馬 悅

(哈爾濱供水集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150010)

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基于管網(wǎng)水力模型的供水量?jī)?yōu)化調(diào)度研究

馬 悅

(哈爾濱供水集團(tuán)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150010)

給水工程是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是保障社會(huì)生產(chǎn)和人民生活的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在水資源日益緊缺的今天，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人民生活水平的日益提高促使城市日需水量不斷增加，反之，供水管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施老舊、管線發(fā)展滯后于城市建設(shè)促使水量經(jīng)營(yíng)受限，導(dǎo)致漏損率、產(chǎn)銷(xiāo)率等矛盾日益突出。本文基于保護(hù)水資源和提高供水企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為目的，以哈爾濱供水集團(tuán)現(xiàn)有的水力模型為基礎(chǔ)，根據(jù)區(qū)域用水量需求，結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果及壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)異常管段或閥門(mén)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)。

水力模型; 運(yùn)行工況; 計(jì)算; 優(yōu)化調(diào)度

1 背景

《城市供水行業(yè)2010年技術(shù)進(jìn)步發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》中，對(duì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)總的要求是：安全供水，提高供水水質(zhì)，降低電耗、漏耗。哈爾濱供水集團(tuán)有限責(zé)任公司本著科學(xué)決策、高效管理的服務(wù)宗旨，于2004年7月建設(shè)了《哈爾濱供水管網(wǎng)數(shù)字化與優(yōu)化分析系統(tǒng)》，通過(guò)給水管網(wǎng)水力模型的建立及模型參數(shù)調(diào)整，盡可能真實(shí)準(zhǔn)確地模擬管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，根據(jù)水力特性分析結(jié)果輔助調(diào)度系統(tǒng)調(diào)控水量、水壓，并有效給出經(jīng)濟(jì)合理的改擴(kuò)建方案。

2 模型與應(yīng)用系統(tǒng)

給水管網(wǎng)作為典型的地下隱蔽工程，不僅受到季節(jié)、溫度、地形、地貌等環(huán)境的客觀因素影響，還受水廠、泵站、減壓閥、控制閥等人為調(diào)控的主觀因素影響。建立完善的供水管網(wǎng)水力模型，深入了解管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，不但可以快速解決因低壓區(qū)管網(wǎng)壓力過(guò)低導(dǎo)致無(wú)法滿足用戶(hù)用水需求和高壓區(qū)壓力過(guò)高導(dǎo)致管網(wǎng)漏損率增加或引發(fā)爆管等突發(fā)性事件的安全隱患問(wèn)題，而且可以通過(guò)虛擬用戶(hù)完成改擴(kuò)建工程最優(yōu)發(fā)展方案。

由于供水管網(wǎng)具有復(fù)雜性、隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)不完全確定性，結(jié)合國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家歷年來(lái)的研究結(jié)果，集成宏觀模型及微觀模型的優(yōu)點(diǎn)，建立了符合哈爾濱區(qū)域獨(dú)有的水力模型系統(tǒng)。利用宏觀模型統(tǒng)計(jì)分析等數(shù)學(xué)方法，建立起各有關(guān)參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)性數(shù)學(xué)表達(dá)式，再將供水調(diào)度中涉及管網(wǎng)運(yùn)行的幾個(gè)主要變量(也稱(chēng)為宏觀變量，如各水廠供水壓力、供水量及監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力等)，通過(guò)大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的回歸分析和計(jì)算，建立起宏觀變量之間的回歸方程式。從而可在已知各水廠供水量的情況下，快速求得各水廠的供水壓力和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力，而不必進(jìn)行繁瑣的平差計(jì)算。然而，由于宏觀模型根據(jù)管網(wǎng)中所設(shè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)壓點(diǎn)來(lái)建立，其輸出量只能是極少數(shù)節(jié)點(diǎn)的壓力及管段流量，無(wú)法了解管網(wǎng)中非測(cè)壓點(diǎn)的壓力和非側(cè)流點(diǎn)的流量[1]。充分利用微觀模型的特點(diǎn)，利用管網(wǎng)的動(dòng)態(tài)水力特性，從物理管網(wǎng)的基本組成元件的水力行為出發(fā)，以給水管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分析的平衡方程為基礎(chǔ)，描述管網(wǎng)元件及其相互作用和邊界條件，并通過(guò)求解方程來(lái)獲取關(guān)于觀測(cè)點(diǎn)狀態(tài)的解，給水管網(wǎng)系統(tǒng)微觀建模進(jìn)入了實(shí)用化的階段[2]。

2.1 模型與調(diào)度應(yīng)用

為了建立一個(gè)完善的、能更好地指導(dǎo)生產(chǎn)調(diào)度運(yùn)營(yíng)工作的管網(wǎng)水力模型，哈爾濱供水集團(tuán)通過(guò)兩年的時(shí)間對(duì)管網(wǎng)基礎(chǔ)信息資料進(jìn)行了全面整理，利用管網(wǎng)圖形屬性編輯轉(zhuǎn)換器(PDG)軟件將CAD圖紙直接轉(zhuǎn)換成供水管網(wǎng)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，建立了靜態(tài)管網(wǎng)模型系統(tǒng)。為了能保證管網(wǎng)模型的計(jì)算速度，便于科學(xué)規(guī)劃和指導(dǎo)調(diào)度，模型只保留了DN100以上主要管線，略去了次要管線，涵蓋了2 240條管段、4 562個(gè)節(jié)點(diǎn)、3 971臺(tái)閥門(mén)和57臺(tái)水泵。

表1 哈爾濱市管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息

結(jié)合城市用水量規(guī)律及壓力分布情況，對(duì)模型涉及的參數(shù)進(jìn)行了大量實(shí)測(cè)工作，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立了供水管網(wǎng)規(guī)劃模型系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。采用DCPM-FGA算法對(duì)模型進(jìn)行校核，因其具有結(jié)合多種算法的優(yōu)點(diǎn)，克服了單獨(dú)采用某種算法無(wú)法回避的問(wèn)題，較好地解決了對(duì)于邊界條件約束的求解，且求解模型結(jié)果令人比較滿意。

2.1.1 正向求解輔助調(diào)度系統(tǒng)

建立供水管網(wǎng)水力模型，進(jìn)行水力平差計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得出各種工況下的管網(wǎng)中所有節(jié)點(diǎn)、管段、水泵的流量和壓力，從而了解管網(wǎng)壓力分布，同時(shí)可以獲得管網(wǎng)模型中的每一組件的水力狀態(tài)情況。城市供水管網(wǎng)連接錯(cuò)綜復(fù)雜、數(shù)量龐大，建立的模型規(guī)模也就龐大，其模型校核工作量也就相對(duì)繁重。為了能更真實(shí)準(zhǔn)確地模擬管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際工況，需要多選擇幾組工況進(jìn)行校核，且模擬時(shí)段應(yīng)盡量選擇在24 h以上，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，反復(fù)校核，直至誤差滿足需要，得到最終可用模型。在載入凈水廠所有出廠管線水量值后(見(jiàn)圖2)，進(jìn)行管網(wǎng)水力模擬計(jì)算。用最小化目標(biāo)函數(shù)法求解校核參數(shù)，將自變量取值約束在可行解范圍內(nèi)。目標(biāo)函數(shù)通常為水壓和管段流量的計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值之差的平方和最小，參數(shù)變量可設(shè)為x(阻力系數(shù)、流量、運(yùn)行工況)，該函數(shù)的約束條件包括隱含的水力條件、已知的初始條件和邊界條件。從而供水管網(wǎng)優(yōu)化校核問(wèn)題也就是根據(jù)x的初始估計(jì)值x(0)以及所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量，估計(jì)x的真實(shí)值，進(jìn)而通過(guò)管網(wǎng)水力模擬計(jì)算推求整個(gè)管網(wǎng)的工作運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)一個(gè)供水系統(tǒng)中包含nn個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，mm個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)，則建立如下校核數(shù)學(xué)模型。

圖1 供水管網(wǎng)規(guī)劃模型系統(tǒng)Fig.1 Planning model system of water network

(1)

式中 f′——最小化的目標(biāo)函數(shù)；

λHi—— 反映第i個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)重要性的權(quán)系數(shù)，i∈Ω1；

λQi——反映第j個(gè)流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)重要性的權(quán)系數(shù)，j∈Ω2；

Ω1——供水管網(wǎng)系統(tǒng)中壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)集合；

Ω2——供水管網(wǎng)系統(tǒng)中流量監(jiān)測(cè)點(diǎn)集合；

nn，mm——分別為測(cè)壓點(diǎn)和測(cè)流點(diǎn)數(shù)目；

L——待校核的管網(wǎng)運(yùn)行工況數(shù)目；

圖2 各凈水廠出廠水量Fig.2 Water capacities of waterworks

在滿足管網(wǎng)水力條件的約束下，在允許的調(diào)幅范圍內(nèi)，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的調(diào)整使管網(wǎng)中測(cè)壓點(diǎn)量測(cè)壓力與計(jì)算壓力的偏差以及測(cè)流管段量測(cè)流量與計(jì)算流量的偏差降至最小，使模型更接近管網(wǎng)真實(shí)運(yùn)行工況，從而獲取各節(jié)點(diǎn)壓力及流量數(shù)據(jù)。再通過(guò)水力特性分析，根據(jù)水流方向、供水路徑、自由水頭滿足區(qū)及運(yùn)行負(fù)荷等計(jì)算結(jié)果和實(shí)際情況，將壓力超限及未達(dá)標(biāo)點(diǎn)篩選出，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)關(guān)聯(lián)閥門(mén)進(jìn)行調(diào)整，直至自由水頭滿足區(qū)恢復(fù)正常情況。

2.1.2 反向求解輔助調(diào)度系統(tǒng)

在實(shí)際工作中，經(jīng)常會(huì)遇到不明原因的節(jié)點(diǎn)壓力突然降低，管理人員一般會(huì)通過(guò)常規(guī)管理經(jīng)驗(yàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)上游閥門(mén)進(jìn)行全盤(pán)梳理，查看是否有調(diào)整、關(guān)閉等情況發(fā)生。而通過(guò)管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)，可以反向逆推導(dǎo)致該節(jié)點(diǎn)壓力降低的幾種可能性。即正常模擬管網(wǎng)運(yùn)行工況，校核模型，在所有在線測(cè)壓點(diǎn)壓力值與模擬節(jié)點(diǎn)壓力值近似時(shí)，可推斷該工況下模擬計(jì)算結(jié)果近似管網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。此時(shí)，查看模型中異常節(jié)點(diǎn)壓力值，一般情況，該節(jié)點(diǎn)模擬數(shù)值應(yīng)在正常值范圍內(nèi)。手工輸入該節(jié)點(diǎn)異常值，重新進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算分析，系統(tǒng)將根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出關(guān)聯(lián)閥門(mén)或管段存在異常情況的范圍，管理人員則可直接有針對(duì)性地進(jìn)行閥門(mén)或管段調(diào)整，不必再盲目進(jìn)行大范圍排查工作，實(shí)現(xiàn)科學(xué)管控的目的。

2.2 模型與工程應(yīng)用

近年來(lái)，城市建設(shè)發(fā)展迅速，老城區(qū)管網(wǎng)老舊、新城區(qū)管網(wǎng)改擴(kuò)建依據(jù)經(jīng)不住推敲，嚴(yán)重制約著供水企業(yè)的發(fā)展，尤其在廠站布局不合理的情況下，發(fā)展管線的合理化顯得尤為關(guān)鍵。建設(shè)管網(wǎng)水力模型系統(tǒng)，進(jìn)行管網(wǎng)規(guī)劃發(fā)展水力模擬計(jì)算(見(jiàn)圖3)，成為解決該問(wèn)題的核心所在。

圖3 供水管網(wǎng)規(guī)劃模擬系統(tǒng)Fig.3 Planning simulation system of water network

一般對(duì)于一座城市來(lái)說(shuō)，中心城區(qū)大面積拆遷的可能性很小，所以拆遷前后用水狀態(tài)的改變對(duì)于原有供水格局并不會(huì)產(chǎn)生太大影響，在水力計(jì)算中，可忽略不計(jì)。而大的小區(qū)、工廠等大用水戶(hù)基本都向城市外圍空間發(fā)展，新發(fā)展的管線短期內(nèi)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)環(huán)狀供水，枝狀管線的管徑、管材、瞬時(shí)流量、流速、水頭、水壓等關(guān)鍵參數(shù)就需要通過(guò)水力平差計(jì)算給出科學(xué)合理的結(jié)果，以保證用戶(hù)端水質(zhì)安全問(wèn)題。在水力模型系統(tǒng)中可解決該問(wèn)題?？杉僭O(shè)新的小區(qū)或工廠等大用戶(hù)現(xiàn)已存在，將規(guī)劃敷設(shè)的新管徑、管線長(zhǎng)度錄入VGE拓?fù)鋱D中，校核管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，并在管網(wǎng)水力計(jì)算中將目標(biāo)用戶(hù)的年最高日用水量輸入計(jì)算。根據(jù)水力特性分析結(jié)果，快速得出由于產(chǎn)生新的大用戶(hù)而敷設(shè)的管線，對(duì)周邊用戶(hù)的管線壓力影響、節(jié)點(diǎn)自由水頭影響及管網(wǎng)負(fù)荷影響，并可根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出規(guī)劃敷設(shè)管線各參數(shù)的合理性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以哈爾濱供水集團(tuán)“管網(wǎng)數(shù)字化與優(yōu)化分析系統(tǒng)”水力模型為基礎(chǔ)，通過(guò)建立微觀模型對(duì)整個(gè)供水管網(wǎng)運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，主要從水流方向、供水路徑、運(yùn)行負(fù)荷、等壓線及自由水頭滿足區(qū)等方面對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)狀態(tài)模擬。通過(guò)平差計(jì)算及水力特性分析結(jié)果，有效輔助供水調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度工作及工程改擴(kuò)建發(fā)展管線工作，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)信息化管理目標(biāo)，為科學(xué)決策提供有力依據(jù)，并為管網(wǎng)智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[1] 吳學(xué)偉,趙洪賓. 給水管網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)模型的研究[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1998,31(2):57-62.

[2] K.Ulanicka, B. Ulanicki, J.P.Rance.B.Coulbeck, R.Powell, C.Wang. Benchmarks for Water Network Modeling[C]. Proceedings of the Hydro Informatics 98 International Conference. Copenhagen,1998:126-134.

Study on water supply optimal scheduling based on network hydraulic model

Ma Yue

(HarbinWaterSupplyGroupCo.,Ltd.,Harbin150010,China)

Water supply engineering is an important part of urban infrastructure and material basis that ensure social production and civil life. Today the shortage of water resources, rapid development of national economy and improvement of civil living standards lead to the increasing of urban water demand. In contrast, the old water supply network infrastructure, pipeline development lagging behind the urban construction results in the limit to the water supply sales and management, leading to the increasing prominent of leakage rate, sales and other contradictions. In this paper, based on the existing hydraulic model of Harbin Water Supply Group as the foundation, for the purpose of the protection of water resources and improvement of economic benefit, according to the regional water demand,and combining with the model calculation results and the measured data of pressure monitoring points, the abnormal sections or valves were adjusted in time to achieve optimal scheduling.

hydraulic model; operational status; calculation; optimal scheduling

TU991.56

A

1673-9353(2016)05-0016-04

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.004

馬 悅(1975- )，女，黑龍江哈爾濱人， 碩士學(xué)位， 高級(jí)工程師，主要從事市政給排水技術(shù)工作。E-mail：001mayue@163.com

2016-07-26