（环境工程专业论文）城市供水管网模拟与调度的研究.pdf

摘要 水是不可代替的，城市供水牵动着各行各业、千家万户，所以一直是城市经 济发展和人民生活的重要基础设施，具有极其重要的地位。 城市给水系统是由取水、净水和输配水三个有机部分构成的，给水管网是其 重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户，并满足用户对水量、水压 和水质的要求，管网部分的投资占整个工程投资的7 0 左右。新颁布的饮用水水 质标准不仅对水质的要求更加严格，而且要求水质在用户终端达标。与发达国家 相比，我国在供水管网调度与管理的研究方面进步是明显的，但考虑水质安全下 的管网调度与管理的研究则处于比较滞后的状态。我国多数城市的给水管网能耗 高、事故多、水质安全性较低。 本文针对供水管网运行管理的现状和这一问题解决的迫切性，应用人工智 能、系统优化与管理学的理论，在总结分析国内外研究成果的基础上，对供水管 网运行中所涉及到的主要问题作了深入研究。力求建立比较完善的管网在线监测 与管理系统，对主要水质指标建模和进行预测，并在综合考虑供水经济性和水质 安全性的同时进行管网优化调度，为我国城市供水信息管理与调度的研究做出新 贡献。 供水管网在线监测与管理信息系统是城市供水系统调度优化的重要依据，直 接影响到供水系统的运行效益和水质安全。作者选取了南方某市的供水管网为研 究对象。建立了管网在线监测与管理系统。该系统可以对管网的主要水力、水质 参数进行2 4 小时实时监测，不仅能及时了解管网各监测点水量、水压的变化， 以便及时调度泵站进行供水，而且能及时反映管网水质变化，对净水工艺和管网 调度起着指导作用。 本文系统介绍了建立管网水质统计模型的方法：多元回归、人工神经网络、 支持向量机的理论、特点以及使用方法。支持向量机是鹅世纪9 0 年代中期提出 的一种小样本通用的学习算法。近年来，因其在理论研究和算法实现方面都取得 了突破性进展，而表现出许多优于已有方法的性能。作者在大量的试验数据的基 础上，用三种方法分别对管网人工监测系统、在线监测与人工耦合系统建立了管 网余氯预测模型，预测精度较好，初步说明方法是可行的。 本文总结、借鉴了国内外城市供水管网运行状态模拟的方法。基于宏观模型 建模理论，结合我国城市供水管网特点，用支持向量机的方法提出了管网性能宏 观模型，经考核表明：这种宏观模型能很好的模拟管网运行状态下的主要水力参 数，其计算精度和计算时间均达到满意程度。 在以上研究的基础上，综合考虑运行经济因素和供水水质安全因素，应用最 优化的理论与方法，对以往的供水管网优化调度模型进行了改进，加入了水质影 响因素，考虑了管网水力停留时间，建立了供水系统的多目标混合变量的优化调 度模型，并采用非线性模型求解软件l i n g o 求解，这对给水行业不仅具有重要的 理论意义，而且具有宏观的经济效益。 关键词：给水管网、在线监测系统、管理信息系统、水质模型、支持向量机、 人工神经网络、宏观模型、优化调度 a bs t r a c t w a t e ri si r r e p l a c e a b l ea n di t ss u p p l yh 弱m u c ht od ow i t l le v e r yw a l ko fl i f ea n d t h o u s a n d so ff a m i l i e s ，s ow a t e rs u p p l yi st h ei m p o r t a n tb a s i ce s t a b l i s h m e n to f e c o n o m i cd e v e l o p m e n to f c i t i e sa n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d w a t e rs u p p l yn e t w o r ki st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e mt h a t c o n s i s t so fw a t e ri n t a k e ，w a t e rc l e a n i n ga n dw a t e rt r a n s p o r t a t i o na n dd i s t r i b u t i o n i t t a k e so nt h er e s p o n s i b i l i t yo fs a f e l yt r a n s p o r t a t i o na n dd i s t r i b u t i o n , w h i c hm u s ts a t i s f y t h ew a t e rq u a n t i t y ，w a t e rp r e s s u r ea n dw a t e rq u a l i t yd e m a n do ft h eu s e r s ，a n dt h e i n v e s t m e n to ft h ew a t e rs u p p l yn e t w o r ka c c o a n t sf o ra b o u t7 0p e r c e n to ft h ew h o l e i n v e r s t m e n t t h en e w l yp u b l i s h e dc r i t e r i o no fw a t e rq u a l i t yi sn o to n l ym u c hs t r i c t e r b u ta l s oh a st h er e q u e s ta b o u tt h eu s e rt e r m i n a l c o m p a r e dw i t ht h ed e v e l o p e d c o u n t r y ，w eh a v eo b v i o u sp r o g r e s si no p e r a t i o na n dm a n a g e m e n to fw a t e rs u p p l y s y s t e m ，b u tt h ei n v e s t i g a t i o no fw h i c ht a k et h es a f e t yo fw a t e rq u a l i t yi n t oa c c o u n ti s m o r el a g g a r d w a t e rs u p p l yn e t w o r k so fm o s tc i t i e si no u rc o u n t r ya r eh i g h l yc o s t , h i g l l 丘e q u e n c yo f a c c i d e n ta n dl o w e rs a f e t yo f w a t e rq u a l i t y n l em a i ni s s u ei no p e r a t i o no f w a t e rs u p p l yn e t w o r kw a si n v e s t i g a t e dd e e p l y 0 1 1 t h ec o n d i t i o no f t h eo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ta c t u a l i t yo f t h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k a n du r g e n t l ys o l v i n go ft h a t , a p p l i c a t i o na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，s y s t e mo p t i m a la n dt h e t h e o r yo fm a n a g e m e n tb a s e do nt h es u m m a r i z a t i o na n da n a l y s i so fd o m e s t i ca n d f o r e i g n r e s e a r c h p r o d u c t i o n o n l i n em o n i t o r i n g a n dm a n a g e m e n ts y s t e mw a s e s t a b l i s h m e n ta n dt h ep r e d i c t i o nm o d e la b o u tt h em a i np a r a m e t e ro f w a t e rq u a l i t yw a s e s t a b l i s h e d o nt h es y n t h e s i sc o n s i d e r so ft h ew a t e rs u p p l ye f f i c i e n c ya n dw a t e r q u a l i t ys e c u r i t y ，a no p t i m a ln e t w o r ko f w a t e rs u p p l yw a sc a r r i e do na n dm a d eg r e a t c o n t r i b u t i o nt ot h e i n v e s t i g a t i o no fi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ta n do p e r a t i o no f m u n i c i p a lw a t e rs u p p l ys y s t e m t h eo n l i n em o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi si m p o r t a n tf o u n d a t i o no ft h e o p t i r e a lo p e r a t i o no fm u n i c i p a lw a t e rs y s t e m ，w h i c hd i r e c t l yi n f l u e n c et h eo p e r a t i o n b e n e f i to ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma n dw a t e rq u a l i t ys a f e t y t h ea u t h o rt a k e ss o m e s o u t h e r nc i t ya so b j e c ta n db u i l du pt h eo n l i n em o n i t o r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m i tn o t o n l yt i m e l yf i n do u tt h ec h a n g e so ft h ew a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rp r e s s u r eo fe v e r y m o n i t o r i n gp o i n to fp i p en e t w o r kf o ro p t i m i z a t i o no fp u m ps t a t i o n , b u ta l s o c a n r e f l e c tt h ec h a n g eo f t h ew a t e rq u a l i t yi nt i m e ，w h i c hp l a yag u i d i n gr o l ei nt h ec r a f to f w a t e rp u r i f i c a t i o na n dp i p en e t w o r ks c h e d u l i n g t h i sp a p e ra s s e s s e dt h ew a t e rq u a l i t ys t a t i s t i c a lm o d e l si nt h a ts u p p l yn e t w o r k s y s t e m i c a l l y ：m u l t i v a r i a t er e g r e s s i o na n a l y s e s ，t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( 删 m e t h o da n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ，a n dk n e wa b o u tt h eg e n e r a l l yt h e o r y a n da p p l i c a t i o n s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ei sac o m m o ns t u d ya l g o r i t h mo f ak i n do f l i t t l es a m p l ew h i c hi sp u tf o r w a r di nm i d d l ep e r i o do f1 9 9 0 s i nr e c e n ty e a r s ，i t d e m o n s t r a t eal o to f p e r f o r m a n c et h a ti ss u p e r i o rt ot h ef o r e g o n em e t h o d s 船ar e s d t o f ab r c a k t h r o u g l li nt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n da l g o r i t h m t h ea u t h o rh a sr e s p e c t i v e l y b u i l tu pt h r e ec h l o r i n ep r e d i c t i o nm o d e l st om a n u a lt e s ts y s t e m , o n l i n et e s ts y s t e ma n d t h es y s t e mc o u p l i n go n l i n et e s tp o i n t sw i t hm a n u a lt e s tp o i n t s t h ep r e c i s i o no f m o d e l sa r eh i g h e r , w h i c hs a t i s f yp r a c t i c a b i l i t yr e q u i r e m e n t s t h i sp a p e rh a ss u m m a r i z e dt h em e t h o d sf r o mt h eo p e r a t i o ns l a t es i m u l a t i o n m e t h o do ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lw a t e rs u p p l yn e t w o r k b a s e do nt h et h e o r y o f m a c r o s c o p i c a lm o d e l ，t h es v m a r i t h m e t i ci sp u tf o r w a r dc o m b i n e dw i t ht h eu r b a n w a t e rs u p p l yn e t w o r kc h a r a c t e r i s t i co fo u rc o u n t r y i n d i c a t et h r o u g he x a m i n i n gi t i n d i c a t et h a tt h em a c r o s c o p i c a lm o d e lc a ns i m u l a t et h em a i nh y d r a u l i cp a r a m e t e r s u n d e rt h ep i p en e t w o r ko p e r a t i o ns t a t ev e r yw e l l ，w h i c hs a t i s f yt h ec a l c u l a t i o n p r e c i s i o na n dc a l c u l a t i o nt i m e o nt h eb a s i so ft h ea b o v er e s e a r c h ，c o n s i d e r i n gt h eo p e r a t i o ne c o n o m i cf a c t o r a n dw a t e rq u a l i t ys a f e t yf a c t o ro ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e ms y n t h e t i c a l l y , t h ep a s t o p t i m i z a t i o nm o d e l sa r ei m p r o v e db y j o i n i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o ro f w a t e rq u a l i t ya n d c o n s i d e r i n gr e s i d e n c et h eh y d r a u l i ct i m eo fp i p en e t w o r k b ye m p l o y i n gt h eo p t i m a l t h e o r ya n dm e t h o d ，an o n l i n e a ro p t i m i z a t i o nm o d e lo fm u l t i - o b j e c t i v em i x e dd i s c r e t e v a r i a b l e si sb u i l tu pw h i c hi ss o l v e db yt h el i n g os o f t w a r e t h i sn o to n l yh a s i m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n g st ow a t e rs u p p l yt r a d e ，b u ta l s oh a sm a c r o s c o p i c e c o n o m i c b e n e f i t s k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k , t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，m a n a g e i n f o r m a t i o ns y s t e m , w a t e rq u a l i t ym o d e l ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，t h ea r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，m a c r o s c o p i c a lm o d e l ，o p t i m a lo p e r a t i o n 独创性声明 本人声明所里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，也不包含为获得鑫注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。 学位论文作者碘蛾字魄彬年月厅日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘鲎有关保留，使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘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 签字日期：p 蚺月日 日 k 鹏彳、月 卜妙 ， 岈 笮毒“ ) 名 期 签 日 师 字 导 签 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 问题提出 第一章绪论 城市供水是城市发展的命脉，是保障人民生活、发展生产建设不可缺少 的物质基础，其已成为我国城市可持续性发展和建设的重要制约因素，而且 直接关系到社会的稳定和经济的发展。由于水的不可代替性，牵动着城市各 行各业、干家万户，所以城市供水一直是城市经济发展和人民生活的重要基 础设施，具有极重要的地位。 城市供水系统是由水源、净水厂、管网三个有机部分构成的，供水管网 是供水系统的重要组成部分，它担负着把水安全可靠地输配到用户，并满足 用户对水量、水压和水质的要求；供水工程建设中，管网部分的投资占整个 工程投资的7 0 左右，而且还涉及每年庞大的能量消耗；同时，管网的运行 状态还影响着供水水质。 1 9 9 7 年在西班牙马德里召开的世界给水工程会议所编制的关于指导各 国水司引用新技术及改善管网管理的方法论的纲要就旨在考虑引用新的技 术和方法来提高各国水司配水管网的运作水平，即帮助各国改善其水司配水 系统服务质量并提高管网本身运作效率。因此，如何提高供水服务水平已成 为各国普遍关注的问题。 1 1 。l 我国供水管网现存的主要问题 l 、供水管网调度系统可用率不高 目前多数供水企业都建立了自己的监控系统( s c a d a ) ，但大部分还是 遥测系统，用于遥测水压、流量、水位、机泵开停等参数，少数公司在水源 井中采用了遥控技术。因此，现阶段国内在用系统只是具备调度系统的部分 基础功能，处于调度系统的初级阶段。 据不完整不准确，系统可用率不高【l 】； 网实际运行情况的分析水平参差不齐； 存在的问题有：系统投资少，采集数 基本没有准确的管网模拟模型，对管 虽然个别大城市供水企业建立了管网 天津大学博士学位论文 第一章绪论 优化调度系统，但功能单一、实用性不强，尤其缺少实时在线的优化调度系 统。 2 、供水管网水质稳定性较差 一般来说，自来水公司出厂水的各项水质指标都是满足国家的现行水质 标准的，我国大中型城市水厂全年水质综合合格率达到9 9 以上。但是，在 水体从水厂到用户的输送过程中，在配水管道中发生复杂的理化和生物作用， 水质往往产生一些显著的变化，包括水质自身在管网的变化和外部的二次污 染，最终导致供水水质下降。据调查，我国管网水水质合格率较出厂水下降 o 8 8 个百分点，其中浊度平均比出厂水高o 3 n t u ，细菌总数增加4 倍左右， 合格率约为9 7 ，而大肠杆菌更只有9 0 左右的合格率【2 1 。人们越来越认识 到饮用水安全输配对水质保障的重要性，可以说，水质保障技术的重心已逐 渐从水厂向管网转移。 3 、供水管网漏损严重 城市供水管网因管材、施工、运行压力、腐蚀以及管理等问题，在运行 过程中会造成管网漏损。由于管网供水运行压力不当使得我国的城市供水管 网的漏失率高于发达国家5 l o 倍。 4 、供水管网管理水平落后 我国的供水管网运行管理水平与发达国家相比较，存在较大的差距，主 要体现在管理体制、管理机构、政策法规、管理技术手段、设备条件、基础 性工作等方面差距较大。由于供水管理水平落后，造成供水出现水质、水量 和水压有时不能满足用户要求，安全可靠性较差。由于供水运行决策调度不 科学，造成供水运行成本高，效率低，使企业负担重。 1 1 2 课题的提出 通过分析城市供水管网运行中的主要问题，我们不难发现，城市供水管 网的在线监测系统、管网运行状态模拟以及综合考虑系统的水力、水质目标 的管网调度是城市供水管理中的主要内容。 l 、管网在线监测系统 我国多数自来水企业基本都建立了管网在线监测系统( s c a d a ) ，监 测的指标多为水量、水压，但系统设备的完好率不高，监测数据的完整性、 准确性差，有水质监测的不多。笔者认为一个好的管网在线监测系统 2 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( s c a d a ) 不仅可利用计算机、通信、控制显示等技术，应用各种监控设备 对供水管网的水力、水质数据进行实时采集及处理，而且可在此基础上建立 数据库管理信息系统为供水管网水力、水质模型的建立提供支持。 2 、管网运行状态模拟 以供水管网在线监测信息为基础，求解管网各个供水时刻的供水流量和 供水扬程并模拟管网的工作状态，对进行管网的优化调度是十分重要的。模 拟管网各个时刻工作状态的方法主要有两种：一种是管网微观模型模拟方法 即平差计算的方法，另一种就是用宏观模型模拟的方法。管网微观模型 ( m i c r o s c o p i cm o d e l ) 的方法即平差计算法在目前供水管网的新建、改造设 计计算中较多的用于管网工作状态模拟和工作参数的确定1 3 1 。在这些工作中 采用管网平差计算的方法来确定、比较设计方案是十分必要的，也是完全可 行的。但若将这种微观模型的方法用于整个供水管网的优化调度计算中，则 存在两大缺陷。其一，在供水各个时刻管网各节点流量无法准确预知：其二， 各管段的粗糙系数在各个供水时期是会发生变化的。 宏观模型( m a c r o s c o p i cm o d e l ) 就是在历史运行数据的基础上，利用统 计分析的方法，建立起来的一种经验性的数学表达式。它的基本思想就是抓 住配水调度中所涉及管网的几个主要变量，如各水厂供水压力和供水量以及 控制点的压力( 罗伯特等人称之为宏观变量) ，通过大量实际运行数据的回 归分析和计算所建立起的宏观变量之间的回归方程式，从而可在已知各水厂 的供水量情况下，快速地求得各水厂的供水压力和控制点压力，而不必进行 繁锁的平差计算。同时又因在回归计算时所采用的数据来自供水的实际运行 记录，所以由宏观模型计算的结果能真正反映管网的实际工作状态。而且， 运用这种方法不必考虑管网中具体各节点与各管段的工作状态和物理参数， 而从系统方法的角度出发直接描述出涉及管网优化调度方案决策的管网主要 参数之间的经验函数关系。同时因宏观模型是采用非迭代的计算方法，从而 大大的提高了计算速度。因此，笔者在文中着重阐述宏观模型的发展，并在 此基础上尝试运用神经网络法建立管网宏观模型。 3 、管网水质模拟 3 天津大学博士学位论文第一章绪论 城市安全饮用水的最终目的是为用户提供安全可靠的自来水。水源水通 过取水系统进入水厂，经过一系列的处理工艺后，最终由配水管网输送到用 户。传统的观念认为净水厂出水要达到水质标准并能维持一定余氯，用户用 水就是安全的。现在的情况已发生变化，水源普遍遭受污染或微污染，富营 养化现象严重( 藻类和有机物含量较高) ，合格的出厂水经过配水系统的传 输时，在管道中会发生复杂的物理、化学、生物作用而导致水质变化，结果 管网水到达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水标准了。 因此，监测给水管网的水质状况，提高供水水质的安全性是一个实际而 又急待解决的问题。由于城市给水管网比较复杂、庞大，建立几个有限的监 测点进行人工监测，做到实时地、全面地了解整个管网各管段的水质情况是 非常困难的。如果利用先进的计算机技术，建立水质预测的数学模型，使用 在线监测系统不仅可以观察监测点处的水质情况，而且还可以根据这些点的 有效数据，利用该模型推测出管网其它各处的水质情况，跟踪给水管网的水 质变化，从而评估出供水管网系统的水质状况。这样，可以在节省人力物力 的条件下进行高效的水质管理。 4 、管网优化调度 在我国，城市供水系统一般都是由净水厂的二级泵站将净化合格的水进 行加压，然后通过管网输送至用户。而驱动供水泵就必须耗费电能。据国外 资料报道，城市供水运行所耗电费占供水总运行费的2 2 【4 1 。在安全供水的 条件下，如何选择供水方案，使得供水费用最少，这一问题的解决，在当今 企业激烈的竞争中意义重大。 目前，我国对于管网的优化调度实际上还仅仅是局限在给水的压力和流 量等水力参数方面。这样的优化调度是不全面的。建设管网在线监测系统， 实现对管网水量、水压、水质的实时监测，在进行管网调度时，同时考虑管 网的水力和水质目标具有更重要的现实意义。 我国城市供水调度的现状，主要以人工经验调度为主，因此缺乏科学的 依据和优化决策计算，存在以下缺点： f 1 ) 虽然供水满足了全网用户的要求，但相当数量的节点压力超过用户所 需压力，从而造成极大的能量浪费。 4 天津大学博士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 由于要满足城市用水要求，而盲目增加水厂出水压力，从而使管网漏 水问题增加，严重时发生爆管，更加重了能源和水资源的浪费。 ( 3 ) 自来水从出厂水到达用户的过程要经过庞大的输配水管网，虽然自来 水出厂时已达到饮用水的卫生标准，但在管网中一方面要发生一系列复杂的 物理、化学、生物反应，另一方面由于管网的二次污染而使水质降低，以至 于到达用户时不能满足饮用水的卫生标准。 国外从二十世纪六十年代起，已开始了关于城市供水优化调度的研究1 5 l ， 且已逐步将成果应用于实际，其节能效果显著。我国从二十世纪八十年代起 也开始了此项工作研究【6 】，并且也在个别供水系统中得到应用，收到了良好 的效果。二十多年来，国内许多科技工作者始终在致力于优化调度理论和应 用方法的研究，也取得了一些成果。但在具体应用时仍存在着下列问题： ( 1 ) 同时监测水力、水质指标的在线设备与数据库管理系统没有得到很好 解决。 ( 2 ) 管网运行状态模拟方法单一。管网运行状态模拟是供水优化计算的基 础，而现行的模拟方法还应进一步发展和改进。 ( 3 ) 管网水质预测模型的研究相对国外比较落后，尤其是在线水质模型方 面基本属于空白。 ( 4 ) 带有水质参数的优化调度模型还是新的课题。无论是目标函数，还是 约束条件都需要进行深入研究。 我国在供水管网管理中，研究、建立计算机信息管理系统尚处于起步阶 段，虽然已有少数城市供水系统将计算机应用于对供水系统的部分信息进行 管理，但仅是从供水资料、图档、收费等方面考虑7 】【8 】【9 】 i o 】【川，尚缺少综合 性强，通用性好的供水信息管理系统，尤其缺少在线的供水管网水质预测与 优化调度系统。而建立供水管网水质预测与优化调度系统不仅可以对管网水 质实施2 4 小时实时连续监测，能及时反映和预测管网水质变化，对净水工艺 生产过程的控制起到指导作用。而且对城市供水管网的调度、安全输配、公 司管理和服务水平的提高、服务质量的完善、高质量地完成给水任务等都具 有十分重要的意义。 5 天津大学博士学位论文 第一章绪论 1 2 国内外研究动态 作者通过查阅大量国内外资料发现，尚未见到有关城市供水管网水质预 测与优化调度结合的报导。而仅有一些有关城市供水模拟、优化运行理论和 少量应用的报导。 1 2 1 管网在线监测系统 国外在6 0 年代后期就开始了供水管网调度系统的研究，至7 0 年代形成 了比较完整的理论和实用的计算方法。七十年代中期，计算机系统被引入管 网，对其进行粗略的监测【1 2 l 。几年后，建立了完全由计算机控制和管理的泵 站f 1 3 1 。到了八十年代中期，已普遍采用s c a d a 系统进行数据采集、监督运 行和远程控制【1 4 l 。美国、法国、日本等，经济实力雄厚，设备先进，s c a d a 系统技术应用较早，水平也较高，如美国休斯敦市【1 1 8 0 年代中期发展的分布 式s c a d a 系统。法国巴黎川西部索巴地区供水调度s c a d a 系统。这些系统 功能强大，软硬件的智能化、标准化程度较高，设备稳定可靠，并将计算机 控制系统、网络技术、微波通讯、电视监测等最先进的技术应用到供水调度 系统中，普遍建立了供水数据库管理系统和远距离测量、通讯、控制及调节 的“四遥”系统( 即遥测、遥信、遥控、遥调) 。 与发达国家相比，国内在该技术领域起步较晚，进展较慢，尤其在工程 实际中，尚有较大差距。近年来，随着计算机、通讯和控制等技术的r 臻成 熟，许多自来水公司在供水系统自动控制、智能化管理方面也进行了一些有 益的探索和尝试，如：榆次市供水管网分布式采集监控系统【1 5 1 ，广州供水调 度s c a d a 系统，深圳自来水公司s c a d a 系统等，但在实际应用中还存在着许 多问题，如系统功能不强，远未达到智能化，系统基础数据欠缺，系统开放 性不强，应用水平不高等，这些问题的存在加之国内设备条件及技术手段的 限制，使得能在供水的可靠性及经济性方面都较成功的实例尚不多见。 1 2 2 管网水力模型 l 、质量平衡模型 6 天津大学博士学位论文 第一章绪论 最简单的一种模型就是在管网中有一个非常大的高位水池，考察这个高 位水池的水位就可以对整个管网进行分析。这种情况的基本假设是，如果水 池的储水量保持在某一给定范围内，即假定管网的节点压力也满足要求。在 只有一个高位水池系统的简单的质量平衡模型中，只需基于。系统的流入量 等于需求量与水池中净储水量之和”这个基本关系建立模型。 质量平衡模型的主要优点是确定系统反应的时间要比模拟模型快的多。 总的来讲，质量平衡模型更适合于水量主要用干管输送的区域供水系统、而 不是水力特性由环状管网来决定的配水系统。 2 、回归模型 管网回归模型的形式多样，变量涉及管网中水塔的水位( 如果该水塔或 高位水池对城市管网起关键作用) 、供水费用、泵站的供水流量和出厂压力 以及管网中监测点的压力，一般可根据使用方法和管网的特点加以确定。这 里所说的非线性是指自变量和因变量之间的关系是非线性的，如h f ( q ) ， 并不一定指方程中自变量的系数以非线性的形式存在。因此，这种非线性不 一定必须用多元非线性回归来确定系数，一般情况下可以用多元线性回归解 决。l a n s e y 和a w u m a h 1 6 】通过一个水力模型产生的数据确立了泵站不同泵 的组合所消耗的电能对高位水池水位的回归方程，其结果是一个三次方程。 z e s s l e r 和s h a m i r 1 7 】在他们的文章中建立了泵站总供水量和泵站总能耗的二 次曲线关系，该回归方程即包含了泵的效率、电机效率以及其它一些因素的 影响。 回归模型在能快速提供给水管网系统响应的同时，包括了某种程度的系 统非线性。但是。回归模型只反应了在一定用水量范围内一定结构的管网特 性。如果系统结构发生了较大的变化或者用水量超过了给定范围，这种模型 就会产生一定的错误。因此，回归模型应该不断进行重新参数估计来适应管 网结构和用水量变化。 3 、简化管网水力模型 简化管网水力模型是介于非线性回归模型和完全的管网非线性模型之间 的一种模型。这种情况下，管网水力特性是由宏观管网模型来近似或通过对 非线性的管网水力方程线性化来分析的。宏观模型通过一个高度简化的管网 7 天津大学博士学位论文第一章绪论 模型来代表实际的管网。d e m o y e r & h o r o w i t z i s l c o u l b e e k 9 1 使用了包含多个 代表管网系统部件项( 高位水池的水位和泵站的供水量) 的模型。 在某种情况下( 如：系统边界条件和泵站出水量无关) ，可以使用简单 的线性模型来反映系统水力特性、j o w i t t 和g e r m a n o p o u l o s 2 0 1 在一个由很高 的泵站扬程控制的管网中成功地使用了线性模型。在这种情况下，水塔水位 的微小变化对泵的运行情况影响很小。与此类似，l i r l e 和m c c r o d d e n 2 1 1 对 控制水塔的水头保持恒定的系统采用了简单的线性模型。这些宏观模型的参 数需要经过大量的分析才能得到，因而模型的可接受性取决于实际的系统特 性。 4 、完全管网水力模型( 水力模拟模型) 管网水力模拟模型通过求解一组准稳态水力学方程来对配水系统的非线 性动力学建模。这组方程包括质量守恒和能量守恒方程，可以通过几种不同 方法求解，如n e w t o n - r a p h a o n 法和h a r d y - c r o s s 法、即我们通常所说的“管 网平差”。 1 2 3 管网水质模型 水质问题一直是供水企业关注的问题，国外学者专家对配水管网水质变 化规律以及水质模型的研究起步较早，开始于上个世纪七、八十年代。国内 对配水管网水质的研究开始较晚，大约在八十年代后期国内学者才对配水管 网中的水质具有初步的认识和简单的研究。 供水管网水质模型是由研究泥浆流的w o o d 2 2 l 于1 9 8 0 年提出的，其分析 了稳态下，管网中的水质分配问题。1 9 8 6 年c l a r k 等提出了一个能够在时变 条件下模拟水质变化的模型，c , - r a y m a n 等f 2 2 j 在1 9 8 8 年提出了一个类似的水 质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟”( e p s ) 方法，因为它们没 有模拟由于流速变化造成的惯性影响，故实际应称作准动态模型。八十年代 至九十年代初，其它的研究者对稳态下的水质模型进行了扩充，直至动态水 质模型开始使用。国内对水质模型的研究起步较晚，直到九十年代末才建立 了几种配水系统水质模型。但是目前国内外研究的配水系统水质模型中可以 应用于实际的为数很少。 水质模型是建立在管网水力模型基础上的，按照模拟系统的水力状态， 配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型【2 3 】。稳态模型将管网 的水力条件视为不变，最终管网中的各种物质均能达到平衡分布而不再变化， s 天津大学博士学位论文 第一章绪论 输出的即是平衡状态下的水质分布【2 2 1 。典型的稳态水质模型是w o o d 于1 9 8 0 年提出的，模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程。类似于w o o d 的模型， m a l e s 等1 2 4 】提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，m u r p h y 为管网中的稳 定流提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布。管网稳态水质模型为 管网的一般性研究和敏感性分析提供了有效的工具，普遍用在管网系统水质 分析阶段。由于即使在管网运行状态接近恒定时，管网中的物质也没有足够 的时间传播和达到某种均衡分布，因此稳态水质模型仅能够提供周期性的评 估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。 动态模型则是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物质在不同 的时间和空间分布中的变化情况。l i o u s 和k r o o n 2 5 】提出了一种可计算配水管 网水中物质的衰减和生长的模型，它以时间和位置函数的形式给出了物质的 浓度，并把水中物质在管网中的流动分成三个过程：管段中的水平流动、随 时间的衰减和增长、管段连接处的混合。r o s s m a n 等【2 6 】提出了用离散体积 元素法( d v e m ) 进行管网水质模拟，这种算法是利用时间驱动水质模型来 跟踪管网中物质的瞬间浓度，把配水管网看作是由有限的一些链接组成，给 物质质量在每个链接内分配了离散体积元素( 反应发生在每个元素内) ，物 质质量从一个元素平流传输到下一个元素，并且质量和流量体积在管网节点 处混合在一起。c h a u d h r y 和i s l a m 2 7 】提出了一个计算机模型，利用一个组合 系统方法来计算非稳定流状态下组分在流经管段时的传播和衰减，强调分析 管网系统首先要确定初始稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值积分来 计算缓变流状态下的相关参数。 这些模型的提出提高了对配水系统发生的动态水质变化和复杂过程的认 识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选择以及内存需要的降低，可 对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。强调水质模型预测直接依赖于 系统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水质模拟过程的失败。 按照研究方向分类，目前的配水管网水质的研究主要集中在两个方面： 化学方面研究和微生物方面研究，当然，部分研究是把这两个方面结合在一 起。化学方面研究最多的是余氯在配水管网中的衰减，其次是消毒副产物在 配水管网中的增长。微生物学方面研究的较多的是细菌再生长，近年来对有 机营养物质的研究越来越多。两方面结合的研究是余氯浓度和微生物数量之 间的关系等等。 大部分水质模型是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学公式的基 础之上，并假设氯在配水管网中的衰减遵循一级反应动力学方程。模型基本 上反映了余氯在配水系统中的衰减特征，由于它简单实用，所以一直被认同 9 天津大学博士学位论文 第一章绪论 和引用。也有许多学者证明一级反应动力学公式不能够与配水管网中余氯的 衰减特征吻合。如l u n g w i t z 等通过研究中途加氯发现，必须依靠氯的梯度来 假定几个衰减系数。s c h n e i d e r 等推断衰减系数( 和可能的其他参数) 是与流 量有关的，w o o d w a r d 等通过试验也发现了此规律。为使模型能够与试验数 据匹配，h e r a u d 等使用了不同的衰减系数( 与管材有关) ，其中有代表性的 是r o s s m a n 等 2 8 1 提出的一个基于质量传输的余氯衰减模型。r o d r i g u e z 等k 2 9 】 在1 9 9 7 年提出一个新的模型人工神经网络模型( a n n ) ，从另一个角 度研究了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比。a n n 模型开拓了对余氯衰减研究的新领域，扩大了水质模型的研究思路。 1 2 4 管网优化调度 国外自二十世纪五十年代末将计算机技术用于给水工业以来，二十世纪 六十年代就开始了对城市供水优化调度问题的研究和探索。他们一般是采用 遥测设备将管网中控制点的压力和流量、水厂出厂压力和流量、清水池及水 塔水位等实际运行参数自动适时地传送到供水中心调度室，以此作为调度人 员优化调度的依据。通过优化调度软件运行进行优化决策从而实施优化调度。 目前在美国、英国、日本、法国等一些城市