（市政工程专业论文）在城市给水系统优化调度中若干关键问题的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文y 6 2 0 0 6 8 在城市给水系统优化调度中若干关键问题的研究 摘要 随着国内城市化进程的加快，给水系统作为城市最重要 的基础设施之一，规模日渐庞大，管网结构也随之复杂起来， 给水系统优化调度与管理亟待提上议事日程。在给水系统优 化调度与管理中，建模无疑是其核心内容。但由于我国特殊 的国情，建模并不能解决我国给水系统目前存在的所有问 题，原因之一是管网布置不尽合理。因此，须在理论与实践 经验的指导下，对现行给水管网进行必要的调整。在管网调 整的基础上，再进行建模，这是解决现有给水系统所面临问 题的有效方法。基于此，本论文主要包括以下几个方面的内 容： 一、给水系统宏观模型研究 以目前三种宏观模型( 不受比例负荷限制的宏观模型、 时段宏观模型和理论一经验模型) 为出发点，讨论了上述三种 模型的优缺点，根据目前我国给水系统的现状，研究了比较 太原理工 学硕士研究生学位论文 切合我国实际情况的时段宏观模型和理论一经验模型，重点 提出了理论一经验模型的改进方法；同时在宏观模型的基础 上，对事故状态宏观模型的建模方法进行了研究，为不同状 态下的绘水系统优化调度提供依据。 二、给水系统微观模型研究 讨论了建立给水系统微观模型的方法。主要是对建立微 观模型所需的状态和参数进行了研究，提出了管段管径、管 段摩阻系数和阀门摩阻系数的模拟方法。重点是对阀门开启 度与管网节点水压变化之闰的关系进行了研究，并推导出阀 门开启度与节点水压之间关系的灵敏度方程。在给水系统优 化调度中，为调节阀门开启度提供理论依据。 三、给水系统优化调度方法研究 目前的给水系统优化调度模型包括水量预测模型、优化 调度模型和宏观模型三方面的内容。 在水量预测模型中，重点对时间序列预测方法，包括各 种常用的时间序列预测模型和模型优选进行了研究。 优化调度模型中包括直接优化调度模型、多目标直接优 化调度模型和二级优化调度模型。实际上，每种调度模型有 太原理工大学硕士研究生学位论文 其适用范围，在这一部分中，对各种模型的优缺点及模型的 择优进行了研究。 四、给水管网合理布置和测压点布置方法研究 针对我国现状管网的不合理布置，提出了基于节点压力 变化为基础( 包括敷设年代较久的旧管网和新敷设管网) 的 分区方法。该方法的提出，不仅使给水系统优化调度成为可 能，而且为测压点优化布置提供理论根据。 五、给水管网漏损量控制模型研究 压力控制法是减少供水管网水量损失的最有效方法。在 对管网系统漏损原因分析的基础上，重点提出了以调节节点 压力为基础的管网漏损量控制模型，并对模型的算法进行了 简要分析。 主要创新点： 一、基于现状给水管网布置的不合理性提出了以节点压 力变化为核心的给水管网分区方法： 二、泵站的优化调度仅能在满足管网最不利点水压的前 提下使能耗最低，无法解决管网局部水压太高的问题，而调 节阀门开启度是解决这一问题的有效途径。本内容探讨了影 太原理工大学硕士研究生学位论文 响阀门阻力系数的相关因素，研究了阀门阻力系数的模拟方 法，在此基础上，提出了阀门开启度与节点压力变化之间的 灵敏度方程。 三、建立了管网系统漏损量控制模型。在研究影响管网 漏损量因素的基础上，提出了以管网系统漏损量最小为目标 函数，修正管网节点连续性方程、节点压力变化灵敏度方程 和管网最不利点水头等为约束条件的优化模型。 关键词：给水系统，宏观模型，微观模型，n f - j 管理，管网 分区，漏损量控制模型 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo ns o m ek e yp r o b l e m s i nt h eo p t i m a ld i s p a t c ho fc i t y w a t e rs u p p l ys y s t e m a b s t r a c t a st h eu r b a n i z i n g p r o c e s si sa c c e l e r a t i n gi nc h i n a ，t h es i z e o fw a t e r s u p p l ys y s t e m ，w h i c h i so n eo ft h e i m p o r t a n t i n f r a s t r u c t u r e s ，b e c o m e sl a r g e ra n dl a r g e r i ti s i m p e r a t i v ef o r t h ew a t e rs u p p l ys y s t e mt ot a k em e a s u r e so f o p t i m a ld i s p a t c h a n d r e g u l a t i o n i nt h ec o u r s eo fo p t i m a ld i s p a t c h ，h o w e v e r , d u e t ot h er e a ls i t u a t i o ni n c h i n a ，m o d e lc r e a t i o nc a n n o ts o l v ea l l p r o b l e m s t h ew a t e r s u p p l ys y s t e m i sf a c e dw i t h t h e i r r a t i o n a l i t yo f w a t e rs u p p l ys y s t e ml a y o u ti st h em o s ti m p o r t a n t r e a s o n s o ，i ti sn e c e s s a r yt oa d j u s tt h ee x i s t i n gn e t w o r k l a y o u t b a s e do nt h e s e ，t h et h e s i si n c l u d e ss o m ec o n t e n t sb e l o w ： s t u d y o nt h e m a c r o s c o p i c m o d e li nt h ew a t e r s u p p l y s y s t e m a c c o r d i n gt ot h r e em a c r o s c o p i cm o d e l sw h i c hi n c l u d i n g t h en o n r e s t r i c t e dp r o p o r t i o n a ll o a d i n gm a c r o s c o p i c m o d e l ，t h e p e r i o d t i m e m a c r o s c o p i c m o d e la n dt h e t h e o r yc o m b i n i n g e x p e r i e n c e m o d e li nt h ew a t e r s u p p l ys y s t e m ，t h e i r 太原理工大学硕士研究生学位论文 c h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d 0 nt h eb a s e so fr e a ls i t u a t i o ni n c h i n a ，t h e m a i n s t u d y i sf o c u s e do nt h e p e r i o d t i m e m a c r o s c o p i cm o d e la n dt h et h e o r yc o m b i n i n ge x p e r i e n c em o d e l ， a n dt h eg o o dm e t h o di ss e tf o r t hw h i c hc a n i m p r o v et h er o b u s t c h a r a c t e r i s t i c so f t h e o r yc o m b i n i n ge x p e r i e n c e m o d e l s i m u l t a n e o u s ，t h em a c r o s c o p i cm o d e li nt h ew a t e r s u p p l y s y s t e mi n t h ea c c i d e n t a ls t a t ei s r e s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e s b a s i sf o rt h ew a t e r s u p p l ys y s t e mo p t i m a l d i s p a t c h i nt h e d i f f e r e n ts t a t e s s t u d y o nt h e m i c r o s c o p em o d e l i nt h ew a t e r s u p p l ys y s t e m t h em e t h o do f m i c r o s c o p em o d e lc r e a t i o ni sr e s e a r c h e d t h es t a t e sa n dt h ep a r a m e t e r s ，w h i c ha r en e e d e d d u r i n gt h e c o u r s eo fm o d e l c r e a t i o n ，a r es i m u l a t e d ，a n dt h e s i m u l a t i n g m e t h o d so fs o m e p a r a m e t e r s ，s u c ha st h ep i p e l i n ed i a m e t e r , t h e p i p e l i n er o u g h n e s s c o e f f i c i e n ta n dt h ev a l v e r o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ，a r ep u tf o r t h i t i sm o s t i m p o r t a n t t h a tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p e n i n gd e g r e eo fv a l v ea n dt h en o d a l w a t e rh e a di s s t u d i e d ，a n dt h es e n s i t i v i t yf u n c t i o ni sd e d u c e d w h i c h p r o v i d e st h eb a s i so f v a l v e r e g u l a t i o n s t u d y o nt h e o p t i m a ld i s p a t c hm e t h o di nw a t e r s u p p l y s y s t e m t h em e t h o do ft h e o p t i m a ld i s p a t c hi nw a t e rs u p p l ys y s t e m i ss t u d i e d ，w h i c hc o n s i s t so f t h eo p t i m a l d i s p a t c hm o d e la n dt h e 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a c r o s c o p i cm o d e l ，t h e d i r e c t o p t i m a ld i s p a t c hm o d e l ，t h e m u l t i o b j e c t d i r e c t o p t i m a l d i s p a t c h m o d e la n d t w o p h a s e o p t i m a ld i s p a t c h m o d e l i nt h ew a t e rd e m a n df o r e c a s t m o d e l ，t h e m e t h o do f a n a l y s i s o ft i m es e r i e si s a n a l y z e d i n t h e c o n t e n t ，s o m e c o m m o n f o r e c a s t i n gm o d e l so fa n a l y s i so f t i m es e r i e sa n dt h e m e t h o do f s e l e c t i n gt h es u i t a b l ea r es t u d i e d t h eo p t i m a lm o d e l si n c l u d et h ed i r e c t o p t i m a ld i s p a t c h m o d e l ，t h em u l t i o b j e c td i r e c to p t i m a ld i s p a t c hm o d e la n dt h e t w o 。p h a s eo p t i m a ld i s p a t c hm o d e l i nf a c t ，e v e r ym o d e lc a nb e u s e du n d e rac e r t a i nc o n d i t i o n i nt h i s p a r t ，t h ed i s a d v a n t a g e a n da d v a n t a g eo fm o d e l si s d e b a t e da n d c h o o s i n gt h e m o s t s u i t a b l ei sd i s c u s s e d s t u d yo nw a t e rs u p p l ys y s t e mu n r e a s o n a b l i t ya n dp r e s s u r e m e a s u r e m e n tn o d e l a y o u t o nt h eb a s i so ft h eu n r e a s o n a b l el a y o u ti nw a t e r s u p p l y s y s t e m ，t h en e wd i v i d i n gd i s t r i c tm e t h o db a s e do nt h en o d a l h e a dc h a n g ei s p u tf o r t h t h em e t h o di n c l u d e st h e d i v i d i n g d i s t r i c to fn e wn e t w o r ka n dt h a t o ft h eo l d t h em e t h o d p r o v i d e st h eb a s e sf o rt h eo p t i m a ld i s p a t c ha n dt h el a y o u to f p r e s s u r em e a s u r e m e n tn o d e s t u d y o nt h el e a k a g ec o n t r o lm o d e li nw a t e r s u p p l ys y s t e m t h ec a u s e so f l e a k a g ei nw a t e rs u p p l ys y s t e ma r ea n a l y z e d ， 7 am o d e lo fl e a k a g ec o n t r o li nw a t e r s u p p l ys y s t e m b a s e do nt h e a d i u s t m e n to fn o d a l h e a di s s e tf o r t h ，a n dt h ea l g o r i t h m 1 8 s t u d i e d a s 陆a sw a t e rl o s s i nt h es y s t e mi sc o n c e m 。d ，t h e m o d e li sv e r ys i g n i f i c a n t i nt h e o r ya n dr e a l i t y t h em o s t i m p o r t a n t c o n t e n t sf o c u s e d i nt h i sp a p e r ： b a s e do nt h eu n r e a s o n a b l el a y o u t o fw a t e rs u p p l yn e t w o r k ， t h em e t 1 0 do fd i v i d i n gd i s t r i c ti ss e tf o r t h i nt h ew a t e rs u p p l ys y s t e m ，t h eo p t i m a ld i s p a t c ho f p u m p s t a t i o no n l yc a nm e e tt h ew a t e rh e a di n t h em o s tu n a v a i l a b i 。 n o d e a d j u s t i n gt h eo p e n d e g r e eo f v a l v ei sak i n do fe f f e c t i v e m e t h o dt od e c r e a s e t h e h i g h e r w a t e rh e a di np a r t i a l w a t e r s u p p l ys y s t e m i n t h i sc o n t e n t ，t h es i m u l a t i n g m e t h o do f v “v er e s i s t a n c e c o e f f i c i e n ti s s e tf o r t h a n dt h es e n s i b i l i t y f u n c t i o nb e t w e e nt h eo p e nd e g r e eo f v a l v ea n dn o d a lp r e s s u r e c h a n g e i ss t u d i e d t h el e a k a g ec o n t r o lm o d e l i s s y s t e m a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i s c r e a t e di nw a t e rs u p p l y o ft h ec a u s e s o fw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kl e a k a g e ，o nt h e b a s e so ft h ec o n t i n u o u s f u n c t i o no ft h ec a l i b r a t e dp i p e l i n ef l o wa n d t h ef u n c t i o no ft h e c a l i b r a t e dn o d a l p r e s s u r e c h a n g e ，a m o d e l i n c l u d i n g t h e c o n s t r a i n t so ft h en o d a lp r e s s u r e ，t h e f u n c t i o no ft h en o d a l o r e s s u r ec h a n g es e n s i b i l i t ya n dt h ec o n t i n u o u sf u n c t i o no f t h e c a l i b r a t e dp i p e l i n ef l o wa n dt h eo b j e c to fm i n i m i z i n gl e a k a g e g 太原理工大学硕士研究生学位论文 a r es e tf o r t h t h em o d e lm e a n st h a to nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n g t h em i n i m a ln o d a l p r e s s u r e ，t h el e a k a g e o ft h ew a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r kc a nb ed e c r e a s e dt h r o u g hc h a n g i n gt h e n o d a lp r e s s u r e t h ea l g o r i t h mo ft h em o d e li sa l s op u tf o n h t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e la r et h a tt h ep i p el e a k a g ei s c o n s i d e r e da st h en o d a ll e a k a g ea n dc h a n g e di n t oac o n t r o l l a b l e v a r i a b l e t h r o u g ht h ec o m p u t i n gp r o g r a m m e r , i t c a nb ei n s e r t e d i n t ot h ed i s p a t c h i n gs o f t w a r eo ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m t h e m o d e l p r o v i d e s am e t h o df o rw a t e re n t e r p r i s e st od e c r e a s e e f f e c t i v e l y t h ea m o u n to f l e a k a g ed u r i n g t h ec o u r s eo f s u p p l y i n g w a t e r k e yw o r d s ：w a t e r s u p p l ys y s t e m ，m a c r o s c o p i cm o d e l ， m i c r o s c o p em o d e l ，o p t i m a ld i s p a t c h ，v a l v er e g u l a t i o n ，w a t e r s u p p l y n e t w o r k d i v i d i n gd i s t r i c t ，l e a k a g ec o n t r o lm o d e l 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景 第一章文献综述 水资源的稀缺性、能源的有限性、计算机技术和控制技术的迅速 发展使得城市给水系统优化调度与管理成为必然与可能。现代意义上 的给水系统优化开始于7 0 年代的美国，1 9 7 6 年，美国的r o b e r t 首次 基于系统论提出了给水管网宏观模型。在此之前，计算机技术的应用 基本上是等同于给水管网平差计算，目的是计算和校核管网运行状 况，提高设计和管理水平：更早的给水管网水力分析是开始于1 9 3 6 年，运用h a r d y - c r o s s 平差求解方法对环状管网水力计算，这是手工 意义上的平差计算。科学技术的进步，特别是系统论的深入人心，世 界范围内的能源短缺，工业化进程造成严重的水资源污染使得科研人 员不得不将给水泵站和供水管网当作个系统来对待。自美国的 r o b e r t 的之后，西方发达国家的专家学者纷纷开展了给水系统建模的 研究；在借鉴国外建模的基础上，我国的专家学者，如王训俭、赵洪 宾、赵新华，也进行了卓有成效的探索，并取得了可喜的成绩。但由 于我国的国情使然，模型的研究是极度困难的，从研究到成熟是一个 长期的、反复的过程。近年来，研s ( 地理信息系统，g e o g r a p h i c i n f o r r n a t i o ns y s t e m ) 技术日渐成熟，给水系统的微观建模也已开始成 为本领域的研究热点，但由于给水系统本身存在的问题及计算机处理 信息能力的局限性，微观模型在国内不能得到有效应用，给水系统本 身存在有诸多问题，如管网系统不合理的改扩建导致给水管网的布置 冗余，管段管径、摩阻系数和节点水量的不确定性等，这些是给水系 统建立微观模型的必要数据。管网分区是解决管网系统布黄不合理的 太原理工大学硕士研究生学位论文 有效手段。实际上，国外在8 0 年代就进行了分区实践，如英国伦敦 的给水管网分为1 6 个区域，日本东京的给水管网分为5 0 多个区域； 我国在分区方面也进行了实践，但分区是基于行政区域划分的，不能 体现给水系统本身的特点，是不合理的。另外，城镇化进程的加快使 得给水管网规模日益膨胀，改扩建使同一系统中的管段管材千差万 别，导致给水管网的管段摩阻系数不尽同一；而且，相同管材由于敷 设年代不同，摩阻系数也不相同。这些原因给管段摩阻系数的估计带 来了困难，而且，在微观模型的校验阶段一般通过调整摩阻系数来校 正模型。寻求一种有效的方法来精确地估计管段摩阻系数是不可回避 的问题。 给水系统优化调度是降低能耗的唯一有效途径，掘相关资料显示 ”，我国每年用于供水的电耗为4 0 亿度，如若对给水系统采取优化调 度，能节约能耗6 1 2 ，以5 计，日供水量为5 0 万立方米的供水系 统，每年可节约能耗1 5 0 万2 0 0 万度，这个数字是相当可观的。另据 相关文献【2 1 ，我国在“十五”期间城市日供水量继续以较快速度增长， 预计2 0 0 5 年城市日供水量达到2 3 8 x 1 0 8 m 3 左右：到2 0 1 5 年，城市日 供水量达到3 5 1 0 8 m 3 ，年供水量达到7 0 0 1 0 8 r n 3 ，城市用水人口达 到4 4 亿左右。 给水系统宏观模型是给水系统优化调度软件中的主要组件之一， 国内的专家学者进行了大量的研究嘲【4 】。就目前而言，宏观模型有三 种表达式，不受“比例负荷”限制的宏观模型在国内的实践中证明存 在有一定问题，其余两种表达式比较符合我国的实际情况，但仍有待 于进一步改进；需要明确的另点是：宏观模型在建模过程中，所需 的信息量较少，计算速度较快，但可能的情况是计算结果中包含有较 大误差；如今后计算机在信息处理能力有所突破的话，微观模型将会 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 替代宏观模型，成为建模的主要组件。 有效降低给水系统漏损量是供水企业提高经济效益的另一有彭 手段。据资料统计 5 】，我国与发达国家相比，由于城市人口密度高， 工业用水量比较大，鼓同样用水量的城市，我国的配水管网长度往往 比其短几倍，相当于1 9 9 2 年日本平均值的1 6 ，德国的1 7 。如果添 损量相似，则我国单位管长单位时间的漏损是发达国家的好几倍。窜 实上，我国管网漏损量远远高于发达国家。在现行给水系统的优化诟 度中，通过泵站内水泵的合理组合，仅能满足最不利点水头，而无法 解决管网局部水头太高的问题，通过调节管网中阀门的开启度是解决 这一问题的有效途径，因此，阀门应作为优化调度中的决策变量；再 者，现行的给水系统优化调度中的主要组件是给水系统宏观模型，在 建立给水系统宏观模型的过程中，常做一些必要的假设，而且，还涉 及到给水管网状态估计的问题：假如采用微观模型，可以避免这些问 题。最后，减少管网漏损量应该是给水系统优化调度的目的之一，毫 无疑问，水压控制法是解决管网漏损的有效手段，在满足最不利点水 头的基础上，通过建立水压与漏损量之间的相关关系，来降低管网漏 损量。在给水系统漏损量检测与控制这一领域，国外的研究起步较早 6 1 ，取得了一些科研成果【7 l 【8 l 9 】；而且，近年来，一些先进技术也应用 于漏损量检测与控制方面 10 】，并制定了相应的宏观控制策略旧。而 国内目前主要以检漏为主，这是一种被动的技术方法，不能从根本上 控制给水系统的漏损量。在调节供水管网节点水压基础上的漏损量控 制模型应包括在给水系统优化调度模型之中。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 国内外给水系统的研究现状 1 2 1 国外给水系统的现代化管理 给水管网水力分析计算开始于1 9 3 6 年，是运用h a r d y c r o s s 平差 求解方法对环状管网水力计算而提出的，随着计算机及其应用软件的 发展，国外给水管网的水力计算也有很大的发展，计算和实现上经历 了三个阶段【1 3 】： 第一阶段：管网平差计算技术( 1 9 6 0 1 9 8 0 ) ，计算和校核管网运 行状况，提高设计和管理水平。 第二阶段：管网运行和优化调度计算和管理( 1 9 8 0 。1 9 9 0 ) ，利用 优化设计、优化调度和计算机技术，提高运行效率和数据资料和管理 水平。 第三阶段：自动化运行和管理( 1 9 9 0 - ) ，由计算机总控系统进 行远程控制、远程数据传输和程序控制，实现源水水质、水位监视、 管理优化调度、系统运行核算等给水系统全过程运行模拟、控制和管 理。 给水系统模型研究开始于1 9 7 6 年【1 4 1 ，美国的r o b e r t 首次提出了 给水管网宏观模型。模型是在用水量满足“比例负荷的前提下成立 的。近年来，由于信息技术的飞速发展，微观模型在国外得到广泛的 应用。 在将计算机技术、控制技术、建模技术和系统论运用到给水管网 系统的同时，国外一些专家也认识到给水管网优化布置对给水管网计 算机调度的重要作用，于是提出给水管网分区理论，并进行了行之有 效的实践【1 5 1 。 总之，计算机技术、控制技术、建模技术和系统论的发展促进了 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 给水系统管理的现代化，而分区技术使给水系统向现代化的方向迈进 成为可能。 1 2 2 国内给水系统的现代化管理 相对于国外而言，国内的给水系统的现代化管理显得有些滞后。 国内的专家，如王训俭、赵新华、赵洪宾等，在借鉴国外建模经验的 基础上，进行了卓有成效的探索，并取得较好的成果，这一切都推动 了给水系统向现代化的管理方向迈进。但就目前的现状而言，绝大多 数供水企业是凭经验进行管理的；少数几个水司，如上海、广州、深 圳、杭州和中山等城市均在不同程度上开始了信息监控s c a d a ( 监 控和数据采集，s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 、g i s 和管网 建模系统的建设和应用，但大多数处于信息收集和数据管理阶段，尚 未发挥对企业生产和管理的作用。由于国内计算机技术的飞速发展， 国内供水企业实行优化调度与管理的时代已经来临。 由国家科委遥感中心、中国地理信息系统协会、中国海外地理信 息系统协会联合举办的“国产地理信息系统软件测评”测评结果表明 与国外优秀g i s 软件产品的差距正在缩小，有的软件在某些功能方面 超过国外g i s 软件，测评意见同意向国内g i s 市场正式推荐( 1 6 。 国内供水企业未真正实现计算机调度与管理的主要原因是缺乏与 其配套的、符合生产实际需求的给水系统应用软件及软件应用的基础 数据、成熟经验以及给水管网自身存在的问题。 1 2 3 国内外研究现状 国外于6 0 年代就开始对给水管网的建模进行了研究，于7 0 年代 提出了第一个给水管网宏观模型，在建模方面提供了一些有意义的方 法。在模型应用的基础上，近年来，国外有不断加深研究的趋势f j 7 1 。 国内的专家也进行了些有益的探索与实践。但由于现行给水管 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 网的复杂性等种种原因，这些理论在现阶段尚不能认为是成熟的理论， 也不能正确地指导生产与实践。就给水系统优化调度与管理本身而言， 需有大量的硬件支持，但其核心内容仍旧为模型的研究。 1 3 课题的提出 1 3 1 我国现行给水系统所面临的主要问题 ( 1 1 用户对供水安全性的要求提高 由于大规模的供水系统改( 扩) 建，供水管网系统规模越来越庞 大，管网系统的拓扑结构也越来越复杂，经验管理已难以保证用户在 各个时段对水量与水压的要求： 给水管网系统也是一个复杂自铲反应器”，经过水厂处理合格的水， 在管网中会发生一系列的物理、化学及生物反应而导致水质降低。用 户对水量和水质要求的提高要求对供水系统采取现代化管理。 ( 供水效益亟待提高 与发达国家相比，我国的吨水成本很高，其中，电费在供水成本 中占有较大比重( 3 0 - 4 0 ) ，因此，降低电耗是自来水行业提高效 益的一个重要环节。 ( 3 ) 管网优化运行要求管网布局合理 我国特殊的国情导致供水系统布局和规划不合理，忽略或不重视 供水系统是一个多目标问题，致使管段连接复杂，敷设冗余，出现了 管理困难，停留时间长，事故影响范围大等问题，故应逐步改善管网 布局，使其合理化，以实现供水系统的优化运行。 ( 4 ) 给水管网漏损量严重 我国供水管网漏损量非常严重，据有关统计资料，我国的供水管 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 网平均漏损率为总供水量的1 5 以上。根据城市供水行业2 0 0 0 年 进步发展规划，到本世纪初，大中城市的供水管网漏损率要控制在之 内8 左右。在建模的基础上，通过对局部管网的高压处进行调节， 来减少供水管网的漏损率。 ( 5 ) 城市给水管网改( 扩) 建需理论指导 在大多数城市中，给水管网改( 扩) 建中不合理因素常常占主导 地位。在建立给水管网微观模型后，通过水力分析计算，可以了解整 个系统的供水状况，从而指导城市给水管网的改( 扩) 建。 ( 6 ) 国内水务市场竞争日趋激烈 2 0 0 2 年3 月，国家计委公布的外商投资产业指导中将原禁止 外商投资的供、排水及其城市管网首次列入对外开放领域。指导 的发布，必将导致供水及排水领域投资主体的多元化，水务市场的竞 争将会日趋激烈。现代化的管理( 包括先进技术) 是投资主体在激烈 的市场竞争中取胜的关键所在。 ( 7 ) 模型的精度依赖于相对精确的基础数据 目前国内的研究现状大多集中在建模方面，对于建模所需的基础 数据研究相对较少，但这问题的研究是不可避免的；而且，在研究 阀门开启度的基础上，调节节点水压来控制漏损量应该包括在给水系 统优化调度软件之中。 1 3 2 在建模基础上的给水系统优化调度与管理能解决以下问题 ( 1 ) 了解管网系统的性能： ( 2 ) 解决管网异常； ( 3 ) 评价现有管网的供水能力； ( 4 ) 评价新水源选择方案： ( 5 ) 漏水量控制方案的设计； 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 降低水泵运行费用； ( 7 ) 管网事故时的应急对策； ( 8 1 诊断供水事故并提出解决方案： ( 9 ) 城市给水管网分区供水的规划与设计； ( 1 0 1 消防时流量、压力的可靠性与对策； ( 11 ) 掌握和分析管网运行工况； 通常管理人员只能通过监测数据了解管网的个别参数，如水源的 供水压力、供水量、监测点的压力和流量的等，通过给水管网模型， 可以得到每个节点的压力、每条管段的流量、流速和水头损失等； 开发一套显示、查询、分析模块，可以清楚、形象、准确地显示 计算结果，包括以彩色条形图、等值线图，立体图等显示管网整体或 部分的水压、流量等。 1 3 3 给水系统调度模式展望 就给水系统优化调度与管理而言，无论国内还是国外的调度系统， 都包括三个模型：调度模型，需水量预测模型。宏观模型。在利用这 种调度模式时，会涉及到给水系统的状态估计问题，因此，可能造成 给水调度系统误差的叠加，因为，在建立宏观模型和在进行状态估计 的前提是一些必要的简化和假设。这势必会增大给水系统调度误差。 如果今后能在计算速度上有所突破的话，微观模型会代替宏观模型， 成为今后给水系统调度模型的主要模式。 1 4 本论文研究的主要内容 1 4 ，1 本论文研究主要内容 ( 1 ) 给水系统宏观模型比较研究 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 以目前三种宏观模型：不受比例负荷限制的宏观模型、时段宏明 模型和理论经验模型为出发点，讨论了上述三种模型的优缺点，根据 目前我国给水系统的现状，研究了比较切合我国实际情况的时段宏舰 模型和理论经验模型，并提出了上述两种模型的改进方法：同时在宏 观模型的基础上，对事故状态宏观模型的建模方法进行了研究，为不 同状态下的给水系统优化调度提供依据。 ( 2 ) 给水系统微观模型研究 讨论了建立给水系统微观模型方法。主要是对建立微观模型的状 态和参数进行了模拟，提出了管段管径、管段摩阻系数和阀门摩阻系 数的模拟方法。重点是对阀门开启度与管网局部水压变化之间的关系 进行了研究，并推导出阀门开启度与水压问关系的灵敏度方程。在给 水系统优化调度中，为调节阀门开启度提供理论依据。 ( 3 ) 给水系统优化调度方法研究 主要对给水系统优化调度的方法进行研究。给水系统优化调度方 法包括水量预测模型、优化调度模型和宏观模型三方面的内容。 ( 4 ) 在水量预测模型中，重点对时间序列预测方法，包括各种常用 的时间序列预测模型和模型优选进行了研究。 优化调度模型中包括直接调度模型、多目标直接优化调度模型和 二级优化调度模型。实际上，每种调度模型有其各自的适用范围，在 这一部分中，对各种模型的优缺点及模型的择优进行了研究。 ( 5 ) 给水管网合理布置方法研究 针对我国现状管网的不合理布置，提出了基于节点压力变化为基 础的，包括敷设年代较久的管网和新敷设管网的分区方法。方法的提 出，不仅使给水系统优化调度成为可能，而且为测压点的优化布置提 供理论根据。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) 给水管网漏损量控制模型研究 压力控制法是减少水量损失的最有效方法。在分析给水管网系统 漏损原因的基础上，重点提出了以调节节点压力为基础的管网漏损量 控制模型，并对模型的算法进行了简要的分析。 1 4 2 本论文创新点 ( 1 ) 现状给水管网布置的不合理使得微观建模不能鳃决给水系统 所存在的所有问题，必须对现状管网进行必要的调整，给水管网分区 是解决这一问题的有效途径之一。本论文提出了基于节点压力为核心 的给水管网分区方法； ( 2 ) 在泵站中水泵的优化组合达到管网最不利点所需水压的前提 下，通过调节阀门的开启度是降低管网局部过高水压的有效途径。本 内容通过研究影响阀门阻力系数的相关因素，提出了模拟阀门阻力系 数的模拟方法，在此基础上，研究了阀门开启度与节点压力变化之间 的灵敏度方程； ( 3 ) 建立了管网系统漏损量控制模型。在研究影响管网漏损量因素 的基础上，提出了以管网系统漏损量最小为目标函数，修正管网节点 连续性方程、节点压力变化为灵敏度方程、管网最不利点水头、阀门 开启度为约束条件的优化模型。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章给水管网系统建模 2 1 给水管网系统模型分类 2 1 1 给水系统宏观模型 给水管网宏观模型时在管网流量服从“比例负荷”的前提下，应 用“黑箱理论”的基本思想，直接建立给水系统“输入量”与“输出 量”间的相互关系。所谓“比例负荷”，是指管网系统总用水量与各节 点用水量在一天中各时间段按同一比例变化。 2 1 2 给水系统微观模型 按管网实际情况，包括管网所有元素( 管段、阀门、水泵等) ，不 做任何简化所建立的模型，称为微观模型。相对于简化模型，称为详 细模型。其最明显的优点是利用最详细的管网信息数据库的资料，包 括管网的全部信息建模。具体求解方法为解节点方程、解环方程和解 管段方程。计算结果包括所有节点和管段的全部信息。 2 1 3 给水管网简化模型 在建模过程中，选择管径较大的管段建立的模型称为简化模型。 在建立给水管网简化模型的过程中，须注意以下几点： ( 1 ) 给水管网简化模型与实际管网是否等效，经过简化后产生的 误差多大； ( 2 ) 保证管网的连续性是建模所需的必要条件，而非充分条件， 在简化的同时增补较小管径需仔细斟酌； ( 3 ) 确定节点供水范围需要认真对待。 就给水管网系统调度与管理而言，主要是指宏观模型与微观模型， 太原理工大学硕士研究生学位论文 在建立微观模型的过程中，尚需对现状管网进行一些合理的简化。 2 2 给水系统建模所需信息 管网分析是利用表达管网信息的数据库和计算程序完成给水管网 计算的过程。为建立模型以便管网分析所需的管网静态和动态信息， 包括管段信息、节点信息、水池水位信息、水泵扬程和功率信息、压 力调节阀信息、止回阀信息等。 2 2 1 管段静态信息 管段是给水管网的基本元素。在城市给水管网中，管段的数量是 庞大的。并随着城市的发展，管网图形也随之发生变化，有新管段的 不断补充，也有旧管段的不断淘汰。管段信息包括管段所在街区名称、 管段长度、管径、管材、阻力系数、内防腐状况、管段附件的位置等。 ( 1 ) 节点信息 给水管网中的节点包括：水源节点和非水源节点。 水源节点，如净水厂、泵站、蓄水池和水塔等。净水厂可以简 化为清水池动水位和二级泵站加压的水源节点或将净水厂与管网连接 点作为压力变化的节点；调节构筑物