基于管網水力模型的供水量優化調度研究

馬 悅

(哈爾濱供水集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱150010)

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基于管網水力模型的供水量優化調度研究

馬 悅

(哈爾濱供水集團有限責任公司，黑龍江哈爾濱150010)

給水工程是城市基礎設施的重要組成部分，是保障社會生產和人民生活的重要物質基礎。在水資源日益緊缺的今天，國民經濟的快速發展、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，供水管網基礎設施老舊、管線發展滯后于城市建設促使水量經營受限，導致漏損率、產銷率等矛盾日益突出。本文基于保護水資源和提高供水企業經濟效益為目的，以哈爾濱供水集團現有的水力模型為基礎，根據區域用水量需求，結合模型計算結果及壓力監測點實測數據，對異常管段或閥門及時進行調整，實現優化調度的目標。

水力模型; 運行工況; 計算; 優化調度

1 背景

《城市供水行業2010年技術進步發展規劃及2020年遠景目標》中，對給水管網系統總的要求是：安全供水，提高供水水質，降低電耗、漏耗。哈爾濱供水集團有限責任公司本著科學決策、高效管理的服務宗旨，于2004年7月建設了《哈爾濱供水管網數字化與優化分析系統》，通過給水管網水力模型的建立及模型參數調整，盡可能真實準確地模擬管網實際運行工況，根據水力特性分析結果輔助調度系統調控水量、水壓，并有效給出經濟合理的改擴建方案。

2 模型與應用系統

給水管網作為典型的地下隱蔽工程，不僅受到季節、溫度、地形、地貌等環境的客觀因素影響，還受水廠、泵站、減壓閥、控制閥等人為調控的主觀因素影響。建立完善的供水管網水力模型，深入了解管網運行狀態，不但可以快速解決因低壓區管網壓力過低導致無法滿足用戶用水需求和高壓區壓力過高導致管網漏損率增加或引發爆管等突發性事件的安全隱患問題，而且可以通過虛擬用戶完成改擴建工程最優發展方案。

由于供水管網具有復雜性、隨機性和動態不完全確定性，結合國內外專家歷年來的研究結果，集成宏觀模型及微觀模型的優點，建立了符合哈爾濱區域獨有的水力模型系統。利用宏觀模型統計分析等數學方法，建立起各有關參數間的經驗性數學表達式，再將供水調度中涉及管網運行的幾個主要變量(也稱為宏觀變量，如各水廠供水壓力、供水量及監測點壓力等)，通過大量實際運行數據的回歸分析和計算，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測點的壓力，而不必進行繁瑣的平差計算。然而，由于宏觀模型根據管網中所設的監測點、測壓點來建立，其輸出量只能是極少數節點的壓力及管段流量，無法了解管網中非測壓點的壓力和非側流點的流量[1]。充分利用微觀模型的特點，利用管網的動態水力特性，從物理管網的基本組成元件的水力行為出發，以給水管網網絡分析的平衡方程為基礎，描述管網元件及其相互作用和邊界條件，并通過求解方程來獲取關于觀測點狀態的解，給水管網系統微觀建模進入了實用化的階段[2]。

2.1 模型與調度應用

為了建立一個完善的、能更好地指導生產調度運營工作的管網水力模型，哈爾濱供水集團通過兩年的時間對管網基礎信息資料進行了全面整理，利用管網圖形屬性編輯轉換器(PDG)軟件將CAD圖紙直接轉換成供水管網模型的拓撲結構圖，建立了靜態管網模型系統。為了能保證管網模型的計算速度，便于科學規劃和指導調度，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個節點、3 971臺閥門和57臺水泵。

表1 哈爾濱市管網拓撲結構信息

結合城市用水量規律及壓力分布情況，對模型涉及的參數進行了大量實測工作，以實測數據為基礎，建立了供水管網規劃模型系統(見圖1)。采用DCPM-FGA算法對模型進行校核，因其具有結合多種算法的優點，克服了單獨采用某種算法無法回避的問題，較好地解決了對于邊界條件約束的求解，且求解模型結果令人比較滿意。

2.1.1 正向求解輔助調度系統

建立供水管網水力模型，進行水力平差計算。通過計算得出各種工況下的管網中所有節點、管段、水泵的流量和壓力，從而了解管網壓力分布，同時可以獲得管網模型中的每一組件的水力狀態情況。城市供水管網連接錯綜復雜、數量龐大，建立的模型規模也就龐大，其模型校核工作量也就相對繁重。為了能更真實準確地模擬管網運行實際工況，需要多選擇幾組工況進行校核，且模擬時段應盡量選擇在24 h以上，并將計算結果與實際監測數據進行比較，反復校核，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(見圖2)，進行管網水力模擬計算。用最小化目標函數法求解校核參數，將自變量取值約束在可行解范圍內。目標函數通常為水壓和管段流量的計算值與實際監測值之差的平方和最小，參數變量可設為x(阻力系數、流量、運行工況)，該函數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。從而供水管網優化校核問題也就是根據x的初始估計值x(0)以及所有監測點的測量，估計x的真實值，進而通過管網水力模擬計算推求整個管網的工作運行狀態。假設一個供水系統中包含nn個壓力監測點，mm個流量監測點，則建立如下校核數學模型。

圖1 供水管網規劃模型系統Fig.1 Planning model system of water network

(1)

式中 f′——最小化的目標函數；

λHi—— 反映第i個壓力監測點重要性的權系數，i∈Ω1；

λQi——反映第j個流量監測點重要性的權系數，j∈Ω2；

Ω1——供水管網系統中壓力監測點集合；

Ω2——供水管網系統中流量監測點集合；

nn，mm——分別為測壓點和測流點數目；

L——待校核的管網運行工況數目；

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

在滿足管網水力條件的約束下，在允許的調幅范圍內，通過對模型參數的調整使管網中測壓點量測壓力與計算壓力的偏差以及測流管段量測流量與計算流量的偏差降至最小，使模型更接近管網真實運行工況，從而獲取各節點壓力及流量數據。再通過水力特性分析，根據水流方向、供水路徑、自由水頭滿足區及運行負荷等計算結果和實際情況，將壓力超限及未達標點篩選出，結合實際工作經驗對關聯閥門進行調整，直至自由水頭滿足區恢復正常情況。

2.1.2 反向求解輔助調度系統

在實際工作中，經常會遇到不明原因的節點壓力突然降低，管理人員一般會通過常規管理經驗對節點上游閥門進行全盤梳理，查看是否有調整、關閉等情況發生。而通過管網水力模型系統，可以反向逆推導致該節點壓力降低的幾種可能性。即正常模擬管網運行工況，校核模型，在所有在線測壓點壓力值與模擬節點壓力值近似時，可推斷該工況下模擬計算結果近似管網實際運行情況。此時，查看模型中異常節點壓力值，一般情況，該節點模擬數值應在正常值范圍內。手工輸入該節點異常值，重新進行后臺數據計算分析，系統將根據計算結果給出關聯閥門或管段存在異常情況的范圍，管理人員則可直接有針對性地進行閥門或管段調整，不必再盲目進行大范圍排查工作，實現科學管控的目的。

2.2 模型與工程應用

近年來，城市建設發展迅速，老城區管網老舊、新城區管網改擴建依據經不住推敲，嚴重制約著供水企業的發展，尤其在廠站布局不合理的情況下，發展管線的合理化顯得尤為關鍵。建設管網水力模型系統，進行管網規劃發展水力模擬計算(見圖3)，成為解決該問題的核心所在。

圖3 供水管網規劃模擬系統Fig.3 Planning simulation system of water network

一般對于一座城市來說，中心城區大面積拆遷的可能性很小，所以拆遷前后用水狀態的改變對于原有供水格局并不會產生太大影響，在水力計算中，可忽略不計。而大的小區、工廠等大用水戶基本都向城市外圍空間發展，新發展的管線短期內可能無法實現環狀供水，枝狀管線的管徑、管材、瞬時流量、流速、水頭、水壓等關鍵參數就需要通過水力平差計算給出科學合理的結果，以保證用戶端水質安全問題。在水力模型系統中可解決該問題。可假設新的小區或工廠等大用戶現已存在，將規劃敷設的新管徑、管線長度錄入VGE拓撲圖中，校核管網拓撲結構圖，并在管網水力計算中將目標用戶的年最高日用水量輸入計算。根據水力特性分析結果，快速得出由于產生新的大用戶而敷設的管線，對周邊用戶的管線壓力影響、節點自由水頭影響及管網負荷影響，并可根據計算結果得出規劃敷設管線各參數的合理性。

3 結束語

本文以哈爾濱供水集團“管網數字化與優化分析系統”水力模型為基礎，通過建立微觀模型對整個供水管網運行工況進行模擬，主要從水流方向、供水路徑、運行負荷、等壓線及自由水頭滿足區等方面對管網運行實現狀態模擬。通過平差計算及水力特性分析結果，有效輔助供水調度系統調度工作及工程改擴建發展管線工作，實現管網信息化管理目標，為科學決策提供有力依據，并為管網智能化發展奠定堅實基礎。

[1] 吳學偉,趙洪賓. 給水管網狀態估計模型的研究[J].哈爾濱建筑大學學報,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， 碩士學位， 高級工程師，主要從事市政給排水技術工作。E-mail：001mayue@163.com

2016-07-26