基于水质保障的供水系统智能优化技术研究

摘要

饮用水水质安全关系到国计民生和社会稳定，伴随着社会经济的迅猛发展，水源水及管网水的水质问题日益突出，输配水管线老化、腐蚀现象严重，管网二次污染问题不容乐观，且多数城市的供水系统尚未建立统一的管网监控、调度管理和管网水质保障技术平台。因此，以有效保障供水系统的水质安全性和供水可靠性为目标，对从原水调配到供水管网的仿真建模再到供水系统调度运行等一系列的优化技术展开研究，寻求基于水质保障的供水系统运行、调控、管理方案，为饮用水安全保障提供技术支持，具有非常重要的意义。 本文首先从水资源优化配置角度出发，针对目前研究过程中，多注重对水量的调配及调配过程中的经济效益，而忽略了原水水质对水厂处理工艺及管网水质的影响等问题，以黄河中上游地区水质状况较差的水源井输配系统为研究对象，研究黄河干流两侧引黄地区浅层地下水的水质特征，采用傅里叶变换与人工神经网络相结合方法建立入厂处—水源井特征污染物耦合模型;并在此基础上，构建基于特征污染物控制的原水优化调配模型，采用自适应并行遗传算法予以求解，并研发了相应的应用程序和软件;将所研发的技术应用于黄河中上游地区Z市水源地，验证了所研发的优化调配模型的有效性和实用性。 针对供水管网微观仿真模型精度较低、应用范围受限等问题，对开放式区域供水管网的动态仿真建模技术进行研究，从研发精度较高的管网参数测试装置、对区域供水管网的边界流量进行自适应优化调整等技术方法入手，提高所构建的仿真模型的精度;在此基础上，本文提出了管网典型水质指标的模拟分析技术，实现了基于微观模型的余氯模拟以及基于神经网络的浊度、铁等指标的模拟计算;将所研发的《城市供水安全保障平台》在我国大中型城市J市开放式区域供水管网进行应用与实践，验证了所构建的仿真模型的精度和水质模拟结果的准确性。 在供水系统的优化调度方面，当前研究大多忽略了不同水源的切换对管网水质的影响。针对此问题，本文以黄河中下游地区多水源切换供水城市为研究对象，对“黄水”成因进行分析，通过对以黄河水、山区水库水为水源的出厂水进行混合调配实验，对“黄水”的应对措施进行探讨;在建立以余氯、铁等作为控制指标的多组分水质目标函数的基础上，构建两级优化调度模型，并采用多目标进化算法NSGA-Ⅱ予以求解，进而研发了《城市供水优化运行系统》;将所研发的技术应用于J市多水源混合供水区域，通过优化调配计算，在保障供水可靠性和经济性的同时，加强了研究区域管网的水质化学稳定性，降低了“黄水”发生的几率。 本文以保障供水系统的水质安全性、供水可靠性和供水经济性为目标，通过将自适应并行遗传算法、人工神经网络、多目标进化算法NSGA-Ⅱ等现代智能优化方法应用于基于特征污染物控制的原水优化调配、开放式区域供水管网仿真建模与水质模拟以及多水源切换条件下的供水系统优化运行管理等方面的研究，建立从水源到管网的水质安全保障平台，为城市供水系统的科学化、合理化运行管理提供了有力的技术支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．1．1 水源水水质问题

1．1．2 出厂水及管网水水质问题

1．1．3 研究的意义

1．2 国内外研究概况

1．2．1 水资源优化调配技术的研究现状

1．2．2 供水管网仿真建模技术的研究现状

1．2．3 供水系统优化调度技术的研究现状

1．3 该领域现存的主要问题

1．3．1 我国供水系统存在的普遍问题

1．3．2 供水系统优化技术存在的问息

1．4 主要研究内容与技术路线

1．4．1 主要研究内容

1．4．2 研究技术路线

1．5 本文主要创新点

第2章 供水系统智能优化方法

2．1 概述

2．2 遗传算法

2．2．1 基本遗传算法原理

2．2．2 自适应并行遗传算法

2．3 人工神经网络

2．3．1 神经网络的基本理论

2．3．2 BP神经网络

2．3．3 BP神经网络的应用

2．4 多目标进化算法

2．4．1 多目标进化理论

2．4．2 NSGA-Ⅱ算法

2．4．3 多属性决策理论

2．5 小结

第3章 基于特征污染物控制的水源水优化调配技术研究

3．1 概述

3．2 黄河中上游地区水质特征分析

3．3 水源水特征污染物拟合分析与耦合模型的建立

3．3．1 基于时间序列的傅里叶级数与傅里叶变换

3．3．2 分散水源井特征污染物变化周期及拟合分析

3．3．3 入厂处—水源井特征污染物耦合模型研究

3．4 原水优化调配模型的建立

3．4．1 原水优化调配模型的目标函数

3．4．2 原水优化调配模型的约束条件

3．4．3 原水优化调配模型的求解

3．5 原水井群优化调配系统的研发

3．6 基于特征污染物控制的水源水优化调配技术实践

3．6．1 研究区域概况

3．6．2 研究区域水源井砷浓度拟合

3．6．3 入厂处—水源井特征污染物藕合模型精度校验

3．6．4 研究区域优化调度及经济技术分析

3．7 小结

第4章 开放式区域供水管网动态仿真建模与水质模拟分析

4．1 概述

4．2 开放式区域供水管网动态仿真建模

4．2．1 供水管网水力模型基础及仿真建模流程

4．2．2 开放式区域供水管网水力仿真建模

4．2．3 开放式区域供水管网仿真模型基础校核

4．2．4 开放式区域供水管网边界流量的自适应动态优化校核

4．3 开放式区域供水管网水质模拟分析

4．3．1 供水管网水质建模的基本理论

4．3．2 供水管网特征水质指标反应机理分析

4．3．3 供水管网水质模型

4．4 系统软件的开发

4．5 开放式区域供水管网动态仿真建模与水质模拟分析实践

4．5．1 研究区域管网动态仿真建模及水力模拟

4．5．2 研究区域管网水质模拟分析

4．6 小结

第5章 多水源切换条件下基于水质保障的供水系统优化调度技术研究

5．1 概述

5．2 “黄水”成因分析与应对技术方案

5．2．1 多水源水质特征分析

5．2．2 “黄水”成因分析

5．2．3 多水源切换供水条件下“黄水”应对措施

5．3 多水源切换供水条件下基于水质保障的供水系统优化调度模型构建

5．3．1 基于多组分水质保障的优化调度模型

5．3．2 优化调度方案评估

5．3．3 基于多组分水质保障的优化调度模型的求解

5．4 软件系统的开发

5．4．1 用水量预测

5．4．2 优化调度

5．5 多水源切换供水管网优化调度技术实践

5．5．1 工程基本概况

5．5．2 研究区域用水量预测

5．5．3 基于多组分水质保障的优化调度计算

5．6 小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢