基于节点能量冗余度的城市供水管网DMA自动分区研究

摘要

随着城市化进程的加快，城市供水管网的复杂性大大提高，给管网的运行和管理带来了诸多问题，如管网布局不合理、管网漏失严重、二次污染问题。为了提高供水管网的管理水平，独立计量分区（District Metered Areas）的管理模式在国内外给水管网的管理中逐渐被尝试，但对DMA分区方法的研究尚不成熟。为了自动完成DMA分区，同时保证分区后供水管网的水力可靠性，本文提出了能量冗余差的概念，并以此为基础建立管网DMA边界划分模型，利用谱聚类算法进行模型的求解，从而完成DMA边界的划分。为了保证管网压力均衡性，降低管网漏失，本文以压力标准差和管网漏失量为优化目标，以管网水力模型为基础，建立DMA进水管选择模型，并采用遍历法对该模型进行求解，完成DMA进水管的选择。为了评价分区效果，利用管网评价指标分别对分区前后的管网进行校核、可靠性评价和水质评价。
　　首先，建立DMA边界划分模型并完成求解。为了保证管网的水力可靠性，从能量冗余的角度出发，提出了能量冗余差的概念，并分析了管网节点间能量冗余差与抗故障能力之间的关系，两节点间的能量冗余差越小，其抗故障能力越强。从熵的原理出发，各节点间的抗故障能力（反映管网水力可靠性）分布较均匀时，管网整体的抗故障能力最强。因此，本文从保障管网整体水力可靠性的角度出发进行管网DMA分区时，尽可能减小DMA分区内部各节点之间的能量冗余差，而分区间各节点的能量冗余差则相对较大，从整体上保障甚至提高管网的水力可靠性。基于此建立管网各节点间的相似度矩阵来表示管网各节点间的水力可靠性，此时DMA边界划分模型建立。结合谱聚类算法的可以在任意形状的样本空间上聚类且收敛于全局最优解，同时可以保证类内相似度最大，而类间相似度最小的特点，本课题选择谱聚类算法对该模型进行求解，从而完成DMA边界划分。
　　其次，建立进水管选择模型并完成求解。为了保证分区后管网的正常运行，本课题从两方面对管网性能进行优化。一方面，管网压力分布不均时会形成高压和低压区域，高压区易发生管网漏损和爆管等问题，影响供水性能，为了提高供水性能，需要优化管网压力均衡性；另一方面，从定量角度控制管网物理漏失量，从而降低管网漏失。故本课题以管网分区压力标准差和管网物理漏失水量为优化目标，以管网水力平衡条件和节点压力限制条件为约束，建立DMA进水管选择模型。由于安装进水管和阀门的数量较少，本课题采用遍历法对该模型进行求解，得到进水管选择方案。
　　接着，介绍供水管网评价体系中的相关评价指标。本课题主要从三个方面对分区前后的管网进行评价。其一是管网设计校核，包括消防时校核和事故时校核。该校核是分区后管网能否在不利情况下满足最基本供水要求的保证，因此该校核是必不可少的。其二是管网水力可靠性校核，选择间接可靠性评价指标对管网进行评价。分区后管网的环状连接变少，管网的水力可靠性可能下降，因此对管网进行水力可靠性评价。其三是管网水质评价，分区后，管网末端可能出现死水区，导致管网水质恶化。而水龄是可以有效地衡量管网水质的好坏，因此选择水龄作为管网水质评价的指标。
　　最后，为验证该本文所提出的DMA自动分区方法，以TX镇供水管网为研究对象，开展该镇管网DMA自动分区的研究，结果自动确定了分区方案，并对分区后的管网完成了评价。结果表明该方法可以快速有效地完成DMA分区，为水务公司的DMA分区决策工作提供参考。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2城市供水管网DMA分区研究进展

1.3研究目标与内容

1.4研究方法与技术路线

第二章 管网分区理论基础

2.1基于图论的城市供水管网建模理论

2.2给水管网DMA分区概述

2.3本章小结

第三章 基于节点能量冗余度的供水管网DMA边界划分模型建立与求解

3.1能量冗余差

3.2基于节点间能量冗余度给水管网DMA边界划分模型建立

3.3基于节点能量冗余度的给水管网DMA边界划分模型求解

3.4算例分析

3.5本章小结

第四章 基于节点压力标准差和物理漏失量的DMA进水管选择模型建立与求解

4.1基于节点压力标准差和物理漏失量的 DMA 进水管选择模型建立与求解

4.2算例分析

4.3本章小结

第五章 供水管网DMA分区评价与实例分析

5.1管网DMA分区评价

5.2供水管网实例分析

5.3本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

声明

致谢

附录Ⅰ DMA分区模型求解部分源程序