（环境工程专业论文）规划区域供水管网安全与优化.pdf

摘要供水管网是供水系统的重要组成部分，涉及到庞大的建设和运行管理费用。规划区域的供水管网是在区域规划资料的基础上进行设计的，其成果决定了管网在建成后的安全性和经济性。但是，由于规划区域内的企业位置和规模、人口数量等都是不确定的，以致规划用水量及分布与将来的真实情况会存在一定差距，根据规划用水量设计的管网就会存在供水安全问题。所以，为了规划区域供水管网安全、合理，并能在将来一定时间内满足供水需求，避免建成后大规模改造带来的工程困难，需对在规划资料基础上设计的管网进行必要的研究和优化。首先，根据相关原则对规划区域供水管网的设计图进行简化，同时在规划资料基础上运用e p a n e t 软件对其进行水力模拟，发现其运行中存在的诸如一些管段流速过低、部分区域压力达不到用水最低要求等缺点，为下面的研究奠定了基础。其次，在对压力监测点布点方法进行研究比较后，根据节点流量是影响节点压力最频繁、最敏感元素的原理，采用模糊聚类模型，应用水力学和模糊聚类基本原理，建立供水管网节点压力影响系数矩阵并进行模糊聚类，在管网设计资料基础上，确定压力监测点的位置和数量，为压力监测点的工程安装提供依据。其次，针对规划区域的不确定性，在所收集资料和数据的基础上，采用不确定性理论与研究方法，运用数理统计思想，借鉴一维空间内目标值的置信区间模型，对规划区域的用水量和分布情况进行合理的调整，并根据调整情况对管网进行不同工况下的水力模拟。最后，在同时考虑管网经济性和安全性的条件下建立管网优化改造模型，运用改进的遗传法进行模型求解，并对优化结果进行不同工况下的验证，证明了优化结果的正确性。通过本文的研究，提出了一套基于规划资料的管网安全与优化的研究方法，能够在很大程度上提高设计管网的安全性和经济性，保证管网在建成后具有持续的安全可靠性，减少管网改造次数，具有一定的理论意义和实用价值。关键词：规划区域供水管网压力监测点用水量调整优化设计a b s t r a c tw a t e rs u p p l yn e t w o r ki sav e r yi m p o r t a n tp a r to fw a t e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hr e f e r st oh i 【g hc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n a lm a n a g e m e n tc o s t w a t e rs u p p l ys y s t e mo fp l a n n e da r e ai sd e s i g n e db a s e do nt h ed a t ao fp l a n n e da r e a , w h o s er e s u l td e t e r m i n e sw h e t h e rt h ep i p en e t w o r ki ss a f ea n de c o n o m i c a la f t e ri t sc o m p l e t i o n h o w e v e r , t h e r ei sac e r t a i ng a pb e t w e e nt h ep l a n n i n ga n dt h er e a lr e s u l ta b o u tt h ec o n s u m p t i o no fw a t e ra n di t sd i s t r i b u t i o nb e c a u s et h el o c a t i o n ，s c a l e ，p o p u l a t i o nq u a n t i t ya n ds oo no fe n t e r p r i s ei np l a n n e da r e aa r eu n c e r t a i n s a f e t yp r o b l e m so fs u p p l y i n gw a t e ra p p e a ri nt h ep i p en e t w o r kd e s i g n e db yp l a n n e dc o n s u m p t i o no fw a t e r t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt om a k ear e s e a r c ha n do p t i m i z a t i o no ft h ep i p en e t w o r ki no r d e rt om a k es u r et h a tt h ep i p en e t w o r ki ss a f e ，r e a s o n a b l ea n dc a ns a t i s f yi n c r e a s i n gd e m a n dt ow a t e rs u p p l yi nf u t u r e ，a v o i d i n gt h ed i f f i c u l t yi ne n g i n e e r i n gb e i n gb r o u g h tb yr e c o n s t r u c t i o ni nl a r g es c a l ea f t e rc o m p l e t i o n f i r s t l y , t h ed e s i g nd r a w i n go ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ki np l a n n e da r e ai ss i m p l i f i e da c c o r d i n gt or e l a t e dp r i n c i p l e ，a n de p a n e ti su s e dt om a k eh y d r a u l i cs i m u l a t i o nb a s e do nt h ep l a n n i n gd a t u m a sar e s u l t ，s o m ed i s a d v a n t a g e ss u c ha sl o wv e l o c i t yi n s i d et u b e s ，l o wp r e s s u r ei ns o m er e g i o nw h i c hc a n ts a t i s f yt h em i n i m u mr e q u i r e m e n t ，a r ef o u n di ni t so p e r a t i o n ，w h i c hm a k eaf o u n d a t i o nf o r t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h s e c o n d l y , m e t h o d so fs a m p l i n gp r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t sf i r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e d f u z z yc l u s t e rm o d e li su s e dt oe s t a b l i s h t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r kn o d a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n tm a t r i xa c c o r d i n gt op r i n c i p l et h a tt h en o d a lf l o wi st h em o s tf r e q u e n ta n ds e n s i t i v ee l e m e n t si nt h ee f f e c te l e m e n t sa n dt h ep r i n c i p l eo fh y d r a u l i c sa n df u z z yc l u s t e r i n g t h ep o s i t i o n sa n dq u a n t i t yo fp r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t si sd e t e r m i n e do nt h eb a s i so f n e t w o r kd e s i g nd a t a , p r o v i d i n ge v i d e n c ef o rt h ee n g i n e e r i n gi n s t a l l a t i o no f p r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t s t h i r d l y , i na l l u s i o nt ou n c e r t a i n t yo ft h ep l a n n e da r e a , o nt h eb a s i so fi n f o r m a t i o na n dd a t ac o l l e c t e d ，u s i n gt h eu n c e r t a i n t yt h e o r ya n dr e s e a c hm e t h o da n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c sm e t h o d ，u s i n gf o rr e f e r e n c ef r o mc o n f i d e n c ei n t e r v a lm o d e lo ft a r g e tv a l u ei no n ed i m e n s i o n a ls p a c e ，r e a s o n a b l ya d j u s t m e n to fw a t e rc o n s u m p t i o na n dd i s t r i b u t i o ni np l a n n e da r e ai sd o n e ，a n dh y d r a u l i cs i m u l a t i o ni sd o n ea c c o r d d i n gt ot h ea d j u s t m e n ti nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ep i p en e t w o r ko p t i m i z a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dt a k i n gt h ep i p e n e te c o n o m i ca n ds e c u r i t yc o n d i t i o n si n t oa c c o u n t t h ei m p r o v e dg e n e t i cm o t h o di su s e di nt h em o d e ls o l u t i o n ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t si st e s t e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s i ti sp r o v e dt h a tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sa r ec o r r e c t r e s e a r c hm e t h o d sb a s e do nt h ep i p en e t w o r ks e c u r i t ya n do p t i m i z a t i o no fp l a n n i n gd a t u mw e r eb r o u g h tf o r w a r d , w h i c hc a r li m p r o v et h es e c u r i t ya n de c o n o m yo fp i p en e t w o r kd e s i g nt oal a r g ee x t e n le n s u r et h ec o n t i n u o u ss e c u r i t yo fp i p en e t w o r ka f t e rc o m p l e t i o na n dr e d u c et h en u m b e ro f m o d i f i c a t i o no f p i p en e t w o r k s o ，i th a sat h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：p l a n n e da r e a ；w a t e rs u p p l yn e t w o r k ；p r e s s u r em o n i t o r i n gp o i n t s ；w a t e rc o n s u m p t i o na d j u s t m e n t ；o p t i m u md e s i g n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，也不包含为获得叁聋盘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：袭j 司炙签字日期：2 刃矽年月节日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解本盎盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨叠蠢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：欺问茨签字日期：力口驴年月争日导杀签名：亏乜t 乏带签字醐啼6 月尸日天津大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的提出及研究意义1 1 1 课题提出背景第一章绪论供水管网对规划区域具有重要的意义，是区域生存和发展的物质基础，是人们生活和生产正常运作的保证，其正常运行和有效工作是区域保持生命活力的重要前提条件之一。输配水管网是供水系统的重要组成部分，它通过各级输配水管道把水安全可靠地输送到各个用水点，并满足水量、水压和水质的要求。在整个供水系统中管网部分的投资一般要占到工程总投资的5 0 一8 0 ，而且涉及到庞大的能耗和运行管理费用，包括加工和输配过程中的电力、药剂费用等【。所以，供水管网系统的规划、设计和运行管理是否科学、经济、实用，直接影响工程总投资、运行费用及系统可靠性。规划区域供水管网是在规划资料基础上进行设计的，其内部企业的位置和规模、人口数量等具有很大的不确定性，都是不确定的，所以，按照规划资料进行设计的管网就有可能存在不合理之处。所以，在规划阶段就应充分考虑规划区域各种用水量可能，进行安全性条件下的压力监测点布置和管网优化改造，使管网更好地利用资源、改善给水服务供应、提高其安全性及供水企业的经济效益。因此，对规划区域供水管网进行管网系统优化设计，寻求能满足水量和水压要求，且能使整个系统的造价最低或年费用最小、系统可靠性最高的设计方案，将对节约投资、降低能耗、提高经济效益和社会效益等有着重要的现实意义。1 1 2 课题研究意义为了提高规划区域供水管网的安全性，须在设计供水管网时考虑压力监测点的布置方案，以便在管网建设的同时确定管网监测体系：另一方面，要在相关资料基础上，对规划用水量进行合理调整，在扩大用水量考虑范围的同时为管网优化改造服务。最后，要在同时考虑管网经济性和安全性条件下进行管网的优化改造，确保供水的可靠性和经济性。众所周知，水压是给水管网运行质量的重要指标之一，确定压力监测点的位置和数量，安装测压装置对供水管网是非常必要的。规划区域供水管网正处于建天津大学硕士学位论文第一章绪论设阶段，如在管网建设过程中设置压力监测点，既可以避免管网建成后再增设压力监测点带来工程上的困难，又可以在管网建成后可以及时了解管网运行工况。迅速全面地获得管网的水压信息，可以有效的利用计算机进行实时优化调度，保证供水质量、运行安全、节水节能和运行效率。同时，积累管网实测水压资料可以校验管网微观分析的计算结果，合理进行管网的改造和扩建，永久性测压点正是根据这一要求而设置的i2 | 。显然，监测点数量越多、位置越恰当，估计的精度就越高，误差越小。由于测压点必须采用测压装置，故投资大，且过多的测压数据给计算机信息处理带来负担，所以，增加监测点数量会增加投资和运行管理费用。这就要求选用尽可能少的、具有代表性的测压点安装测压装置【3 】。因此其位置的选择也尤为重要。所以，合理确定监测点数量，科学地选择监测点位置是保证状态估计精度、降低投资和运行费用的关键。在管网规划设计之初，根据规划资料、原设计情况及相关理论知识判断压力监测点布置情况，对于本文研究对象规划区域具有非常重要的现实意义。作为一个规划区域，根据现状及规划资料很难准确地估计将来用水量的多少以及用水量的分布情况，在将来的建设和发展方面都存在着很多不确定性，包括用水单位的变化、用水量的变化、人口数量的变化等，而这种不确定性直接带来的是用水量、水量分布的不确定性，这些不确定因素会影响管网将来运行的安全性和经济性。所以，有必要对本课题研究对象的用水量的变化规律进行准确的估计，考虑多方面的不确定性因素对管网的正常运行的影响。如果将来区域内在规划外出现一个用水大户，根据现行状况和规划设计的管网就有可能不能保证整个区域的正常工作。而如果把初期用水量规划的比较大，它虽然能满足很长一段时间的用水情况，但这样必然会提高建设费用和能耗。所以，有必要在规划阶段对其用水量进行合理计算和布局，保证在费用最低的情况下提高规划区域管网供水的安全性，降低将来供水系统的不确定性，并为优化服务。为了规划区域供水管网的安全，须针对规划区域供水管网诸多缺点和不确定性，对规划管网进行必要的优化。研究不确定性条件下规划区域供水系统优化设计方法，既可以使设计更加科学、合理又可以节省供水工程的投资和运行费用，促进自身经济发展，提高社会效益、经济效益和环境效益。未进行优化设计的供水工程项目不但投资大，而且还可能造成供水条件差、局部地区水压过高或过低、水泵无法在高效区运行等问题。实际管网计算复杂，工作量大，凭经验确定管线走向、管径等参数，很难达到经济合理要求。因此，规划区域供水管网的优化设计在供水工程中占有重要的地位。必须对规划区域供水管网进行多种方案的计算和比较，以得到经济合理地、满足近期和远期用水的最佳方案，达到投资少、能耗低、可靠性高的目标。天津大学硕士学位论文第一章绪论1 2 国内外研究现状国内外学者及研究人员在供水管网压力监测点布置、用水量预测、管网安全与优化方面作了大量的工作，并取得了具有实际意义一些科技成果，但是在基于不确定性情况下进行供水区域用水量调整方面的研究尚未见到有关报道。多年来，国内外学者在用水量预测方法上做了大量的工作。用水量预测主要包括短期预测和中长期预测。目前，水量预测的方法已有3 0 0 多种( 常用的为回归分析法和时间序列分析法) i j ，但每种方法都有其特定的适用环境。因此，优选用水量预测方法和模型就成为用水量预测是否准确的关键所在。9 0 年代以后，又提出了许多结合人工智能领域的预测新方法，如人工神经网络用水量预测模型 7 - 8 ，联合b o x j e n k i n s 和神经网络预测用水量，结合动力系统中g r a s s b e rg e t -p r o c a c c i a 算法和自然邻点插值心附i ) 方法来预测用水量1 9 j ，基于粗糙集理论自动挖掘用水量序列的规则达到短期用水量预测目的【1 0 】等。这些预测方法一定程度上提高了预测精度和预测长度。但是，这些预测方法均需要历史数据，对规划水量的调整的指导意义不大。在压力监测点布置方面，国内外学者作了很多积极的研究并取得了大量的研究成果。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 j 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，经过比较，后者布置的压力监测点是最敏感的。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。而王训俭 1 2 1 、王俊岭【1 3 】、张宏俐1 4 1 等学者在供水压力及管网压力监测布置建立模型方面进行了大量研究，建立了相关模型，具有较高的应用价值。近年来，国内外，又相继提出了压力监测点布置的敏感性分析、回归分析、灵敏度分析模型、模糊聚类模型等，并取得了一定的成果。管网的优化计算主要是以经济性为目标函数，在保证供水所需水量水压、可靠性条件下寻求经济的最优。优化模型在最初建立时没有考虑资金的折算，这难天津大学硕士学位论文第一章绪论免会对求解结果带来误差，后来人们逐渐把折旧费和资金年利率考虑到了优化模型中，增加了模型的准确性。在管网优化中对模型的求解是比较困难的，先后经历了线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型、神经网络模型、遗传算法等。国外从2 0 世纪6 0 年代就开始了供水管网的优化设计，人们开始用系统分析方法设计供水管网，并将优化程序应用于其中。最早的有k a r m e l i 、s c h a a k e 、l a i等人的树状网优化设计模型，a l p e r o v i t s 和s h a m i r 提出的基本线性规划模型等，q u i n d r y 等人对线性模型进行了修正【15 1 。线性规划模型是管网优化设计中应用较早的数学规划模型之一。对于树状管网，由于在节点流量已定条件下，它有唯一的流量分配，因此，对树状网优化设计方法的研究进展比较快，至今已比较成熟。对于环状管网的非线性规划模型，s h a m i r 等人采用梯度技术进行求解。j o c o b y 采用一种数值梯度技术求解环状管网非线性优化模型，这种方法只进行了有5 条管道的双环设计，没能进行更复杂的计算。随后，s h a m i r 又提出一种简约梯度法和罚函数法联合求解配水系统的优化设计。实践证明该方法在计算上是可行的，可用于供水管网的设计和运行等多个方面。1 9 9 0 年f u j i w a r a 和k h a n g 在对两阶段法进行改进的基础上，提出一种能够具有全局寻优能力的两阶段分解法，能产生一个改进局部最优解的过程i l6 | 。1 9 9 4 年e i g e r 等人提出一种有全局搜索能力的分支定界算法【1 7 】。这种方法利用对偶理论，以原问题的对偶问题确定求解的最低下限，当得到的局部最优解与最低下限的差距小于某个范围时，终止运算。目前非线性规划模型一般都为复杂的不等式约束非线性规划问题，常用的计算方法是广义简约梯度法( g r g ) 1 8 - 2 0 。此方法虽然具有很强的局部收敛能力，但全局搜索能力欠佳，对于多峰值的规划问题，很容易陷入局部最优解。动态规划模型是一种求解多阶段决策过程最优化的方法，在管网设计优化中也有一定的应用。w o n g 等人第一次应用动态规划法进行树状输气管网系统运行优化，以系统内部泵站之间的运行压力差作为决策变量，但没有考虑系统最优布局问题。l i a n g 应用动态规划法进行供水系统最优设计，将系统内的每个管段作为动态规划的阶段，以每个管段入口和出口处的总压力为输入和输出状态变量，以连续变化的管径为决策变量，以所有费用项和整个系统效率为优化目标函数。w o n g 采用动态规划法对一个单压力水源且有多个分支管道的发散性树状供水管网进行优化设计，以标准管径为决策变量，以系统内的水力关系为动态规划的状态传递关系，确定系统的最优管径组合。项玉章、刘子沛、陆少鸣【2 l 】等学者对动态规划技术在树状管网和环状管网优化设计中的应用等进行了大量的探讨和研究。在实际应用中要根据问题的不同类型，进行具体分析，构造具体的模型。对于复杂问题，在选择状态，确定状态转移规律等方面，需要丰富的想象力和灵活天津大学硕士学位论文第章绪论的技巧性，使动态规划技术的应用范围受到限制1 2 2 人工神经网络因具有较好的非线性映射、智能化学习以及较好容错性的特点而得到重视，h o p f i e l d 将人工神经网络成功地应用在组合优化问题中，之后国内外学者 2 3 - 2 4 1 将人工神经网络应用于给水管网中。神经网络算法求解优化问题的关键思想是将问题映射到一个神经网络动力系统，写出相应的满足问题约束条件的能量函数表达式和动力学方程，选取适当参数值以保证网络的稳态输出，在网络动力学方程自动演化至平衡状态后，即可搜索到相应的最优解。遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s g a ) 是由执安大学教授h o l l a n d 及其学生创建的，其基本思想是基于d a r w i n 的进化论和m e n d e l 的遗传学说【2 5 】。城市给水管网的优化设计是以初始流量分配为初始解，通过不断的评价和迭代运算直到符合条件的最优解，这与遗传算法的基本思想是一致的。给水管网设计对象往往是具有离散性质的标准管径，利用遗传算法中编码空间与解空间一一对应的性质，直接得到标准管径组合，避免了用其他方法计算结果后对管径调整所带来的误差。澳大利亚阿德雷德大学的s i m p o s o n 、d a n d y 、m u r p h y 等人把应用遗传算法进行配水系统优化设计列为重要课题研究，并成立了研究小组。最初他们研究利用遗传算法进行模拟压力管网，编写快速计算的管网水力计算程序和简单编码技术的设计。1 9 9 2 年他们开始应用遗传算法最优化技术进行管径设计问题的测试1 2 6 1 。1 9 9 3年他们又发表了关于遗传算法最优化技术及其在实际配水系统优化中的应用，包括在给定管网布置情况下应用遗传算法进行管径最优组合选择的研究等。直到1 9 9 5 年遗传算法的优化技术才得到充分的提高，可有效地用于分析大规模复杂配水系统的规划和设计问题。目前，遗传算法作为一种新型的智能优化算法，已成功应用于众多领域。遗传算法的全局寻优能力和隐含并行特性，使其特别适合于处理传统算法无法解决的复杂非线性问题，且可直接用于离散变量的计算。总体来说，国内在该技术领域与发达国家相比起步较晚，进展较慢，尤其在工程实际中，尚有较大差距。自7 0 年代在实践和理论研究的基础上逐步开展管网优化设计工作以来【2 7 1 ，开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟、优化设计及水厂水质控制等方面。8 0 年代，我国科技人员已开始进行供水系统可靠性分析，同时也开展了对优化调度理论的研究工作，国内的批学者如赵新华【2 引、赵洪宾口w 、张宏伟 3 0 】等在这方面也进行了深入研究并取得一定的研究成果。到目前为止，优化理论正在继续发展并日趋成熟。经过3 0 多年的发展和完善，管网优化设计模型和算法在工程实践中得到了较为广泛的应用，成为提高系统设计水平和设计效率的重要工具。目前管网设计优化模型大致经历了线性规划模型、非线性规划模型、动态规划模型等。在国内，遗传算法应用于管网优化设计方面，虽然起步晚，但发展快。不少学者对遗传算天津大学硕士学位论文第一章绪论法针对不同具体问题的情况进行了不少的改进。各种用水量预测模型、压力监测布置模型、管网优化模型等的出现，为本课题的研究奠定了基础。1 3 本文主要研究内容因规划区域供水管网的设计基础是规划资料，规划用水量是根据企业申请的用水量和规划人口生活用水量进行计算的。但在进行规划区域供水管网设计时企业未建成，人口也未居住，企业和人口数量、用水规模都是不确定的。所以，根据规划资料进行设计的管网对将来用水工况不一定适合。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，着重解决压力监测点的布置、对设计资料中原用水量方案的调整、基于供水安全性对管网进行优化改造三个问题。首先，以规划资料为基础，对设计管网进行简化，绘制e p a n e t 管网图并进行水力模拟运行，了解设计管网的运行工况，为以下研究奠定基础。其次，建立压力监测点布置模型，根据供水管网中对节点压力影响最频繁、最敏感的因素为节点流量的原理，应用水力学和模糊聚类基本原理，以e p a n e t水力模拟结果为基础，建立给水管网节点压力影响系数矩阵并进行模糊聚类，确定压力监测点的位置和数量，在供水管网中布置压力监测点，为压力控制提供决策依据。以上述求取的压力监测点作为敏感点，在所收集资料和数据的基础上，根据规划区域现在的构成、远期的规划以及它的不确定性因素对原预测用水量进行调整。基于解决不确定性问题的数理统计思想，参考点在一维空间一定置信水平下的置信区间模型，根据节点流量变化趋势判断其分布曲线，依此寻找相关参数，求出敏感点的流量变化区间，提供一种简单、实用的调整方法。并在充分考虑区域发展各种可能出现的情况下进行用水量调整并模拟区域供水情况，找出区域供水的不足和缺点。为了提高供水系统安全可靠性，本文最后在基于对管网经济性和安全性同时考虑的原则上，建立管网优化模型，运用遗传算法进行求解，并进行不同工况下的水力模拟验证，在保证费用低、改动少的情况下确定最后的改良方案。天津大学硕士学位论文第二章研究对象简介第二章研究对象简介本文研究的规划区域供水管网为天津k g w l 开发区供水管网的一部分。天津k g w l 开发区位于天津市东部，是一个规划区域，到目前为止，管网已建成一部分，一些企业也已正式进入并投入生产，但现在还没有居民居住。2 1 研究对象背景介绍k g w l 开发区是天津滨海新区的重要功能区，位于天津市区东部，是城市的特色功能区之一。k g w l 加工区位于中纬度欧亚大陆东岸，季风环流影响显著，冬季受蒙古冷高气压控制盛行西北风；夏季受西太平洋副热带高气压左右而多偏南风。气候类型属于暖温带半湿润季风气候。四季分明，春季少雨多风，夏季炎热多雨，秋季天高云淡，冬季寒冷干燥。年平均气温1 3 1 。最冷月平均气温零下5 7 ，最热月平均气温2 6 4 。最大冻土深度6 9 c m ，全年降雨量5 0 0 7 0 0 m m 。地质属海河冲积平原，地势平坦，地下水位在地面下8 0 c m 左右，地下水对混凝土一般没有腐蚀性。天津地区地震一般按7 度考虑，城市生命线工程按8 度设防。本文研究对象是k g w l 加工区的一部分，现阶段供水管网已基本建设完毕，现期供水仅依靠w g 道的d n l 0 0 0 管道以5 万m 3 d 的输送能力向其输送水量，现有供水情况难以满足用水发展需求，因其规划总用水量为17 万m 3 d ，为此需要再建一条输水干管满足规划区域的水量需求和供水的安全性，即在规划区域东南部筹建j b 水厂，在满足规划区域用水的条件下也向滨海新区其它区域供水。2 2 区域供水现状分析规划区域总用水包括工业用水、生活用水、公共建筑用水以及其它用水。工业用水量在总用水量中所占的比例较大，根据相关资料得知，纺织服装和食品饮料是区域的两个用水大户，它们的总用水量占到了工业申请用水总量的一半。规划区域管网在设计时按照面积法计算管网的节点流量；配水管网供水综合时变化系数取1 2 ；依据规划区域的地形及要求，最不利点服务水头取2 4 m ；水力计算公式采用海曾威廉公式；整个管网采用南、北两个泵站同时进行供水，天津大学硕士学位论文第二章研究对象简介最后进行了事故和消防校核，区域规划总用水量为1 7 万m 3 d 。规划区域现状自来水供水的主要来源是x k h 水厂，其源水为引滦水。x k h水厂第四出厂干管d n l 8 0 0 自外环线昆仑路到达w g 道，沿w g 道向东过环外环线后再沿j h 公路向东，直至规划区域北部的加压泵站，输水长度9 6 k i n ，目前预留d n 8 0 0 管供给规划区域5 万m 3 d 。规划区域占地面积2 3 9 k m 2 ，现已完成道路、供电、供水、排水、通讯等各项基础设施配套工程。目前，供水管网基本实施完毕，已形成d n 6 0 0 环状输水干管及d n 2 0 0 、d n 3 0 0 、d n 4 0 0 配水管网，管网设计长度1 5 0 公里左右，已有1 0 0 多家企业入驻。到目前为止区域用水量约为2 万m 3 d 。2 3 管网简化及模拟2 3 1 管网简化通常，供水管网是由环数较多的环状网和一部分树状网组成的混合型管网。对管网进行研究时，由于供水管线很多，如果将所有管线一律加以计算，实际上是不必要的，有时甚至是不可能的。为此，在进行管网水力计算之前，要对管网图形进行简化。简化管网时必须在理论和实践经验的指导下，对管线的省略、合并和分解从技术上作出判断。通常情况下，管网越简化，计算工作量越小。但是从另一个角度看来，过分简化的管网，计算结果将与实际用水情况相差较多，所以应慎重对待管线的简化问题。管网简化应遵循的主要原则有 3 1 - 3 2 】：( 1 ) 管线省略的原则。通常情况下，管径的大小与管线在供配水中的作用和水力条件的影响成正比。根据管网内用水单位和用水标准的分布，逐步去掉不影响管网水力计算的支管或管线，但需要人为地判断管线对管网工作的影响程度，但不可避免地会产生计算误差，尤其对于构成环的小管径的管线很难省略，而对于混合型管网中树枝状部分节点流量将加入到联系管段的铰节点上，使之成为环状管网。在管网中省去一条管线( 其不分担流量) 后，严格地说会影响整个管网的水力条件。经过实践证明，对所省略管线四周的管线水力条件影响最大。管线省略后对管网工况的影响与管线在管网中的位置、管径、管长、将要省略的管线数和四周管线中的流量等因素有关。但是，若布置的支管末端是大用户用水，以及容易发生火灾的地方，特别是在一条支管的末端，则这样的管线不能被轻易地省略掉，否则会对管网工况产生较大影响。天津大学硕士学位论文第二章研究对象简介( 2 ) 管线的合并在理论上可以得到精确的计算结果。在大中城市的给水管网中，有3 0 的管线可以做此简化处理。当两条管线距离越近，因合并而产生的水头损失影响越小。此外，平行管线合并和管线省略需要考虑对其四周管线的处理。( 3 ) 供水规模较大的城市，许多市政道路下的供水管线都不只一条，通常位于道路两侧，相互通过过路管道连接。这些过路管管径通常与主干管管径相同或相近，长度较小，对道路两侧管线的水力条件基本不造成影响，过路管两端的水力参数基本相同，所以可将这种管段作为一个节点。( 4 ) 给水管网图形中有些管段很长，或沿途有较大局部阻力，根据给水管网理论，这样的管段不适合作为一条管段处理，应予以适当分解。经过前人反复实践，认为对管长大于1 0 0 0 m 或管线的转角较大的管段，在长度为1 0 0 0 m 处或转角处增设节点，管段相应增加。在以上管网简化原则的基础上对规划区域管网进行简化，以设计的管网图为基础，对相关节点进行合并，简化后管网e p a n e t 绘制结果如图2 1 所示。简化后的管网共1 5 7 个节点，3 1 6 条管段，两个泵站。为了使简化管网能够运行，对其进行研究，需把节点、管段、泵站的相关属性输入e p a n e t 中。节点属性主要是确定节点流量。在规划设计时管网的节点流量分配按面积法计算而得。管段属性需要的是管径、管长、海曾威廉系数。泵站属性需要扬程和供水流量。以上属性均采用设计数据。天津大学硕士学位论文第二章研究对象简介注：图中数字分别为节点号和管段号。图2 1 规划区域供水管网简化图2 3 2 管网水力模拟为了对设计管网进行研究，判断其运行是否合理、是否能达到用水要求，需对管网进行水力模拟。在管网简化的基础上，输入管段( 管径、管长、管道摩阻系数) 、节点( 节点流量) 、泵站( 扬程、流量) 的相关属性后进行管网模拟。其中，北部泵站供水5 万m 3 d ，入口压力2 6 6 5 m ，南部管网入1 2 1 管网压力2 9 18 m ，供水量1 2 万m 3 d 。地面高程o m ，海曾威廉系数取1 3 0 ，最不利点控制水头2 4 m 。模拟结果如图2 2 所示。通过模拟结果和模拟结果图可知，规划区域管网节点压力绝大部分都达到了2 4 m 的最低需水要求，泵站附近的节点压力比较大，从南、北向中间节点压力逐渐减小，但压力大小变化比较均匀。图中右半部分节点压力在整个管网中是比较偏小的区域。管道流速大部分超过了0 1 m s ，虽没达到经济流速范围，但规划区域以后还会有企业和用户进入，用水量会相应增加，管道流速也会相应提高。所以，为了规划区域以后的长期发展考虑，管径适当超前，是比较合理的。但是，通过水力模拟也发现了管网中存在着一些问题，即三角区域( 图中右上角方框框住的区域) 的水头达不到2 4 m ，无法满足该区域用水要求。8 、3 8 、天津大学硕士学位论文第二章研究对象简介4 5 、4 7 、4 9 、6 7 、6 8 、8 2 、8 5 、9 l 、9 2 、9 4 、1 6 5 、1 6 7 、2 2 4 、2 3 0 等管段的流速远远小于经济流速( 管径1 0 0 。4 0 0 m m ，平均经济流速为0 6 0 9 m s ；管径大于4 0 0 m m ，平均经济流速为0 9 1 4 m s ) ，水头损失还不到l c m ，大多几毫米，有的流速甚至接近于0 。这说明管径选择太大，过于超前，即大部分时间管网处于欠饱和状态。这就会导致：1 ) 管网设计所选管径偏大，管网建设费用增加；2 ) 管段流速过小，影响供水水质。备注：图中1 5 9 、1 6 0 为泵站，圆形表示节点，圆的大小和颜色深浅与压力值成正比，圆形最小及颜色最浅的点区域为压力不满2 4 m 的三角区域。管段箭头指向为水流方向。图2 2 管网工况e p a n e t 模拟结果图天津大学硕士学位论文第三章基于模糊聚类的供水管网压力监测点布置方法研究第三章基于模糊聚类的供水管网压力监测点布置方法研究供水管网水压不仅是直接反映供水服务质量指标之一，也是全面掌握供水管网运行状态以及对整个供水系统实施正确调度的重要参数。规划区域供水管网正处于建设时期，在管网上设置压力监测点具有非常重要的现实意义。在管网建设过程中确定布置方案，设置压力监测点，既可以提高管网的安全性，避免建成后再设置压力监测点工程上的困难；又便于在管网建成后，能够及时获得实时监测值，掌握管网正常工作时的压力分布情况，保证管网的服务水头，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，在管网建成后，将压力监测值用于管网运行水力参数状态估计，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，在规划建设之初，在供水管网中选择合适的压力监测点，确定其位置和数量，使其以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。本章将基于以上目的，参考周书葵的聚类分析法【3 3 】，得出城市供水管网关于压力监测点优化布置的一套较为完整的算法一模糊聚类法。3 1 压力监测点布置的模糊聚类原理及模型3 1 1 影响系数的确定一个确定的供水管网在某一供水工况下工作时，节点水压值的大小会受到外界各方面因素的影响，其中最敏感、变化最频繁的外界影响因素是节点的流量【33 1 。当某节点的节点流量发生变化时，必然会引起其它节点的水压发生变化，但对每一节点水压变化的影响程度是不一样的。那么，由此引起节点水压变化最大的节点就是布置水压监测点的最佳位置。模糊聚类模型就是从这一思想出发，得出供水管网水压监测点选取位置的。设一供水管网有刀个节点，在k 节点处产生了一个g 的节点流量变化值，则整个管网的节点水压都会受到不同程度的影响，如设其中被考察节点i 的水压变化值为胡，。用a ，a q 。表示k 节点处单位节点流量变化在i 节点处产生的水压变化率，它反映了f 节点水压受其他节点流量变化影响的大小。由于各节点流量基值g 大小相差悬殊，绝对值相同的各g 在各g 中所占的比例不同，因而产生的a 日，及埘。会相差很大。对不同的栉点，艄，幺可比性差，因此选用天津大学硕士学位论文第三章基于模糊聚类的供水管网压力监测点布置方法研究凹，胡。表示栉点流量变化对i 节点水压的影响，其物理意义是：由于栉点的流量变化，引起i 节点处水压值波动的程度。记栉点对带点影响系数为x ( i ，k ) ，则：x ( i ，七) = d h ，d h i ( f ，k = - 1 ，2 ，刀)( 3 一1 )求解( 3 1 ) 的x ( i ，七) 可从两方面考虑：一是求解析解。由于栉点水压变化后，会影响各管段流量及水泵的工况，进而影响i 节点的水压变化，但其内在机理复杂，因而求解析解尚不易实现。二是直接对管网进行微观分析，通过简化( 3 。1 )式来计算x ( i ，j ) 。管网微观分析方法是在某一基准工况下进行管网平差，得出该工况下各节点水压h ，再加大栉点流量( 其他节点流量不变) 重新进行管网平差，得出各节点水压日。则影响系数可表述如下：珊) = 糌( f 纠，2 ，( 3 - 2 )式中：h ，、h 。一基准工况下f 、栉点水压( m ) ；日日：_ 栉点流量改变后i 、栉点的水压( m ) 。这样，所有节点的影响系数x ( f ，七) 可用一矩阵防】表示，称之为水量影响矩阵。显然，该矩阵主对角线上的元素x ( i ，后) = 1 ，其余元素0 x ( i ，j i ) 1 。3 1 2 水量影响矩阵的模糊聚类化所谓模糊聚类化，就是以类聚的数学方法，根据一定的聚类原则和模糊评判标准，将具有相似性质的对象划分为一组。本文中被分类的对象是管网的门个节点，力个节点组成了刀2 对影响系数x ( i ，后) ，将影响系数在不影响其分类结果的情况下经过一系列变化后得到两两节点的距离，( f ，) ，聚类原则是比较两两节点，( f ，j