利用水力模型優(yōu)化布置供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)

陳峰1，張蕊2，趙明3

(1. 濟(jì)南水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南2500122. 天津三博水科技有限公司，天津300051，3. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

摘要供水管網(wǎng)水力模型在供水企業(yè)日益得到重視和應(yīng)用。某市為提高供水安全可靠性和服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)全面掌握管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，利用水力模型優(yōu)化布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。該文利用壓差相似系數(shù)法和聚類分析的方法確定壓力監(jiān)測點(diǎn)的位置。

關(guān)鍵詞供水管網(wǎng)水壓監(jiān)測優(yōu)化布置水力模型壓差相似系數(shù)聚類分析

中圖分類號(hào)：TU991文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

[收稿日期]2015-06-05

[作者簡介]陳峰(1975—)，男，工程師，碩士，研究方向?yàn)榻o水排水工程系統(tǒng)及優(yōu)化技術(shù)。電話： 18205317785；E-mail： chenfengjn@163.com。

[通訊作者]張蕊，電話： 13998807086；E-mail： ruoshui87@126.com。

Layout Optimization of Monitoring Points for Water Supply Pressure of Distribution Network System in Application of Hydraulic Model

Chen Feng1, Zhang Rui2, Zhao Ming3

(1.Ji’nanWaterGroupCo.,Ltd.,Ji’nan250012,China;

2.TianjinSamboWaterTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300051,China;

3.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

AbstractHydraulic model for water supply pipeline network in water supply enterprise was applied increasingly. In order to improve the safety and reliability of water supply and quality of service, comprehensive monitoring points for water supply pressure of distribution network system were established by hydraulic model. Similar pressure coefficient method and cluster analysis method were used to determine position of the pressure monitoring points in this paper.

Keywordswater supply networkwater pressure monitoringlayout optimizationhydraulic modelpressure similarity coefficientclustering analysis

隨著城市的發(fā)展，用水量逐年增加，合理布置供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)可為第一時(shí)間準(zhǔn)確了解管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化調(diào)度、維護(hù)管理及為管網(wǎng)的改擴(kuò)建提供分析數(shù)據(jù)，同時(shí)也可提高供水服務(wù)質(zhì)量。

某市供水管網(wǎng)DN200以上管道鋪設(shè)長度為891 km，供水面積為127.3 km2。地勢變化較大，北低南高，西低東高，全市最低高程為8 m，最高高程為185.83 m，地勢復(fù)雜。全市有2個(gè)水廠，9個(gè)加壓泵站。加壓泵站均為獨(dú)立供水區(qū)域，對供水的安全性和服務(wù)性要求較高。供水管網(wǎng)水力模型DN200以上管道有3萬根管道，現(xiàn)有監(jiān)測管網(wǎng)的壓力監(jiān)測點(diǎn)35個(gè)。

1優(yōu)化布置原則

布置壓力監(jiān)測點(diǎn)既要全面地反映管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，又要考慮投資不致過多。僅憑借經(jīng)驗(yàn)布置壓力監(jiān)測點(diǎn)，往往造成布置位置不夠科學(xué)，不能完全覆蓋管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。在這種情況下，可利用水力模型制定管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置方案。根據(jù)該市的地理、管網(wǎng)復(fù)雜度及供水調(diào)度運(yùn)行情況制定壓力監(jiān)測點(diǎn)布置方案。

目前，該市管網(wǎng)已布置部分的管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)，但是這些壓力監(jiān)測點(diǎn)沒有完全覆蓋管網(wǎng)的監(jiān)測，不能滿足管網(wǎng)管理的要求。所以經(jīng)過調(diào)研后，制定該市的優(yōu)化布置方案，布置原則從供水的管理角度和安全角度考慮。同時(shí)，考慮模型校核過程中分析出的問題，布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

1.1管理的角度

根據(jù)管網(wǎng)正常工作時(shí)的壓力分布設(shè)置壓力監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)要與其所代表的一群節(jié)點(diǎn)具有相關(guān)性、相似性。周圍節(jié)點(diǎn)水壓的變化由監(jiān)測點(diǎn)的水壓反映，同時(shí)監(jiān)測點(diǎn)的布置要覆蓋全管網(wǎng)。監(jiān)測點(diǎn)獲得的管網(wǎng)工況監(jiān)測量，作為供水管網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)，用于供水管網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)度。布置壓力監(jiān)測點(diǎn)原則： 根據(jù)管網(wǎng)正常工作時(shí)壓力分布區(qū)域布置監(jiān)測點(diǎn)；在供水分界線處布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

1.2安全的角度

壓力監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化異常是發(fā)生管網(wǎng)事故的征兆。通過觀察和分析監(jiān)測的數(shù)據(jù)，可以判斷事故的發(fā)生情況和分析事故的嚴(yán)重程度。布置壓力監(jiān)測點(diǎn)原則： 統(tǒng)計(jì)和分析歷史事故檢修記錄數(shù)據(jù)，對經(jīng)常發(fā)生事故的區(qū)域布置壓力監(jiān)測點(diǎn)；地勢起伏較大處布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

2優(yōu)化布置方案

2.1從管理的角度優(yōu)化布置

調(diào)研結(jié)果顯示原有的壓力監(jiān)測點(diǎn)已在主干管道、大用戶、最不利點(diǎn)及敏感地區(qū)等布置測壓點(diǎn)，但是仍沒有完全起到對全管網(wǎng)監(jiān)控的作用。利用水力模型分析供水管網(wǎng)正常工作時(shí)壓力分布情況，如圖1所示。圖中用不同顏色表示管網(wǎng)中壓力相近的區(qū)域，將沒有覆蓋壓力監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域用粉色方塊圈中表示，并在這些區(qū)域布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。圖中深綠色菱形表示現(xiàn)有管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)位置，淺綠色表示廠站出廠壓力監(jiān)測點(diǎn)位置。

圖1　新增壓力監(jiān)測點(diǎn)的布置區(qū)域 Fig.1　Layout of New Water Pressure Points

由圖1可知選中了15個(gè)區(qū)域，選擇這些區(qū)域從如下幾個(gè)方面考慮：

(1) 壓力相似地區(qū)周圍沒有壓力監(jiān)測點(diǎn)，如1、4、6、5、7、11、12、13、14、15區(qū)塊。

(2) 管網(wǎng)最不利點(diǎn)，如7區(qū)塊。

(3) 水力模型分析出管網(wǎng)壓力比較低或較高，而現(xiàn)狀管網(wǎng)沒有壓力監(jiān)測點(diǎn)反饋給水司的管理者監(jiān)控。如2區(qū)塊模擬分析的壓力為18 m，需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)控。3區(qū)塊模擬分析平均壓力為57 m，該區(qū)域壓力過高，若發(fā)生水源調(diào)整，壓力達(dá)到60 m以上，并且經(jīng)常發(fā)生爆管事故，需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

(4) 用水量新增地區(qū)是敏感區(qū)域，如9、10區(qū)塊，該區(qū)塊小區(qū)用水量較2014年增長14%，人口數(shù)量激增，經(jīng)常發(fā)生熱線投訴事件，需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)控。

(5) 供水分界線處布置壓力監(jiān)測點(diǎn)，如4、6、11、12區(qū)塊。4區(qū)塊是P加壓泵站與J加壓泵站供水分界線，6區(qū)塊是F加壓泵站與S加壓泵站供水分界線，11區(qū)塊是Q水廠與B加壓泵站供水分界線，12區(qū)塊是Q水廠與Y水廠供水分界線。

綜上所述，從管理的角度看，有15個(gè)區(qū)域需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

2.2從安全的角度優(yōu)化布置

利用水力模型分析全市高程的分布情況，如圖2所示，圖中深綠色菱形表示現(xiàn)有管網(wǎng)壓力監(jiān)測點(diǎn)位置，淺綠色表示廠站出廠壓力監(jiān)測點(diǎn)位置。

圖2　全市供水管網(wǎng)高程分布 Fig.2　Distribution of Elevation in City Network

全市事故位置歷史統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。

圖3　全市事故位置歷史統(tǒng)計(jì) Fig.3　Historical Statistics of City Accident Position

圖2中不同顏色的節(jié)點(diǎn)表示不同的高程范圍，全市最低高程為8 m，最高高程為185.83 m，地勢起伏較大。

圖3中紅點(diǎn)代表全市事故位置。利用水力模型計(jì)算全市管網(wǎng)發(fā)生爆管率，如表1所示。

表1　管道綜合爆管率

在地勢變化較大的區(qū)域布置壓力監(jiān)測點(diǎn)，如圖4中1-1區(qū)塊、4區(qū)塊和3-1區(qū)塊、5-1區(qū)塊、5-2區(qū)塊、5-3區(qū)塊和5-4區(qū)塊。由表1水力模型分析可知在管道爆管率較大的管道區(qū)域布置壓力監(jiān)測點(diǎn)，如圖4中2-1區(qū)塊、5-1區(qū)塊、5-2區(qū)塊、5-3區(qū)塊和5-4區(qū)塊。圖4中粉色方塊圈中5個(gè)的區(qū)域，需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

圖4　新增壓力監(jiān)測點(diǎn)的布置區(qū)域 Fig.4　Layout of New Water Pressure Points

綜上所述，從安全的角度看，有8個(gè)區(qū)域需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

2.3確定壓力監(jiān)測點(diǎn)位置

2.3.1壓力相似系數(shù)

為了反映管網(wǎng)的壓力分布特點(diǎn)，利用兩兩節(jié)點(diǎn)的壓差相似系數(shù)進(jìn)行衡量，其定義如下[1]。

(1)

其中Hi、Hj—正常狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)i、j的水壓值；

Hmax、Hmin—正常狀態(tài)下，管網(wǎng)中最大、最小的節(jié)點(diǎn)水壓值；

n為節(jié)點(diǎn)數(shù)。

計(jì)算時(shí)，在幾種典型的工況下進(jìn)行管網(wǎng)平差，求出每一工況下的節(jié)點(diǎn)水壓，再以其平均值或加權(quán)平均值為基礎(chǔ)，利用上式求出所有的xij，用矩陣表示為Xn×n。

2.3.2聚類分析及壓力監(jiān)測點(diǎn)的選擇

聚類原則通過比較兩兩節(jié)點(diǎn)的壓差相似系數(shù)xij，將具有相似性質(zhì)的若干個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分為一組。共包括以下四步。

(1)X的標(biāo)準(zhǔn)化

標(biāo)準(zhǔn)化就按照模糊矩陣的要求，將矩陣X的數(shù)據(jù)壓縮到區(qū)間[0,1]上。需要作兩種變換，首先進(jìn)行X的標(biāo)準(zhǔn)差變換，對第k列元素。

(2)

再對X′進(jìn)行極差變換，對第k列元素。

(3)

其余各列算法相同，最后得到由所有x″ik組成的X的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X″，顯然0≤x″ik≤1。

(2) 建立模糊相似矩陣R

利用已標(biāo)準(zhǔn)化的壓差相似系數(shù)矩陣X″，計(jì)算兩兩節(jié)點(diǎn)的相似程度系數(shù)rij，進(jìn)而得到由所有rij組成的模糊相似矩陣Rn×n，采用歐氏距離法進(jìn)行計(jì)算，具體如下式所示。

(i, k=1, 2, …, n)

(4)

(3) 聚類

將R元素的變化范圍設(shè)為λ的取值范圍，并從中選取不同的λ的取值，以編網(wǎng)法進(jìn)行聚類分組，從而得到一系列的分組結(jié)果。用F-統(tǒng)計(jì)量確定λ的最佳值，并確定相應(yīng)水平下的分組結(jié)果。F-統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算公式如下。

(5)

(4) 壓力監(jiān)測點(diǎn)的選擇

在最佳閾值λ水平下的分組結(jié)果中，從每組選取與其余各節(jié)點(diǎn)平均歐式距離最小的節(jié)點(diǎn)作為壓力監(jiān)測點(diǎn)。

2.2.3分析安裝壓力監(jiān)測的位置

利用上述原理，確定壓力監(jiān)測點(diǎn)的位置。首先，將該區(qū)域單獨(dú)建立模型，要求計(jì)算的結(jié)果與在全管網(wǎng)的分析結(jié)果一致，如圖5所示。然后，通過計(jì)算機(jī)程序分析安裝壓力監(jiān)測點(diǎn)的位置，如圖6所示，圖中藍(lán)色圓點(diǎn)表示有5個(gè)合適的安裝位置，選擇其中一個(gè)位置安裝壓力監(jiān)測點(diǎn)就可以滿足需求。最后，根據(jù)現(xiàn)場的施工環(huán)境妥善安裝。

圖5　區(qū)域子模型 Fig.5　Regional Sub Model

圖6　監(jiān)測點(diǎn)位置計(jì)算結(jié)果 Fig.6　Results of Monitoring Point Position

3結(jié)論

(1) 按照適合該城市的優(yōu)化布置原則和優(yōu)化布置的方案，并根據(jù)施工條件許可，可以得出如下成果： 從管理的角度需要布置15個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，從安全的角度需要布置8個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)，從兼顧管理和安全角度需要布置7個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)。水司管理者可先安裝這7個(gè)壓力監(jiān)測點(diǎn)。表2為從管理和安全的角度考慮需要布置壓力監(jiān)測點(diǎn)。

(2) 應(yīng)用壓差相似系數(shù)法解決壓力監(jiān)測點(diǎn)優(yōu)化布置的方案是合理可行的。

(3) 從管理和安全的角度看，布置壓力監(jiān)測點(diǎn)能夠全面監(jiān)管該市管網(wǎng)壓力運(yùn)行情況。

表2　安裝新增壓力監(jiān)測點(diǎn)位置

參考文獻(xiàn)

[1] 黃廷林,叢海兵.給水管網(wǎng)測壓點(diǎn)優(yōu)化布置的模糊聚類法[J].中國給水排水,2001,27(11)： 50-52.