（环境工程专业论文）给水管网压力监测点布置及自控调节阀优化控制的研究.pdf

第一章裁言 第一章前裔 。 谍短酶提塞及磷究意义 水熙宝贵的资源，自来水又是经过给水设备加工处理和输配的水资源， 建造和扩建给水设备需要大摄投资，加工和输配也需要一定的电力、药剂和 费用。为了更好地利用资源，改善给水服务供应，提高供水企她的经济效益 亵驻务效豢，毽赛各藿都懿满撰控铡终为一矮黧要工作来逶行璐究、开菱窝 实蕊，它已成为整个给水攀她的一个不可分熟豹重要组成部分。我国建设部 也十分煎视此项工作，在城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划f l 】中 明确提出把“降低漏耗”作为五个主攻方向之一。 但令人遗憾的是，出于管网老化、腐蚀，特别是爆管事故，给水管网 漏损承爨占慈爱承量懿魄铡越来越大，多在2 0 一3 0 之闻1 2 1 。资瓣统计”】， 我国多数城市管两漏水和爆管频率较高，表1 1 显示了1 9 9 1 年中国主要城 市与f 1 本横滨市7 5 m m 以上管道的爆管和修漏情况。这些漏掉的水都是经过 处理加工的水，一方面由于水资源紧张和供水能力不足已造成很大损失，而 另一方耐大量的水却白白漏掉。更严重的是，爆管发生时，会引超局部断水 移水压晦低，溉造成较大被会损失，同时也带寒企韭经济损失，鸯时还繁寒 求淹、锅炉瀑炸等凌生灾密，绘夫民生活、王鼗生产窝享主会安定荣寒较丈影 口向。 表1 11 9 9 1 年7 5m m 以上管道爆管和修漏情况比较 慧豹来说，馔承系统发生潺搂不仅会遥裁供承量懿减少，承滚源、麓添 和药物的浪费，同时还危及公共建筑和道路交通等。而减少泄漏刚会降低运 行费用，延缓与需求相关的资金支出。作为一种潜在的利润，估计执行适当 的漏损控制策略后，仅英网每年就会节省3 0 0 0 万美元【3 l ，甚至这个数字可 第一章裁言 第一章前裔 。 谍短酶提塞及磷究意义 水熙宝贵的资源，自来水又是经过给水设备加工处理和输配的水资源， 建造和扩建给水设备需要大摄投资，加工和输配也需要一定的电力、药剂和 费用。为了更好地利用资源，改善给水服务供应，提高供水企她的经济效益 亵驻务效豢，毽赛各藿都懿满撰控铡终为一矮黧要工作来逶行璐究、开菱窝 实蕊，它已成为整个给水攀她的一个不可分熟豹重要组成部分。我国建设部 也十分煎视此项工作，在城市供水行业2 0 0 0 年技术进步发展规划f l 】中 明确提出把“降低漏耗”作为五个主攻方向之一。 但令人遗憾的是，出于管网老化、腐蚀，特别是爆管事故，给水管网 漏损承爨占慈爱承量懿魄铡越来越大，多在2 0 一3 0 之闻1 2 1 。资瓣统计”】， 我国多数城市管两漏水和爆管频率较高，表1 1 显示了1 9 9 1 年中国主要城 市与f 1 本横滨市7 5 m m 以上管道的爆管和修漏情况。这些漏掉的水都是经过 处理加工的水，一方面由于水资源紧张和供水能力不足已造成很大损失，而 另一方耐大量的水却白白漏掉。更严重的是，爆管发生时，会引超局部断水 移水压晦低，溉造成较大被会损失，同时也带寒企韭经济损失，鸯时还繁寒 求淹、锅炉瀑炸等凌生灾密，绘夫民生活、王鼗生产窝享主会安定荣寒较丈影 口向。 表1 11 9 9 1 年7 5m m 以上管道爆管和修漏情况比较 慧豹来说，馔承系统发生潺搂不仅会遥裁供承量懿减少，承滚源、麓添 和药物的浪费，同时还危及公共建筑和道路交通等。而减少泄漏刚会降低运 行费用，延缓与需求相关的资金支出。作为一种潜在的利润，估计执行适当 的漏损控制策略后，仅英网每年就会节省3 0 0 0 万美元【3 l ，甚至这个数字可 第一章蘩言 能也悬比较保守的。因此，探索给水管网漏损控制理论和方法，提高供水安 全可靠性，有效控制管网漏损及突发事故的发生是很必要的。 进行漏损控制，目的就是通过研究漏掼瓣原因、经济损失秘识疑方法， 毒l 定浚送搔薤帮应惫对繁著德灌实瑗，觚瑟憋潺揍减少弱最低羧疫，臣藐寒 达到减少生产和管理成本、节约水资源、减少对公共环境的绣密、接迟或减 少给水系统的建设投资，提高供水管理水平和服务质量的目的。 可是并不乐观的是，过去几十年来，许多专家学者把大缀精力投入在 泵站的优化运行上，对管网漏水和爆管的控制及其潜在的经济利润卸未； 起 更多注意。帮使采取搓麓，迄只是谤蟹在辕辫梭潺仪器魏旋动羚羧中，收效 甚徽。8 0 年代，我国科技人员已开始迸 亍供承系统可靠性分辑p j 帮管网故障 判断【5 1 豹理论研究，但在漏损控制方面尚属于探索性阶段。邋十几年来，英 国、美阕、巴西、澳大利溉等国家的学者开始致力于通过进行胍力控制来减 小管网泄漏量的理论研究，但管网信息，如滕力监测点压力，未做到实时反 馈，箕成莱毽只是箨警凌穰小鲍试验管隧上，露基重势的入口寮发涯小于中 国，警阚简单盈大部分海瓣棱狡管溺，其管瓣漏损及爆管事鼓鹣影响范围宣 于控制。因此，研究适合予中国国情的给水管网漏损控制理论和方法，提高 管网赘全可靠性是本课题的主要研究内容。 1 。2 豳瘀外研究现状 国外关于给水管湖漏损控制理论和方法的研究始于8 0 年代，g o o d w i n 【6 】 等学者研究发现管网泄漏与服务压力有直接关系，泄漏水量随服务压力增大 而增大，如果能将过剩服务压力减少到满足用户压力需求的程度，即可降低 管网濑水量，因此管网溅损控制的淘题也可姻结为管网的匿力按刽翊题，前 者是嚣卷兹控裁基标之一，簿压力茬裁不纹铤摄海诋管弼压力黧潢是瑁户零 求的程度以减少管网漏水凝，还包括均衡管网压力，控制管网末端局部压力 等。从内容上来说，管网的压力控制主要分为两部分，其一为管网压力信息 的来源，其二为压力控制饿略的确定，两者以s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，即( 数据监控和采集系统) 作为槌互联系的桥 梁，爨舔实褒方式觅文献p j 。 简单地说，压力控制蒋先要获取管丽上的压力信息，两该都分信息来源 于管网上布置的压力监测点；s c a d a 系统负责监控实时的压力信息，并将 采集到的压力信息反馈到愿力控制策略的决策部分，由此来确怒压力控制策 第一章蘩言 能也悬比较保守的。因此，探索给水管网漏损控制理论和方法，提高供水安 全可靠性，有效控制管网漏损及突发事故的发生是很必要的。 进行漏损控制，目的就是通过研究漏掼瓣原因、经济损失秘识疑方法， 毒l 定浚送搔薤帮应惫对繁著德灌实瑗，觚瑟憋潺揍减少弱最低羧疫，臣藐寒 达到减少生产和管理成本、节约水资源、减少对公共环境的绣密、接迟或减 少给水系统的建设投资，提高供水管理水平和服务质量的目的。 可是并不乐观的是，过去几十年来，许多专家学者把大缀精力投入在 泵站的优化运行上，对管网漏水和爆管的控制及其潜在的经济利润卸未； 起 更多注意。帮使采取搓麓，迄只是谤蟹在辕辫梭潺仪器魏旋动羚羧中，收效 甚徽。8 0 年代，我国科技人员已开始迸 亍供承系统可靠性分辑p j 帮管网故障 判断【5 1 豹理论研究，但在漏损控制方面尚属于探索性阶段。邋十几年来，英 国、美阕、巴西、澳大利溉等国家的学者开始致力于通过进行胍力控制来减 小管网泄漏量的理论研究，但管网信息，如滕力监测点压力，未做到实时反 馈，箕成莱毽只是箨警凌穰小鲍试验管隧上，露基重势的入口寮发涯小于中 国，警阚简单盈大部分海瓣棱狡管溺，其管瓣漏损及爆管事鼓鹣影响范围宣 于控制。因此，研究适合予中国国情的给水管网漏损控制理论和方法，提高 管网赘全可靠性是本课题的主要研究内容。 1 。2 豳瘀外研究现状 国外关于给水管湖漏损控制理论和方法的研究始于8 0 年代，g o o d w i n 【6 】 等学者研究发现管网泄漏与服务压力有直接关系，泄漏水量随服务压力增大 而增大，如果能将过剩服务压力减少到满足用户压力需求的程度，即可降低 管网濑水量，因此管网溅损控制的淘题也可姻结为管网的匿力按刽翊题，前 者是嚣卷兹控裁基标之一，簿压力茬裁不纹铤摄海诋管弼压力黧潢是瑁户零 求的程度以减少管网漏水凝，还包括均衡管网压力，控制管网末端局部压力 等。从内容上来说，管网的压力控制主要分为两部分，其一为管网压力信息 的来源，其二为压力控制饿略的确定，两者以s c a d a ( s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，即( 数据监控和采集系统) 作为槌互联系的桥 梁，爨舔实褒方式觅文献p j 。 简单地说，压力控制蒋先要获取管丽上的压力信息，两该都分信息来源 于管网上布置的压力监测点；s c a d a 系统负责监控实时的压力信息，并将 采集到的压力信息反馈到愿力控制策略的决策部分，由此来确怒压力控制策 略；然后发出控制指令并由s c a d a 系统将控制指令转化为控制信息，执行 对管网压力的控制，见图1 1 的简单图示。 控制指令 图1 1 压力控制内容构成 下面将压力控制的两个主要内容作以简述。 1 2 1 压力监测点布点方法的研究 管网压力控制的首要问题是解决压力监测点的信息来源，即在管网中布 置一定数量的压力监测点。 通常情况下，配水管网运行时很少有或根本没有在线监测，然而在有在 线监测的供水系统中，利用压力监测点的实时数据，对其进行状态估计，一 方面可为管网漏水和爆管等事故的识别提供极好的信息，另一方面，也为优 化控制管网压力，实现管网压力均衡提供了决策的依据。另外，配水管网的 状态估计是基于对用户负荷、流量和节点压力的监测，监测数据的精确与否 与系统状态估计的精确与否直接相关。因此，压力监测点位置的选取显得尤 为重要。 压力监测点选取要遵循一定的原则【8 - 9 i ，最重要的一条是压力监测点的 选取必须具有代表性，使其有限个压力值能反映整个系统运行水力状态的全 貌。国外学者w b fd es c h a e t z e n ，g a w a i t e r s ，d a s a v i c l l 0 】采用最短路 法、遗传算法和熵理论三种方法在管网中布置压力监测点，并将所得的结果 分别与一个专家设计进行比较。其中前两种方法从水力学角度讲并非优化， 但方法可行，且该法在参数状态估计中，所需监测的一些数据信息相关性较 好，而后者所布置的压力监测点是最敏感的。 第一章前言 但令人遗憾的是，目前在国内，大多数城市管网压力监测点的选择，在 通常情况下，仅靠有关专业人员凭经验决定，显然难以达到满意效果。国内 对这方面问题的研究也有不少文献报道，颜虎】从定性分析介绍了压力监测 点布置问题，但主要靠经验方法；陈森发等 1 2 1 采用管网系统的集结原理，把 系统中水压大致相等的多个节点，合并为一个“虚拟”节点，以减少整个系 统的总节点数，这样虽简化了计算，但忽略了管网拓扑结构；王增义【1 3 】采用 聚类分析中的离差平方和法进行节点分类，但仅利用了节点两两之间的关 系，分类结果不能反映节点的全部性态；值得一提的是，陈嘉耕【1 4 】提出了影 响度和被影响度这两个重要的概念，但仍不能突破以上理论的缺陷，即在选 点时首先根据分组结果，在各节点组中依据各自的标准选点，而不是从灵敏 度分析的结果中得出分组，因而使分类带有明显的人为性。因此，研究一种 简单、通用，且能反映管网真实性态的布点方法是本文研究的主要内容之一。 1 2 2 压力控制策略研究 管网压力控制的另一个主要部分是选择合适的压力控制策略。通过监测管 网中压力监测点压力变化，及时调整过剩压力到适当水平，从理论上是可行 的，经济效益也甚为可观，因此得到了大量学者，如b e s s e y 1 。1 6 1 ， g e r m a n o p o u l o s 1 8 】等的关注，建立了一些管网漏损控制模型和理论，但是 很少有人把对阀的控制与遥测系统一并考虑。另外，实现压力降低还有其它 方法，如降低泵的扬程，用减压阀均衡压力或安装泄压池等，但后者会造成 水力梯度线的不连续。随着计算机控制系统和遥测、遥感、遥控系统在供水 行业的普遍使用，相信，使用自控调节阀( 以下简称自控阀) 控制流量，实 现压力均衡，降低漏损将成为一种更为经济和先进的方法。 采用自控阀进行管网压力控制首先要确定自控阀在管网的位置和数量。 但由于将自控阀用于管网控制，在最近几年才刚刚兴起，研究成果用于实际 管网的例子未见报道，关于自控阀在管网中位置及数量的确定的研究，也更 是刚刚起步。 1 9 9 5 年，s a v i c 和w a i t e r s 【1 9 2 0 】对给水管网中隔离阀的布置问题进行 了研究，而自控阀的布置由于需要优化技术，直到两年后，才被l f r r e i s 2 1 1 等首次研究。他们利用遗传算法，在自控阀数量确定的情况f ，将无阀控制 下管网的最小漏水量与利用j o w i t t x u 3 模型计算出的最小漏水量之差作为 目标函数( 或称为适应度函数) ，自控阀所在管段作为基因，所有可能的管 第一章前言 段组合构成了种群，然后利用遗传算法的复制、交叉、突变技术，找到最优 解，即找到自控阀在管网中的合理位置。但如前文所述，l f r r e i s 2 1 1 等人 为确定自控阀在管网中的位置所建立的模型，是将其与管网漏水量结合起来 考虑的，也就是说自控阀的位置与管网的实际工况有关。一旦管网的实际运 行条件发生变化，如供水量增加，节点流量增加等，其模型的解就会发生变 化，也就是说，管网工况变化前后，模型计算出的自控阀在管网中的位置是 不同的。但是实际生产中，由于自控阀属于非移动式设备，且将其投入f 常 使用，还需其它附属设备，如用于反馈自控阀开启度和接收决策指令的通讯 设备等，因此，一旦安装，很难将其拆除、改换。所以本文将自控阀位置和 数量的确定作为主要研究内容之一，为供水部门提供一种简单、实用的自控 阀布置方法。 自控阀用于管网压力控制需解决的另一个问题是建立自控阀的优化控 制模型，决策自控阀的开启度。 国外学者b a r g i e l a 22 1 、m i y a o k a 2 3 1 以系统剩余压力平方和最小为目标函 数，在满足系统运行的约束条件下，建立模型，决策自控阀的开启度设置， 以降低管网压力，可使泄漏量减少2 0 3 0 ，但他们在模型中并没有考虑 管网漏损。g e r m a n o p o u l o s 、j o w i t t 1 7 】弥补了他们的缺陷，把与压力有关的 泄漏因素引入模型中，使其理论在管网漏损控制领域又向前迈了一大步。 近些年来，国内许多专家学者，如吴浩【2 、何维华【2 2 i 、严仁清【2 3 1 等， 就漏损设备、漏损原因、检漏方法等进行了探讨：陈兵 2 4 1 等研究了漏失流量 与压力、漏洞直径的关系；张宏伟25 1 、赵洪宾1 2 6 】在大量供水管网漏损数据 的基础上，建立了供水管道漏损控制预测模型，改变了供水行业被动式的漏 损管理模式。但将自控调节阀用于管网漏损控制，在国内还是一个新兴的研 究领域，研究潜力很大，而且其最终成果所带来的利润和社会效益非常可观， 因此研究白控阀的优化控制理论，在管网工况点下，通过优化阀门开启度设 置，进行管网压力控制，以实现降低管网漏损量，均衡管网压力以及控制管 网局部压力等压力控制目标，是本课题研究的另一主要内容之 。 1 3 主要研究目标、内容、方法概述 根据以上情况，本文以控制管网压力，提高供水系统安全可靠性为最终 目标，着重对其实现时必须解决的两个问题：压力监测点的布置和压力控制 第一章前言 段组合构成了种群，然后利用遗传算法的复制、交叉、突变技术，找到最优 解，即找到自控阀在管网中的合理位置。但如前文所述，l f r r e i s 2 1 1 等人 为确定自控阀在管网中的位置所建立的模型，是将其与管网漏水量结合起来 考虑的，也就是说自控阀的位置与管网的实际工况有关。一旦管网的实际运 行条件发生变化，如供水量增加，节点流量增加等，其模型的解就会发生变 化，也就是说，管网工况变化前后，模型计算出的自控阀在管网中的位置是 不同的。但是实际生产中，由于自控阀属于非移动式设备，且将其投入f 常 使用，还需其它附属设备，如用于反馈自控阀开启度和接收决策指令的通讯 设备等，因此，一旦安装，很难将其拆除、改换。所以本文将自控阀位置和 数量的确定作为主要研究内容之一，为供水部门提供一种简单、实用的自控 阀布置方法。 自控阀用于管网压力控制需解决的另一个问题是建立自控阀的优化控 制模型，决策自控阀的开启度。 国外学者b a r g i e l a 22 1 、m i y a o k a 2 3 1 以系统剩余压力平方和最小为目标函 数，在满足系统运行的约束条件下，建立模型，决策自控阀的开启度设置， 以降低管网压力，可使泄漏量减少2 0 3 0 ，但他们在模型中并没有考虑 管网漏损。g e r m a n o p o u l o s 、j o w i t t 1 7 】弥补了他们的缺陷，把与压力有关的 泄漏因素引入模型中，使其理论在管网漏损控制领域又向前迈了一大步。 近些年来，国内许多专家学者，如吴浩【2 、何维华【2 2 i 、严仁清【2 3 1 等， 就漏损设备、漏损原因、检漏方法等进行了探讨：陈兵 2 4 1 等研究了漏失流量 与压力、漏洞直径的关系；张宏伟25 1 、赵洪宾1 2 6 】在大量供水管网漏损数据 的基础上，建立了供水管道漏损控制预测模型，改变了供水行业被动式的漏 损管理模式。但将自控调节阀用于管网漏损控制，在国内还是一个新兴的研 究领域，研究潜力很大，而且其最终成果所带来的利润和社会效益非常可观， 因此研究白控阀的优化控制理论，在管网工况点下，通过优化阀门开启度设 置，进行管网压力控制，以实现降低管网漏损量，均衡管网压力以及控制管 网局部压力等压力控制目标，是本课题研究的另一主要内容之 。 1 3 主要研究目标、内容、方法概述 根据以上情况，本文以控制管网压力，提高供水系统安全可靠性为最终 目标，着重对其实现时必须解决的两个问题：压力监测点的布置和压力控制 第一章前言 策略之一_ _ 自控阀优化控制进行了深入细致的研究。 首先在第二章解决压力监测点的布点问题。研究方法为： 根据给水管网构造理论，应用水力学和拓扑学基本原理，建立给水管网 节点压力的灵敏度矩阵和灵敏度方程，在结合现场实际条件的基础上，通过 灵敏度分析，对压力监测点进行布置，并实时监测各个测压点的压力变化， 为压力控制提供决策依据。 采用自控阀进行管网压力控制，必须先确定自控阀在管网中的位置和数 量，因此本文将在第三章提供一种简单、实用的布置方法。 为了提高供水系统安全可靠性，降低管网漏水量，本文在第三章将就白 控阀用于管网压力控制的已有理论进行详细的讨论，并按照压力控制的不同 目标建立自控阀优化控制的三个模型。 同时为了研究自控阀用于管网压力控制的理论和经济可行性，本文将在 第四章以华北滨海某区的实际工程为背景，进行实例考核和结果分析。在模 型的求解上，尝试采用一种新的启发式搜索算法一一模拟退火算法。 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 在城市给水管网上设置压力监测点，通过其实时监测值，既可掌握管网f 常工作时的压力分布情况，保证管网的服务水头，又可了解管网中的异常事 故以及造成的后果，从而有效地控制漏失量和迅速处理爆管等事故。此外， 将压力监测值用于管网运行水力参数状态估计，还是实现计算机模拟给水管 网在线优化调度的先决条件。因此，在供水管网中选择合适的压力监测点， 确定其位置和数量，使其有限个压力值能反映整个系统运行水力状态的全 貌，显得尤为重要。 本章将结合管网构造理论，从水力学和拓扑学的基本原理出发，推导管网 节点压力的灵敏度矩阵和灵敏度方程，通过灵敏度分析，来解决给水系统运 行管理中压力监测点的布置问题。 2 1 压力监测点灵敏度分析模型及原理： 由管网构造理论中质量守恒原理，建立管网节点连续性方程： 驵，+ q ，= 0 ( 2 - 1 ) j = i 式中：q l 。：连接节点f 和，的管段流量( 规定：流出为正，流入为负) ； q ：节点i 的节点水量； 聆：管网节点总数。 由水力学理论可知，任一管段，其流量与管段两节点问节点压力及水头 损失的关系为： q l 口：( h , j s o ) l ，a ：( 兰尝) a ( 2 - 2 ) 为计算方便，将( 2 - 2 ) 式改为： 驵。：! 竺二巫望二竺! 。， s ； 式中：h “管段水头损失。 s 管段摩阻： 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 在城市给水管网上设置压力监测点，通过其实时监测值，既可掌握管网f 常工作时的压力分布情况，保证管网的服务水头，又可了解管网中的异常事 故以及造成的后果，从而有效地控制漏失量和迅速处理爆管等事故。此外， 将压力监测值用于管网运行水力参数状态估计，还是实现计算机模拟给水管 网在线优化调度的先决条件。因此，在供水管网中选择合适的压力监测点， 确定其位置和数量，使其有限个压力值能反映整个系统运行水力状态的全 貌，显得尤为重要。 本章将结合管网构造理论，从水力学和拓扑学的基本原理出发，推导管网 节点压力的灵敏度矩阵和灵敏度方程，通过灵敏度分析，来解决给水系统运 行管理中压力监测点的布置问题。 2 1 压力监测点灵敏度分析模型及原理： 由管网构造理论中质量守恒原理，建立管网节点连续性方程： 驵，+ q ，= 0 ( 2 - 1 ) j = i 式中：q l 。：连接节点f 和，的管段流量( 规定：流出为正，流入为负) ； q ：节点i 的节点水量； 聆：管网节点总数。 由水力学理论可知，任一管段，其流量与管段两节点问节点压力及水头 损失的关系为： q l 口：( h , j s o ) l ，a ：( 兰尝) a ( 2 - 2 ) 为计算方便，将( 2 - 2 ) 式改为： 驵。：! 竺二巫望二竺! 。， s ； 式中：h “管段水头损失。 s 管段摩阻： 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 取2 ； 口：根据所取水头损失计算公式的不同取值为1 8 5 2 或2 ，本文中 h ，、h ，：节点f ，相对于某一基准点的水压。 将( 2 - 3 ) 代入( 2 1 ) 得： 窆睦篮塑1 型+ q j ：。 。， - lj。、一 瘩踮 设 即 九：窆睦生靼型+ q j 。， 蜀s 亨 将( 2 - 5 ) 式以节点方程组形式按h 阶泰勒级数展开，并考虑在供水系统 的正常运行状态下，节点压力在瞬i e 变化很小，故忽略泰勒级数二次以上项 得： 曩( 研“，日黔a ，日+ 掰0 f i l8 - 1 + 解o r , 2o h 2 + a + 勰a f l 。8 1 - 1 。= 。 e ( 职碘a ，蚋+ 甜o f 2 6 1 - 1 l + 面o f 2 ：6 1 - 1 2 + a + 巩o f 2 5 1 - 1 。= 。( 2 6 ) ( 班艰a ，蚋+ 甜o f , l5 1 - 1 l + 甜o f 26 1 - 1 2 + a + 巩o f f i l l 。= 。 我们定义( 2 - 6 ) 式为管网节点压力变化的灵敏度方程，用矩阵形式可 表达为： 盟盟aa 胡1o h 2 堕堕aa o h lo h 2 mmmm mmmm 盟旦生aa 式中：f ( 日：”，h ”，a ，磷) ：第i 个节点初始平衡时节点压力向量 f i l l ，：节点f 由于受干扰产生的水压变化值。 ( 2 7 ) ” h h h h ， ， ， a a a ：m m： 玎日 h ， ， ， 。 。 玎h h 只疋 l 一一玛甄m m 砜 盟眠峨一巩m m峨一呱 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 记( 2 - 7 ) 式为：a 6 h = b 式中： 小灵敏度矩阵，肚岳，篆九孥。 田= 泓k ： b = 叫f ( 叫”，删“，a ，珥】。 2 2 影响度分析 由( 2 - 5 ) 式知： o f , o h , h j 。，r i 与t 邻接：( 2 - 8 ) 或：熹= 。 i 与t 不邻接：( 2 - 9 ) 当i = t ，是主对角元素时： 盟： a h j 急 i 叫“一噬f 蕊i k = 1 ，2 ，n ，k i ，( 2 一1 0 ) 将式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 一1 0 ) 代入( 2 - 7 ) 式有 争唑二型兰 “2 踮 一能”一日f 。f 岛 m m l 噬m 一日f 。，p 1 s 鲁 二咝二型! aa 1 一 s 再 咝二竺e 厶l a a 龆 s 五 mmm mmm 二咝二型兰aa 1 一 s 品 一旧l 坪 配 一恒”一川： 三 s 品 m m 一酬f s 嚣 8 h i 6 1 t 2 m m 6 h 。 o 一 硪一 。总 第二章给水管网压力监测点布点方法研究 记( 2 - 7 ) 式为：a 6 h = b 式中： 小灵敏度矩阵，肚岳，篆九孥。 田= 泓k ： b = 叫f ( 叫”，删“，a ，珥】。 2 2 影响度分析 由( 2 - 5 ) 式知： o f , o h , h j 。，r i 与t 邻接：( 2 - 8 ) 或：熹= 。 i 与t 不邻接：( 2 - 9 ) 当i = t ，是主对角元素时： 盟： a h j 急 i 叫“一噬f 蕊i k = 1 ，2 ，n ，k i ，( 2 一1 0 ) 将式( 2 - 8 ) 、( 2 - 9 ) 、( 2 一1 0 ) 代入( 2 - 7 ) 式有 争唑二型兰 “2 踮 一能”一日f 。f 岛 m m l 噬m 一日f 。，p 1 s 鲁 二咝二型! aa 1 一 s 再 咝二竺e 厶l a a 龆 s 五 mmm mmm 二咝二型兰aa 1 一 s 品 一旧l 坪 配 一恒”一川： 三 s 品 m m 一酬f s 嚣 8 h i 6 1 t 2 m m 6 h 。 o 一 硪一 。总 第二章绘窳管睡压力釜溅煮枣赢方法瑟究 曩( 研“，趔“，a ，联) e ( 研“，日黔a ，月) m m e ( 西f “，磷“，a ，磁吣) ( 2 一1 1 ) 如聚记灵敏度矩阵a 引】，则矩阵元索表示节点i 本身压力变化对 自身造成的影响程度，a 。表示节点i 的压力变化对节点，的影响糨度。若记 a = 一t ，“，2 ，a ，a i i ( 其中爿i = ( 痒 口a ，牙。) ) ，贝4 a 反映了节点i 的压力 交纯鼹熬令系统内各节点蹑力交纯戆影确程发；若记a = 【酗，织，矗，五】 ( 其中a j ：= 0 1 1 a 2 ja ，a n j 厂) ，则，反映了整个系统内其它点蜃力变化对 ，点的影响程度。而由式( 2 1 1 ) 可知a 为实对称矩阵，即a 。= a 这说明 节点i 的压力变化对节点，的压力变化和节点，的压力变化对节点i 的压力变 伍豹影嚷程度相霹。另努，由式( 2 - 1 1 ) 述褥出，a 。= 痒。，这说明节 点i 的藤力变化对自身豹影响程度与其它点藤力交证对节觥瓣影响程度是 相同的。由此，我们可以得出这样一个重要的结论：“在供水系统中节点压 力变化的影响度等于被影响度”。此结论无论从水力学原理，遥是从力学的 俸用与反捧鼹原理都可诞嘲是正确的。 2 。3 计篝步骤 1 输入管段、节点的撼础数据及计算的控制数据，进行管网平差，得 出管鲻裙始乎餐时静各节点压力僮，求出灵敏度方程的右端项b ； 2 嚣霜管瓣袭嫠乎鬻辩豹各节点压力德，诗算灵敏瘦方獠酌系数矩薄 a ； 3 进行灵敏度分析： ( 1 ) 依次令甜= p ，取p 为一个较小的值，如p = 0 1 ，即绘管网中第 i 个节点一个数值为p 懿小的扰动，利用最小二乘法，求出其余备点受此扰 动焉葶l 怒豹压力变讫5 7 - ，、f i h 2 、戳妒、溉+ l 、3 h ； ( 2 ) 求出各节点慰次的掰平方和，将其稍 序，找出平方和的均方值s 最大的节点，则该点为管阚系统中节点压力黛化的最灵敏点； ( 3 ) 根据各节点压力变化的灵敏度排序，对整个管网系统进行分区， 第二章绘窳管睡压力釜溅煮枣赢方法瑟究 曩( 研“，趔“，a ，联) e ( 研“，日黔a ，月) m m e ( 西f “，磷“，a ，磁吣) ( 2 一1 1 ) 如聚记灵敏度矩阵a 引】，则矩阵元索表示节点i 本身压力变化对 自身造成的影响程度，a 。表示节点i 的压力变化对节点，的影响糨度。若记 a = 一t ，“，2 ，a ，a i i ( 其中爿i = ( 痒 口a ，牙。) ) ，贝4 a 反映了节点i 的压力 交纯鼹熬令系统内各节点蹑力交纯戆影确程发；若记a = 【酗，织，矗，五】 ( 其中a j ：= 0 1 1 a 2 ja ，a n j 厂) ，则，反映了整个系统内其它点蜃力变化对 ，点的影响程度。而由式( 2 1 1 ) 可知a 为实对称矩阵，即a 。= a 这说明 节点i 的压力变化对节点，的压力变化和节点，的压力变化对节点i 的压力变 伍豹影嚷程度相霹。另努，由式( 2 - 1 1 ) 述褥出，a 。= 痒。，这说明节 点i 的藤力变化对自身豹影响程度与其它点藤力交证对节觥瓣影响程度是 相同的。由此，我们可以得出这样一个重要的结论：“在供水系统中节点压 力变化的影响度等于被影响度”。此结论无论从水力学原理，遥是从力学的 俸用与反捧鼹原理都可诞嘲是正确的。 2 。3 计篝步骤 1 输入管段、节点的撼础数据及计算的控制数据，进行管网平差，得 出管鲻裙始乎餐时静各节点压力僮，求出灵敏度方程的右端项b ； 2 嚣霜管瓣袭嫠乎鬻辩豹各节点压力德，诗算灵敏瘦方獠酌系数矩薄 a ； 3 进行灵敏度分析： ( 1 ) 依次令甜= p ，取p 为一个较小的值，如p = 0 1 ，即绘管网中第 i 个节点一个数值为p 懿小的扰动，利用最小二乘法，求出其余备点受此扰 动焉葶l 怒豹压力变讫5 7 - ，、f i h 2 、戳妒、溉+ l 、3 h ； ( 2 ) 求出各节点慰次的掰平方和，将其稍 序，找出平方和的均方值s 最大的节点，则该点为管阚系统中节点压力黛化的最灵敏点； ( 3 ) 根据各节点压力变化的灵敏度排序，对整个管网系统进行分区， 找如区域代褒点。结合工稷实际要求，可确定压力监测点位置和数目。 2 。4 实例考核与结果分析 为了迁明模型的实用性，笔者选用华北滨海菜区2 0 0 3 年规划管嘲( 见 图2 - 1 ) 进行实例考核，并结合管网节点分布图( 见图2 - 2 ) ，对节点压力灵 敏度结果( 见表2 - 1 ) 进行了具体分析： 表2 - 1 节点压力灵敏度分析结果 1 17 8 7 9 6 7 6 9 5 7 4 7 3 7 2 8 l s o 7 f 7 9 8 6 7 0 5 3 5 4 6 9 9 4 4 8 7 5 4 9 8 5 5 0 4 。4 2摹二4 43 2 2 4 4 0 霪鐾7 83 ，1 6 4 3 9 一$ 囊、 10 33 13 4 。3 sj i i 蘸糍1 0 23 。0 9 4 3 1 瓣i 醚蔓6 73 0 4 4 2 7 美壤囊- - 一4 62 8 8 4 。 6 溪囊蠹：6 6 2 8 5 4 0 6 i 二罐擎8 3 2 8 4 4 。0 2 罐黪6 22 8 3 3 9 8 霉醚5 92 8 3 3 9 6雏g ，6 02 8 2 3 8 9。萋攀6 l2 8 2 3 6 8i 辑_ 4 32 8 0 3 6 0 s o 5 82 7 9 3 5 2堪| ：3 12 6 3 3 5 2 登1 1 62 6 3 3 4 9 誊38 22 ，6 l 3 。4 9、罐j ：，9 72 + 5 2 3 4 8j 藩i1 0 02 5 1 ：薅鬟 j 鐾耪 。擎攀 _ 1 囊秘 鬟l 蠢絷 馐誊 ： ：| - 灞雄 。i 鼙黪 l o s2 3 5 2 22 3 4 3 32 3 4 5 72 。3 2 4 22 3 0 5 62 2 9 3 02 2 9 3 42 2 6 9 822 6 2 32 2 5 2 42 2 4 2 52 2 2 3 522 3 622 0 l l2 1 5 3 72 ， 3 4 52 0 9 6 32 0 2 2 62 ，0 2 2 91 8 9 3 8 9 3 91 8 8 2 71 8 9 41 8 6 3 81 8 6 15 。8 5 1 4l8 4 2 81 8 3 5 8 0 】0 61 7 9 31 7 8 6 4 ，7 7 1 0 917 6 1 1 11 了6 0 7 7 4 11 21 7 3 1 0 1 了3 1 l oi 7 2 10 8i 7 2 9 91 2 0 卯髓盼雠蝴兰辩!窒|堇m撇m mmm；宝辩 黪黪辫黪纛一溅。獭：黪鞴m鬻 辨 吖钟雕体 糍激馘_澎 帖骋” 2 2 2 2酊越加强 骥鬻雾姆 钉锚”钙 7 8 9掩n佬玲h”撼悸悖烈旌”秘硝嚣群勰” 找如区域代褒点。结合工稷实际要求，可确定压力监测点位置和数目。 2 。4 实例考核与结果分析 为了迁明模型的实用性，笔者选用华北滨海菜区2 0 0 3 年规划管嘲( 见 图2 - 1 ) 进行实例考核，并结合管网节点分布图( 见图2 - 2 ) ，对节点压力灵 敏度结果( 见表2 - 1 ) 进行了具体分析： 表2 - 1 节点压力灵敏度分析结果 1 17 8 7 9 6 7 6 9 5 7 4 7 3 7 2 8 l s o 7 f 7 9 8 6 7 0 5 3 5 4 6 9 9 4 4 8 7 5 4 9 8 5 5 0 4 。4 2摹二4 43 2 2 4 4 0 霪鐾7 83 ，1 6 4 3 9 一$ 囊、 10 3 3 13 4 。3 sj i i 蘸糍1 0 23 。0 9 4 3 1 瓣i 醚蔓6 73 0 4 4 2 7 美壤囊- - 一4 62 8 8 4 。 6 溪囊蠹：6 62 8 5 4 0 6i 二罐擎8 32 8 4 4 。0 2 罐黪6 22 8 3 3 9 8 霉醚5 92 8 3 3 9 6雏g ，6 02 8 2 3 8 9。萋攀 6 l2 8 2 3 6 8i 辑_ 4 32 8 0 3 6 0 s o 5 82 7 9 3 5 2堪| ：3 12 6 3 3 5 2 登1 1 62 6 3 3 4 9 誊38 22 ，6 l 3 。4 9、罐j ：，9 7 2 + 5 2 3 4 8j 藩i1 0 02 5 1 ：薅鬟 j 鐾耪 。擎攀 _ 1 囊秘 鬟l 蠢絷 馐誊 ： ：| - 灞雄 。i 鼙黪 l o s2 3 5 2 22 3 4 3 32 3 4 5 72 。3 2 4 22 3 0 5 62 2 9 3 02 2 9 3 4 2 2 6 9 822 6 2 32 2 5 2 4 2 2 4 2 52 2 2 3 522 3 6 22 0 l l2 1 5 3 72 ， 3 4 52 0 9 6 32 0 2 2 62 ，0 2 2 91 8 9 3 8 9 3 91 8 8 2 71 8 9 4 1 8 6 3 81 8 6 15 。8 5 1 4l8 4 2 81 8 3 5 8 0 】0 61 7 9 31 7 8 6 4 ，7 7 1 0 917 6 1 1 11 了6 0 7 7 4 11 21 7 3 1 0 1 了3 1 l oi 7 2 10 8i 7 2 9 91 2 0 卯髓盼雠蝴兰辩!窒|堇m撇m mmm；宝辩 黪黪辫黪纛一溅。獭：黪鞴m鬻 辨 吖钟雕体 糍激馘_澎 帖骋” 2 2 2 2酊越加强 骥鬻雾姆 钉锚”钙 7 8 9掩n佬玲h”撼悸悖烈旌”秘硝嚣群勰” 第二章给水管网服力监测点布点方法研究 2 匝娶嚣蠢漆*躲廿蓉。n区蹬搭芸释【-n蛾 第二章 给求管网匿力蕊测赢布点方法研究 图2 2 营溺节点分森整 备涟：图中正方形表示水源接 点，圆形表示诲点，圆的大小与斌力德成正比。 2 4 1 管网背景资料介绍 该簿露骞l l ? 令第患，1 7 3 条管羧。2 0 0 3 年瓣毒嚣令承源( 备嗣庆滚 深井裂站暂不考虑) ，其中承源l 为开发送水厂，分别扶节点9 和节点2 0 进 入管嗣，总供水能力为1 5 万m 3 d ；水源2 为某自来水公司四水厂，分别 由d n 3 0 0 、d n 4 0 0 各一条输水干管，从节点8 2 、6 3 进入管网，总供水能力 1 0 m 3 d 。该区管网建设分为两部分，一部分为水源2 附近的起步区管网， 该送域建成较旱，金鼗分_ 奄蜜集，为管瓣麓承静主要区壤；癸一部分为求源 l 辫遮的扩震区管网，该区域嚣藏还在建设之中，金延较少，闲此嚣蓊露求 量较少，且距离起步区和篱网末梢较远，因此管网中水量大部分为转输水量。 2 4 2 灵敏度结果分析 ( 1 ) 9 l ，9 2 ，7 7 ，9 0 ，8 9 ，8 8 ，i 1 7 ，8 7 ，9 6 ，7 6 ，9 5 ，7 4 ，7 3 ，7 2 ， 8 l ，8 0 ，7 1 ，7 9 ，8 6 ，5 3 ，5 4 ，这些点是灵敏度比较大的区域，都分布在管 网末梢的低压区，这与蜜际管网很相符，因为管网末梢的节点需要其它节点 提供能量，所以，任意点产生压力扰动，都会对管网术梢产生较大影响，这 也是依嚣经验在管网术梢布点的原因之一。 第二章绘农营弼蕴力监潮煮枣煮方法磅究 ( 2 ) 6 9 ，9 4 ，4 8 ，4 9 ，8 5 ，5 0 ，5 2 ，9 3 ，6 8 ，4 7 ，5 5 ，5 i ，8 4 ，4 4 ， 7 8 ，6 7 ，这些点处于两个水源的供水边界上。各水源供水量以及供水扬程的 变化将会引起该区域节点愿力的变化，同时，处于供水边界上的点及其数量 逛醚之发生交凭，这也怒供承聱门在侯东遮器主毒点，蓝测管鞠瑷力变诧弱 蒙西之一。 ( 3 ) 4 6 ，6 6 ，8 3 ，6 2 ，6 l ，6 0 ，5 9 ，5 8 ，3 1 等点同上，亦处于供水边 界上。 ( 4 ) 8 2 ，9 7 ，6 5 等处于水源2 附近的点，受其它点压力变化的影响要 毙捣6 ，1 0 7 ，1 0 8 ，1 0 9 等楚予求源1 隧避的点大，就其灵敏波分板寒说， 它稻应该耽较接近，毽蹩窳澡2 所楚区域为建设裙期豹起多送，企业分囊密 集，魑用水的主要区域，所以当该区域节点愿力产生波动时，必然引起其上 游节点膳力的变化，近而影响水源2 主要输水干管上节点压力的变化；相反， 水源1 所处区域为规划的扩展区，企业分布密度小，各节点用水蘑小或者没 有用水爨，所跌，当管嘲獒它点压力发生交识时，该区域由于主要为转输水 量显鼹主要矮承速壤及警籀泰穰较运，困瓣受影璃穰枣。 ( 5 ) 2 l ，2 0 ，3 2 ，7 ，2 ，8 ，1 9 ，9 ，l o ，l ，1 0 5 ，2 2 ，3 3 ，3 4 ，2 3 ， 2 4 ，2 5 ，3 5 ，3 6 ，i l ，3 7 等点，分布在水源点l 附近，该水源供水量较大， 且其所在区域节点用水擞较小，因而该点及其主要输水干管上点的压力变化 对管网其它节点的影响较大，同榉管网其它点疆力的变化对这嫩点的影响连 魄较大，这遣证实了：节点篷力交纯酌彰舔寝与被影嚷度是穗瓣麓。舅外， 在本文的灵敏度矩阵4 中，管段摩阻s 。的计算公式采用的巴甫洛夫斯基公 式，经化简得j f ：一，f 1 1 0 2 9 3 5 州9 0 1 “1 ( 其中牲为管段粗糙度，为管长，d 为 vd 7 3 管经) ，蠢式( 2 - 1 1 ) 霹煞，d 越大，半i 懑大，磊麸銎2 一l 哥蘸爨，该区域 的管径相对较大，因而与该类管段相关联的点在整个系统中的影响的权重较 大。蒋者，从实际管网来考虑，管网其它点的压力变化需要水i f 5 i 点提供能量， 这也是大部分水司在水溺点附近布置压力般测点的原因之一。 ( 6 ) 1 0 6 ，1 1 3 ，1 0 9 ，l l l ，1 0 7 ，1 1 2 ，1 1 0 ，1 0 8 等点掰在瓣区域为砉冤 划的扩鼹区，节点霜承鬣为0 ，与这些点掰避接的管段大部分怒转输箨蹋， 特别怒通过1 1 2 ，1 1 3 ，1 1 4 ，1 15 ，1 1 6 等点向管网末梢进行转输时，距离较 远，所以对管网其它节点雁力变化的反应相对不太敏感。 第二章绘永警网垂力篮测点凑志方法磺究 匝碰晕鐾靼皿嚣gr篷志函 繁二章绘末管网压力薮测点奄是方法臻究 2 4 3 压力监测点布置 根据以上灵敏度分析，结合节点压力分酝图与实际工程的现场条件，并 考感基力薤溅点在管隧中懿匀分毒，我弱套嚣弼上毒重了1 2 令压力整测点 ( 觅搿2 - 3 ) ，布置方案翔下： ( 1 ) 在节点1 0 ，1 9 ，2 1 附近分别布鬣了3 个压力监测点，监测水源1 压力的变化： ( 2 ) 在节点6 3 附近螗洁来水的两条输水于管上分别设置了一个压力监 测点，黢测承源2 压力鳇变讫； ( 3 ) 在管网末穗节点7 2 ，8 8 ，9 2 瓣邋分剐设置三令莲力簸测点，监溺 管网末梢压力情况； ( 4 ) 在供水边界节点5 2 ，4 0 ，3 1 附近分别设置了三个压力监测点，既 监测供水边界压力变化情况，又同时间接反映水源供水量及供水扬程的变化 请琵； ( 5 ) 在承源与供求迭赛的孛阗区域节杰4 瓣近设置一拿簸测点，嚣整 测该透域压力情况，又作为将来起用深井袋蛄时备用水源钧簸测点。 2 4 问题探讨 绘东管网兹压力整溺点枣置是供隶警阏逡行管理兹一令豢瑟繇节， 叉菝 靠经验来决定难以达到最佳，而现有的方法又存在着这样或那榉的缺陷，难 以满足安际工程要求。本露利用水力学和拓扑学的基本原理，建立了管网压 力监测点的灵敏度矩阵和方程。通过灵敏度分析，不仅可找出管网中压力变 化最灵敏点，而且还可擞溅灵敏度排序，遴行管网节点分区，从丽根据工程 要求盍篷行器力整