基于水力模型系统的城市供水管网优化分区

基于水力模型系统的城市供水管网优化分区施银焕ꎬ韩宏大ꎬ李荣光ꎬ张震龙(天津水务集团有限公司ꎬ天津３０００４２)摘要:为了克服传统方法依靠人工经验对供水管网进行分区存在的局限性ꎬ解决存在的问题并进一步优化管网分区管理ꎬ在供水管网水力模型的基础上ꎬ采用基于多尺度分区算法和多目标优化算法的方法进行压力分区计算ꎮ根据计算结果对现有分区进行优化ꎬ达到了均衡管网压力、提高管网水质和供水安全以及分区科学管理等目的ꎮ关键词:供水管网ꎻ水力模型ꎻ优化分区ꎻ压力管理中图分类号:ＴＵ９９１.３３文献标志码:Ａ文章编号:１６７３－９３５３(２０１９)０１－００１０－０４ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３－９３５３.２０１９.０１.００３ＯｐｔｉｍａｌｚｏｎｉｎｇｏｆｕｒｂａｎｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｄｅｌｓｙｓｔｅｍＳｈｉＹｉｎｈｕａｎꎬＨａｎＨｏｎｇｄａꎬＬｉＲｏｎｇｇｕａｎｇꎬＺｈａｎｇＺｈｅｎｌｏｎｇ(ＴｉａｎｊｉｎＷａｔｅｒＧｒｏｕｐＣｏ.Ｌｔｄ.ꎬＴｉａｎｊｉｎ３０００４２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｖｅｒｃｏｍｅｔｈｅｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｎｕａｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｉｎｚｏｎｉｎｇｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｎｅｔｗｏｒｋꎬｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｎｄｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｚｏｎｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋꎬｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｎｅｔｗｏｒｋꎬｔｈｅｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉ￣ｓｃａｌｅｚｏｎｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｍｕｌｔｉ￣ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓꎬｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｚｏｎｉｎｇｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄｔｏｂａｌａｎｃｅｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｎｅｔｗｏｒｋꎬｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙａｎｄｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｐｉｐｅｌｉｎｅｎｅｔｗｏｒｋꎬａｎｄｔｏｍａｎａｇｅｔｈｅｚｏｎｉｎｇｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｔｅｒｓｕｐｐｌｙｎｅｔｗｏｒｋꎻｈｙｄｒａｕｌｉｃｍｏｄｅｌꎻｚｏｎｉｎｇｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎꎻｐｒｅｓｓｕｒｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔ１供水管网分区现状供水管网分区管理技术[１]ꎬ是将规模较大的供水管网按照分区原则划分为若干个规模较小的子管网ꎬ分别对每个子管网实行专门管理ꎮ对供水管网进行分区管理ꎬ不仅能降低管理难度ꎬ提高管理效率ꎬ还能在均衡管网压力、提高供水安全并降低管网漏损等方面发挥重要作用ꎮ近年来ꎬ对供水管网分区方法已开展了很多研究ꎬ但分区管理技术尚未得到大规模应用ꎮ国内绝大部分管网实例分区理论较为单一ꎬ大多依靠经验制定分区方案ꎮ这种分区方法随机性强ꎬ没有明确的规范、流程确保方案的合理性ꎬ在一定程度上限制了分区管理技术的发展和应用ꎮ随着研究的开展ꎬ研究人员提出了基于管网拓扑结构对管网进行分区管理的方法ꎬ并应用于供水管网ꎬ取得了一些成功ꎮ但是ꎬ这种方法只是简单根据节点与管道之间的无权连接关系ꎬ将管网划分为不同的区域ꎬ尚未考虑管网中的压力分布和流量分布ꎮ利用压力分区方法进行压力管理和漏损控制ꎬ是优化系统和快速获得投资回报的有效途径ꎮ因此ꎬ只有考虑到管网节点压力分布进行分区ꎬ才能取得满意的结果ꎮ２管网压力分区方法理论笔者在供水管网水力模型的基础上ꎬ采用一种基于多尺度分区算法和多目标优化算法[２]的供水管网压力分区方法ꎬ对现有管网分区进行优化ꎮ该方法考虑了配水管网系统中的节点压力信息ꎬ并改进了传统的分区评价函数ꎬ克服了传统模块度函数存在分辨率的限制这一问题ꎬ所采用的管网分区评价函数见式(１)ꎮＱＰｔ＝Ｔｒ{ＨＴ[Φｅ－ｔφ－１Ｙ－ηＴη]Ｈ}(１)式中ꎬＱＰｔ表示基于压力分布的多分辨率模块度函数ꎻｔ表示随机游走时间ꎻη＝ｗＴ/２Ｍ表示加权随机游走过程的稳态解ꎻΦ＝ｄｉａｇ(η)表示η的ｎ×ｎ对角矩阵ꎮ基于随机游走理论的多尺度管网压力分区计算流程如图１所示ꎬ在考虑到边界管线的数量、管网压力和水龄均衡性３个限制因素的条件下ꎬ对分区边界进行优化ꎮ是运行水力模型，计算每个节点的平均压力开始输入：管网模型.inp文件随机游走时间范围［tmin，tmax］随机游走时间步长Δt初始化随机游走时间t=tmin对于指定的时间t，使用Louvain算法进行管网压力分区保存对应时间t的管网分区结果t=t+Δtt≥t