城市市政水利工程中地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)研究

劉玉英

(甘肅省清水縣水務(wù)局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

市政工程是指城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，包括道路交通、地下管線、供水等工程。這些工程是為控制、利用和保護(hù)地表水和地下水資源與環(huán)境而建設(shè)的。與大多數(shù)水利工程相比，城市市政水利工程主要利用地下排水管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城市內(nèi)外水資源的交換和輸送，保證城市供水與排水的正常運(yùn)行。

當(dāng)?shù)貐^(qū)水資源有限時，通過水利工程的建設(shè)，可以對空間上的水資源進(jìn)行再優(yōu)化配置，有效緩解缺水地區(qū)的水資源需求，同時也解決了缺水地區(qū)時空分布不均的問題[1]。水利引水調(diào)度是指通過管道或渠道將較豐流域的水資源調(diào)集到缺水地區(qū)，從而緩解該地區(qū)水資源短缺的一種方式。

目前，世界各地城市已基本建成調(diào)水工程，并配備了相應(yīng)的調(diào)水調(diào)度技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計，40多個國家和地區(qū)已完成調(diào)水工程350多個，年調(diào)水量已超過5 000×108m3[2]。結(jié)合國內(nèi)外調(diào)水技術(shù)的研究現(xiàn)狀，將水利工程引水調(diào)度技術(shù)分為常規(guī)調(diào)度技術(shù)和優(yōu)化調(diào)度技術(shù)兩大類，但傳統(tǒng)的水調(diào)度技術(shù)在運(yùn)行過程中存在調(diào)度成本高、調(diào)度風(fēng)險大等問題，因此有必要對市政水利工程地下排水管道水調(diào)度技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

1 地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)

城市市政水利工程地下排水管道引水調(diào)度，是根據(jù)水源區(qū)水庫群的運(yùn)行調(diào)度原則和任務(wù)，通過水庫的調(diào)蓄運(yùn)作，有目的地把富集流域的水資源輸送到受水區(qū)，從而發(fā)揮水庫的調(diào)節(jié)作用，滿足受水區(qū)的用水需求，促進(jìn)水資源綜合利用[3]。以常規(guī)調(diào)度技術(shù)為基礎(chǔ)，通過優(yōu)化設(shè)計得到一種運(yùn)行框架，見圖1。

圖1 地下排水管道引水調(diào)度框圖

1.1 地下排水管道結(jié)構(gòu)檢測

地下排水管網(wǎng)地下水在運(yùn)行過程中，管網(wǎng)狀態(tài)隨用戶水量的變化是隨機(jī)的[4]。將一定數(shù)量的測壓點(diǎn)均勻分布于地下排水管網(wǎng)中，在某一引水時段，引水點(diǎn)壓力、流量與測壓點(diǎn)壓力之間存在以下微分關(guān)系：

(1)

式中：hi為第i個測壓點(diǎn)上的壓力；Qj和Hj分別為第j個泵站的流量和出水壓力；aij和bij為常數(shù)，分別為第i個測壓點(diǎn)對第j個泵站出水壓力和流量的敏感系數(shù)；n為流量指數(shù)。地下排水管道的基本結(jié)構(gòu)可由測點(diǎn)位置確定[5]。

在地下排水管道的引水調(diào)度過程中，采用的調(diào)度路線必須保證管道的安全運(yùn)行，因此在調(diào)度開始前必須對地下排水管網(wǎng)進(jìn)行故障檢測。地下排水管網(wǎng)的故障檢測可分為表面質(zhì)量檢測、裂縫檢測、承載力檢測和鋼筋腐蝕檢測。管道中每種缺陷按其缺陷程度分為輕微、中等、嚴(yán)重、重大4級[6]。相應(yīng)的故障檢測和評估標(biāo)準(zhǔn)如下：

(2)

如果評價結(jié)果為輕度或中度故障時，可將該管道作為調(diào)度管道繼續(xù)使用，否則需在地下排水管網(wǎng)內(nèi)標(biāo)明該管道的狀態(tài)，取消其調(diào)度權(quán)限[7]。在式(2)中，F(xiàn)表示檢測到的故障指數(shù)，用式(3)求解。

F=AmFm+AjFj+AgFg

(3)

式中：Ax為不同故障類型對應(yīng)的最大特征向量；Fx為被檢測排水管道的密封性、結(jié)構(gòu)性及功能性故障檢測指數(shù)。

1.2 預(yù)測地下引水量

城市地下排水管網(wǎng)的引水量就是城市市政工程所需的水量，它主要是維持城市的正常用水，因此可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕邓亢统鞘械挠克縼眍A(yù)測引用水量。一般來講，城市的用水量在一定的周期內(nèi)呈現(xiàn)出周期性變化的特征，這種周期性變化存在一定的規(guī)律，而周期性變化規(guī)律會受到城市經(jīng)濟(jì)因素以及社會因素的制約，從而影響地下排水管道引水量的變化[8]。根據(jù)城市近一段時間內(nèi)用水量數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，結(jié)合社會、經(jīng)濟(jì)等主觀因素和天氣條件等客觀因素的關(guān)系，對城鎮(zhèn)用水量進(jìn)行預(yù)測。在引水量的預(yù)測工作中，將預(yù)測對象隨時間變化情況轉(zhuǎn)換成序列，可以表示為：

yt=F1yt-1+F2yt-2+…+Fnyt-n+θ1et-1+

…+θmet-m

(4)

式中：{yt}和{et}分別為平穩(wěn)時間序列和白噪聲序列；Fn和θm為實(shí)系數(shù)，且均不為零。

對城市市政水利工程歷史引水資料進(jìn)行了統(tǒng)計和收集，并對式(3)中序列使用的原始資料進(jìn)行零平均、平穩(wěn)化處理。然后分別計算自相關(guān)函數(shù)和偏自相關(guān)函數(shù)的置信度，得到相應(yīng)的函數(shù)曲線，并判斷序列的階數(shù)[9]。將N/10(120/10)設(shè)定為上限，綜合這兩個函數(shù)的曲線可以得到地下水源的預(yù)測曲線，以及地下引水量在未來任意時刻的預(yù)測值。

1.3 計算地下排水管道容量

通常情況下，地下排水管道的通量與其管線的長度和截面積有關(guān)。假定所有地下排水管道的通量相同且都是圓形管道，則地下排水管道的通量可表示為：

(5)

式中：Cw和d分別為地下排水管道的外圍周長和管壁厚度；L為整個管道的長度。但在實(shí)際的地下排水管道引水調(diào)度過程中，會存在部分管線故障的情況，因此在計算過程中L的取值為實(shí)際可使用管道的長度。

此外，由于水體運(yùn)動給地下排水管內(nèi)壁帶來一定的壓力，為了保證排水管道的正常運(yùn)行，管道的內(nèi)壓必須小于其承載力的極限壓力[10]。為此需根據(jù)管路實(shí)際承載能力，計算管路的極限承載壓力值，并最終確定該段的實(shí)際承載能力。圖2為水體作用下地下排水管道的受力情況。

圖2 地下排水管道壓力示意圖

地下排水管道引水調(diào)度準(zhǔn)則是水體荷載下的截面力乘以結(jié)構(gòu)系數(shù)不得超過由結(jié)構(gòu)極限破壞分析確定的截面承載力。其表示為：

(6)

其中：γi為排水管道結(jié)構(gòu)重要性程度的結(jié)構(gòu)系數(shù)；Sd和Rd分別為水體荷載下產(chǎn)生的截面力和排水管道的極限承載力。

上述兩個系數(shù)的表達(dá)式為：

(7)

式中：Fp和Fkt分別為持續(xù)荷載特征值和主要可變荷載特征值；γa、γf、γap和γfp分別為主要可變荷載結(jié)構(gòu)分析系數(shù)、主要可變荷載的荷載系數(shù)、持續(xù)荷載結(jié)構(gòu)分析系數(shù)和持續(xù)荷載的荷載系數(shù)；fk為地下排水管道材料強(qiáng)度特征值；γm和γb分別為材料系數(shù)和構(gòu)件系數(shù)[11]。

將式(7)代入到式(6)中，便可以得出地下排水管道在考慮壓力情況下的最大承載力，計算調(diào)度引水量產(chǎn)生的壓力，并與其承載量進(jìn)行對比，同時根據(jù)地下排水管道的最大承載容量，調(diào)整排水管道的實(shí)際引水量。

1.4 實(shí)現(xiàn)地下排水管道引水調(diào)度

通過對引水量的預(yù)測和實(shí)際承載能力的計算結(jié)果，確定地下排水管道引水調(diào)度的主要思路。第一，設(shè)置地下排水管道引水調(diào)度規(guī)則，并在調(diào)度技術(shù)應(yīng)用過程中嚴(yán)格遵循設(shè)置的規(guī)則，盡量保證突發(fā)事件對供水系統(tǒng)造成的影響最小。第二，應(yīng)按照“優(yōu)先分配用水，優(yōu)先滿足重要水利工程用水需求”的調(diào)度方式，設(shè)定工程的分水參數(shù)、地下水的開采利用要求、水源轉(zhuǎn)換參數(shù)，通過緊急調(diào)水量的每日調(diào)節(jié)和計算，準(zhǔn)確而迅速地解決多水源、多工程水文補(bǔ)償和緊急調(diào)水量等一系列問題，使供水系統(tǒng)能及時得到安全供水的緊急調(diào)水量方案。圖3為具體的地下排水管道引水調(diào)度流程。

圖3 地下排水管道引水調(diào)度流程圖

地下排水系統(tǒng)的調(diào)水是為了實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用，最大限度地發(fā)揮水資源的多種功能。排水管道引水調(diào)度模型的建立應(yīng)兼顧防洪、供水等目標(biāo)[12]。以水利工程用水為例，在引水調(diào)度模型中，將其直接轉(zhuǎn)化為處理的約束條件，對各目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)量化處理，再設(shè)定特征權(quán)重系數(shù)，優(yōu)選出調(diào)度方案。

(8)

式中：ωj為各個調(diào)度目標(biāo)的特征權(quán)重系數(shù)；X(t,i,j)為時段t需水單元i在目標(biāo)j上的期望值；x(t,i,j)為時段t需水單元i在目標(biāo)j上的實(shí)際值。

在地下排水管道開關(guān)和閥門的協(xié)同控制下，分別計算各目標(biāo)的引水調(diào)量，并結(jié)合地下排水管道能力約束，生成具體的引水調(diào)度路線，實(shí)現(xiàn)城市市政水利工程地下排水管道的引水調(diào)度。

2 性能測試實(shí)驗(yàn)分析

為了測試設(shè)計的地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)在城市市政水利工程中的應(yīng)用效果，設(shè)計性能測試實(shí)驗(yàn)，并分別從調(diào)度成本和調(diào)度風(fēng)險兩個方面進(jìn)行具體分析，從而反映出設(shè)計調(diào)度技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.1 選擇城市市政水利工程項(xiàng)目樣本

選取某一沿海城市的一項(xiàng)城市市政水利工程作為實(shí)驗(yàn)樣本，該工程覆蓋了該城市70%～80%的供水，涉及多個城市水庫。試驗(yàn)以該工程中某水庫為基礎(chǔ)資料，以2008-2019年的入庫徑流資料為參考，計算時段為旬。鑒于2010年9月新建水庫上游水庫開始運(yùn)行，為消除新水庫的欄蓄作用影響，對2010年9月以前的目標(biāo)水庫入庫徑流數(shù)據(jù)，扣除13.4%，作為扣除新水庫的攔蓄作用影響后的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)序列。經(jīng)重新復(fù)核后，目標(biāo)水庫的多年平均入庫徑流量為5.20×108m3，水利工程多年平均各旬入庫徑流量見圖4。

圖4 歷年市政水利工程徑流量各旬多年平均值

2.2 配置量化測試環(huán)境

為了實(shí)現(xiàn)地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)應(yīng)用效果的量化對比，利用計算機(jī)設(shè)備對城市市政水利工程進(jìn)行量化管理，并實(shí)現(xiàn)引水調(diào)度的可視化，得到便于對比的量化結(jié)果。在主測計算機(jī)中安裝綜合服務(wù)平臺，并采用組件、知識圖技術(shù)，搭建地下排水管道引水調(diào)度業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)，提供不同時間尺度、不同調(diào)度模型、不同調(diào)度情景的調(diào)度方案。配置的性能測試實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境見圖5。

圖5 性能測試實(shí)驗(yàn)運(yùn)行界面

2.3 設(shè)置地下排水管道引水調(diào)度任務(wù)

為了保證性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，選擇多次實(shí)驗(yàn)取平均值的方式得出量化對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分別設(shè)置多次引水調(diào)度任務(wù)，每次的引水調(diào)度量分別為15×104、20×104、35×104、50×104和60×104m3共5組，多個調(diào)度任務(wù)以并行的方式執(zhí)行，并從實(shí)驗(yàn)環(huán)境中顯示調(diào)度過程。

2.4 實(shí)驗(yàn)測試過程

在實(shí)驗(yàn)開始之前，首先按照設(shè)計的調(diào)度方法檢測地下排水管道結(jié)構(gòu)故障情況，并輸入調(diào)度約束規(guī)則，調(diào)度規(guī)則輸入情況見圖6。

圖6 地下排水管道引水調(diào)度規(guī)則輸入

分別在3種情況下執(zhí)行調(diào)度技術(shù)，并生成具體的調(diào)度方案，見圖7。

圖7 地下排水管道引水調(diào)度網(wǎng)絡(luò)圖

為了形成實(shí)驗(yàn)對比，除設(shè)計的地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)外，還設(shè)置了傳統(tǒng)調(diào)度技術(shù)和文獻(xiàn)[6]中提出的水資源聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)的兩個對比技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，分別設(shè)置調(diào)度風(fēng)險和調(diào)度成本作為量化對比指標(biāo)，其中調(diào)度風(fēng)險的評價分為調(diào)度路線不合理和調(diào)度監(jiān)控不完善兩個部分，并最終以評分的形式表示，調(diào)度風(fēng)險評分越高證明調(diào)度風(fēng)險越高。

2.5 性能測試對比結(jié)果分析

2.5.1 引水調(diào)度風(fēng)險評價

通過風(fēng)險評價程序的運(yùn)行，綜合調(diào)度路線和調(diào)度控制兩個方面，得出引水調(diào)度綜合風(fēng)險評估結(jié)果，見表1。

表1 引水調(diào)度風(fēng)險評價量化對比結(jié)果

從表1中可以看出，設(shè)計的引水調(diào)度方法的綜合調(diào)度風(fēng)險值更低。與傳統(tǒng)調(diào)度方法相比，綜合調(diào)度風(fēng)險評估值降低約0.32。

2.5.2 調(diào)度成本對比分析

同理，在實(shí)驗(yàn)平臺中調(diào)取城市市政水利工程中地下排水管道引水調(diào)度技術(shù)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)引水調(diào)度技術(shù)和文獻(xiàn)[6]提出引水調(diào)度技術(shù)的平均投入經(jīng)濟(jì)成本分別為52.34和48.62萬元，而設(shè)計引水調(diào)度技術(shù)由于對調(diào)度路線進(jìn)行精密的計算，因此在調(diào)度過程中投入的成本更低，僅為35.15萬元。

3 結(jié) 語

在未來城市市政水利工程中，地下排水管道引水調(diào)度的研究不能僅僅局限于調(diào)度模型的建立和優(yōu)化算法的求解，而是要與實(shí)際的調(diào)水工程相銜接，以發(fā)揮工程效益。此外，在調(diào)度方式上可嵌入一個調(diào)度修正程序，能調(diào)度、配置多業(yè)務(wù)綜合集成，在適應(yīng)性上可動態(tài)適應(yīng)不同水利工程地下排水管道引水調(diào)度的需求變化。