基于fmGA的供水管網(wǎng)系統(tǒng)模型自動(dòng)校核及模型應(yīng)用.pdf

1、供水管網(wǎng)是城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，供水管網(wǎng)數(shù)字化、信息化管理問題已經(jīng)成為當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的突出問題之一。中國(guó)供水行業(yè)制訂的《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)供水管網(wǎng)系統(tǒng)總的要求是：安全供水，提高供水水質(zhì)。為了保障城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)的供水安全，特別是保障飲用水的水質(zhì)安全，必須更好的全面了解供水管網(wǎng)中的水力、水質(zhì)工況，而管網(wǎng)建模是最有效的方法。
　　針對(duì)管網(wǎng)建?；A(chǔ)資料準(zhǔn)確性的不足，本研究動(dòng)用

2、大量人力物力對(duì)模型基礎(chǔ)資料和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)測(cè)工作并改進(jìn)了測(cè)試方法，實(shí)測(cè)內(nèi)容包括管道、閥門阻力系數(shù)，大用戶用水量變化規(guī)律（用水模式），水泵特性曲線，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)高程實(shí)測(cè)，主體水余氯衰減和管壁衰減系數(shù)以及可同化有機(jī)碳（AOC）動(dòng)力學(xué)參數(shù)等。改進(jìn)后的實(shí)測(cè)方法使模型參數(shù)初始估計(jì)值更貼近實(shí)際。在全面掌握和分析供水管網(wǎng)水力、水質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)，構(gòu)建管網(wǎng)系統(tǒng)水力、水質(zhì)模型，進(jìn)行了管網(wǎng)模型與SCADA系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了供水管網(wǎng)系

3、統(tǒng)水力、水質(zhì)的動(dòng)態(tài)模擬。
　　模型校核是供水管網(wǎng)系統(tǒng)模擬的技術(shù)核心，采用優(yōu)化算法的模型自動(dòng)校核是目前研究的前沿和未來(lái)的發(fā)展方向。本文探討了不同用途管網(wǎng)模型的校核精度問題，分析了目前各種管網(wǎng)模型校核方法存在的主要問題，即不確定性問題和大模型校核時(shí)間過(guò)長(zhǎng)問題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策，即大模型參數(shù)的有效分組，遺傳算法的并行化以及實(shí)測(cè)模型初始參數(shù)等。采用多目標(biāo)遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合進(jìn)行了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化布置研究，采用一次二階矩（FOSM）方法對(duì)模

4、型校核參數(shù)的不確定性問題進(jìn)行了分析；采用快速混亂遺傳算法（fmGA）進(jìn)行了模型自動(dòng)校核的實(shí)例分析，得出目前模型校核應(yīng)以手動(dòng)校核為主，自動(dòng)校核為輔的結(jié)論。在校核后模型精度滿足要求的基礎(chǔ)上，建立了供水管網(wǎng)工況分析數(shù)字化平臺(tái)，并用于指導(dǎo)城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃和安全供水的實(shí)踐。
　　在城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)安全供水的實(shí)際工程中，通過(guò)供水管網(wǎng)工況分析數(shù)字化平臺(tái)可對(duì)各水源的不同供水量工況進(jìn)行計(jì)算，可分別給出各種工況下供水管網(wǎng)系統(tǒng)中關(guān)鍵閥門開啟度、管段

5、負(fù)荷圖、自由水壓等值線圖、各水源供水區(qū)域分布圖。在供水管網(wǎng)工況分析數(shù)字化平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用灰色模型進(jìn)行了中長(zhǎng)期用水哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文
　　量預(yù)測(cè)，提出多個(gè)安全供水方案和幾個(gè)方案比較指標(biāo)，對(duì)M市在水源變更下的供水規(guī)劃安全供水項(xiàng)目進(jìn)行了多時(shí)段、多工況和多方案的分析，得出方案3為較優(yōu)的水源變更方案。
　　供水管網(wǎng)水質(zhì)安全受到越來(lái)越密切的關(guān)注，在水力模型和動(dòng)力學(xué)參數(shù)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出了估計(jì)主體水和管壁動(dòng)力學(xué)系數(shù)kb和kw

6、初始值的具體方法，改進(jìn)了交叉節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)混合計(jì)算方法，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明改進(jìn)后的節(jié)點(diǎn)水質(zhì)混合方式更貼近實(shí)際；探討了不同類型水質(zhì)模型的校核精度和校核方法問題，提出將交叉節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)混合調(diào)整系數(shù)納入模型校核參數(shù)優(yōu)化的范圍，并建議水質(zhì)模型校核分兩步走的技術(shù)步驟。
　　以多水源余氯模型為例，自動(dòng)校核過(guò)程中，根據(jù)水力模擬確定各水源供水區(qū)域，在各自的供水區(qū)域內(nèi)假定kb是相同的，各設(shè)置一個(gè)調(diào)整系數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)整。假定余氯衰減級(jí)數(shù)和限制濃度已知，這樣自

7、動(dòng)校核過(guò)程需要調(diào)整的系數(shù)只有kb和節(jié)點(diǎn)水質(zhì)混合系數(shù)s，管壁反應(yīng)系數(shù)wk通過(guò)調(diào)整C值間接調(diào)整。kb按各水源供水區(qū)域分成兩組統(tǒng)一調(diào)整，節(jié)點(diǎn)水質(zhì)混合系數(shù)s的調(diào)整范圍也不大，極大的降低了計(jì)算強(qiáng)度，節(jié)約了自動(dòng)校核的計(jì)算時(shí)間。
　　細(xì)菌在配水系統(tǒng)中的再生長(zhǎng)問題，目前傳統(tǒng)的單物質(zhì)水質(zhì)模型無(wú)法對(duì)其進(jìn)行定量研究，且不適合多水源供水系統(tǒng)的水質(zhì)模擬，本文采用直接和間接兩種方式模擬細(xì)菌在配水系統(tǒng)中的再生長(zhǎng)。首先采用多物質(zhì)反應(yīng)水質(zhì)模擬方法，建立了管網(wǎng)微生物

8、再生長(zhǎng)模型，可直接模擬多水源管網(wǎng)系統(tǒng)中微生物的數(shù)量以及更好的模擬余氯的衰減；其次在采用單物質(zhì)反應(yīng)模型模擬AOC濃度變化的基礎(chǔ)上間接模擬管網(wǎng)中異養(yǎng)菌的分布。
　　根據(jù)國(guó)際水協(xié)會(huì)（IWA）的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，飲用水中微生物對(duì)人體的風(fēng)險(xiǎn)是最高的，其中占很大比例的是異養(yǎng)菌。本文引入效率因子的概念，在簡(jiǎn)單反應(yīng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論探討和影響因素分析，提出幾個(gè)假設(shè)條件，分別對(duì)實(shí)際管網(wǎng)中主體水和管壁反應(yīng)的AOC動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，并提出了AOC在實(shí)際管網(wǎng)中