（模式识别与智能系统专业论文）珠海城市原水系统优化调度技术研究.pdf

摘要 摘要 城市原水系统是城市水系统的的重要组成部分。随着城市和社会经济的发 展，城市的原水需求不断的增加，为满足不同历史时期的城市供水需求，逐步 形成了多水源、多种输配水工程、多级提升设备组合构成的复杂原水系统。不 同水源的原水价格和不同输配水工程输配水的能耗成本组成了原水系统的供水 成本，并成为城市供水系统运营成本的重要部分。因此，降低原水运输成本、 提高运行效率、保障原水水质安全是一个非常值得研究的课题。 本论文建立了城市原水系统优化调度目标函数，分析总结了城市原水系统 优化调度的关键参数和一般流程。重点阐述了原水系统的结构特征、建模理论 和建模内容，同时分析了原水系统模型在实际工程实践中的指导作用。提出了 适合原水系统建模的方法。 本文对珠海原水系统进行了大量的调研，分析总结了其各结构要素的基础 数据，建立了原水系统模型。通过所建立的模型对珠海原水系统管渠输水能力 进行评价、对水库的运行状况进行分析计算、对现有的调度方案进行了验证分 析。通过模型的计算，确定珠海原水系统的结构控制点，同时提出了一系列新 的优化调度方案。论文提出了适合珠海原水量需求的预测方法，并在实际工程 得以验证和使用，效果良好。对珠海原水系统泵站子系统使用遗传算法求解， 得出了在一定压力和流量条件下的水泵优化组合方式，提高了泵站的运行效率， 降低了运行成本。 原水系统优化调度就是研究取水系统、输水系统、蓄水系统和需水系统的 相互协调的过程，即用系统工程的观点和系统分析的方法对原水系统的运行调 度方案进行综合分析。本论文针对珠海原水系统多水源多水库特点，提出了适 合其优化调度的技术路线。即首先进行原水量的周预测，在原水预测的基础上， 确定泵站的输出水量，再通过所建立的原水系统模型计算出水库的优化水位和 泵站的出口压力，最后根据泵站的流量和压力计算出泵站内部的优化组合方式。 将该方法应用于珠海原水调度实践，取得了较好的优化效果，为珠海供水公司 的实际调度提供了决策上的支持。 关键词：城市原水系统原水系统模型原水预测遗传算法调度模型 a b s t r a ( 了 a b s t r a c t u r b a nr a ww a t e rs y s t e mi sv e r yi m p o r t a n ti nt h eu r b a nw a t e rs y s t e m f o l l o w i n g t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h es o c i e t y , t h ew a t e rd e m a n di sa l s oi ng r e a t e r d e m a n d t os a t i s f yt h ev a r i e dw a t e rd e m a n di nv a r i o u st i m e ，t h i sc o m p l i c a t e ds y s t e m i sg r a d u a l l yf o r m e dw i t hm u l t i p l es o u r c e s ，v a r i o u sw a t e rd i s t r i b u t i o np r o j e c t sa n d m u l t i l e v e ll e f td e v i c e s r a ww a t e rp r i c eo fd i f f e r e n ts o u r c e sa n de n e r g yc o n s u m p t i o n c o s to fd i f f e r e n tw a t e rd i s t r i b u t i o np r o j e c t sc o n s t i t u t e sw a t e rs u p p l yc o s to fr a ww a t e r s y s t e ma n db e c o m ea ni m p o r t a n tp a r to fc o m m e r c i a l i z a t i o no p e r a t i o nc o s ti nu r b a n w a t e rs u p p l ys y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sw o r t h w h i l et od os o m er e s e a r c ho nr e d u c i n gt h e c o s t ，i m p r o v i n gt h ee f f i c e n c ya n ds e c u r i t yo ft h ew a t e rq u a l i t y t h eo p t i m a lt a r g e tf u n c t i o no fr a ww a t e rs y s t e mh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h ek e y p a r a m e t e ra n dt h ep r o c e d u r eo fo p t i m a lo p e r a t i o ni nr a ww a t e rs y s t e m i sa l s o b r o u g h tf o r w a r d d o i n gm u c hs t u d yo nt h e s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fr a ww a t e r s y s t e m ，t h et h e o r yo fe s t a b l i s h i n gm o d e l sa n d t h ec o n t e n to fe s t a b l i s d i n gm o d e l s a t t h es a m et i m e ，s o m ea n a l y s i so nt h ee f f e c to ft h em o d e l si nt h er e a lp r o j e c th a v e b e e n d o n e aw a yo fe s t a b l i s h i n gm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h er a ww a t e rs y s t e mh a s b e e np u tf o r w a r d t h er a wd a t a so fe v e r ys t r u c t u r eo fr a ww a t e rs y s t e mi nz h u h a ic i t yh a v eb e e n c o l l e c t e da f t e rm u c hf i e l dw o r k ，a n dt h e nt h el a ww a t e rm o d e lw a se s t a b l i s h e d b a s e d o nt h em o d e l ，t h es i t u a t i o no ft h ep i p e si nw a t e rs y s t e mh a sb e e ne v a l u a t e d ，t h es t a t u s o fr e s e r v o i r si nt h ew a t e rs y s t e mh a v eb e e na n a l y z e d ，t h ec u r r e n to p e r a t i o nm e t h o d s h a v ea l s ob e e nc a l c u l a t e d w i t ht h eh e l po ft h em o d e l ，t h ek e yp o i n to ft h er a ww a t e r s y s t e m i nz h u h a ii sa s s u r e da n ds o m eb e t t e ro p e r a t i o ns c h e m e sw e r ea l s o a d v a n c e d a f t e rs t u d yo nt h ec h a r a c t e ro fr a ww a t e rd e m a n di nz h u h a i ，af o r e c a s t m e t h o dh a sb e e np u tf o r w a r dw h i c hi se f f e c t i v ew h e nu s e di nt h er e a lo p e r a t i o n t h e g am e t h o dw a su s e dt os o l v et h ee q u a t i o nt og e tt h eb e s tp u m ps c h e d u l ei nt h e c o n d i t i o no fm e e t i n gt h ew a t e rd e m a n da n dt h ep r e s s u r er e q u i r e m e n t a n dt h ed a i l y c o s to ft h ep u m ps t a t i o nw o u l db er e d u c e da n dt h ee f f i c e n c yo ft h ep u m ps t a t i o n w o u l db ei m p r o v e d t h eo p t i m a lr a ww a t e ro p e r a t i o ni st h a tm a k e st h er i v e rs y s t e m ，t r a n s p o r t i n g s y s t e m ，p u m ps t a t i o n sw o r k i n gb e t t e rt o g e t h e r , a n ds y n t h e t i c a l l ya n a l y z e st h ec o n t r o l s c h e m eo fr a ww a t e rs y s t e m af i tt e c h n i c a lm e t h o do fo p t i m a lo p e r a t i o nh a sb e e n p u tf o r w a r da f t e ra n a l y s i s o nr a ww a t e rs y s t e mi nz h u h a i t h ep r o c e d u r ei s t h a t ：f o r e c a s t i n gt h ew a t e rd e m a n d ( e v e r yd a yf o ro n ew e e k ) a tf i r s t ，s e c o n d l yt h ew a t e r s u p p l yo ft h ep u m ps t a t i o nh a sb e e nf i x e do n ，t h e nt h ew a t e rl e v e lo fr e s e r v o i r sa n d t h ep r e s s u r eo ft h ep u m ps t a t i o nh a v eb e e nc a l c u l a t e dw i t ht h eh e l po ft h em o d e l ，a t l a s t ，t h eo p t i m a lp u m ps c h u d u l ew a sa v a i l a b l e t h em e t h o dw a su s e di nt h er a ww a t e r s y s t e mo fz h u h a i ，a n dt h eg o o dr e s u l th a sb e e no b t a i n e d w i t ht h eh e l po ft h i so p t i m a l o p e r a t i o nm e t h o d ，t h ed e c i s i o nm a k i n gw i l lb em u c hm o r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ： u r b a nr a ww a t e r s y s t e mr a ww a t e rm o d e l f o r e c a s to fr a ww a t e r d e m a n d g e n e t i ca l g o r i t h mo p e r a t i o n a lm o d e l m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：却1 9 1 9 阳了年多月眉日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名：匈矽 知7 年多月心e t 第1 章绪论 1 1 原水系统概述 第1 章绪论 城市原水系统是以提供满足城市供水所需原水量为目标的系统。作为自然 系统和人工系统相结合的复杂系统，在具有水资源系统共性的基础上，也有其 自身的特点。国家水利部水文司从1 9 8 9 年开始l l l ，分两个阶段选择北京、长春、 济南、乌鲁木齐等4 个大城市和佳木斯、洛阳、苏州、厦门、昆明等5 个中等 城市进行城市水资源精测与评价试点工作，报告总结了我国城市原水系统的特 点，其中最重要的特点是“由于地域狭小，没有专门的雨水集流系统等原因， 城市自产水资源量较少，可利用程度低，一般只能用于河湖环境用水及部分工 业用水。因此城市用水主要依靠建成区外或辖外的客水支持。 因此我国城市供 水的发展模式基本上是优先利用当地的水资源( 水库、地下水等) ，而后随着城 市经济的迅速发展和人口的增加，城市的需水量不断增加，本地水资源已不能 满足城市供水的需求时，修建远距离原水输送工程，从区外合适的水源调水进 行补充。因此，城市供水原水系统的形成，是随着城市的发展，为满足不同历 史时期的供水需求而逐步形成的多个水源、多种水源类型、多种输配水工程、 多级提升设备构成的复杂系统。因此，对于多水源，多水库的复杂原水系统， 建立合适的原水调度模型，提高原水系统的经济效益和社会效益，是一个很有 价值的研究课题。 城市原水系统一般划分为四个子系鲥列( 如图1 1 ) ： ( 1 ) 水源系统：水源主要有江河、湖泊、水库、海洋等地表水资源，潜水、承 压水和泉水等地下水资源，复用水资源等； ( 2 ) 取水系统：即原水取水泵站： f 3 ) 输水系统：主要包括输水管渠、输水河道、提升泵站、调节池调控阀门等 构件； ( 4 ) 需水系统：包括水厂、原水大用户，水库等。 第1 章绪论 输 水 系 统 需 水 系 统 图1 1 城市原水系统组成图 各个系统中均有不同的输水、需水和取水单元组成，见图1 2 。 取水单元w l 水单元用水单元 弋二7 水库 售r t 二 水厂 一一耋e 道 砭多取水泵站呻扣i 勇仃 努e 道眨多转输襄站二7 蓄檄 图1 2 城市供水原水系统组成单元图 1 2 原水系统研究进展 从上世纪4 0 年代m a s s e 提出的水库优化调度问题后，国外开始了通过系 统分析对水资源进行合理配置的研究。从上世纪5 0 6 0 年代开始，水资源系统 分析方面的研究发展迅速，引入了系统分析理论和优化技术。m o o r e ( 1 9 6 1 ) 提出 了在一定时间内最优水量分配的问题叽c a s t u 和i m d e b o r y ( 1 9 6 1 ) j 重_ 用线性规划 方法成功的解决了两个农业用户之间的水量分配。m a s s 等人( 1 9 6 2 ) 提出了模拟 技术在评价流域经济开发指标中的应用。b u r 鹤( 1 9 6 3 ) 针对包含了一个地表水库、 一个地下水库和两个独立灌区的假定系统，建立了动态规划模型，用以确定地 下水库、人工回灌工程的规模、各灌区的灌溉面积以及地表水库、地下水库的 供水策略。美国经济学家l e o n t i e f 0 9 6 6 - 1 9 6 9 ) g 踺 美国西部各州各产业部门的水资 源供需问题进行经济研究，建立了投入产出分析与水资源优化管理模型等。 进入上世纪7 0 年代，随着计算机技术、数学规划和模拟技术的发展及其在 水资源领域的应用，有关水资源管理系统的模型及水资源优化配置的科研成果 不断增多，采用数学模型方法描述水资源系统更为普遍。w a t t e mb a r g e r ( 1 9 7 0 ) 2 第1 章绪论 通过有限差分模拟，应用响应矩阵法建立了含水层一河流系统的管理模型，实 现了地下水和地表水的宏观调控1 4 j 。d h m a r k s ( 1 9 7 1 ) 提出水资源系统现行决策规 则。j o e r o e s ( 1 9 7 1 ) 将线性规划用于b a l t i l n o r e 的多水源供水方面。s m i t h ( 1 9 7 3 ) 在 灌区用水优化配置中也采用线性规划模型并进行求解。d u d l e y 和b u r t ( 1 9 7 3 ) 应 用动态规划方法，在灌溉水库水资源的管理上，利用马尔科夫链的转移概率对 递推动态方程加权 5 1 。r g e r s ( 1 9 7 6 ) 在对印度南部c a u v e r y 河进行规划时，以流域 上游地区农作物总净效益极大和灌溉面积极大为目标函数，建立了多目标优化 模型对水资源进行配置。s h a f e rj m 等( 1 9 7 8 ) 提出在水资源系统模拟框架下的水 资源配置和管理，并建立了流域管理模型1 6 1 。c o r d o v a 、b r u a s ( 1 9 7 9 ) 利用随机控 制原理和方法，在作物生长季节内最优分配灌溉水量以取得最大经济效益问题 进行了大量研究，其研究是在考虑了土壤水水分胁迫对作物生长响应、土壤含 水量的季节变化动态和降雨过程的随机性的情况下，把一定水量在全生育期内 进行分配的问题i 丌。 经过上世纪7 0 年代的发展和8 0 年代水资源优化配置的研究范围不断扩 大，深度也不断加强。p e a r s o n 8 】等( 1 9 8 2 ) 利用多个水库的控制线，以产值最大为 目标，输送能力和预测的需求值作为约束条件，用二次规划方法对英国的 n a w w a 区域的用水分配问题进行了研究。荷兰学者e r o m i j n m t a m i n g a ( 1 9 8 2 ) 考虑了水的多功能性和多种效益的关系，强调决策者和科技人员间的合作，建 立了g e l d e r l a n d 和d e n t h e 的水资源分配问题的多层次模型，体现了水资源配置 问题的多目标和层次结构的特点。w i l l i s ( 1 9 8 7 ) 应用线性规划方法求解了一个地 表水库与四个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题，地下水运 动用基本方程的有限差分式表达，目标为供水费用最小或当供水不足情况下缺 水率最小，同时用s u m t 法求解了一个水库与地下水含水层的联合管理问题。 上世纪8 0 年代后期，随着水资源研究中新技术的不断出现以及水资源的量与 质统一管理理论研究的不断深入，水资源的量与质统一管理方法研究有了较大 发展。如决策支持技术、模拟优化技术和资源价值定量方法等的应用。 随着社会工业经济的发展，城市人口的不断增加，以及人民生活水平的不 断提高，城市供水系统的规模也不断扩大，结构的复杂性日益增加，尤其是城 市供水系统的原水系统，往往是随着城市的发展，为满足不同历史时期的供水 需求而逐步形成的多水源、多种取水构筑物、多种输水工程的复杂水文水资源 大系统，并呈现出上述开放的复杂系统的特征【9 1 ，其特征表现为： 3 第1 章绪论 ( 1 ) 城市原水系统具有水文系统高度非线性的特征，原水系统包含以降雨为输 入、径流为输出的来水储水过程，其中蒸发、下渗、产流、汇流等一系列 环节，受到地形、地貌、下垫面因子、土壤、地质及人类活动等多种因素 的影响，具有高度的非线性。 ( 2 ) 城市原水系统具有水文水资源系统研究中的高度不确定性的特征，在水文 水资源系统研究中存在研究对象发生与否的不确定性( 随机性) 、研究对象 概念的不确定性( 模糊性) 、研究对象信息量不充分而出现的不确定性( 灰 色性) 等不确定特征。城市供水原水系统的输入( 降雨等) 和输出( 城市 用水量) 均为高度随机的过程，因而系统表现出高度的不确定性特征。 ( 3 ) 城市供水原水系统包含有复杂的水文现象，系统难于建立精确的数学模型， 至今还无法用数学物理方程严格地描述每一个子过程，仍要受许多假设条 件的限制和借助于概念性元素模拟或经验函数关系来描述，模拟精度不高。 由于城市供水原水系统的复杂性，因此系统的优化调度也是及其复杂的一 个多目标、多阶段、多层次、多功能的动态决策过程，普通的优化方法求解已 经不能满足其要求，随着神经网络、遗传算法、模糊理论研究的兴起，为研究 解决水资源系统复杂化与系统分析经典优化理论、方法精确化之间的矛盾提供 了新的途径。神经网络以生物神经网络为模拟基础，具有自学习、自适应、自 组织、高度菲线性和大规模并行处理等优点，近年来国内外专家将神经网络技 术应用于降雨预报、径流预报、水质与水量预测、水库优化调度、地下水管理 等方面的研究，取得了重大的进展。神经网络在水文水资源的研究可分为四类 【加l ( 分类和识别；预测与预报：优化计算问题；基于神经网络的专家系统的研 制与开发) ，其中预测与预报是系统优化决策的最关键部分，w a t a n a b e 和 y a m a d a i ”j 采用b p 神经网络进行了城市的需水预测，并对b p 网络的输入量( 气 候、降水、日期特征) 进行了离散化，1 9 9 0 年4 月1 9 9 1 年3 月的预报实践结 果表明：相对误差小于5 达到3 3 9 天，相对误差大于1 0 的5 天是台风、圣 诞节、新年，文中将预报效果与多元回归分析模型、a r l m a 模型、基于k a l m a n 滤波的模型进行了比较，神经网络模型的预报结果( 平均相对误差m r e ，相关 系数c c ，相对均方差r r m s e ) 均较其它模型优越，尤其是提前一个小时的预 报，神经网络模型综合性能最好。国内大连理工大学的陈守煜教授在模期水文 学的基础上建立的模糊模式识别神经网络预测模型用于水文中长期预测中也取 得较好的预报结果1 1 2 1 1 1 3 j 。基因算法或称遗传算法是一种引用统计理论的优化、 4 第1 章绪论 搜索技术，模拟生物进化过程中对劣质个体的淘汰原理，从而形成的一种独特 的对优化问题的求解方法，目前基因算法在电力系统的应用研究较为系统深入， 在复杂水资源系统优化中对于离散、高次非线性或非凸问题，有着充分的优越 性。国内方红远、董增川【1 4 】在苏北平原水资源优化调度中对基因算法的运用进 行了研究，四川大学的金菊良1 1 5 j 等、广东工业大学的沈军1 1 6 j 等均对基因算法在 复杂水资源系统优化中的运用作了研究。近年来基因算法与神经网络的结合是 热门专题之一，两者的结合方式可分为辅助式和合作式，对于辅助式的结合方 式基因算法不仅能为神经网络选择训练数据，也可用于选择网络的学习参数或 学习规则。对于合作式的结合方式，可以用基因算法来训练网络，并可用基因 算法来自动设计网络结构。模糊理论则以模糊逻辑为基础，抓住了人类思维中 模糊性的特点，以模仿人的模糊综合判断推理来处理难于解决的模糊信息处理 难题。尤其在水文现象与概念从共维差异的一方到另一方，中间经历了一个连 续过渡的过程，这是差异在共维条件下的中介过渡性，由中介过渡性而产生划 分或识别上的非确定性就是水文现象与概念的模糊性，是一种客观存在的基本 事实。神经网络、基因算法和模糊理论具有各自优点，也有缺点，神经网络的 训练时间较长、对结果缺乏解释能力、网络结构及算法参数不易确定，基因算 法的适应函数较难选取，处理实际问题时较难满足实时性和调度的要求，模糊 理论隶属度的确立等，因此将三者结合起来研究成为一种必然的趋势，以神经 网络和模糊理论的结合作为计算模型主体，可解决水文水资源模型的不确定性、 高度非线性和信息复杂性等问题，而基因算法的结合将从学习算法、模型选择、 模型理解等方面提供更易于控制的优化调度智能决策系统【1 7 l - 【1 8 l 。 1 3 珠海供排水系统简介 1 3 1 珠海水资源现状 珠海市地处北回归线以南，冬夏季风交替明显，终年气温较高，偶有阵寒， 但冬无严寒，夏不酷热；年日温差较小，属南亚热带海洋性季风气候。 珠海市雨量充沛，1 9 6 2 1 9 9 0 年年平均降雨量为1 9 8 5 8 毫米，降雨最多的1 9 7 3 年为2 8 7 3 9 毫米。最少的1 9 6 3 年为1 2 0 0 9 毫米。逐年雨量对历年平均值的距 5 第1 章绪论 平百分率在+ 5 0 4 5 之间变动。全年有两个明显的雨季：4 6 月为前汛期雨季， 降雨主要是受锋面低槽、低空急流、低涡或高空切变线等天气系统影响所致， 平均总降雨量8 4 0 毫米，占年降雨量的4 2 。7 1 0 月为后汛期雨季，降雨主要 受带热气旋等热带天气系统影响所致，平均总降雨量9 4 6 毫米，占年降雨量的 4 7 。由于后汛期的台风雨强度大、降雨量多，一次降雨过程可达2 0 0 3 0 0 毫 米，极易造成局部洪涝【1 9 1 。 年降雨量的地域差异较明显：香洲、下栅以北地区，雨量最多，一般为 2 0 0 0 2 2 0 0 毫米；小林、三灶、南屏以及澳门半岛，雨量一般为1 8 0 0 2 0 0 0 毫米； 大横琴、大万山等岛屿，雨量最少，一般为1 7 0 0 1 8 0 0 毫米。1 9 6 2 1 9 9 0 年的 2 9 年中平均降雨数为1 3 9 3 天，最多的1 9 7 5 年为1 7 4 天，最少的1 9 9 7 年为1 0 6 天。年内降雨日数主要分布在两个雨季，占年降雨日数的7 4 ，历年雨日最多 月是6 月( 平均为1 9 4 天) ；雨日最少月是1 2 月( 平均3 9 天) 。1 9 6 2 1 9 0 0 年 的2 9 年中，1 2 月滴雨未下的有2 年( 1 9 8 0 、1 9 8 7 ) 。历年最长连续降雨日数为 2 1 天，总降雨量1 6 2 6 毫米，发生于1 9 8 5 年2 月4 日2 4 日降雨强度划分为： 小雨、中雨、大雨、暴雨、大雨和特大暴雨等量级。珠海地区不但降雨量多， 且强度大、分布不均。年平均暴雨( 日降雨量5 0 毫米为暴雨) 1 0 1 1 次，均 集中在前、后汛期雨季，其中5 、6 、8 月暴雨最多。历年中，一日间最大降雨 量为3 9 3 7 毫米( 1 9 6 6 年6 月1 2 日) 。 1 9 7 6 1 9 9 0 年珠海的年平均蒸发量为1 7 0 6 1 毫米，年平均降雨量与年平 均蒸发量之差为2 7 3 9 毫米，说明降雨多于蒸发。季节间，夏季降雨量大于蒸 发量，秋、冬季蒸发量大于降雨量，春季蒸发量与降雨量差异不大。蒸发量的 年际变动在1 5 2 1 1 2 1 2 8 7 毫米之间，年内的分布以7 月最大，达2 0 9 4 毫米；2 月最小，仅7 3 4 毫米。 1 3 2 供水系统现状 珠海市位于广东省珠江口的西南部，行政辖区地域范围包括香洲、斗门、金 湾三区，陆地面积为1 6 5 3 k m 2 ，海岛1 4 7 个，面积为3 1 4 5 6 k i n 2 ，总人口1 8 7 6 万。 珠海市供水总公司是我国大型城市供水企业，承担着珠海市城市供水和澳 门特区原水供给的规划、建设及经营管理职责。随着城市改革开放和经济增长， 6 第1 章绪论 城市供水系统建设和管理得到了迅速的发展，供水量逐年增长，规模不断扩大， 企业可持续发展和节能减排的科学管理水平要求不断提高。目前，珠海市供水 总公司下辖1 6 座水厂，日生产能力8 0 万m 3 ，水源泵站日取水能力2 4 0 万m 3 ， 输配水干管总长度1 5 3 0 多k m ，供水面积3 2 0 k m 2 ，供水人口约1 8 7 6 万。 近年来，珠海市用水量激增，自1 9 9 6 年年用水量1 2 4 3 4 万m 3 ，最高日4 0 2 5 万m 3 d ，增至2 0 0 5 年年用水量2 4 9 0 0 万m 3 ，最高日7 8 4 0 万m 3 d ，2 0 0 6 年用 水量2 6 3 8 5 万i 矿，最高日8 0 7 6 7 万m 3 d 。年平均用水增长率为7 1 ，近5 年 增长率为9 3 。自2 0 0 7 年7 月以来，日供水量平均超过8 5 万m 3 ，7 月2 6 日， 珠海全市的日供水量超过8 9 万m 3 ，创历史新高。其各年的供水量如下表1 1 和图1 3 。 表1 11 9 9 6 - 2 0 0 7 年珠海市供水量调查表 年供水总量最高日供水量增长率平均日供水量增长率 年份 ( 万m 3 a )( 万h i 3 d )( )( 万m 3 1 t )( ) 1 9 9 61 2 4 3 3 44 0 33 4 1 9 9 71 3 0 2 8 84 36 73 5 75 1 9 9 81 4 0 3 8 94 5 7 6 3 3 8 57 8 1 9 9 91 4 0 0 4 6 4 4 8 23 8 42 2 0 0 01 5 4 6 9 15 0 61 2 94 2 31 0 2 2 0 0 11 5 5 0 0 65 0 50 24 2 5o 5 2 0 0 21 6 8 9 2 15 4 27 34 6 38 9 2 0 0 32 0 3 7 9 56 6 5 2 3 5 5 82 0 5 2 0 0 42 3 0 5 2 。87 05 36 31 2 9 2 0 0 52 4 9 0 0 27 8 4 1 2 6 8 28 3 2 0 0 62 6 3 8 5 58 0 8 3 1 7 2 3 6 0 2 0 0 72 8 6 5 5 6 8 91 0 27 8 5 8 5 8 7 第1 章鳍论 1 嚣 8 0 聪 墨。4 0 i i 时间( 年 图1 3 珠海市日供水量增长图 论文研究的珠海供水系统的水厂主要有拱北水厂、香洲水厂、唐家水厂以 及澳门水厂。拱北水厂是璩海主城区的主力水厂，现在的e l 供水量约为3 8 万 m 3 d 。唐家水厂的原水直接来自凤凰山水库，现在日供水量约为8 万m 3 d ，香 洲水厂的日供水量约为9 万3 d 。 33 原水系统现状 珠海依傍珠江入海口，属于南亚热带海洋性季风气候，年平均降雨量为 1 9 8 5 8 m m ，年最高降雨量为1 9 7 3 年的2 8 7 3 9 m m ，年最低降雨量为1 9 6 3 年的 1 2 0 0 m m ，年平均蒸发量1 7 0 6 r a m 。陆地年平均降雨总量为3 2 8 3 1 d 3 ，年最 低降雨总量( 1 9 6 3 年) 为1 9 8 4 x l o s m 3 。珠江水资源十分丰富，每年从珠海境内 四大珠江入海口流入大海，入海年径流量1 3 2 2 x l o s m 3 ，如圈1 5 所示。 卜o o no o o 州o o 门 酗15 舶江梧州站游闻叫幽 根据供水范围和功能来划分，珠海原水系统可以分为四个子系统：北系统、 南系统、西水春调系统和西系统。 f 1 1 北系统土要功能是供应香洲区的生产生活用水。主要包括香洲和唐家水 厂以及大镜山、风凰山水库，调成泵站。北系统水源为磨刀门水道，经平岗泵 站或广吕泵站加压后进 各水库和水厂。各个子系统参数如下： 1 1 香洲水厂：f i 供水设计能力6 打m 3 d ，现每同供水量为7 - 8 万m 3 d 。 2 1 唐家水j ：同供水设汁能力i 2 万m 3 d ，现每日供水量为6 - 7 打1 1 1 3 d 。 3 、大镜山水库：设计库容1 0 3 8 万邢3 ，是北系统的主力水库之一。 4 讽凰山水库：设计库容1 3 6 0 i 1 1 3 ，是北系统的主力水库之。 5 1 调戚泵站：位1 大镜山脚下，属于加仃三泵站，用于水压不足时，供香洲、 拱北水厂加压时使用。 f 2 ) 南系统主要功能是对澳门供应原水，包括拱北水，广昌、南沙湾、洪 湾泵站和南屏、竹仙洞、蛇地坑、银坑水库。南系统水源丰水期来自磨刀i 水 道，威期来自平岗泵站或裕州泵站，原水一部分经南屏到达拱北水厂，一部分 经拄定角引渠进入洪湾泵站加压后到达泵站高位水池经明渠到达竹仙洞水 库后再自流到澳门青洲水厂。各个子系统参数如下： 1 ) 拱北水厂：是珠海供水的主力水厂之一。门供水设计能力2 0 万l r l 伯， 包括2 、6 、1 2 万m 3 0 处理系统各套。但是现在处于超负荷运转状态，每日 供水量为3 5 3 9 刀1 1 1 d 。 2 1 洪湾泵站：设计流量3 9 万m 3 d 。 第1 章绪论 3 ) 南沙湾泵站：以前是原水泵站，由于前山水道水质恶化，现在仅用作中 途加压泵站。 4 ) 广昌泵站：高压机组设计流量8 0 万m 3 d 、低压机组设计流量6 0 万m 3 d 。 5 ) 南屏水库：设计库容5 5 0 万m 3 ，是南系统的主力水库之一。 6 ) 竹仙洞水库：设计库容2 4 0 万m 3 。 刀蛇地坑水库：设计库容1 4 4 万m 3 。 8 ) 银坑水库：设计库容1 1 7 万m 3 。 ( 3 ) 西系统包括斗门区、金湾区的原水、供水系统。 ( 4 ) 西水东调系统：为保证珠海、澳门地区成期生活用水兴修的原水工程。 主要包括平岗和西水东调长距离输水管道系统。原水经平岗泵站加压后进入北 系统和南系统。平岗泵站：分为高压机组和低压机组，其中高压机组设计流量 1 0 0 万m 3 d ：低压机组设计流量2 4 万m 3 d 。 各水道水量水质如下： ( 1 ) 磨刀门水道年径流量达9 2 3 1 0 8 m 3 ，水质情况良好，目前水环境质量 保持i i 级。该水道水质水量都能满足城市供水的要求，是珠海市供水 的主要水源之一。 ( 2 ) 鸡啼门水道年径流量1 9 7 x 1 0 8 m 3 ，目前水环境质量保持i i i 级，是珠海市 西部的主要水源。 ( 3 ) 虎跳门水道年径流量2 0 2 x 1 0 8m 3 ，目前水环境质量保持i i 级，是珠海 市西部的主要水源。 由于西江月平均径流量的不平均分布，形成了一年中的4 9 月份的“丰水 期”和每年1 0 月至次年3 月的“枯水期 。在丰水期内，珠海市水源地水量丰 富，水质可靠。但是，每年的枯水季节，由于上游来水径流量降低，特别是当 梧州站径流量小于2 0 0 0 m 3 s 时，各取水口均受到海水咸潮入侵的严重影响，造 成了城市供水的极大困难。因此，珠海市城市供水原水系统建设的主要任务之 一是“避咸蓄淡 ，以磨刀门水道为主要水源地，由取水泵站和水库群构成原水 供给系统，包括南屏、竹仙洞、大镜山、凤凰山、蛇地坑、银坑和梅溪7 座水 库及洪湾、广昌、平岗和裕洲4 座原水泵站等设施，形成了“江水为主、库水 为辅、江水补库、蓄淡避咸 的复杂原水保障体系。 1 0 第2 章城市原水系统优化调度理论 第2 章城市原水系统优化调度理论 2 1 城市原水系统优化调度目标 城市原水系统优化调度的目标是在满足原水需求的基础上，最大程度的降 低运行成本，提高运行效率，提高社会和经济效益，使水源的开发和利用与社 会和环境协调发展 冽。在工程实践应用中，城市供水原水系统的优化调度主要 是研究整个原水系统( 包括泵站、水库、渠道、输水管网等) 的优化模型、优化 技术和调度决策，即用系统工程的观点，用系统分析的方法对原水系统的运行 调度方案进行综合分析比较，使系统在满足社会效益的前提下，在一个调度周 期内在保证供应一定城市供水所需原水量条件下，寻找不同水源的联合运行方 案、水量调配的最优化方案，使得系统在最经济的工况下运行，即原水系统的 运行成本( 包括水资源费、电费) 最低，运行费用最小的调度规则【2 卜2 2 1 。 2 2 城市原水系统优化调度函数 城市原水系统调度总费用主要包括水资源费用伊) 和泵站电耗( 目2 3 1 ， f = f + e 。假设原水系统有m 个水库，携个泵站。 式中：卜从第j 泵站抽水水资源费，( 元m 3 ) ； q r 第j 泵站在第k 个时段抽水量，( m 3 ) ； e 2 善荟_ 鲰) ( 2 1 ) 式中：婀( 蚴为第_ 泵站在第k 时段的电耗，通常认为是流量q 班的函数， ( 度) ； m ( 蚴呜屿鲰+ c ：鲰为水泵的州曲线； 则目标函数为： m l nf e m 血( f + e ) m l n ( 荟善( p ，鲰+ 埘( 纵) ) ) ( 2 2 ) 式中卜电价，( 元度) ； 1 1 第2 章城市原水系统优化调度理论 城市原水系统调度的特点是各水库参与了调度，水库既可以作为蓄水单元 也可以作为供水单元。该函数的约束条件为： ( 1 ) 水库库容限制与水库流量守恒约束 = 屹心咆s 睨s 一 ( 2 3 ) 式中睨厂一表示第f 个水库第k 个时段末的水库库容，( m 3 ) ； l 政，q 旷分别表示第f 个水库第k 个时间段的来水量和出水量，( m 3 ) ； 磁胁，嘶历。厂一分别为第f 个水库的最小库容和最大汛限库容，( m 3 ) ； 鹏r ，既分别为第f 水库调度结束水库库容和目标水库库容，( m 3 ) ： i = 1 ，l ；k = l ，死 ( 2 ) 水厂原水需求约束 优化调度的基本前提条件就是满足需水单元的水量要求 瓯= 缸 ( 2 4 ) 式中9 t 一分别表示第，个水厂第k 个时间段的原水进水量，( m 3 ) ； 劬一分别表示第，个水厂第k 个时间段的原水需水量，( n 1 3 ) ； ( 3 ) 泵站约束 s 弓一 ( 2 5 ) q 袖sq j ksq ，咖 、。 式中毋，广分别表示第j 原水取水泵站的开机台数和该泵站的机组总 台数； 鳓加，鳓。厂一分别表示第j 水泵站的最小和最大抽水量，( m 3 ) ； 2 3 城市原水系统优化调度关键参数 城市原水优化调度的目标之一就是要满足原水需求量，因此，原水需求量 直接关系到调度方案的确定，是优化调度的一个重要参数。原水系统的一个重 要特点就是包含了水库。水库是一个开放系统，这使得原水系统的调度模式更 加复杂化，固原水系统中各水库的水位也是原水调度系统的一个重要参数。泵 站是原水系统的能耗单元，也是优化调度的衡量指标，因此水泵的组合运行方 第2 章城市原水系统优化调度理论 式也是城市原水系统优化调度的重要参数。 2 4 城市原水系统优化调度流程和技术路线 城市原水系统优化调度的一般步骤为： ( 1 ) 原水需求预测：确定需水单元的原水需求量，由于城市原水系统包含 多个水库，水库的调度是一个缓慢的过程，因此预测次天原水量是没 有意义的，水库的水位不能按照调度模式立刻发生改变，故需要做出 长期的原水需水量预测，然后缓慢的控制水库水位，达到优化调度的 目的，在本研究中预测周期为一个星期。 ( 2 ) 原水系统建模与分析计算；将原水需求量信息输入原水管网模型，确 定泵站需提供的流量，利用模型计算出需要满足原水需求的最低水库 水位和泵站出口压力。 ( 3 ) 泵站开机方案确定：水库水位和原水需求量确定后，利用v b 编写的 泵站优化计算程序，确定泵站的开机方案。 ( 4 ) 计算出预测周优化调度的电耗。 其流程图为： 图2 1 优化调度流程图 1 3 第2 章城市原水系统优化调度理论 城市原水系统由于包含水库，属开放的系统，则具有一定的不确定性和非 线性特征。因此，通过研究城市供水原水系统的优化调度的实际问题，在理论 上对求解这种非线性和不确定性的实际问题提供了新的方法。本论文所采用的 主要研究方法包括： ( 1 ) 城市原水系统的原水需求量是原水系统优化调度的基础，针对城市原水用 量的历史数据特征和原水调度特点，建立合适的预测模型； ( 2 ) 建立城市原水系统模型，对现状调度进行分析评价，对管道的输水能力和 水库的运行状况进行分析评价； ( 3 ) 通过原水模型对新的假定工况进行分析计算，找出更经济的调度模式，提 高原水系统的运行效率，降低运行成本； ( 4 ) 针对原水子系统优化调度问题模型非线性和带有约束条件的特点，采用遗 传算法求解调速原水泵站的优化调度决策问题，技术路线见图2 2 。 原水量预测 原水系统模 型分析计算 上 确定各水库 的控制水位 士 确定泵站的开机 情况，计算泵站 效率和耗电量 图2 2 技术路线图 1 4 第3 章城市原水系统模型建立及应用 第3 章城市原水系统模型建立及应用