（环境工程专业论文）山地城市供水系统改扩建优化设计研究.pdf

摘要 论文题目：山地城市供水系统改扩建优化设计研究 学科专业：环境工程 研究生：杨世雷签名：趱鱼鱼 指导教师：党志良教授 签名：眨耋弛 摘要 供水系统是城市基础建设的重要组成部分，我国目前山地城市供水系统因其具有地形 复杂，人居分散，供水泵站扬程高、能耗大，给水管网的敷设、调度复杂，建设成本高的 特点，发展仍很滞后，而对山地城市给水系统进行改扩建设计难度将会更大，因此，研究 山地城市供水系统改扩建优化设计对于完善供水系统设计理论，改变山地城市的落后局面 有着重要的理论意义和现实意义。 本论文结合陕西府谷县城供水系统改扩建工程的实际，从供水现状出发，针对山地城 市供水系统改扩建的特点，从多个角度进行探索和研究。在查阅国内外给水系统优化设计 研究成果的基础上，对山地城市供水系统的特点和优化节能潜力进行分析，确定改扩建优 化设计的方向和内容。 通过山地城市用水人口分布的调查统计，对传统的沿线流量计算方法的利弊分析，提 出适合山地城市的人口密度比流量法计算沿线流量的方法。在对适合本地区输水方式的组 合进行系统分析的基础上，建立以初投资和运行费为目标的年费用优化模型，通过费用模 型优选，确定最佳的输水方式。 根据给水管网改扩建优化的目标，建立优化数学模型。针对求解管网优化问题的难点 在于管网基本方程的非线性与管径变量的离散性的矛盾的问题。本文采用遗传算法，以目 标函数值为搜索依据，通过群体优化搜索和随机执行基本遗传运算实现遗传群体的不断进 化，解决离散组合优化问题。经过对计算结果的分析校核比较，优化效果显著。 应用泵站优化理论对给水泵站进行改扩建优化设计。结合工程实际采用时间序列分析 法确定用水量的变化。通过水泵组合的优化方法，分析并优选水泵使水泵组合更优。然后 建立泵站年费用优化数学模型，采用枚举法从优化组合后的水泵组中确定最优的水泵组。 对于泵站运行的优化，采用最小轴功率法，对含有调速泵的最小轴功率模型这一复杂优化 问题，采用了遗传算法求解，结果证明了泵站最小轴功率优化运行的可行性。 关键词：山地城市改扩建优化设计给水管网泵站 t i t l e ：r e s e a r c ho nt h eo p t i m a ld e s i g no fw a t e rs u p p l y s y s t e mr e b u i l d i n ga n d e x t e n d i n gi nm o u n t a i nu r b a n m a j o r e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g n a m e ：s h i l e iy a n g s u p e r v i s o r - p r o f z h i l i a n gd a n g a b s t r a c t s - g n a e ：亟垃幽 s i g n a t u r e - y 溯j s o u w r a t e rs u p p l ys y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h ec i t y si n f r a s t r u c t u r e b u tt h ew a t e rs u p p l y s v s t e r ni nm o n u n t a i nu r b a nd e v e l o p ss l o w e rb e c a u s eo fc o m p l e xt e r r a i no ft h em o u n t a i n d i s p e r s e do fr e s i d e n t s ，h i g hl i f to ft h ep u m p i n gs t a t i o n ，h i g hc o n s u m p t i o no f t h ee n e r g y ，t h e d i f f i c u l t i e so nl a y i n ga n ds c h e d u l i n gt h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s ，a n dh i g hc o s to fb u i l d i n g ，s o t h ed e s i g no ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e mr e b u i l d i n ga n de x t e n d i n gi nm o u n t a i nu r b a n 1 sm o r e d i f f i c u i t t h e r e f o r er e s e a r c h i n go nt h eo p t i m a ld e s i g no ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e mr e b u i l d i n ga n d e x t e n d i n gi nm o u n t a i nu r b a nh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f o rp e r f e c t i n g d e s i 2 nt h e o r yo fw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dc h a n g i n gt h eb a c k w a r ds t a t eo f m o u n t a i nu r b a n b a s i n go nt h ep r o j e c to fi m p r o v i n gw a t e rs u p p l ys y s t e mo fs h a n n x if u g uu r b a n ，s t a r t i n g w i t ht 1 1 ec u n i e n tw a t e rs u p p l ys t a t e ，d i r e c t i n ga tt h ef e a t u r e s o ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m r e b u i l d i n ga n de x t e n d i n gi nm o u n t a i nu r b a n , t h i sp a p e rm a k e se x p l o r a t i o na n ds t u d yf r o m v a r i o u sa s p e c t s a f t e rr e a d i n ga n du n d e r s t a n d i n go ft h er e s e a r c hr e s u l t so nt h ew a t e rs u p p l y s v s t e m ，so p t i m a ld e s i g na th o m ea n da b r o a d ，i ts e t st h ed i r e c t i o na n dc o n t e n to fo p t i m i m a l d e s i g nb ya n a l y z i n gt h ef e a t u r e so fc i t yw a t e rs u p p l ys y s t e ma n d e n e r g y 。s a v i n gp o t e n t i a l i t y a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c so fp o p u l a t i o nd i s t r i b u t i o n i n t h e m o u n t a i nu r b a n , t h i sp a p e r p r o p o s e sam e t h o do fc a l c u l a t i n gt h ef l o wr a t et h a tf i t st h ep o p u l a t i o nd e n s i t yb ya n a l y z i n g t h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lc a l c u l a t i n gm e t h o do ff l o w r a t e b ya n a l y z i n g w a t e rt r a i l s m i s s i o nw a y st h a tf i tt h er e g i o ns i t u a t i o n s ，i tc o n s t r u c t e dt h eo p t i m a lm o d e lo nt h e f l r s tc o s ta n d 锄u a lc o s to ft h ew a t e rt r a n s m i s s i o n , t h e ns e t st h eb e s tm e t h o dt ot r a n s m l s s l o n w a t e rb ys e l e c t i n gt h ep r e f e r a b l em o d e lo nc o s t t h es e t t i n go fo p t i m i z i n gm a t h e m a t i c a lm o d e li sb a s e do nt h ea i mo fi m p r o v e m e n t o ft h e w a t e r - p i p en e t w o r k s d i r e c t i n ga g a i n s td i f f i c u l t yt h a ti st h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h en o n l i n e a r f e a t u r e so fp i p en e t w o r k s ，b a s i ce q u a t i o na n dt h ed i r e c t n e s so ft h ep i p ed i a m e t e rv a r i a b l e ，t h i s 2 p a p e ru s e sg e n e t i ca l g o r i t h m s - - - - a c c o r d i n g t oo b j e c t i v ef u n c t i o n ，i tr e a l i z e st h ec o n s t a i l t e v o l u t i o no ft h eg e n e t i c a l l yp o p u l a t i o nb yu s i n go p t i m a la l l ys e a r c h i n gc o l o n y a l l dg e n e n c a r i 恤靠cr a n d 锕n l y ，a n ds o l v e st h ep r o b l e mo no p t i m i z i n gt h ed i s c r e t ea s s e m b l e t h ee x c e l l e n t o p t i m a lr e s u l t sa r eg o tb yc o m p a r i n ga n d c h e c k i n gt h er e s u l t s i ti m p r o v e st h ep u m p i n gs t a t i o na c c o r d i n gt ot h ep u m p i n gs t a t l o no p t i m i z a t i o n 也e o s e t s t 1 1 ev 撕晰o f w a t e rc o n s u m p t i o nb yc o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c eo f t h ep r o j e c ta n du s i n gt e m p o r a l s e r i e sa n a l y t i c a lm e t h o d ，a n dm a k e st h ea s s e m b l e dp u m p b e r e rb yu s i n gt h eo p t i m a lm e t h o do f p 啪pa s s e m b l i n ga n ds e l e c t i n gp r e f e r a b l ep u m p b a s e d o nt h eo p t i m a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo n t h e 锄u a lc o s to ft h ep u m p i n gs t a t i o n , t h eb e s t a s s e m b l e dp u m pi sf i x e df r o m a l lt h e o p t i m i z i n ga s s e m b l e dp u m p sb yu s i n g e n u m e r a t ep r o g r a m t h em i m m u ma x i se f f i c i e n c ym o d e l i su s e dt oo p t i m i z et h eo p e r a t i o no ft h ep u m p i n gs t a t i o n o n t h ec o m l e xo p t i m i z i n gm l m m u m a x i se f f i c i e n c ym o d e lt h a tc o n t a i n st h es p e e dp u m p ，t h ep a p e rb s e sg e n e t i ca l g o r i t h m sa n dg e t s t h er e s u l t , w h i c hp r o v e dt h a tt h eo p t i m i z e do p e r a t i o no ft h ep u m p m gs t a t i o nm l n l l n u n aa x l s e f f i c i e n c yi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：m o u n t a i nu r b a nr e b u i l d i n ga ne x t e n d i n go p t i m a ld e s i g n w a t e rs u p p l yn e t w o r k sp u m p i n gs t a t i o n 3 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：蠲丝鱼凹年3 月一2 日 学位论文使用授权声明 本人盔丝盗在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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：2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 汐岔年3 月2 1 日 第一章绪论 1 绪论 给水工程是城市基础设施的重要组成部分，供水系统的建设标准直接影响着城市经济 的发展和城市居民的生活水平，因此给水行业是城市优先和重点发展的行业。我国大规模 的城市供水系统建设是在二十世纪五、六十年代进行的，起步晚、基础薄弱，系统设计管 理运行的自动化程度低，多以经验为主，缺乏科学性、高效性。对于相对落后的西部地区 山地城市，其建设速度就更加滞后。近年来，随着资源性山地城市经济的迅速崛起，工业 企业规模不断扩大，用水量急剧增加，城镇居民生活条件改善和生活用水标准的提高，对 于城市原有供水系统的改建、扩建及新建工程的要求日益迫切。 1 1 山地城市供水系统的发展及存在问题 1 1 1 山地城市 多年来，虽然国内外许多不同学科领域的学者做了大量的研究工作，但至今未对山地 城市的概念和范围做出明确的界定，世界各国也没有划分山地城市的统一标准，理论界的 看法也不尽相同。但归结起来山地城市的概念范畴有狭义和广义之分。狭义的山地城 市是指城市建成区域内一定地形地貌特征的特定城市，城市发展的地形环境内断面坡度 5 ，垂直分割深度( 2 2 k m 计算面积相对高差) - 2 _ 2 5 m 眨1 的城镇，其特点是城市用地地势 起伏多、坡度大、建设难度高，工程处理复杂；从城市规划的高度来看，其最显著的特征 就是城市空间布局依山就势，复杂而又不规则；其各项使用功能，如居住、生产、交通、 绿化等用地是在起伏不平的地形上来组织和形成的，并构成了与平原城市不同的城市空间 形态和环境特征，如我国著名的山城重庆、青岛、香港、以及宜宾、遵义、攀枝花等。而 广义的山地城市，更强调山体山形与城市格局的构成关系，虽然城市的建成区是在相对平 坦的用地上，但整个城市却因山体、水域地形的存在而形成独特的城市格局，从而对城市 的形态和特征产生较大的影响，形成以山体为城市用地组成部分或背景的城市，也应属于 山地城市范畴，此“山地”指的是地理学上的山地、丘陵和崎岖不平的高原，此“山地城 市 为城市的选址和建设在山地地域上的城市b 1 。由于第一个定义中强调了山地城市的 地貌特征，与市政工程专业理论与实践的出发点一致，因此从本专业的角度而言，大多数 的研究主要以狭义的概念为基础。 本文研究的山地城市主要指狭义层次上的山地城市。此类山地城市由于城镇人口增长 迅速，使得城镇发展为城市。同时城市一般依山傍水而建，地势起伏多，坡度大，地面高 差悬殊。由于城市的快速发展，使得城市的给水系统落后，急需改扩建以满足人口增长和 生活水平提高的需要。本文将根据山地城市的地形和城市规划特点，从技术经济的角度， 对山地城市给水系统进行研究。 1 1 2 山地城市供水现状 目前，我国8 3 6 3 城市、5 3 4 7 集镇有公共供水设施，村庄有公共供水设施的只有 西安理工大学硕士学位论文 1 0 7 3 ，要达到发达国家供水普及率9 0 以上的水平，还要很大的努力1 4 1 0 今后城市是 我国供水事业建设的重点，城市供水主要存在供水能力不足、设备简陋、技术管理力量薄 弱、水质不符合国家标准等问题，尤其山地城市历来是我国供水事业的薄弱环节。 我国约有2 3 是山区，遍及西南、西北、东北、华北及华东、华中、华南等地，山地 城市具有数量多、规模小、分布广、经济落后等特点，自然条件恶劣，山高坡陡，地广人 稀，交通十分不便，给水系统修建难、维护难、管理也难，山地城市饮用水事业发展缓慢。 我国山地城市供水事业起步较晚，各地供水水平参差不齐，基本状况是西部地区经济落后， 水资源短缺，供水普及率低，许多地区人畜饮水困难；东部地区经济发达，水资源丰富， 供水发展较快，但水源污染严重，供水规划滞后，供水单耗较大。目前，大多数山区居民 依靠自备水井取水，水源未做任何处理直接饮用，影响了人们的健康：供水系统规划不合 理，设备老化失修，能耗高，供水能力不足，缺水已是山地城市面临的共同问题，直接影 响到城市居民生活和城市的发展，成为制约山区发展的瓶颈。 改革开放以来，随着国民经济的快速发展，农村城市化步伐的加快，特别是西部大开 发以来，城市人口迅速增加，生活用水量及工业用水量增长迅速，由于现有设施供水能力 不足，山地城市供水问题日益突出。陕西省府谷县城水厂是二十世纪八十年代兴建的，经 过多年的运行已经不能正常供水，工程规模是按当时的县城发展水平和经济条件建设的， 供水能力已很难适应城市建设和社会经济发展的需要；同时陕北2 3 个山地小城镇现有供 水设施的供水能力仅为6 1 0 4 m 3 d ( 5 1 各县城供水能力普遍偏低，大多数县城居民生活 用水量远低于国家7 0 1 2 0 ( l c a p d ) 的标准。 1 1 3 山地城市供水特点 山地城市具有数量多、分布广、经济落后、地形复杂等特点，城区往往被江河、冲沟 分割，地形高差大，供水管网地面高差悬殊，管网的规划设计及运行调度存在诸多困难。 同时也存在一些有利因素，关键是如何利用地形，通过合理分区并利用地形采用重力输水， 降低能耗。 一般来说，与平原地区相比，山地城市供水系统有以下特点6 1 ： 山地城市与水源地之间地形高差往往很大，常常超过4 0 米，供水管网的布置及运 行调度困难。供水管线存在翻山和穿越江河问题，建设投资巨大，运行管理困难。 山地水源往往距城市较远，受地形限制，地表水蓄水能力差，水源丰水期与枯水 期可供水量变化很大，取水泵站如果设计不合理，往往导致水泵偏离高效区运行，能耗增 加。 受地形影响，各水源地高差很大，供水成本也有很大差别。地势较高的水源地可 以采用重力方式供水，节约运行费用；地势较低的水源加压泵站扬程往往很高，供水能耗 大。因此在选择水源时，不但要考虑各水源地的供水能力，还要比较运行能耗的差异，综 合考虑各种因素，合理选择水源。 由于地形高差大，二级泵站出1 2 1 至最不利点高差较大，一般采用分区供水，地势 2 第一章绪论 较高地区设置局部加压泵站，往往要数次加压，供水成本往往高于平原城镇。 供水管网一般依地形而建，市区不集中，各个组团比较分散，因此管网延伸较远， 成环困难，供水整体性差。 供水系统日变化系数和时变化系数较大，合理调节十分重要。 低压管段压力大，容易发生水锤和爆管事故，漏损严重。 1 1 4 山地城市供水存在的问题 我国山地城市供水存在的问题可以归结为以下几点： 发展不平衡，以中小型为主 由于各地经济发展及人力、物力条件的差异，供水事业的发展很不平衡。一些经济发 展的地区，已建有现代化的自来水厂；而一些经济落后的地区，只能建设极其简易的供水 设施。二十世纪七十年代至九十年代中期，全国日综合供水能力超过3 万吨的县镇供水企 业仅浙江、广东、北京就占了8 0 ，西部及其他经济欠发达地区的供水能力普遍较低， 多在1 万吨左右，经济发展中等地区日综合生产能力以几万吨居多 1 。 缺乏统筹规划，规模不当、布局无序 城市给水工程缺乏统筹规划，各自为政、重复建设现象严重，未能建立起有效供给体 系。多数小区域各自建设供水系统，规模小、运行成本高。特别是在城市给水建设的初期， 由于缺乏城市总体规划和相应规范，一些规划、设计人员无法正确预测城市人口、预测不 合理、规模确定不当，工程失误难免发生。随着城市的发展，部分城市出现了大的供水缺 口，夏季用水高峰期时自来水厂虽竭尽全力，也很难满足用户要求；部分小城镇供水过剩 且数量可观，给投资回报、运行成本、设备利用带来严重后果，相应地，城市排水、污水 处理工程等在建设规模、投资、运行成本方面也产生了负面效应。 城市总体规划的缺乏，导致给水布局的不合理。多数自来水取水口建在附近的河流上， 由于城市范围的扩大，一些污染严重的企业和新建生活小区分布在给水水源的上游，大量 的生活污水、工业废水的排放，使水源遭到不同程度的污染。 供水设施不完善，管网建设落后，能耗偏高 随着城市的飞速发展，多数城市的给水设施需要更新改造。城市给水系统简单，供水 设施比较落后；大部分采用地下水作为给水水源，而且在水量、水质、水压方面一般难以 满足生产和生活要求；不少单位自建水井和水塔，以致城区水塔林立却互不连通，造成给 水设备效率低下，并且不利于水资源合理开发、水质难以保证；供水安全可靠性差，一是 水源水质污染影响安全供水，二是因为一个水厂仅一个水源，三是供电问题影响安全供水， 不少水厂都是一路供电，对安全生产威胁特别大。 不少旧城给水管网的输配水能力小于净水厂的生产能力，给水管网的建设严重滞后于 水厂建设。多数供水管网为树枝状，供水可靠性不高，且敷设简陋、不符合规范。供水管 道特别是配水管道材质差，相当一部分管道漏损严重、超过了使用年限，些水厂的漏损 率高达4 0 8 1 。管网结垢利于细菌繁殖，造成二次污染。随着城市范围的扩展，用水量 西安理工大学硕士学位论文 成倍增加、枝状管网不断延伸、管径已不能满足后期需要，管网处于超负荷运行之中。管 网漏失、管径设计偏小、管道内积沙结垢摩阻增大等造成供水能耗偏高。 供水工艺落后，运行管理粗放 在我国的城市中，部分城市的供水系统建设较早，而后期由于资金短缺等问题，造成 供水工艺落后，设备老化程度偏高。另一方面，由于国家用水水质标准的提高，使得部分 水厂原有的水处理工艺落后，出水水质达不到水质标准，而急需改造。 给水工程的运行管理是一项十分重要的工作，它对保证给水设施正常运行和发挥持久 效益，具有至关重要的影响。但是不少地区重建设轻管理的现象还比较严重，主要原因是 对运行管理工作的重要性认识不足，运行管理工作粗放。给水工程管理机构简单，人员较 少。工作人员往往没有明确的分工，既是操作人员又是管理人员，身兼几职。给水厂一般 只有很少数的专业技术人员，多数工作人员技术水平低、又得不到很好的培训。加强运行 管理人员的培训工作，提高运行管理水平，是城市给水工程建设管理工作中急待解决的一 个重要问题。 系统组成复杂，运行调度困难 受地形限制，居民居住分散，增加了输水的距离，管线敷设难度较大。管网各部分地 面标高相差太大，使得管段压力差别较大，容易造成低区管网压力过高，发生爆管等事故； 而高区管网出现压力不足，甚至不能将水供至最不利点，很难使管段服务压力及水量均保 持在合理范围内。系统中水塔、高位水池等调节构筑物较多，供水方式复杂，增加运行调 度难度。 1 2 供水系统优化设计研究进展 城市供水系统是由取、净、输、配四个部分组成，除了净这个部分之外，其他三个部 分都是由泵站和管道系统来完成的。目前国内外对供水系统优化的研究也是主要集中在用 水量预测、水源优化调度、泵站节能、管网优化调度等方面，但到目前为止，还没有非常 成熟有效的技术解决泵站的节能问题。而对给水处理方面的能耗研究相对较少。从总的来 看，对水厂能耗方面的研究大大落后于与工艺相关的机理和运用的研究。 1 2 1 供水系统的用水定量预测 没有科学预测就不可能做出正确的决策。准确地确定城市未来几日或几小时的用水 量，是进行供水系统计算、分析的基础，近年来预测学己应用于城市用水量的预测。 定量预测可大致分为两类：回归分析方法和时间序列分析方法。其中时间序列分析方 法主要包括指数平滑法、自回归一移动平均模型，灰色预测方法等。城市用水量的变化规 律非常复杂，而且极具随机性和灵活性。国内外的许多专家已经努力在城市用水量的历史 信息基础上建立了一些预测模型。比如灰色预测、人工神经网络、指标法、基于小波变换 的用水量预测、小波神经网络预测、系统动力学预测方法以及各种预测方法的组合等。刘 俊良眇1 将系统动力学方法用于城市需水量预测。张宏伟提出短期负荷时间序列三角函数 4 第一章绪论 分析法预测模型，并在实际应用中取得了显著的效果。 国外有关人士也一直致力于此项研究工作。1 9 7 8 年，m o s s 和g r a y 用时间序列法来 预测全天的用水量；m a i d m e n t 和p a n z e ( 1 9 8 4 ) 1 用时间序列法列出传输方程来描述温度 和降雨量对一天内用水量的影响；s h v a r t s e r 和s h a m i r 川1 将一天的用水量变化曲线分为上 升、波动、下降三个阶段，再用时间序列法建立各阶段的时间序列模型，进行各阶段的水 量预测。s t e r l i n g 刀等利用了两级自回归求和滑动平均法( a r i m a ) 确定了日用水量的趋势 和当天的用水量对平均量的偏移；j o w i t t 3 分析气象数据对用水量的影响；d e m o y e r 4 1 等用f o u r i e r 级数分析方法对用水量预测进行了研究，取得了一些成果。 1 2 2 多水源优化调度 要实现水资源科学分配，不只是修建水源工程，而更主要的是运用现代系统科学的方 法去管理，从管理上要效益。管好、用好现有水源工程，对有限的水资源进行优化调度。 在二十世纪九十年代以前，人们更多的是运用三种方法对水资源进行调度，即分析法、 模拟技术、两种方法的结合1 1 5 1 。分析方法又可分为线性规划计算法和动态规划计算法。 为了对复杂水资源系统进行最优规划，常常将线性规划法和动态规划法联合运用，如对加 利福尼亚水资源工程的研究。在水资源问题研究中，发现用途日益增大的一种技术是模拟 技术。模拟技术本身并不是最优化，但是利用它，可以求得在给定情况下的局部最优解。 某些模拟技术己运用于水资源系统的设计1 1 5 1 0 还有一些模拟技术正在研究中，以便用来 选择出接近于最优( 或准最优) 的运用规划。后来，人们成功地试用了联合应用模拟技术和 分析方法。这些方法的共同特点是仅构造单一判别准则或目标函数，使其满足给定的约束 集达到最优。 二十世纪九十年代以后，人们认识到水资源调度是一个多目标、复杂大系统优化问题 ( 大系统、多目标规划方法) ，加快了对城市供水优化调度技术的研究。水资源系统分析方 法是近几年发展起来的新的科学方法，它的主要观点是从整体上对研究区水资源系统加以 分析，建立数学模型，并在计算机上求解，确定优化方案，其特点是强调水资源系统分析 方法中分解协调多级最优化理论。分解是将研究区复杂水资源系统分解成若干子系统进行 各自最优化处理；协调是利用目标等级层次概念对各个单一目标统一到水资源量这一变量 上，采用多目标优化方法求出最优解。如黄强n 6 1 等针对西安市，建立了多水源联合多目 标优化模型，得出有益于西安市发展的优化调度策略和建议；吴爱民m 1 等采用多目标线 性规划方法对枣庄市地下资源的可持续开发利用进行规划研究；贺学海耵等对包头水资 源环境一经济综合管理模型的研究。尽管大系统多目标规划的出现时间不长，但其发展 的速度是惊人的。有人曾就水资源系统分析今后发展趋势，认为：模型的目标向多目标发 展；模型功能将向多功能发展；模型的结构由整体模型向模型系统过渡；系统分析内容将 考虑不确定因素的方案选择；大系统多目标分析技术势必迅速发展。 近年来，基于生物进化原理的发展起来的遗传算法，是一种高效、并行、全局的非线 性优化方法。它为求解水资源管理模型这类组合最优化问题提供了新思路、新方法。二十 西安理工大学硕士学位论文 世纪九十年代初，国外应用该算法解决水资源规划管理问题，近几年时间己拓展到城市供 水管网设计、优化调度，最优开采布局、地下水资源管理等方面，并取得了显著的效果9 2 0 1 2 3 供水泵站工艺优化 泵站工艺优化最主要的部分就是水泵的优选。 国外水泵优选方法包括启发式方法，比如采用高效的水泵组合方式或是用储水池来削 弱高峰流量对泵站的冲击性，进行这类研究的有c h a o ( 1 9 7 9 ) ，c l i g e n p e e l ( 1 9 8 3 ) ，a p t o w i c z ( 1 9 8 7 ) ，l a c k o w i t z 和p e t r e t t i ( 1 9 8 3 ) ，b r a i l e y 和j a c o b s ( 1 9 8 0 ) 。还有更严谨的方法：用数学 方法优化选择水泵。如l i n d e l le o r m s b e e ( 1 9 9 4 ) n 的动态规划算法d g ( d y n a m i c p r o g r a m m i n g ) 。 c h e n ( 1 9 8 8 ) 认为，在没有水塔的供水系统中，动态规划算法d g 适用于选出可以提供 最优连续流量的水泵，而l i t t l e 和m c c r o f d d e n ( 1 9 8 9 ) 贝j j 发展出一种d g 算法来选择水泵最 优组合，这一算法的目标函数中既包括能耗项，也包括高峰流量项。 t i m o t h yd h i r r e l ( 1 9 8 9 ) 眨2 1 利用图解法来进行水泵的选取。在进行选泵的第一步就是 建立给水系统用水曲线，由用水曲线的扬程来决定水泵的扬程，根据用水曲线的最大流量 和最小流量来决定水泵的型号数量。这样做的前提是泵站采用并联运行。这种方法所选取 的水泵比较切合供水系统的某一个时期实际运行情况。但是不适合于复杂的泵站，特别是 当供水系统中既有定速泵又有调速泵时。而且当系统运行时间跨度变长之后，实际情况发 生变化，最初所选的水泵就可能不合实际了。还有用数学表达式代替图解法进行选泵的。 这种方法是将水泵的特性曲线和管路特性曲线用高阶方程进行拟和，然后再联立方程求 解。这个解就是水泵实际运行的工况点，将工况点与水泵的高效段比较，如果在高效段内 则选用该水泵，否则重新选取水泵。一般拟和的曲线在高效段比较准确，而且用数学求解 更准确，可以找到全域最优解，但是这种方法只适合单泵的选取，当水泵型号较多，情况 复杂时，就无法运用了。 b u l a n i c k i 和j p r a n c e ( 1 9 9 3 ) 瞄1 等人用多个约束条件来选择水泵，每一个约束条件 都对选泵进行一次筛选，只有符合所有约束条件的水泵，才被列入优选结果，这种方法被 称为优化枚举法，该法也可以找到全域最优解，但是计算时间太长。 国内学者采用的选泵方法主要是整数规划法和图解法。整数规划法是将流量时间曲 线分成不同的供水阶段。用枚举法为每一阶段选适合的泵，再将各阶段的水泵型号可能的 情况进行排列组合，列出所有可能方案，再比较这些方案的年费用值，年费用值最小的就 是最优解。这种方法的适用条件是：具有流量时间过程线，泵站为单泵单管供水的运行 方式，泵站的静扬程、吸水管和出水管长度一定，管径已知。该法计算量太大，所有方案 都要计算年费用值，而这又完全没有必要。图解法是根据系统特性曲线和水泵的特性曲线， 找到高效段符合系统水量、水压的水泵，这种方法的优点是计算简单，容易理解，使用方 便，适用于简单泵站的水泵选取。 6 第一章绪论 以上介绍国内外采用的算法各有优点，但有两个共同的缺点：没有考虑调速泵的选取； 都只适合单个水泵的选取，不适合多个水泵串并联后形成泵组的优选。 1 2 4 供水泵站运行优化 国外采用的水泵优化调度方法比较多。d r e i z i n 等人1 9 7 1 年提出了动态规划算法，后 来发展出来的泵站实时运行算法大都是该方法的应用，s t e r l i n g 和c o u l b e e k ( 1 9 7 5 ) 1 2 4 1 、 d e m o y e r 和h o r w i t z ( 1 9 7 5 ) 、s a b e t 和h e l w e g ( 1 9 8 5 ) 都曾经用d g 法来构造算法，应用于 相对简单的系统；而c a r p e n t i e r 和c o h e n ( 1 9 8 4 ) ，z e s s l e r ( 1 9 8 4 ) 贝j j 将实时控制策略应用于 较复杂的系统。还有用离散的最优化算法降低水泵运行费用，如h o l l a n d ( 1 9 7 5 ) 、 g o l d b e r g ( 1 9 8 9 ) ，w a n g ( 1 9 9 1 ) 等人( 1 9 9 4 ) 所采用的基因算法( g a ) ，d o u g h e r t y 和 m a r r y o t t ( 1 9 9 1 、1 9 9 3 ) 等人( 1 9 9 2 ) 弓i 入的煺火算法；a b as a k a r y a ( 2 0 0 2 ) 在优化运行中还考 虑了水质的影响。这些算法虽然适用范围广，但由于所需要的计算时间太长，不适于在线 控制的实际应用。 s p e z e s h k 等人( 1 9 9 6 ) 提出了适合在线控制的方法：适应性搜索最优化方法 a s a ( a d a p t i v es e a r c ha l g o r i t h m ) 。a s a 通过用系统特性系数搜寻全域最优解获得次优起始 状态的方法来缩短求解时间。每一次循环都将泵和管道特性系数更新一次，而且加穴l 系 列新的最优泵，从而产生一个新的更高效的泵组合形式，这一方法的一个主要优点是可以 实时求解，可以处理大型的、复杂的系统，而且便于使用，一切都由程序来完成，该方法 的缺点是不能产生全域最优解，因为目标函数是非凸结构的。 p a u lw - j o w i t f 2 蚰等( 1 9 8 9 ) 将线性规划运用于制定水泵2 4 小时内的最优运行时间安排， 将所有水泵的耗电量设为各台水泵的运行时间、水量、扬程的线性函数，系统的特性系数、 各水泵的极限流量、扬程作为约束条件，求函数的最小值。k e i t hw l i t t l e 和b r i a nj m c c r o d d e n 在此基础上发展了混合整数线性规划法m i l p ( m i x e d i n t e g e r l i n e a r p r o g r a m m i n g ) ，他们建立了个相应于使用时间安排t o u ( t i m eo f u s e ) 的最优化模型。模 型的目标函数是规定每一种泵或泵组合的运行小时数，使总能量消耗( 其中包括商业能源， 需要性消耗以及发电机运行消耗) 最小，模型的约束条件是满足供水系统的平均，最大、 最小需水量以及相应扬程要求。 国内的运行优化方法有动态规划法、非线性规划法和线性规划法等，动态规划法需要 将状态变量离散化，离散点越多，精度越高，但是计算时间越长。由于水泵的特性曲线成 线性，所以用非线性规划较难实现，而且难得到全局最优解。 以上的方法都是针对大型的复杂泵站的优化运行调度的方法，例如：在一个泵站中有 很多台不同型号的水泵，或是由多个泵站组成的泵站系统。但是如果泵站比较简单时，水 泵台数少，水泵型号相对较简单，用这些方法，会由于计算过程烦琐，速度太慢，违背了 实时控制的实时性。所以对于简单的泵站应采用简单的优化运行控制方法。最简单的就是 枚举法( 也叫穷举法、列举法) 。 7 西安理工大学硕士学位论文 1 2 5 给水管网系统优化 当今世界，科学技术飞速发展，特别是近十几年来，计算机的不断革新，各种高级算 法语言的诞生，为给水管网系统的研究提供了良好的物质、技术基础，使得大量繁杂的数 值运算变得更加容易，且运算速度快，结果精度高，促进了给水管网优化理论的迅速发展。 a 国外管网系统研究 本世纪四十年代，前苏联学者洛巴乔夫、莫什宁等人首次将经济观点引入到给水管网 设计领域，从而开了给水管网技术经济计算的先河，著名的莫什宁法就是在这个时候提出 来的。 自从二十世纪六十年代人们就开始应用系统分析方法设计给水管网，并将优化程序应 用于其中。最早的给水管网优化模型是针对树状网建立的，如k a r m e l i ( 1 9 6 8 ) 眩鲫等人的 模型，这些模型能够获得全局最优解，但是模型仅仅适用于树状网，不利于实际工程运用。 1 9 7 7 年和1 9 8 1 年a l p e r o v i t s 、s h a m i r 3 等人开始使用线形规划方法求解管网优化问 题，即使用梯度搜索方法寻找在满足环状网约束条件下，目标函数( 投资) 最小的管网，此 模型能够方便的求解环状网优化设计，引起了当时学术界的极大地重视。 但是线形规划法也存在不足之处，首先，这些模型难于求解变量和用水情况较为复杂 的管网优化问题；第二，管网优化结果往往趋向于树状网。设计结果中管网的环状形式是 由一些较小管径的管段连接较大管径的树状网管段形成的。因而模型的寻优过程是通过去 除系统的某些冗余条件为前提而实现的，这些冗余条件在某些特定用水情况下是可以不予 满足的，但是在管网实际运行过程中的多用水情况下，这些冗余条件必须满足。并且该模 型没有考虑泵站的运行费用及管网的可靠性。 1 9 8 5 年m o r g a n 和g o u l t o r 咧 3 2 1 基于线形规划方法提出了一个两步式试探步骤：( 1 ) 通过模拟管网中多种用水情况，求出管网的各种水力条件：( 2 ) 搜索新的水力条件使管网 投资最少，然后不断优化同样的步骤，求得最优解。 1 9 8 9 年l a n s e y 和m a y 玎如应用非线形规划方法，在考虑了布置泵站、蓄水池、阀门 等的情况下，求解管网优化模型，更加准确地反映了管网实际运行情况。实际上，该模型 是对以前优化模型的一个概括，实用性很广，能适用于枝状、环状管网，缺点在于没有考 虑管网的可靠性。 上世纪八十年代以来，尤其是近几年来一些全新的计算方法相继出现，大大丰富了最 优化技术，也为那些传统最优化技术难以处理的组合优化问题提供了切实可行的解决方 案。一个以模仿自然与生物的计算智能( c o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c e ) 时代悄然兴起。 现代优化算法包括神经网络、遗传算法、模拟退火和拉格朗日松弛等算法。这些算法 涉及神经系统、生物进化、人工智能、数学和物理科学和统计力学等概念，都是以一定的 直观基础而构造的算法，因而又被称之为启发式算法。启发式算法是相对于最优算法提出 的概念，它是一种基于直观或经验构造的算法，在可接受的花费( 上机计算时间、占用内 存)