CN113222351A - 一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，包括，结合供水网络拓扑结构针对应急事件发生地点及影响范围进行供需水分析，初始化供水路径，同时基于水体演进变化规律，利用供水优化调度方法实现城市原水系统应急供水精细化调度，提升城市水资源利用水平。

Description

一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法

技术领域

本发明涉及城市水利调度技术领域，具体涉及一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法。

背景技术

随着环境日益复杂，经济飞速发展，城市原水系统供需矛盾越来越突出，面对纵横交错、多维复杂的供水网络以及调水工程，当供水应急事件发生后，需以优先保障供水为目标，快速精准制定城市供水调度方案，以满足城市片区供水需求。然而，由于应急事件的类型(爆管、停电、闸泵故障等)不同，其水体在管网中演变规律也不尽相同，当前做法大多采取水量平衡方式，即泵站抽水量＝所有水厂进水口水量之和，但此种调度方式较为粗放，主要存在以下问题：(1)对于诸如爆管应急事件发生时，水体在管网中的流量、水压、流速会发生较大改变，管网中的输水量需结合爆管情况而定，而非通过水量平衡方式制定；(2)在水量输送过程中，会存在管网渗漏的现象，导致在此过程中水量供需不平衡，需结合管网特点进一步分析不同管网渗漏损失以及渗漏地点等；(3)管网中均有一定的水压设计标准，对于应急事件发生后，若供水方案发生较大变化，可能会导致管网水压超过设计值而发生爆管等情况，因此，在制定供水方案时需充分考虑水体水压是否在合理范围内，以保障方案合理可行。综上所述，若仅从水量平衡角度去制定供水方案，在实际执行过程中势必会存在较大的供需偏差，且难以有效保障城市的供水能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，弥补现有应急供水调度缺陷，充分考虑应急事件发生后不同供水策略下水体演变过程，提供一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，有效确保城市供水能力，提升水资源利用水平。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，包括：

构建城市原水系统供水网络；

根据应急事件发生地点及影响范围对城市原水系统供水网络进行区域划分，并确定区域供水路径；

对区域进行供需水分析，获取水源供水范围以及区域内水厂需水值；

调用应急事件供水调度模型计算得到各区域水量分配方案；

根据区域水量分配方案，对区域内各取水节点调用管网一维水动力模型，计算得到与该取水节点存在水力联系的管线内其他节点水量输出结果，并对该结果影响区域进行水量平衡计算，得到该区域所需水量；

根据计算的区域所需水量判断是否满足该区域供需要求，若不满足则重新调用应急事件供水调度模型对水量进行再分配，直至满足水量平衡为止；遍历所有取水节点后输出该区域的水量分配方案；

根据当前区域水量分配方案，结合供水网络进行水量精细化分配，获取不同水务设施调度过程；

遍历所有区域，若不满足精度计算要求则重新进行区域划分，再次进行计算；若满足，则输出计算结果。

进一步的，所述构建城市原水系统供水网络，包括：

收集梳理城市原水系统供水网络基本资料，按水务设施进行分类整理，并确定各个水务设施连接方式，以及对各个水务设施进行编码；所述水务设施包括：水库、水厂、闸门、泵站、以及管网；

根据供水路径构建供水网络拓扑关系，包括：水源—水库、水源—泵站—水库、水源—泵站—闸门—水库、水源—闸门—水库、水源—水厂、水源—泵站—水厂、水源—泵站—闸门—水厂、和水源—闸门—水厂。

进一步的，若区域存在多条供水路径，则选择干线水源为供水路径。

进一步的，所述调用应急事件供水调度模型计算得到各区域水量分配方案，包括：

基于区域内供水路径，根据如下目标函数优化供水路径的水量分配方案：

其中，f为供水网络供水破坏深度，N为划分的区域个数，T₁为应急事件供水调度模型调度周期时段数目，G_ji为第i时段供给区域j的供水量，X_ji为第i时段区域j的需水量，

为区域j第l个水厂第i时段的需水量，L为区域j的水厂数。

进一步的，所述管网一维水动力模型为：

连续性方程为：

自由表面水流的动量方程为：

有压水流的动量方程为：

其中，q为渠道、河道侧向入汇的流量，η为水流压力，u为断面平均流速，n_m为河道综合糙率，A为过水断面面积，g为重力加速度，R为断面水力半径，t为时间，x为距离，

表示竖向断面平均压强，S_f为渠道、河道、管壁阻力，ρ为水体密度，z_b为河道底部或管底部高程。

进一步的，所述管网一维水动力模型的参数率定过程为：

初始化基本参数，包括糙率n_m、时段步长Δt、精度δ和模拟时段数T；

根据管网各断面或站点的实测水位、流量过程，在所有边界上输入历史实测值，根据计算结果中监测站点处的计算值与实测值对比，对模型计算的准确度进行检验，如果结果误差大于要求的精度，则调整水动力学模型基本参数糙率和时段步长，直到计算结果与实测值之间的偏差满足要求的精度。

进一步的，对区域进行水量平衡计算，得到该区域所需水量，包括：

按照供水网络拓扑结构以及水流走向逐节点根据水厂需水情况按照水量平衡反推水源需供给的水量，逐级计算到区域源头，获取该区域所需水量。

进一步的，进行水量精细化分配，获取不同水务设施调度过程，包括：

根据供水网络拓扑结构，计算当前水量分配条件下闸门开度和泵站抽水量。

进一步的，重新进行区域划分是指：调整区域内水厂、水源的数量以及供给路径。

本发明所达到的有益效果：

本发明以当前供水网络结构、应急事件类型、应急事件发生地点为基础，提出一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，通过构建供水网络水体演进模型，获取不同水量(流量下)水体的演进过程(渗漏、水压、流速、水位)同时以供水破环深度最小为目标进行大系统分解寻优计算，通过二者的耦合嵌套计算，实现不同应急事件下供水精细化调度，获取合理可行的供水调度方案。本方法适用于制定所有的城市应急供水调度方案。

附图说明

图1是本发明中城市原水系统供水网络拓扑分析模型构建示意图；

图2是本发明中管网(明渠)一维水动力模型构建过程；

图3是本发明中城市应急供水调度模型求解示意图；

图4是本发明中基于水体演进变化的城市应急供水调度方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，包括以下步骤：

1)构建城市原水系统供水网络拓扑分析模型；

2)构建供水管网(明渠)一维水动力模型；

3)构建应急事件供水调度模型；

4)基于水体演进变化的城市应急供水调度方法设计。

本发明实施例中，构建城市原水系统供水网络拓扑分析模型，参见图1，具体如下：

Step1：收集梳理城市原水系统供水网络基本资料，按水务设施分类整理，对于城市源水系统供水调度来说，涉及到的水务设施主要有水库、水厂、闸门、泵站、以及管网(河道)等。其中水库资料需要收集梳理的有：水库特征参数及特征曲线、最大最小出力、最大最小出库流量、最高最低水位；水厂主要包括水厂特征值、最大最小需水量、设计水量等；闸门主要包括闸门开度资料、闸门最大过水流量资料等；泵站主要包括泵站机组资料、泵站最大抽水量、泵站特征曲线、机组特征曲线等；管网(河道)资料主要有空间坐标位置信息、管网材质、尺度、横截面大小、管网(河道)比降、糙率等特征参数。

Step2：根据收集到的资料进行统一审查，分类整理并对各个水务设施连接方式进行确认。

Step3：对水库进行编码，需要编码的信息主要有水库ID、水库取水目标ID、水库取水类型(干线取水、分线取水)、水库供水目标ID；

Step4：对水厂进行编码，需要编码的信息主要有水厂ID、水厂取水目标ID、水厂取水类型(干线取水、分线取水)；

Step5：对闸门进行编码，需要编码的信息主要有闸门ID、闸门取水目标ID、闸门取水类型(干线取水、分线取水)；

Step6：对泵站进行编码，需要编码的信息主要有泵站ID、泵站取水目标ID、泵站取水类型(干线取水、分线取水)、泵站供水目标ID；

Step7：对管网(河道)进行编码，需要编码的信息主要有管网(河道)ID、管网(河道)取水目标ID、取水类型(干线取水、分线取水)、管网(河道)供水目标ID、管网(河道)节点过水量；

Step8：根据供水网络供水路径构建供水网络拓扑关系，主要包括：水源—水库、水源—泵站—水库、水源—泵站—闸门—水库、水源—闸门—水库、水源—水厂、水源—泵站—水厂、水源—泵站—闸门—水厂、水源—闸门—水厂；

Step9：根据应急事件发生地点及影响范围，进行供水网络区域划分，如第一级区域(应急事件发生点)—第二级区域—……—最后一级区域(供水源头)。

此处划分依据根据所在行政区域以及供水路径进行划分，若存在多条供水路径，则优先选择干线水源为主要供水路径，此为划分仅为后续供水调度方案求解提供初始解，后续会在计算过程中不断地进行优化；

Step10：由前几步骤即可获得不同水务设施之间的水力联系，按照各个划分区域，可根据所建立的拓扑结构计算得到水量供需过程以及调度期内的统计水量信息。

本发明实施例中，构建供水管网(明渠)一维水动力模型，通过模型求解，计算出供水管线中不同断面的水位、流量、流速、水压等信息。参见图2，具体如下：

Step 1：针对所研究区域进行资料收集整理，主要资料有：

1)静态特征数据：水库、水厂、管线、明渠、泵站、闸门等的特征参数与特性曲线等。如水库的水位-库容曲线，水位泄流关系曲线，泵站机组的效率曲线，供水管道的大小尺寸、高程，供水明渠的断面尺寸、高程，管网糙率系数等。

2)监测数据：不同管线、明渠不同断面的历史长系列流量、水压、水位过程等。

3)历史运行数据：系统中各水库、水厂的历史运行数据，水库运行包括入库流量、出库流量、水位、库容变化过程等，水厂运行数据包括引水量、供水量等。

4)供水网络拓扑结构数据：实际供水网络概化后的拓扑结构，以记录形式存入数据库中，能够表征出供水网络的相关关系，例如干线的供水水库、水厂，水库的上游来水水源，水库的供水水厂，水厂的引水水源等。

5)地形数据：根据管网地形数据，水库地形地势数据等。

Step 2：针对获取到的数据进行审查处理，数据处理方式可参见水质模型中的数据处理方法，包括：1)流量等实时数据缺测的处理；2)水库运行数据缺测的处理；3)采样时间间隔不一致处理；4)数据噪点分析与去噪处理；5)无量纲化处理等，使得处理之后地数据可靠实用。

Step 3：管网(明渠)一维水动力模型建模，对于一维水流运动，其连续性方程为(同时适用于有压水流、自由表面水流)：

自由表面水流的动量方程可表示为：

有压水流的动量方程可表示为：

式中，q为渠道、河道侧向入汇的流量(单宽流量)，m²/s；η为水流压力，m；u为断面平均流速，m/s；n_m为河道综合糙率；A为过水断面面积，m²；g为重力加速度，m/s²；R为断面水力半径，m；t为时间，s；x为距离，m；

表示竖向断面平均压强，N/m²；S_f为渠道、河道、管壁阻力，N；ρ为水体密度，kg/m³；z_b为河道底部或管底部高程，m。

Step 4：初始化基本参数，主要包括糙率n_m、时段步长Δt、精度δ、模拟时段数T等。其中Δt为在计算时为保证算法收敛、同时计算时间上又满足要求所要设定的参数。在设置好的计算网格条件下，一般经过试算确定，一般来说当时间步长增大至90秒时数学模型仍可保持稳定，并具有较高的计算精度和效率。保守起见，时间步长初步可取60秒。精度δ为模型计算值与实际值的差，用来表示模型的准确性；模拟时段数T根据模型模拟计算总时长除以时段步长所得。

Step 5：参数率定。根据管网各断面或站点的实测水位、流量过程，在所有边界上输入历史实测值，根据计算结果中监测站点处的计算值与实测值对比，对模型计算的准确度进行检验，如果结果误差大于规范要求的误差值，则通过调整水动力学模型基本参数(糙率、时段步长等)后再进行计算，直到计算结果与实测值之间的偏差满足相关规范的要求；

Step 6：模型验证。选取有实测资料的供水过程，采用经过率定后的参数进行模型计算。将计算值与实测值进行比较，若采用该参数进行计算的结果与实测值偏差在允许精度范围内，则说明模型验证较好；若采用该参数进行计算的结果与实测值相差较大，超出允许精度，则需重新进行模型参数率定步骤，即返回Step 5，直到采用模型率定选择的参数计算的结果能满足模型验证的要求为止。模型验证的精度需要满足数学模型计算规范的要求。

Step 7：模型构建结束，输出模型结果。

本发明实施例中，构建应急事件供水调度模型，参见图3，具体如下：

由于城市供水网络纵横交错，错综复杂，其涉及众多水务设施以及水力联系，因此将城市供水网络视为大系统，通过系统分解协调反馈层层计算，最终获取供水调度策略。

Step 1：初始化基本参数，包括分解子系统(区域)个数N，迭代次数K，寻优精度s，水量分配离散步长Δp等，其中分解子系统(区域)个数按照供水网络拓扑模型构建时的初始化区域划分而定。

Step 2：确定供水调度目标，对于应急供水调度而言，以保障供水为主要目标，将其他相关目标转化为约束限制，进而实现应急供水优化调度策略的获取，因此其目标函数为在满足供水保障天数情况下，使得供水网络供水破坏深度最小，其目标函数如下所示：

其中：f为供水网络供水破坏深度，N为Step1中划分的子系统(区域)个数，T₁为供水调度模型调度周期时段数目；G_ji为第i时段供给子系统(区域)j的供水量，X_ji为第i时段子系统(区域)j的需水量，

为子系统(区域)j第l个水厂第i时段的需水量，L为子系统(区域)j的水厂数。

Step 3：按照子系统(区域)划分逐级进行求解，对于第n个区域，由n-1个区域的水量输入作为第n个区域的水量输出继续逆推计算，当n＝1时，则根据初始化水量值进行计算，初始化水量值由应急事件发生地点范围而定；

Step 4：以第n个区域为例，对第n个区域水厂水源进行水量供需分析，判断水量是否满足该区域供需要求，若是则转到Step 5，若否，则说明当前区域划分无法得到水量分配方案，结束计算。

Step 5：对供水路径进行划分，确认该区域的水源供水路径信息，对于多条水源供水路径按照调度规程初始化取水指标，再按照目标函数优化供水路径的水量分配方案；

Step 6：对于区域内取水节点(管线分水口、河道分水口等)根据水厂需水情况进行水量平衡计算，得到该区域所需水量；

具体为，按照供水网络拓扑结构以及水流走向逐节点根据水厂需水情况按照水量平衡反推水源需供给的水量，逐级计算到区域源头，获取该区域所需输入水量值。

Step 7：判断是否遍历所有子系统(区域)，若是则转到Step 8，若否则令n＝n+1，转到Step 4；

Step 8：判断是否满足计算终止条件(终止条件主要包括计算精度判断、迭代次数判断)，若否，则令n＝1，转到Step 4继续计算，若是，则按照当前水量关系结合拓扑模型输出水量分配方案。

本发明实施例中，基于水体演进变化的城市应急供水调度方法，参见图4，具体如下：

Step 1：根据应急事件发生地点以及供水路径初始化区域划分，并设区域编号R1、R2、R3……RN；

Step 2：对于区域Rn，进行供需水分析，获取水源供水范围以及水厂需水值；

Step 3：调用应急事件供水调度模型进行计算，对于每个取水节点(管线分水口、河道分水口)的水量输入，调用管网(明渠)一维水动力模型计算得到该节点存在水力联系的管线(河道)内其他节点水量输出结果，并对该结果影响区域进行水量平衡判断，判断是否满足该区域供需要求，若不满足则重新调用应急事件供水调度模型对水量进行再分配，直至满足水量平衡为止，遍历所有节点后输出该区域的水量分配方案；

Step 4：根据Step 3得到的结果结合步骤1)的拓扑模型进行水量精细化分配，获取不同水务设施调度过程以及不同区域的水量需求关系；比如该水量分配条件下，闸门开度多少、泵站抽水多少等相关调度信息。

Step 5：遍历所有区域，判断是否满足精度计算要求或达到迭代次数，若否则返回Step 1根据供水拓扑结构重新划分区域，调整区域内水厂、水源的数量以及供给路径，再次进行计算，若是则输出计算结果，计算结束。

本发明提供一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，为了实现城市应急供水精细化调度目标，构建城市原水系统供水网络拓扑模型、管网(河道)一维水动力模型、城市应急供水调度模型三种模型，本方法通过将这三种模型进行有机结合，优化嵌套，共同实现城市应急供水调度策略获取。当应急事件发生后，城市应急精细化调度主要体现在水量的精准分配、水量取水目标科学转换等方面，通过供水优化调度模型实现对供水路径以及供水量的摄动优化同时结合水动模型判别实际操作过程中的可行性以及合理性，最后通过供水拓扑模型获取不同区域不同水务设施的水量分配全过程，为城市供水提供科学合理的调度策略，提升城市水资源利用水平。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，包括：

构建城市原水系统供水网络；

根据应急事件发生地点及影响范围对城市原水系统供水网络进行区域划分，并确定区域供水路径；

对区域进行供需水分析，获取水源供水范围以及区域内水厂需水值；

调用应急事件供水调度模型计算得到各区域水量分配方案；

根据区域水量分配方案，对区域内各取水节点调用管网一维水动力模型，计算得到与该取水节点存在水力联系的管线内其他节点水量输出结果，并对该结果影响区域进行水量平衡计算，得到该区域所需水量；

根据计算的区域所需水量判断是否满足该区域供需要求，若不满足则重新调用应急事件供水调度模型对水量进行再分配，直至满足水量平衡为止；遍历所有取水节点后输出该区域的水量分配方案；

根据当前区域水量分配方案，结合供水网络进行水量精细化分配，获取不同水务设施调度过程；

遍历所有区域，若不满足精度计算要求则重新进行区域划分，再次进行计算；若满足，则输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，所述构建城市原水系统供水网络，包括：

收集梳理城市原水系统供水网络基本资料，按水务设施进行分类整理，并确定各个水务设施连接方式，以及对各个水务设施进行编码；所述水务设施包括：水库、水厂、闸门、泵站、以及管网；

根据供水路径构建供水网络拓扑关系，包括：水源—水库、水源—泵站—水库、水源—泵站—闸门—水库、水源—闸门—水库、水源—水厂、水源—泵站—水厂、水源—泵站—闸门—水厂、和水源—闸门—水厂。

3.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，若区域存在多条供水路径，则优先选择干线水源为供水路径。

4.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，所述调用应急事件供水调度模型计算得到各区域水量分配方案，包括：

基于区域内供水路径，根据如下目标函数优化供水路径的水量分配方案：

其中，f为供水网络供水破坏深度，N为划分的区域个数，T₁为应急事件供水调度模型调度周期时段数目，G_ji为第i时段供给区域j的供水量，X_ji为第i时段区域j的需水量，

为区域j第l个水厂第i时段的需水量，L为区域j的水厂数。

5.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，所述管网一维水动力模型为：

连续性方程为：

自由表面水流的动量方程为：

有压水流的动量方程为：

其中，q为渠道、河道侧向入汇的流量，η为水流压力，u为断面平均流速，n_m为河道综合糙率，A为过水断面面积，g为重力加速度，R为断面水力半径，t为时间，x为距离，

表示竖向断面平均压强，S_f为渠道、河道、管壁阻力，ρ为水体密度，z_b为河道底部或管底部高程。

6.根据权利要求5所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，所述管网一维水动力模型的参数率定过程为：

初始化基本参数，包括糙率n_m、时段步长Δt、精度δ和模拟时段数T；

根据管网各断面或站点的实测水位、流量过程，在所有边界上输入历史实测值，根据计算结果中监测站点处的计算值与实测值对比，对模型计算的准确度进行检验，如果结果误差大于要求的精度，则调整水动力学模型基本参数糙率和时段步长，直到计算结果与实测值之间的偏差满足要求的精度。

7.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，对区域进行水量平衡计算，得到该区域所需水量，包括：

按照供水网络拓扑结构以及水流走向逐节点根据水厂需水情况按照水量平衡反推水源需供给的水量，逐级计算到区域源头，获取该区域所需水量。

8.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，进行水量精细化分配，获取不同水务设施调度过程，包括：

根据供水网络拓扑结构，计算当前水量分配条件下闸门开度和泵站抽水量等调度信息。

9.根据权利要求1所述的一种基于水体演进变化的城市应急供水精细化调度方法，其特征在于，重新进行区域划分是指：调整区域内水厂、水源的数量以及供给路径。

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