CN107506536A

CN107506536A - 一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法

Info

Publication number: CN107506536A
Application number: CN201710667801.7A
Authority: CN
Inventors: 郑飞飞; 齐哲娴; 张清周; 张土乔; 俞亭超; 邵煜
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-08-07
Filing date: 2017-08-07
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2037-08-07
Also published as: CN107506536B

Abstract

本发明提供一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法，包括：计算单位摩擦阻力、确定每个用水量节点的最大单位摩擦阻力、划分每个水源的供水区域、确定供水分界线集合。本发明可以为节水型城市建设提供技术支撑，具有一定的推广和实际工程应用价值。本发明具有原创性，是对目前多水源供水管网分区研究领域的一个重要补充，具有重要科学意义。

Description

一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法

技术领域

本发明涉及市政工程和城市供水管网领域。

背景技术

近年来，随着人口增长以及城市化发展，我国城市供水管网系统结构也日趋复杂。通常具有多水源供水、管网结构错综复杂、压力分配不合理和运行管理难度大的特点。为解决这些问题，有必要对复杂多水源供水系统进行优化分区供水。多水源分区供水是国外供水管网采取的主要模式，目前在国内也开始研究并开展初步应用。供水优化分区不仅能有效的提高供水系统压力配置的合理性，进而降低管网漏损，还能最大程度的降低供水管网的水量输送时间(减少水龄)，进而降低管网水质发生二次污染的概率。因此，如何对多水源复杂供水管网进行有效的优化分区，以最大程度的提高系统的运行管理效率,是节水型城市建设以及国民经济发展的重要关键科学问题。

针对供水管网分区问题，国内外广大科研工作者主要是研究以漏损计量为目标的DMA分区，这种分区主要依据管网拓扑结构、天然边界条件(如河流等)以及用户类型(工业和居民)进行优化分区。管网拓扑结构分区主要是借助管段有向流搜寻管网各水源的供水区域、供水路径以及供水分界线，并应用管网水力模拟方法验证分区的合理性；天然边界条件分区是指依赖自然地形和地理条件，并结合日常运行管理经验进行水源优化分区；用户类型分区主要是根据不同用户类型(工业和居民)由不同水源供水。尽管这些方法具有输入参数少，构建方便的优点，但是缺乏对水源和用水用户水压、管网水质以及管网压力优化配置等因素的考虑，在大型供水管网应用上存在一定局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：为解决背景技术中多水源供水分区领域的瓶颈问题，提供一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法，以实现多水源供水管网的全局水力水质优化分区，进而降低供水管网漏损、提高供水安全性和系统运行管理效率。

本方法的总体核心技术方案如下：

(1)计算单位摩擦阻力，具体计算公式如下：

式中，k表示管网内的水源，j表示管网内的用水量节点，f(k,j)表示水源k到用水量节点j的单位摩擦阻力，是本发明划分各水源供水区域的重要依据；L(k,j)为水源k＝1,…,K(K为管网内水源的总数目)到节点j＝1,…,N(N为管网内用水量节点的总数)的最短供水路径，由Dijkstra算法计算得到；E_k,E_j分别为水源k和用水量节点j的高程；P_k为水源k的自由水头；p_j为节点j的最小允许自由水头。

(2)确定每个用水量节点的最大单位摩擦阻力。由于每个用水量节点都可能由多个水源供水，根据公式1-1，每一个用水量节点j会得到K个不同的单位摩擦阻力，定义为单位摩阻集Ψ(k,j)为：

Ψ(k,j)＝[f(k＝1,j),f(k＝2,j),...,f(k＝K,j)]^T 1-2

本发明中认为最经济的供水路线为单位摩擦阻力最大化，因此查找单位摩阻集Ψ(k,j)中的最大单位摩擦阻力，其对应的水源可以定义为：

(3)划分每个水源的供水区域，具体计算公式如下：

Sub(k)＝{j:f_{max_source}(j)＝k,j∈{1,...N}} 1-4

式中Sub(k)为由水源k供水的管网节点集。根据供水水源的不同，依据公式1-4将供水管网划分为K个不同的子区域，每个子区域都包含由其中一个水源k供水的所有的管网节点，每个子区域都有且只有一个水源供水。

(4)确定供水分界线集合，具体计算公式如下：

C＝{(i,j):i∈Sub(m),j∈Sub(n),m≠n；m,n＝1,...K} 1-5

式中C为供水分界线集合，位于供水分界线上(即由供水分界线所界定的)的管段的两端节点i,j由不同水源m,n供水。在实际应用中，供水分界线集合中的管段阀门作关闭处理，即可实现供水管网分区供水的目标。在供水管网突发事件情况下，可联动管网阀门启闭进行紧急调度处理。

本发明的有益效果是：本发明首次提出了一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法。本发明与现有供水优化分区技术相比具有以下主要优点：现有供水优化分区技术基本上是借助管网有向流、天然边界条件(如河流等)以及用户用水类型(工业和居民)，而对供水管网本身的水力水质因素考虑较少。而本发明是以水源供水区域优化为目标，结合图论技术，首次提出基于供水水源水压、节点需水水压和输水线路长度的多水源供水管网的优化分区理论和技术方法，以实现多水源供水系统的全局水力水质优化分区，具有平均供水时间短(降低水龄)、供水安全性高和压力配置均衡的特点，能有效降低供水管网漏损、提高供水安全性和系统运行管理效率。该多水源管网分区供水理论及技术方法可以为节水型城市建设提供技术支撑，具有一定的推广和实际工程应用价值。本发明具有原创性，是对目前多水源供水管网分区研究领域的一个重要补充，具有重要科学意义。

附图说明

图1是本发明供水优化分区方法的总流程图。

图2是某供水管网示意图。

图3是某供水管网供水分界线(打叉管段)示意图，打叉管段为需关闭的管道。

图4是某供水管网水源供水区域分布示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明的具体实施步骤如下：

(1)确定水源到节点的最短供水路径：由于管网结构复杂，水源到节点的供水路径可能不止一条，针对每一个水源k，查找水源到每个节点的供水路径集合。然后运用Dijkstra算法识别水源到每个节点的最短供水路径L(k,j)，该路径被认为是最经济的供水路线。

(2)计算节点的单位摩阻：基于供水水源水压、节点需水水压和输水线路长度，应用公式1-1，计算节点的单位摩擦阻力。多水源供水管网每个节点的单位摩阻个数等于管网水源个数。

(3)建立用水量节点单位摩阻集合：应用公式1-2，建立每个节点的单位摩阻集Ψ(k,j)，集合中元素数量等于管网中水源总数目。

(4)计算用水量节点最大单位摩阻对应的水源：本发明认为多水源供水最经济的方式是使得用水量节点单位摩阻最大化。因此查找单位摩阻集Ψ(k,j)中的最大值，应用公式1-3可推求节点j的最大单位摩阻对应的水源，即选定该水源为节点j供水。

(5)划分水源供水区域：应用公式1-4确定某一个水源供水的节点集Sub(k)，该集合中的节点只由k水源供水。根据这个划分规则，整个供水管网被划分成K(K是供水管网内水源的总个数)个不同的子区域。

(6)确定供水分界线：根据公式1-5，将管段两端节点分别由不同水源供水的管道确定为供水分界线。关闭供水分界线管段两端的阀门，即切断了多水源联合供水路径，实现了每个水源单独为其子区域供水的目标。

将本发明的方法应用到某城市供水管网(如图2所示)。该供水管网系统包含水源4个，该管网系统经过概化，只显示DN500以上大管径管段525个，用水量也相应调整到352个节点上。图3给出了管网供水分界线示意图，该分界线(打叉管段)切断了多水源联合供水路径，将管网划分成不同的子区域。图4给出了水源供水区域分布示意图，如图所示，管网被划分成4个子区域，每一个子区域只由一个水源供水。应用本发明方法进行水源优化分区后，管网平均水龄缩小，压力最不利点自由水头大幅提升，压力过高用户水压有所下降，极大地提升了供水水质安全性，降低了管网系统运行能耗与漏损率。

Claims

1.一种针对多水源供水管网的供水优化分区方法，其特征在于：

所述方法基于供水水源水压、节点需水水压和输水线路长度实现多水源供水管网的优化分区，以提高供水水量(压力保障)和水质(水龄)安全性，该方法包括步骤：

(1)计算单位摩擦阻力，具体计算公式如下：

式中，k表示管网内的水源，j表示管网内的用水量节点，f(k,j)表示水源k到用水量节点j的单位摩擦阻力；L(k,j)为水源k＝1,…,K(K为管网内水源的总数目)到节点j＝1,…,N(N为管网内用水量节点的总数)的最短供水路径，由Dijkstra算法计算得到；E_k,E_j分别为水源k和用水量节点j的高程；P_k为水源k的自由水头；p_j为节点j的最小允许自由水头，

(2)确定每个用水量节点j的最大单位摩擦阻力，由于每个用水量节点j都可能由多个水源供水，根据公式1-1，每一个用水量节点j会得到K个不同的单位摩擦阻力，定义为单位摩阻集Ψ(k,j)为：

Ψ(k,j)＝[f(k＝1,j),f(k＝2,j),...,f(k＝K,j)]^T 1-2，

查找单位摩阻集Ψ(k,j)中的最大单位摩擦阻力，其对应的水源定义为：

<mrow> <msub> <mi>f</mi> <mrow> <mi>max</mi> <mo>_</mo> <mi>s</mi> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>r</mi> <mi>c</mi> <mi>e</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munder> <mi>argmax</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mi>K</mi> </mrow> </munder> <mo>{</mo> <mi>&Psi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>}</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> </mrow>

(3)划分每个水源的供水区域，具体计算公式如下：

Sub(k)＝{j:f_{max_source}(j)＝k,j∈{1,...N}} 1-4，

式中Sub(k)为由水源k供水的管网节点集，根据公式1-4将供水管网划分为K个包含多个管网节点的不同的子区域，每个子区域都有且只有一个水源供水，

(4)确定供水分界线集合，具体计算公式如下：

C＝{(i,j):i∈Sub(m),j∈Sub(n),m≠n；m,n＝1,...K} 1-5

式中C为供水分界线集合，位于供水分界线上的管段的两端节点i,j由不同水源m,n供水，将供水分界线集合中的管段阀门作关闭处理，即可实现供水管网分区供水的目标。