e f o r ea n da r e rt h eb r e a k s u s i n gn e u r a in e t w o r kt e c h n i q u e ( 4 ) am e t h o df o ro p t i m a im o n i t o r i n go ff 0 1 w r a t ei na nu r b a nw a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e mi sp r o p o s e d t h em e t h o de s t a b l i s h e ss e n s i t i v i 妙e q u a t i o no ff l o w r a t ei nt h e w a t e rd i s t r i b u t i o n s y s t e m b yp e r t u r b a t i o na n a l y s i s ， a n dr e s o l v e st h eo p t i m a l m o n i t o r i n go ff l o w r a t eb ys e n s i t i v i t ya n a i y s i s t h em e t h o dn o to n i yc a nn n dt h em o s t s e n s i t i v ep i p es e g m e n t ，b u ta l s oc a nz o n et h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mb a s e do nt h e s e n s i t i v i t 、，o r d e ro ff l o w r a t e k e y a n a l y s w o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，b r e a l ( o n l n em o n i t o r i n g ，h y d r a u i i c i s ，n e u r a ln e t w o r kt e c h n i q u e ，o p t i m a lm o n i t o r i n g 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘鲎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了谢意。 学位论文作者签名： 有筒 签字日期：二口口舌年，2 月弓口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫凄盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 商笛 签字日期： 卯多年fz 月矿日 刷醛轹黝华 签字日期： 秒多年o 角 日 天津大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 一个城市的供水系统通常是由取水构筑物、水处理构筑物、泵站、输水管和 管网、调节构筑物等五大部分组成。输水管、管网、泵站和调节构筑物等组成供 水和配水系统，通常被称为输配水系统或给水管网。 在我国各城镇，随着工业的发展，人口的增长，生活水平的提高，以及用水 设备的改善，使得用水量逐年增加。城市给水管网也经历了从无到有，从小到大， 不断更新改造、新建、扩建逐步发展的历程。给水管网就象一座桥梁将水厂与广 大的用户紧密地联系在一起。它担负着将净水厂处理合格的水按用户要求的水 量、水压输至各用水点的任务，不仅关系到千家万户城市人民的日常生活，而且 也关系到工业生产和各企、事业单位、公用设施及城市消防等社会生活的方方面 面。因此，给水管网是城市最重要的生命线系统之一，其正常安全运行直接影响 到城市的正常运行。因管道周围土体变形、管道生产工艺和材质、管道接口和施 工质量、管体腐蚀、气温变化及管理调度等因素，给水管网常常发生管道爆裂事 故。爆管不仅会造成饮用水的巨大浪费，还会因爆管引起局部停水和水压降低而 给城市的经济生产与居民生活带来极大的不便。 据新华网报道n 1 ，2 0 0 5 年6 月3 日中午1 2 时，成都市三槐树路发生直径1 0 0 0 毫米水管爆裂，巨大的水流冲破柏油路面喷涌而出，整个路面积水达半米深，从 二号桥到红星路整条三槐树路变成河流( 图卜1 ) 。在爆管近两个小时之后，水 闸才得以完全关闭，爆管使得附近居民用水受到了很大影响，并使交通一度中断。 据调查，爆管原因是由于气温引起管道热胀冷缩而引发的自然爆管，爆裂管道是 服役2 0 多年的老管线。 据天津城市快报拉1 报导，2 0 0 6 年9 月5 日下午4 时，天津河北区真理道与红 星路交口，地下一根直径6 0 0 咖自来水主干管爆裂，导致附近4 条路积水( 图卜2 ) 。 爆管时路面出现一个大口子，喷起3 4 m 高的水柱，1 5 分钟后抢修人员赶到。由 于跑水量大，尽管及时关闭附近的几个闸门，但仍无法阻止喷水，短短2 0 分钟， 4 条道路不通程度积水，最深达半米多。事故周边地区水压也有不同程度降低。 据2 0 0 3 年1 0 月1 4 日在沈阳召开的全国城市节水工作座谈会暨城市供水管 网漏损控制研讨会公布的数字，我国城市供水因各种管道事故，每年漏损近1o o 天律大学博士学位论文第一章绪论 图卜1 成都市三槐树路爆管导致街道大量积水 主干管爆裂水淹4 条路 图卜2 天津市真理道与红星路交口爆管积水情况 亿m 3 ，爆管是引起的漏损的主要原因之一。据对6 6 0 余个城市的统计，近3 年全 国平均每年城市节水量约为3 5 亿m 3 ，每年漏损水量就相当于全国3 年的节水量。 据2 0 0 2 年城市供水统计年鉴对其中4 0 8 个城市的统计表明。1 ，管网漏损率平均 为2 15 ，远远高于1 2 的国家考核标准。以昆明市自来水总公司为例，全市每 年有2 0 0 0 多万m 3 的自来水在流失，相当于一万个普通家庭4 0 年的用水量。 天津大学博士学位论文第一章绪论 另据中国新闻网报道h 1 ，2 0 0 5 年6 月7 日在上海举办的一个国际给水网络管 理论坛上，香港水务署的专家说，香港每天的供水量为七百八十万m 3 ，整个城市 拥有一个庞大的供水管网，主要管线总长度超过七千四百公里，其中使用时间超 过三十年的约占百分之四十五。现在香港每年供水管线发生爆管两千起以上、管 漏一万多起，因此浪费的水量约占全部城市供水的五分之一。上海的专家介绍说， 上海每年用于管线的开挖抢修费用超过一亿元人民币，供水管线的爆管和漏水造 成大量水资源的浪费。建设部地下管线专业委员会的专家表示，目前中国城市供 水的平均漏失率约为百分之二十左右，而日本约为百分之十，美国为百分之八， 。德国更是低于百分之五。中国城市供水的高漏失率既增加了供水成本，也增加了 城市居民的用水开支。与会专家一致认为，对于中国这样一个水资源短缺的国家， 城市供水管线漏水情况应该引起管理机构的充分重视。 爆管漏损的水都是经过处理加工的水，一方面水资源紧张，供水能力不足， 而另一方面大量的水却白白漏掉。更严重的是，爆管发生时，会引起局部断水和 水压降低，既造成较大社会损失，同时也带来企业经济损失，有时还带来水淹、 锅炉爆炸等次生灾害，给人民生活、工业生产和社会安定带来了较大影响哺1 。因 此，降低供水管网的漏水率，加强城市给水管网爆管事故的监测研究工作，在我 国势在必行。 爆管作为给水管网漏损的主要形式之一，还具有突发性强的特点，一方面它 会造成大量水资源的浪费，另一方面它还可能影响到城市的正常运行。 目前，我国对爆管事故主要根据地面是否有水溢出( 居民报告或人工巡视) 来发现爆管事故和寻找爆管位置。这种方法常常会带来这样的后果：待到发现爆 管事故和找到爆管位置时，已经造成大量水的流失和已经影响到城市的正常运行 ( 如图卜1 、卜2 ) 。而且，如果爆管导致的漏水直接进入附近的排水管渠无法达 到地面，则爆管事故发生后常常数日甚至更长时间才能发现，有时则根本无法发 现嗍。这些问题严重制约着我国大中城市给水系统的服务质量和管理水平以及节 约型社会的建设，难以适应我国社会发展的要求。 近些年来，我国大中城市给水系统相继建立了水压或流量自动监测的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc 0 n t r 0 1 锄dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系统口q 3 】，它利用传感器对给 水管网一些重要节点的水压和流量进行自动实时监测，并采用无线( 或有线) 传 送方式定时将水压和流量信号传回控制中心，目的是监控整个给水系统的运行状 况，优化供水调度，提高管理水平。虽然现有的s c 仰a 系统也具有简单的报警功 能，但是由于目前我国大中城市水压流量监测点的密度还很低，难以对爆管事 故的位置和爆管的程度进行准确把握。 由此可见，进行旨在能够快速准确诊断爆管的位置和爆管的程度以及爆管的 天津大学博士学位论文第一章绪论 影响范围的城市供水管网爆管事故在线监测和诊断研究，是我国推进节约型社会 建设的一个重要需求，具有重要的理论意义和巨大的社会效益。 1 2 研究现状及存在问题 1 2 1 爆管事故的监测和诊断 ( 1 ) 检测方法与设备 发达国家比较重视有关给水管网漏损的研究工作，主要利用仪器进行漏损检 测，并且很早开展了漏损检测技术、方法及设备的研究、开发工作，并成立了相 关学术研究机构n 町，如英国、美国、日本都有专门的机构对管网漏损问题进行 了研究，在长期工程实践中逐渐建立并完善了多种检测方法，取得了良好的漏损 控制效果。国外比较常用的检测方法主要有跚1 ：人工巡视法( 或被动检漏法) 、 音听检测法、相关分析检测法、区域检测法、区域装表法和雷达检测法等，常用 的检测设备主要有：听漏棒、电子听漏仪、噪声自动记录仪、相关仪等。 人工巡视法主要依据人工分区巡视或用户报告，亦即根据明漏来发现管网漏 损处，投资较少但效率较低，可靠性和准确性均比较低，人工巡视法发现的漏损 以明漏为主，往往造成大量漏水后才能发现，难以满足现代城市的需要。 音听检测法可分为阀栓听音( 亦称直接听音) 和地面听音( 亦称间接听音) 两种。前者用于查找漏水的线索和范围，简称漏点预定位，后者用于确定漏水点 位置，简称漏点精确定位。 相关检测法的二个探测器必须直接接触管壁、阀门、消火栓等附属设备。输 入管道材质及长度等数据，相关仪能分析漏水点距探测器的距离。探测器与相关 仪间的讯号传输，可以是有线的或无线的。在检漏过程中，探测器不断向前延伸， 相关仪也跟着向前延伸。该方法适用于两接触点距离小于1 0 0 2 0 0 m ，直径小于 等于4 0 0 m m 的金属管，尤其是深埋或经常有外界噪音的管段，在适用范围内可 “获得较高的正确率。 因使用该方法检漏费用较高，所以一般用于音听法检漏有疑问而管段条件又 符合时，复验漏水点的位置。由于该法是根据漏水声波的频率和传到不同传感器 的时间差来定位泄漏点，一方面受环境噪声的干扰较大，另一方面受声波在管道 中传播速度估计不准的影响，所以可靠性较低。 区域检测法适用于居民区或深夜很少用水的地区。实际操作时，区内管网阀 门必须均能关闭严密。区域检测法又可分为直接区域检测与间接区域检测。前者 就是在测定时除了关闭所有进入该区的闸门( 不包括检漏水表) 外关闭所有用户 水表前的进水闸门，这样测得的流量就是此时该区内管网的漏损水量。后者则在 4 天津大学博士学位论文 第一章绪论 测定时关闭所有进入该区的闸门( 不包括检漏水表) ，原则上不关闭用户的进水闸 门，这样测得的流量包括管网漏损水量和个别用户的漏水量。这一方法在实际中 较常用，准确性较高，但操作起来较复杂而繁琐。 区域装表法是把供水区分为若干个小区，除留一或二个装有水表的进水管 外，关闭小区与外界的联系阀门，使小区内总用水量可计量，同一时刻计量该区 内所有用户水表水量，对两个流量进行比较，其差值为小区的漏损水量，若在允 许范围内，则不需检修，若超出允许值，则需进一步进行音听检漏。 雷达检测法主要利用雷达对地下供水管道进行测定。探地雷达所能收集的资 料非常丰富，除可探测出地下供水管道、煤气管、下水道、电缆等位置及地下土 壤情况；也可检测难以发现的管道泄漏，管道的不均匀沉降等资料；还能用于预 防性的测量，发现隐患，提高漏损的控制水平。但雷达检测法难以实时检漏，并 且在漏损的初期难以准确判定。这里需要指出的是，利用检漏仪器进行漏损或泄 漏检测均无法实现实时检漏，效率较低，同时精度也较差。 和国外相比较，国内各城市供水企业通过长期的实践与研究，在给水管网的 技术管理上积累了丰富经验。近几年许多城市开展了给水管网普查和漏损定位的 科研工作，通过建立给水管网计算机管理系统，实现了动态管理；个别城市还安 装了一定数量的连续监测仪表，建立了管网的地理信息管理系统( g l s ) ，利用先 进管理手段，使运行趋于科学合理；有的城市还配备了一定数量的管网检漏设备 ( 如听漏棒、电子听漏仪、相关仪等) ，加大了管线的检测力度，变被动检漏为 主动检漏，对提高供水效率取得了一定的效果，为推动全国供水管理和提高漏损 控制水平起到了示范作用。 然而，由于我国大部分城市供水管道分布比较复杂，国外的区域装表法、区 域检漏法等在我国并不实用，再加上管理等多方面问题，致使大多数供水企业漏 损检测仍以被动检漏法为主，漏损控制处于较低的管理水平。 ( 2 ) 爆管的检测与诊断 作为一管网水力学逆问题，如果能知道某管道局部破坏后管网所有节点的水 压，我们可以传统的水力学分析方法反推破坏位置及破坏程度，但这需要监测管 网所有节点水压，难以实现。 近年来，随着s c a d a 技术的广泛应用，基于压力和( 或) 流量分析的漏损或 泄漏诊断成为国内外主要发展的方向，也因此成为国内外研究的热点之一。 美国康乃尔大学l i g g e t t 教授和他的研究小组是国际上最早进行基于压力和 ( 或) 流量分析的供水管网漏损诊断的课题组之一。1 9 9 2 年，l i g g e t t 教授和他 的研究小组提出了基于压力和流量的逆分析法吼1 ，逆分析法是一种动态的泄漏检 测方法，能适用于稳态和瞬态的条件。研究表明，漏损诊断结果取决于监测点的 天津大学博士学位论文第一章绪论 数目和监测点的位置，当监测点多于漏损点时，成为一超定问题，可以得到较好 的结果，而当监测点少于漏损点时，成为一欠定问题，难以得到理想结果。随后， l i g g e t t 教授和他的研究小组基于管网瞬态分析，设想一旦某个管段出现破坏， 就会产生一突发压力波，该压力波将先后传播到距离较近的几个压力监测点，然 后根据传播的路径和时间差来诊断爆管位置池1 ，但实际上由于压力监测点数目与 管网节点数目相比相差甚远，路径很难唯一确定，而且该时间差通常很短，受压 力监测信号采集、处理和无线传输时间间隔的限制，具体实施将是非常困难的。 另一个可选择的方法是：以管网内在线监测点的观测值和动态水力模型计算模拟 的水头值之差的平方和最低为目标，寻找理论上可能存在的泄漏点，但该法受限 于水力模型的误差、传感器的数量和配置及传感遥测数据的精确性和可靠性。近 期，l i g g e t t 教授和他的研究小组又提出了瞬态分析与遗传算法1 和阻尼法瞻帕， 并进行了瞬态分析的最优监测研究嘲。此外，b u c h b e r g e r 和n a d i 叩a l l i 提出了漏 损诊断的流量统计法哺1 ，通过对夜间用户流量记录进行统计分析来诊断管网内是 否有泄漏存在。 国外的供水管网一般已进行分区嘲，即由一系列计量区域组成，各计量区域 是封闭的，计量区域间通过阀连接( 阀通常是关闭的) ，通常在计量区域边界的 进口或出口处设置流量传感器。因此可以采用基于管网分区的泄漏检测定位方 法，首先，应用模式识别技术，将每一d m a 层次的传感器的一系列时间输出作 为一个信号，利用统计学( 条件概率、m d n 混合密度函数) 和人工神经网络( 条 件密度估计网络) 知识，在每一个时间段输出一个状态( 正常状态或故障状态两 种模式) 。其次，采用一个逻辑规则模块对所有d m a 层次传感器的输出状态进行 融合，可对整个供水管网进行全面的状态分类。最后，对存在故障的计量区域， 进一步进行压力梯度研究，对区域内压力监测点的数据进行周期差分过滤，得正 常状态下每一时刻的均值，用该值减去故障( 爆管) 时各点的压力监测值，根据 压降值的大小即可进行故障位置的定位。 二 该法有较强的实际可操作性，但它是以国外管网多为分区为理论前提的，不 适用于国内管网：其一，国内大多管网规模较大，密度较大，连接复杂且目前还 不存在分区；其二，在线监测设施不及国外完备。 国外其他的代表性工作还有参数识别法、最优控制法、频率响应法、 脉冲响应法口妇等。需要指出的是，尽管这些研究均基于压力和流量的分析，在漏 损诊断的速度和精度方面比现有的音听检漏法和相关检漏法等有显著提高，但仍 然无法做到漏损实时( 在线) 诊断。为了进一步提高分析计算的速度，a l o n s o 等1 提出了漏损诊断的并行计算法。近期，m i s i u n a s 等1 进一步开展了根据爆管 产生的压力波来进行定位的研究，思路与文献 2 2 相同，具体实施也是非常困难 6 天津大学博士学位论文第一章绪论 的。 我国在供水管网漏损诊断方法研究方面主要集中在漏损信号的声学分析领 域，如文献 3 4 3 5 等；而在基于压力和( 或) 流量分析的漏损或泄漏诊断方面 与国外相比差距较大。国内主要采用定期抄表流量平衡法和阀门操作流量分析 法。前者根据小区流量异常来估计是否有大的泄漏，但无法定位，对小的漏损也 难以判别；后者需要逐段操作阀门并抄录旁通瞬时流量来计算漏损的大小以及漏 损的大致位置，需要深夜实施并结合检漏仪器才能实现，对用户影响大；需要指 出的是，两者均无法做到漏损实时诊断，效率较低，精度也较差。仲伟俊等懈1 提 出一种状态估计方法，通过水力分析采用最小二乘法根据监测节点的压力和流量 来估计其他节点的压力和流量，思路与l i g g e t t 教授的逆分析法伫2 1 相同，但仍然 存在超定和欠定问题。朱东海等。钉提出了一个根据水压监测进行爆点动态定位的 神经网络方法，但需要监测供水管网所有节点压力，难以实现，因为我们不可能 对所有节点的压力进行监测。江朝元等1 采用负压波传播到上下游的时间差和管 内压力波的传播速度并结合流量检测法进行漏点定位。伍悦滨和刘天顺啪1 采用瞬 变反问题分析数值模拟来确定给水管网漏失点和漏失量。本文作者在赵新华、 张宏伟和梁建文等几位老师指导下，提出了通过供水管网有限个监测点压力的变 化，利用人工神经网络技术来推测爆管位置和爆管程度，得到了比较满意的结果。 由于人工神经网络的训练可以预先( 离线) 进行，从而可以做到实时识别；同时 采用人工神经网络技术来建立逆分析模型，仅仅需要产生足够的输入( 监测点压 力变化) 与输出( 破坏位置和破坏程度) 关系数据，充分利用了人工神经网络在非 线性映射方面的优势，以克服其它数学模型在处理强非线性问题上的不足：另外， 人工神经网络技术还具有强大的容错功能，可以大大降低识别的失误率。本文作 者等“妇在文献 4 0 的基础上，提出了采用人工神经网络技术建立有限个监测点压 力的变化与其他非监测点压力变化之间的关系，模型和结果均更加可靠，为供水 管网的爆管位置和大小的诊断开辟了一条新的途径。 爆管事故( 位置和程度) 的快速准确诊断还可为给水管网事故后紧急调度， 尤其是旨在隔离爆管点的阀门调度和抢修决策等纠1 1 的实现提供科学依据。 1 2 2 给水管网的优化监测 随着s c a d a 技术在我国大中城市中的广泛应用，给水管网压力和流量监测点 的优化布置研究也迅速成为研究的热点之一。 美国康乃尔大学l i g g e t t 教授和他的研究小组基于瞬态水力分析对给水管网 进行了最优监测研究哑1 ，目的是为了提高根据传播的路径和时间差来诊断爆管位 置陇1 的精度，作者把问题归结为包括求解精度、投资费用等多目标优化决策问题， 天津大学博士学位论文第一章绪论 以期给出优化监测方案。 国内较早开展压力和流量监测点优化布置研究的主要有文献 5 3 5 5 。文献 5 3 定性分析了测点布置问题，但主要靠经验方法，很难达到最优的目标。陈森 法等哺郇将给水管网的最优监测归结为一个多目标决策问题，从系统工程的角度研 究了监测点数目、位置以及投资费用等。天津大学王训俭教授从给水管网基本 状态方程出发，在系统运行工况灵敏度分析的基础上，提出了应用聚类分析方法， 将节点按水头变化规律分组，应用影响度和被影响度的概念来选择压力监测点的 方法，为监测点最优布置的研究指明了方向。黄廷林等一根据管网节点水压的 相关性，采用模糊聚类法进行了压力监测点的优化布置。文献 5 9 6 0 采用摄动 分析法建立给水管网压力和流量的灵敏度方程，通过敏感度分析解决了压力和流 量点的优化布置问题，方法不仅可以找出管网中压力和流量最敏感点，而且还可 以根据敏感度排序进行管网节点分区。郭思元等妇根据给水管网的运行监测数 据，综合利用变量相关系数和变量标准差等信息，建立了管网压力监测信息的优 化模型，并采用残差、信息损失比率及逐步回归方法，确定了压力监测点的优化 布置方案。周书葵等卅1 结合输配水管网拓扑结构图轮模型，利用聚类分析法， 根据管网中节点流量变化，提出了一种压力监测点和流量监测点优化选址的方 法。文献 6 5 考虑到测压点位置压力的代表性，采用图论理论对给水管网测压点 进行优化布置的方法。文献 6 6 通过微观模型的水力计算，分析管网压力波动敏 感区、以及管网低压和管网不利点的压力变化情况，发现管网压力变化显著点及 区域压力代表性点，进而确定压力监测点。 1 - 3 本文的研究目标、内容与技术路线 随着我国水资源日益紧缺，以及城市供水可持续发展的要求，对供水管网的 安全、可靠与经济地运行提出的要求将越来越高。供水管网爆管事故的在线监测 是一项系统工程，涉及到社会经济、环境、工程等许多方面。结合我国供水管网 运行和管理现状，本文主要是从给水专业的角度出发，交叉借鉴相关学科的理论 与方法，引入当代前沿科技知识，以供水管网爆管( 泄漏) 的在线监测定位为最 终目标，着重对其实现时必须解决的一些问题进行了深入细致的研究，以求获得 较大突破。 1 3 1 主要研究内容 本文的主要工作是在前人研究的基础上，对给水管网爆管事故监测和诊断进 行系统的研究，主要研究内容如下： 天津大学博士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 由水力学基本方程出发，根据管网线性图论基础和管网计算理论，在 对管网进行正常和爆管事故状态的模拟仿真的基础上，研究并提出给水管网爆管 事故状态水力分析的方法。通过例题进行数值计算，分析爆管位置和爆管程度对 管网节点水压的影响。 ( 2 ) 通过研究在线监测爆管事故前后给水管网中几个节点的水压变化，利 用人工神经网络技术来诊断爆管位置、爆管程度和爆管事故的影响范围。提出适 用于我国给水管网爆管事故及其他突发事故的在线监测与诊断方法一方法之一。 ( 3 ) 通过研究在线监测爆管事故前后给水管网中几个节点的水压变化，利 用人工神经网络技术来推测管网中其它所有未监测节点的水压变化，从而快速和 准确地诊断爆管位置和爆管程度以及爆管事故影响范围。提出了适用于我国给水 管网爆管事故及其他突发事故的在线监测与诊断方法一方法之二。 ( 4 ) 采用摄动分析建立给水管网流量敏感度方程，通过敏感度分析解决在 线流量监测点的优化布置问题。研究并提出给水管网流量监测点优化布置的一个 方法。研究如何应用该方法找出管网中流量的最敏感点，依据敏感度排序进一步 研究进行管网分区。 1 3 2 技术路线 本文研究的技术路线如下： 图卜3 技术路线图 9 天津大学博士学位论文第二章给水管网爆管事故状态模拟 2 1 引言 第二章给水管网爆管事故状态模拟 城市供水管网是重要的基础设施之一。随着用水规模的不断扩大及管道使用 年限的增长，城市给水管网逐渐暴露出许多问题。其中的主要问题之一是管网的 漏失问题。频繁的爆管，伴随着大量无法计量的水白白流失、管网局部中断供水、 并有可能引发管网“二次污染 等次生灾害。为了把泄漏降低到一个经济意义上 的最优水平，许多大的水司已经开始研究爆管( 或泄漏) 的检测策略，努力提高 整个管网的可靠性。 给水管网发生爆管事故后，管网的运行状态会出现较大变化。为了实现给水 管网爆管事故的在线检测，我们不仅需要了解给水管网正常状态的运行情况，还 需要了解给水管网爆管状态的运行情况。给水管网正常与爆管事故状态的水力分 析( 模拟) 是爆管位置和爆管程度以及爆管影响范围诊断的基础，而对给水管网 正常与爆管事故状态的深入认识，则依赖于对管网工况动态模拟的研究。 2 2 给水管网动态模拟研究的概况 供水管网系统是由泵站、管线以及闸阀等水力要素组成的大型复杂网络系 统。运行中的管网系统，其状态随用户用水量的变化而随机变化，加之结构的复 杂性，很多参数和状态变量是不确定的，整个管网工况表现出强烈的动态、随机、 不确定特性m 旧】。 ( 1 ) 由于城市发展的不规则性，致使城市供水系统的建设往往不能按照规 划进行，随意性很大，所以就使本来已十分复杂的供水系统内部连接方式更趋复 杂，新旧管网并存和跨越等多种情况。 ( 2 ) 管网结构参数如比阻和内径受敷设年代、内壁腐蚀、管内沉积及管材 等因素影响属于位置情况。如某市1 9 9 4 年d n 4 0 0 管道爆管后，内壁有粉末状及 块状的锈斑，厚度约为2 5 3 7 c m ；沿管壁断裂的柱线较长，且不规则，锈斑沿 管长分布不均匀。 ( 3 ) 实际管网节点流量具有随机性和时变性，难以跟踪实测。 ( 4 ) 管网运行中流态随机变化，流速和水压不稳定，使节点压力和管段流 1 0 天津大学博士学位论文第二章给水管网爆管事故状态模拟 量具有随机性。 ( 5 ) 由于管网中用户的发展和分布很不均衡，常常出现用水量大的区域管 径较小，而在用水量小的区域管径较大的现象。此外，由于水源开发缺乏长远规 划，供水与用水不协调，管网负荷处于有超、有欠的不合理状态，这些因素导致 管网流量分布的复杂性。 2 2 1 给水管网动态模拟的基本方法 城市给水管网动态模拟的基本方法可分为以下几步： 2 2 1 1 图形及图形属性的模拟 图形及图形属性的模拟要考虑模型的准确性，在建立给水管网模型时，需 对城市某些范围的管段进行模拟。模拟图形包括地理信息、大量用户信息和管网 附件等。其中每条管段、每个节点、每个水源等都包含许多信息，即属性。形成 一 管段、节点、水泵等数据库。 2 2 1 2 参数的模拟 ( 1 ) 海曾一威廉c 值。由于管网经过多年运行，导致内壁腐蚀、粗糙度增 加，致使管道的过水断面积变小，从而c 值大大降低。因此要通过现场实测和 回归分析公式模拟c 值。 ( 2 ) 定速泵流量一扬程曲线模拟。水泵投入使用后，由于长期的运行磨损 以及技术改造等原因，致使实际的水泵特性曲线偏离样本曲线。为提高模型计算 的准确性，优化调节水泵，实现减耗增效 的需要，在管网建模中，对水泵的 特性曲线进行实测。在保证供水安全、不影响生产的前提下，读取水泵在不同工 况的流量、出口压力、吸入口真空度以及高程差，以水泵的流量为横坐标，扬程 为纵坐标绘制曲线而成。 2 2 1 3 状态量的模拟 ( 1 ) 总供水量的模拟。在模型中历史供水数据直接模拟，以预测未来工况 总供水量。采用神经网络法进行预测，通过供水变化曲线，模拟总用水量。 ( 2 ) 调速泵流量一扬程曲线的模拟。监测各时段的调速水泵转速，模拟泵 的流量一扬程曲线：日= 彳+ b q + 2 。 ( 3 ) 城市日用水量变化曲线的模拟。 ( 4 ) 水泵开启情况的模拟。在一个城市给水系统中，水泵是系统中唯一的 能量补给装置，基本上决定了给水管网系统工况，必须准确模拟各时段水泵的开 天津大学博士学位论文第二章给水管网爆管事故状态模拟 启状态。 ( 5 ) 清水池动态水位的模拟。城市给水管网系统动态建模的核心是水力模 拟计算，在计算中，清水池的动态水位变化影响到计算结果。为此，必须准确模 拟出清水池在不同时段的水位。 2 2 1 4 节点流量计算方法 给水管网动态水力模型是在大量现场实测数据、大量用户读表现场数据和大 量用户每月读表组成的数据库基础上完成。节点流量由大用户用水量和沿线小用 户用水量组成。大用户用水量是比较确定的量，根据其位置以及实测得到的变化 曲线计算而成；小用户用水量按权值分配到整个管网。 2 2 1 5 水力模拟计算 通过对以上静态、动态信息的模拟，就可以开始进行水力模拟计算，即平差。 ( 1 ) 连续性方程 ( 2 ) 能量方程 ( 3 ) 水泵特性曲线方程 水力模拟计算是整个管网建模的核心，各个分析模块都以平差计算为基础。 2 2 1 6 模型校核 通过上述过程，可以建立一个初步的管网模型，通过水力计算，模拟实际管 网工况。但是，至此建立的模型往往不能在允许误差范围内仿真实际的给水管网 工况。为建立给水管网系统模型的可信性，建立模型基准，了解实际管网运行或 运行机理，必须进行模型校核。模型校核分两步：比较已知条件下的压力和流量 的监测值与计算值；调整模型中的某些参数，直到计算量与监测值在允许误差范 围内。 2 2 1 7 给水管网系统模型的维护和更新 给水管网系统每年都新增大量的管线，更新一些旧管线，管线拓扑结构的变 化，必须及时的反应到模型中。另外，水源的变化、大用水量用户位置的变化， 用户用水模式的变化，管网操作条件的变化等，都应在模型中做相应的修改。当 模型运行一段时间，如果现场监测量与模拟量之间的差值超过允许精度范围时， 应重新校核模型。 2 2 2 管网宏观模型研究的进展 宏观模型，就是在配水系统大量运行数据的基础上，利用统计分析的方法， 天津大学博士学位论文第二章给水管网爆管事故状态模拟 建立起来的各有关参数间的经验性数学表达式。它不必考虑全管网的各节点及各 管段的所有状态参数和结构参数，而从系统的角度出发，直接描述出与调度决策 有关的主要参数之间的经验函数关系。配水系统的宏观模型m 1 自1 9 7 5 年提出以 后，有了很大的发展且有许多表示形式。 2 2 2 1 比例时段宏观模型 通过分析供水泵站的供水量、供水压力、及控制点压力之间的关系，建立如 下比例时段宏观模型口： ( 1 ) 水厂的宏观模型 p ( f ) = c ( f ，1 ) + c ( f ，2 ) q 了+ c ( f ，+ 2 ) q ”( - ，) + c ( f ，+ 2 + 玎) 9 ( ) q ( f ) j l i，i i ( 2 1 ) 式中： n 管网中的水厂数； 尸( f ) 第i 个水厂的出水压力( 相对压力) ； q ( f ) 、q ( 歹) 分别为第i 、j 水厂的出厂流量； 幺全部管网的用水量； 口系数，口_ 1 8 5 2 0 ； c ( f ，) 系数数组，可以利用各水厂的运行数据通过多元回归的方法解 决。 ( 2 ) 压力监测点压力的宏观模型 日( _ ) = 6 ( 歹，o ) 6 ( 歹，f ) q 8 ( f ) + 6 ( _ ，h + 1 ) q ； j = l ，2 ，n p( 2 2 ) ，= l 式中： 。管网内部所设压力监测点数； 何( ，) 第j 个压力监测点的自由压力； q ( d 第i 个水厂的出厂流量； b ( j ，0 ) ，b ( j ，i ) 回归系数，可利用各厂及各压力监测点的运行数据 通过多元回归解决。 上述模型的意义是：水厂的出厂压力与管网总用水量、各水厂的出水量、该 水厂与其它水厂的流量均有关。监测点压力与管网总用水量、各水厂出水量有关， 故可表示成它们之间的相关函数式。 该模型适用条件是比例负荷管网系统，即管网中各节点用水量的比例在各个 供水时刻均为一个不变的常数。而我国的供水系统与国外有明显的不同，城市中 工业区、住宅区混合在一块，致使节点用水量与全网总用水量在一天内比例关系 天津大学博士学位论文第二章给水管网爆管事故状态模拟 不固定，即不满足“比例负荷条件，所以该宏观模型不适合于国内供水管网。 2 2 2 2 时段管网