山地城市供水管网常规水质监测点多目标优化选址研究

摘要

供水管网是城市重要基础设施，随着城市的发展遍布在各个角落。在管网中设置水质监测点是监测管网中水质状况的有效手段，但受限于经济因素，无法在所有节点设置监测点。因此，如何在有限监测点数量之下，选择出最能代表管网中水质特征的节点进行监测，是值得进一步研究的。本研究受国家重点研发计划项目（2017YFC0404706）的资助，结合山地城市供水管网特点，基于传统覆盖水量模型，构建了“覆盖节点水量最大，覆盖节点水质评分最高”的两目标优化模型，并在MATLAB平台上根据理想点法的思想运用GA遗传算法进行求解，旨在为山地城市供水管网常规水质监测点优化布置提供科学依据与经验借鉴。　　①首先，基于Epanet2.0软件构建管网水力水质模型，通过校验模拟后，能真实反映供水管网的运行工况，得到管网在不同时刻对应的水力与水质数据，求得管网节点间水量传输数据，并将其导入MATLAB平台通过程序语言转换得到任意节点的覆盖矩阵，为求解优化模型提供基础数据。　　②其次，根据山地城市供水系统特征以及传统覆盖水量法的缺陷，提出了“节点水质评分模型”，将节点周围的管道条件、水质条件以及节点位置条件纳入评价，并通过群决策的模糊层次分析法对各指标权重进行了求解，用于得到各节点的水质评分，评分越高，认为此节点更需要被监测到。　　③随后，根据节点水质评分模型，构建“覆盖节点水量最大，覆盖节点水质评分最高”的两目标优化模型。根据山地城市管网特征与传统覆盖水量法的缺陷，在传统的覆盖水量单目标优化模型基础上进行改进，创新性地引入了第二个目标函数“覆盖节点水质评分最高”，提高监测点选址的水质代表性；同时由于节点水质评分模型中额外考虑了节点位置的权重因素，提高了优化结果的可靠性。　　④之后，根据理想点法的思想，提出了基于GA遗传算法对多目标优化模型的求解模式，降低了求解难度。针对改进的两目标优化模型，在MATLAB平台上运用GA遗传算法对优化模型进行求解，并通过管网算例进行验证，结果表明两目标优化模型的求解结果相比传统优化方法更具代表性。　　⑤最后，结合工程实例，通过建立实际供水管网简化模型以及对供水区域的合理拆分，利用改进的两目标优化模型，在MATLAB平台上对该模型进行求解，确定了合理的水质监测点位置。结果表明，该区域水质监测点位置按优化成果重新布置，可提高城市供水水质安全性。

目录

1 绪论

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的及意义

1.2.1 给水管网水力水质模型研究现状

1.2.2 水质监测点优化布置研究现状

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 供水管网的水力水质模型及模拟

2.1 引言

2.2.1 管网水力模型分类

2.2.2 管网水力计算

2.2.3 管网水力工况模拟

2.3.1 管网水质模型分类

2.3.2 管网水质传输的过程

2.3.3 管网水质变化机理

2.3.4 管网水质动态模拟

2.4 管网水力水质延迟模拟软件

2.4.1 计算器模块

2.4.2 应用步骤

2.5 本章小结

3 山地城市供水管网特征

3.1 引言

3.2.1 山地城市供水系统特点

3.2.2 山地城市中常见管网形式

3.3 山地城市供水管网水质特征

3.4 混合分区供水的管网模型的优化

3.5 本章小结

4 山地城市常规水质监测点多目标优化模型

4.1 引言

4.2 供水管网常规水质监测点优化模型

4.2.1 基于覆盖水量法的水质监测点优化选址模型

4.2.2 覆盖水量法优化模型的缺陷

4.2.3 节点水质评分模型

4.2.4 优化选址模型的改进与再创新

4.3 山地城市常规水质监测点多目标优化选址模型

4.4 本章小结

5 多目标优化模型的求解

5.1 引言

5.2 多目标优化模型的特点

5.3 求解方法

5.3.1 理想点法介绍

5.3.2 遗传算法介绍

5.3.3 遗传算法工具箱

5.4 山地城市常规水质监测点多目标优化模型求解流程

5.5 算例验证

5.5.1 算例管网基础数据的处理

5.5.2 算例管网水质监测点多目标优化模型的求解及结果分析

5.6 本章小结

6 工程实例

6.1 工程背景

6.2 基础资料的收集

6.3.1 建立供水管网拓扑结构

6.3.2 供水管网水力模型构建

6.3.3 供水管网水质模型构建与校验

6.4 水质监测点布置方案的确定

6.4.1 水质监测点布置方案的确定（以高区为例）

6.4.2 各区最终布置方案

6.4.3 水质监测点布置方案汇总

6.4.4 分析与讨论

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A.专业技术人员调查问卷

B.作者在攻读学位期间发表的论文目录

C.在校期间参与的基础民生建设项目

D.学位论文数据集

致谢