基于网络拓扑分析的城市供水管网脆弱性评估研究

摘要

水是维持生命所不可或缺的物质，是国民经济持续发展的基本保障。在城市水资源短缺、水污染严重、城市用水紧张的形势下，节水与提高用水效率是水资源可持续化利用的有效措施。供水管网是城市供水系统的重要组成部分，管网布置随着城市建设的发展与城市用地的拓展越来越复杂，城市管网系统的规划、设计和运行管理的难度也随之增大。管网规模的迅速扩大与其消灾抗灾能力的不匹配是当前管网设计管理者所面临的主要问题。脆弱性评估是识别管网关键性节点，制定高效的管理对策，提高管网运行的安全性与经济性的重要技术手段。　　本文首先明确了脆弱性评估的主要思路，在现有脆弱性研究的基础上，针对供水管网分布广、变化大的特性对输配水管网脆弱性的概念进行界定。根据管网事故影响方式的不同，把管网脆弱性归类为直接脆弱性和间接脆弱性，确定输配水管网直接脆弱性为研究的主要对象。然后，应用层次分析法和指标函数法将管网脆弱性分为水力和水质脆弱性，并分析了管网脆弱性的主要影响因素，筛选这些因素，分别构建分项指标量化模型、水力、水质及系统脆弱性评估模型。最后，将已建立的脆弱性评估模型应用于重庆市生态城再生水输配水管网，建立基于水力脆弱性控制方案的经济比较模型以筛选控制系统水力脆弱性的经济技术合理的方案。主要结论如下：　　①脆弱性评估与应用的过程包含脆弱性识别、脆弱性模型建立、脆弱性评估和应用四个阶段。供水管网的脆弱性是系统的基本属性，其存在伴随管网形成直到管网报废拆除。可通过管网系统在最大工况下，因管网水压不稳定、内部腐蚀等内在因素或外部荷载作用下导致管段破坏事故下，系统供水性能受到的损害程度与随之产生的社会经济影响的进行表征脆弱性的大小。　　②管网水力脆弱性的影响因素主要有管网拓扑连接性以及水力特性。水力脆弱性可分为管段和管网系统水力脆弱性。模型的各指标在20%变化范围内，水力脆弱性对管段自由度指标最为敏感，超出范围后模型对事故影响脆弱性指标最敏感。　　③管网水质脆弱性的影响因素主要有余氯、水龄和拓扑位置。水质脆弱性是以水力脆弱性性为依托。管网系统由管段和点元素组成，水质脆弱性评估模型可分为管段和管网系统水质脆弱性评估模型。　　④生态城再生水输配水管网系统管段流量整体偏低，中度脆弱等级以上的占总管段数的26.67%，且大部分靠近再生水水源或中途加压泵站。管段拓扑结构位置对管段脆弱性等级影响较大。管网系统水力脆弱性指标值为 2.027，水质脆弱性指标值为2.423。管段水质脆弱性等级主要在中度脆弱性及以下，占总管段数的81.26%。管网总体能保证供水水质的稳定性，水质脆弱性高的管段位于管网边缘，管段流量较小，水龄较大的管段。在运行管理中，对该片区应重点关注并采取恰当的水质控制手段。系统脆弱性指标值为2.126。　　本研究提出了一种适用于城市供水管网系统脆弱性评估的定量分析模型。该评估模型能够为有关管理部门进行管网性能评价与风险管理提供参考依据，为给排水规划设计人员优化设计工作提供研究手段和理论依据，具有一定的理论意义和实用价值。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1国外研究概况

1.2.2国内研究概况

1.2.3小结

1.3 课题研究内容与技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2 供水管网脆弱性评估基础理论

2.1 脆弱性评估基本思路

2.2 管网的脆弱性识别

2.2.1管网脆弱性概念

2.2.2管网脆弱性评估范围

2.2.3脆弱性评估的原理

2.2.4脆弱性评估的主要方法

2.3 图论的基本概念

2.3.1图

2.3.2图的路与圈及其连通性

2.3.3图的矩阵表达

2.4 小结

3 供水管网水力脆弱性评估

3.1 影响管网水力脆弱性的因素

①管网拓扑结构连接性

②管网水力特性

3.2 管网水力脆弱性评估模型

3.2.1管段水力脆弱性评估模型

3.2.2管网系统水力脆弱性评估模型

3.3 水力参数计算

3.3.1水力计算基础方程

3.3.2管网计算方法分类

3.3.3事故工况下管网水力计算

3.3.4管网模拟工具

3.4 管网模型的建立

3.4.1管网模型属性

3.4.2 EPANET模型构建

3.5 管网水力脆弱性评估模型流程

3.6 水力脆弱性模型算例

①算例管网概况

②管网水力模拟

③水力脆弱性计算

3.7 敏感性分析

①脆弱性指标对管段属性的敏感度

②脆弱性指标对管段属性的敏感度

3.8 算法与程序

3.9 小结

4 供水管网水质脆弱性评估

4.1 影响水质脆弱性的因素

①余氯

②水龄

③拓扑位置

4.2 管网水质脆弱性评估模型

4.2.1管段水质脆弱性评估模型

4.2.2管网系统水质脆弱性评估模型

4.3 水质参数求解

4.3.1管网水质计算基础

4.3.2软件模拟工具

4.4 管网水质脆弱性评估模型流程

4.5 算法程序

4.6 管网脆弱性评估模型

4.6.1脆弱性评估模型

4.6.2模型的应用

4.7 小结

5 悦来生态城再生水管网脆弱性评估

5.1 悦来生态城再生水管网概况

5.1.1悦来生态城概况

5.1.2生态城再生水概况

5.2 管网系统水力脆弱性评估

5.2.1 EPANET管网模型的建立

5.2.2正常工况水力模拟分析

5.2.3事故工况水力模拟分析

5.2.4管网水力脆弱性评估

5.3 管网系统水质脆弱性评估

5.3.1管网水质模拟

5.3.2管网水质脆弱性评估

5.4 管网脆弱性降低与控制

5.4.1管网方案经济比较模型

5.4.2方案一管网评价

5.4.3方案二管网评价

5.4.4方案三管网评价

5.5 基于脆弱性分析的生态城再生水管网风险管理

5.5.1管段水头损失最小路径指标分析

5.5.2管段水力脆弱性指标分析

5.5.3生态城管网水力风险管理建议

5.5.4生态城管网水质风险管理建议

5.6 小结

6 结论与建议

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

附表1

附表2

致谢