CN108875937A - 基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法。本发明根据污染物在管网中的分布形式划分污染区域，确定候选泄水点集合，然后建立优化数学模型，求解得优化结果；最后针对确定的管网泄水点优化布置方案，进一步提出实际管网工程在突发污染事故后的冲洗方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种水源突发污染事故下的管网冲洗方法，尤其涉及一种基于泄水点优化布置的供水管网各区域冲洗方法。
背景技术
水质状态不稳定是地表水，特别是河水的一大特点，以地表水为水源的城市水源水质很可能受到污染，进而造成城市供水系统水质污染事故。对该类事故处理不当，可能给居民健康产生严重危害。在此背景下，为提高供水安全性，政府及供水企业一方面要做好水源地的保护工作，另一方面要做好应急措施，减小不达标水扩散范围并及时修复清理水源及管网。
目前，对于如何确定污染源、污染物入侵时间以及污染持续时间等做了研究；同时对如何确定污染范围以及如何操作阀门和泄水点进行污染物排放开展了研究。研究表明，泄水点设计是要求在输水管(渠)、配水管网低洼处以及两个阀门间管段的低处，根据工程的需要设置泄水阀，这样设计的泄水点数量往往比较少。在已有的研究中，污染物排放主要是基于管网现有泄水点和消火栓进行排水，但这种方法在实际工程中往往导致排水时间长、管网清洗不彻底等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，以克服现有技术中存在的不足。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其包括如下步骤：
S1、根据常压供水条件下污染物分布形式划分管网污染区域；
S2、确定每个污染分区的候选泄水点集合；
S3、建立泄水点优化布置数学模型，利用遗传算法进行求解，得到泄水点优化布置结果，并将泄水点向水龄最大的管段移动进行微调，确定泄水点优化布置方案；
S4、实际管网工程在突发污染事故后，在开放泄水点的同时，通过关闭管道阀门将管网污染区域与未污染区域进行隔离，当某泄点水出水水质达到要求需要将该泄水点关闭。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S1还包括：
对管网水源污染物扩散进行模拟，并将特定污染持续时间内污染物所到达的节点作为该持续时间区域的分区边界点，同时综合考虑地理地形、管网拓扑、污染区域的连续性、现有泄水点分布情况等多方面因素，对划分区域进行部分调整。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S2中，候选泄水点选择待冲洗区域下游枝状管网末端点。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S2中，管径较大的环状管网内应有至少一个节点为候选节点。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S2中，将现有泄水点作为候选节点，在优化过程中仅对现有泄水点流量进行优化。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S3中，在能够达到冲洗目标的前提下，将冲洗水量最小作为泄水点布置的主要优化目标，实现对多目标函数的简化。通过将约束条件转化为罚函数形式，将原多目标函数问题转化为以冲洗水量最少为目标的数学模型。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S3中，最大水龄管段管径足够的情况下，将泄水点向水龄最大的管段移动，移动过程中，其流量保持不变，后再调整泄水点位置，如此反复进行直到流量与位置精度达到要求不再调整。
作为本发明的供水管网各区域的冲洗方法的改进，所述步骤S4中，用压力驱动模型对水质突发事故下管网低压供水状态进行动态模拟，并以管网中污染物扩散浓度为目标函数，通过优化算法计算确定需要关闭的管段阀门，当某泄水点出水水质达到要求时，将该泄水点关闭。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明根据污染物在管网中的分布形式划分污染区域，确定候选泄水点集合，然后建立优化数学模型，求解得优化结果；最后针对确定的管网泄水点优化布置方案，进一步提出实际管网工程在突发污染事故后的冲洗方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的目标函数值计算流程图；
图2为本实施例的ZJ市管网污染区域划分示意图；
图3为本实施例的1~2h分区候选泄水点分布示意；
图4为本实施例的污染时间0~2h冲洗区域开放泄水点与关闭阀门分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
本发明的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法包括如下步骤：
S1、根据常压供水条件下污染物分布形式划分管网污染区域。
其中，管网受到污染后，污染物的扩散范围及速度主要受到管网供水压力、污染开始时间、污染持续时间、污染物浓度及性质等因素的影响，其中污染持续时间占主导。随着时间的迁移，污染物在管网中形成不同的分布形式，根据污染持续时间可以将城市管网划分为不同的污染区域。
由于污染最初阶段管网一般处于常压供水工况，设计划分污染区域时以常压供水条件下污染物扩散状况为基准，其它工况下泄水范围可参照模拟污染物扩散范围进行区域隔断，然后通过泄水点与泵站进行泄水。对管网水源污染物扩散进行模拟，并将特定污染持续时间内污染物所到达的节点作为该持续时间区域的分区边界点，同时综合考虑地理地形、管网拓扑、污染区域的连续性、现有泄水点分布情况等多方面因素，对划分区域进行部分调整。
S2、确定每个污染分区的候选泄水点集合。
其中，选择初始泄水点布置候选样本集时需要综合考虑以下三个因素。
1）考虑到冲洗管网的彻底性，候选泄水点首选应当选择待冲洗区域下游枝状管网末端点。
2）泄水点流量一般较大，某位置是否布置泄水点对所在管段流量影响很大。为防止冲洗水与污水在管径较大的环状管网中混合，管径较大的环状管网内至少应有一个节点为候选节点。
3）除以上两类候选点外，还应当将现有泄水点作为候选节点，在优化过程中仅对现有泄水点流量进行优化。
S3、建立泄水点优化布置数学模型，利用遗传算法进行求解，得到泄水点优化布置结果，并将泄水点向水龄最大的管段移动进行微调，确定泄水点优化布置方案。
泄水点优化设计中，优化目标为冲洗时间（T）、冲洗水量（M）、泄水点数量（n）、冲洗
后管网内污染物的残留量（）均达到最小值。实际工程中，该问题受到以下几个方面的约
束：
1）各时刻泄水量（）小于等于管网泵站最大出水量（）；
2）冲洗时段内平均流量（）小于等于水厂产水量（）；
3）管网中无负压节点出现；
4）单个泄水点流量（）不大于其型号对应极限流量（）；
在能够达到冲洗目标的前提下，将冲洗水量最小作为泄水点布置的主要优化目标，实现对多目标函数的简化。通过将约束条件转化为罚函数形式，将原多目标函数问题转化为以冲洗水量最少为目标的数学模型。目标函数值计算流程图如图1所示。针对建立的泄水点优化布置数学模型，采用遗传算法进行求解。
进一步地，候选节点上游管段水龄差距较大时，会存在净水与污水混合后排出的情况，为避免冲洗水的浪费，将泄水点向水龄最大的管段(最大水龄管段管径足够的情况下)移动，移动过程中，其流量保持不变。
在泄水点位置改变后，理论上应当对各泄水流量进行优化，后再调整泄水点位置，如此反复进行直到流量与位置精度达到要求不再调整。但考虑到该研究为工程应用型研究，对精度要求不高，也可不进行反复寻优计算。
S4、实际管网工程在突发污染事故后，在开放泄水点的同时，通过关闭管道阀门将管网污染区域与未污染区域进行隔离，当某泄点水出水水质达到要求需要将该泄水点关闭。
其中，针对确定的管网泄水点优化布置方案，进一步提出管网突发污染事故后的冲洗方案。
突发污染事故发生后，减压供水方案是控制污染物扩散与减小安全隐患两相互矛盾问题的折中处理方法，不同城市具体减压方案制定需要根据该城市的实际情况制定。减压供水预案应经过专家论证后方可制定，因为该方法将管网水质风险转化为水压水量风险。
管网泄水时需要将管网污染区域与未污染区域进行隔离，以免冲洗过程中污染物继续扩散，该目的可以通过关闭管道阀门这一操作实现。用压力驱动模型对水质突发事故下管网低压供水状态进行动态模拟，并以管网中污染物扩散浓度为目标函数，通过优化算法计算确定需要关闭的管段阀门。为节约冲洗水量，当某泄水点出水水质达到要求时，需要将该泄水点关闭。泄水点的泄水量视冲洗具体情况进行调节，或在保证管网安全的条件下根据压力自动调整排水流量。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行举例说明。
实施例
如附图所示，本发明主要通过4个步骤实现对供水管网区域泄水点的优化布置，具体如下：
1、管网污染分区
首先以1 h污染持续时间为间隔，对ZJ市管网进行了区域划分，本次分区将1和2 h合并为1～2 h区域；同时由于西部地区管道多为支管，将其从市区环状管网独立出来，统一划分为3 h以上西部地区；将污染持续时间大于或等于7 h的区域统一为7h及以上区域，如图2所示。
2、候选泄水点确定
以1~2 h分区为例，选择冲洗区域末端点、现有泄水点与较大环状管网上的节点作为泄水点候选节点，供选择候选泄水点10 个，如图3所示。
3、泄水点优化布置数学模型及求解
第1~2h分区为ZJ 市管网的第一个冲洗区域，管道容积19000𝑚3。考虑到冲洗区域规模不大与该分区泄水点在污染物持续2~3h时的使用，冲洗时间设定为6 h，同时开放泄水口流量和不大于25000L/s，泄水点个数为6~8 个。综合考虑计算精度与计算效率，供水管网模型中水力模拟步长为900s，水质模拟步长为60s。
遗传算法中，优化代数选择为200 代，每代个体数为50，设计遗传算法交叉概率为0.6，变异概率为0.1。针对设计泄水点个数不同的方案，个体基因位数不同。以设计7个泄水点为例，基因位数为21，前7位用以存储泄水点位置信息，后14位用以存储各候选泄水点的流量。将上述参数带入遗传算法进行计算，可得到遗传算法每代最优个体适应度函数值以及该分区的泄水点布置方案。泄水点是否需要微调由管网具体情况分析选择，当上游管段水龄差距较大时可作进一步优化。
4、管网冲洗方案
管网冲洗模拟过程中，以污染时间0~2h为例，冲洗区域开放泄水点与关闭阀门如图4所示。污染扩散3h以上能够扩散到向西部供水的干管。该部分管网与城区管网相对独立，采用独立排水的方式。同时，向西部排水干管地势起伏较为规则，干管两端用户较少，可以采用重力排水的方式对管网进行排空后利用压力冲洗。
关闭管道L60697、9607、L63176后可以隔离西部管网与城区管网的联通，打开Xs1，Xs6，Xs13泄水点可对西部干管实施重力排水，直到泄水点无流量为止。重力泄水不能满足对污水彻底排出管网的要求，需要对其进行冲洗。在城区管网冲洗结束后，打开L60697、9607、L63176管道，关闭Xs1，Xs6，Xs13泄水点，打开Xs36、Xs37、Xs38对西部输水干管进行冲洗，由于管网内只有附着于管道内壁与残留的少量污水，只需要对管网进行短时间冲洗即可关闭泄水点。
综上所述，本发明根据污染物在管网中的分布形式划分污染区域，确定候选泄水点集合，然后建立优化数学模型，求解得优化结果；最后针对确定的管网泄水点优化布置方案，进一步提出实际管网工程在突发污染事故后的冲洗方案。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述冲洗方法包括如下步骤：
S1、根据常压供水条件下污染物分布形式划分管网污染区域；
S2、确定每个污染分区的候选泄水点集合；
S3、建立泄水点优化布置数学模型，利用遗传算法进行求解，得到泄水点优化布置结果，并将泄水点向水龄最大的管段移动进行微调，确定泄水点优化布置方案；
S4、实际管网工程在突发污染事故后，在开放泄水点的同时，通过关闭管道阀门将管网污染区域与未污染区域进行隔离，当某泄点水出水水质达到要求需要将该泄水点关闭。
2.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
对管网水源污染物扩散进行模拟，并将特定污染持续时间内污染物所到达的节点作为该持续时间区域的分区边界点，同时综合考虑地理地形、管网拓扑、污染区域的连续性、现有泄水点分布情况等多方面因素，对划分区域进行部分调整。
3.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S2中，候选泄水点选择待冲洗区域下游枝状管网末端点。
4.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S2中，管径较大的环状管网内应有至少一个节点为候选节点。
5.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S2中，将现有泄水点作为候选节点，在优化过程中仅对现有泄水点流量进行优化。
6.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S3中，在能够达到冲洗目标的前提下，将冲洗水量最小作为泄水点布置的主要优化目标，实现对多目标函数的简化。通过将约束条件转化为罚函数形式，将原多目标函数问题转化为以冲洗水量最少为目标的数学模型。
7.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S3中，最大水龄管段管径足够的情况下，将泄水点向水龄最大的管段移动，移动过程中，其流量保持不变，后再调整泄水点位置，如此反复进行直到流量与位置精度达到要求不再调整。
8.根据权利要求1所述的基于泄水点优化布置的供水管网各区域的冲洗方法，其特征在于，所述步骤S4中，用压力驱动模型对水质突发事故下管网低压供水状态进行动态模拟，并以管网中污染物扩散浓度为目标函数，通过优化算法计算确定需要关闭的管段阀门，当某泄水点出水水质达到要求时，将该泄水点关闭。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhang Xue Inventor after: Sun Linzhong Inventor after: Xinkunlun Inventor after: Jiang Fuchun Inventor after: Wang Yihong Inventor after: Guan Wen Inventor before: Sun Linzhong Inventor before: Xinkunlun Inventor before: Jiang Fuchun Inventor before: Zhang Xue Inventor before: Wang Yihong Inventor before: Guan Wen |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181123 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |