D市多水源供水管网系统水源事故时优化调度研究及应用

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D市多水源供水管网系统水源事故时优化调

度研究及应用

RESEARCH AND APPLICATION ON OPTIMAL OPERATION OF D CITY’S MULTI-SOURCE WATER DISTRIBUTION SYSTEM WHEN SOURCE

ACCIDENT

张继昌

哈尔滨工业大学

2011年6月

国内图书分类号：TU990.3 学校代码：10213 国际图书分类号：628.1 密级：公开

硕士学位论文

D市多水源供水管网系统水源事故时优化调

度研究及应用

硕士研究生：张继昌

导

副导师：高金良副教授师：封象水高级工程师

申请学位：工程硕士

学科：环境工程

所在单位：市政环境工程学院

答辩日期： 2011年6月

授予学位单位：哈尔滨工业大学

Classified Index: TU990.3

U.D.C: 628.1

Dissertation for the Master Degree in Engineering

RESEARCH AND APPLICATION ON OPTIMAL

OPERATION OF D CITY’S MULTI-SOURCE

WATER DISTRIBUTION SYSTEM WHEN

SOURCE ACCIDENT

Candidate：

Supervisor：

Associate Supervisor：

Specialty：

Affiliation：

Date of Defence： Zhang Jichang Assoc.Professor Gao Jinliang Senior Engineer Feng Xiangshui Environmental Engineering School of Muni. & Env. Eng. June, 2011 Academic Degree Applied for： Master of Engineering

Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

城市供水管网系统是城市重要的基础设施，在人们的生产和生活中发挥着不可替代的作用。随着经济和社会的发展，供水安全问题越来越受到重视。然而，我国水污染状况的不断加剧以及其他不确定因素的影响，致使水源突发污染事件频发，对供水系统安全可靠性提出了严峻挑战。为提高供水系统的安全可靠性，采用多水源供水已成为发展趋势。针对突发水源污染事件，各地区制定了许多应急预案措施。其中，对突发水源污染的多水源供水管网系统进行积极的优化调度就是一项重要的措施。

在传统的供水管网水力模型中，节点的流量是根据需水量给定的，是一定值，难以模拟水源突发污染时供水量不足的运行工况。针对传统水力模型的不足，从节点流量角度出发，将节点流量分为节点实际用水量和节点漏失量两部分，分别建立其与供水压力的关系式，构建起能够模拟供水量不足工况下的供水管网水力模型。结合模型给出水源污染事故下节点供水满足率的表达式，并采用综合评价法对水源事故时的供水管网系统失效程度进行评价。通过对管网计算实例求解分析，发现该供水管网水力模型不仅能够准确模拟管网正常运行工况，同时对水源突发污染事故时供水量不足的运行工况也能较好的模拟。

为优化调配水源突发污染时供水量不足的供水管网系统，提出三个调度目标：

（1）提高重点用户在重要时段的供水满足率；（2）降低管网漏失量，提高管网实际用水量；（3）降低泵站运行费用。以泵站中水泵各时段的开启状态和调速比为决策变量，构建出水源突发污染时多水源供水管网系统优化调度模型，并采用改进的非控制排序遗传算法进行求解。

结合我国华北D市多水源供水管网系统现状，建立起正常运行工况下能模拟供水量不足状态的管网水力模型，通过模型校核后节点压力和节点流量与管网实际监测数据吻合度较高。在此基础上，通过假定某水源发生突发事故，进行事故下的优化调配分析，为水源突发事故下的多水源供水管网系统调度决策提供指导。

关键词：供水管网系统；水力模型；水源污染；优化调配；遗传算法

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Abstract

The urban water distribution system(WDS) is an important city infrastructure,which plays an irreplaceable role in people's lives and social production. With the economic and social development,the safety of water supply is given more attention. However, the growing conditions of water pollution and many other uncertainties, lead to sudden water source pollution accidents occurred frequently, which has posed a severe challenge to the safety and reliability of water supply system. To improve the safety and reliability of water supplying,using muti-source water distribution systems become a trend. For sudden water source pollution accidents, many districts developed a number of contingency plans of measures. Among them, The active optimal operation of muti-source wter distribution system with water source sudden polluted is an important measure.

In the traditional water supply network hydraulic model, the water flow of nodes is given by water demand,and is constant,so the traditional hydraulic model is difficult to simulate the water shortage conditions with water source polluted. For the shortcomings of the traditional hydraulic model,from the view of water flow of nodes, the water flow of nodes is divided into two parts of water actual consumption and leakage.Then the two parts are established with the relation of water pressure of nodes,and then the water supply network hydraulic model is constructed,which could simulate the conditions of water shortage condition. Combined the model, the expression of water supply meet rate is given under water source polluted， and the evaluation of water distribution system failure degree is developed using the comprehensive evaluation method. Though sollution analysis of an example network, it was found that this water supply network hydraulic model not only simulate the normal operation conditions accurately,but also is well capable of simulating the water inadequation condition with one water source polluted.

For optimal scheduling of water distribution system with water source sudden polluted, three scheduling objectives proposed: (1)increasing the water supply meet rate of the key users in key periods, (2) reducing the leakage and increasing water consumption in the pipe network,(3) reducing pump operating costs. Taking the open state and the speed ratio of pump in each period as decision variables,the optimal scheduling model of water distribution system with water source polluted is constructed，and the model is solved by non-dominated sorting genetic algorithm.

With the status of muti-source water distribution system of D city in North China,

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the water network hydraulic model was established at normal operating condition,which could simulate the water inadequation condition. After model calibration，the pressure and flow of nodes has high agreement with the monitoring data of actua l pipe network. On this basis, by assuming a sudden accident of one source pollution, the optimal allocation is solved under the accident. The result can provide guidance on scheduling decisions of the multi-source water distribution system with one source polluted accident.

Keywords: water distribution system(WDS), hydraulic model, optimal operation, water

source pollution, genetic algorithm(GA)

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摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ..........................................................................................................................II

第1章绪论 .............................................................................................................. 1

1.1 课题背景 ........................................................................................................... 1

1.1.1 我国供水水源污染事故频发..................................................................... 1

1.1.2 采用多水源联合供水提高供水安全......................................................... 2

1.1.3 优化调度是应急的重要措施..................................................................... 3

1.2 供水管网系统水力模型与优化研究进展 ....................................................... 3

1.2.1 管网水力模型研究进展............................................................................. 3

1.2.2 供水系统优化调度研究进展..................................................................... 5

1.2.3 非正常工作状态下调度研究进展............................................................. 8

1.3 课题来源及研究目的与意义 ........................................................................... 8

1.3.1 课题来源..................................................................................................... 8

1.3.2 研究目的与意义......................................................................................... 8

1.4 课题研究的主要内容 ....................................................................................... 9

第2章供水管网系统水力建模 ............................................................................ 11

2.1 城市供水管网水力模型的构建 ..................................................................... 11

2.1.1 供水管网水力建模所需信息................................................................... 11

2.1.2 供水管网传统水力模型建模过程........................................................... 12

2.1.3 供水管网水力模型校核........................................................................... 13

2.2 供水管网水力模型准确度的影响因素 ......................................................... 14

2.3 本章小结 ......................................................................................................... 15

第3章供水量不足时管网水力模型 .................................................................... 16

3.1 传统供水管网水力模型 ................................................................................. 16

3.1.1 传统供水管网水力模型方程................................................................... 16

3.1.2 传统水力模型难以模拟水源事故时低压供水工况............................... 16

3.2 传统管网水力模型的改进 ............................................................................. 18

3.2.1 节点流量的调整....................................................................................... 18

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3.2.2 供水量不足时管网水力模型................................................................... 20

3.3 遗传算法求解模型 ......................................................................................... 21

3.3.1 遗传算法简介........................................................................................... 21

3.3.2 遗传算法求解水力模型........................................................................... 24

3.3.3 程序代码................................................................................................... 25

3.4 水源突发污染事故时节点供水满足率 ......................................................... 25

3.5 水源污染时供水系统失效评价 ..................................................................... 26

3.5.1 供水系统失效程度评价模型的建立....................................................... 27

3.5.2 因素性能指标的确定............................................................................... 28

3.6 算例分析 ......................................................................................................... 29

3.6.1 算例管网基本概况................................................................................... 29

3.6.2 正常运行工况下算例求解结果............................................................... 30

3.6.3 水源污染停止供水工况下算例求解结果............................................... 33

3.6.4 R1停止供水时供水系统的失效程度 ..................................................... 37

3.7 本章小结 ......................................................................................................... 38

第4章规避水源污染的供水管网优化调度模型 ................................................ 39

4.1 供水管网系统正常运行状态下优化调度 ..................................................... 39

4.1.1 优化调度目标........................................................................................... 39

4.1.2 调度约束条件........................................................................................... 40

4.2 规避水源污染的管网优化调度模型 ............................................................. 40

4.2.1 供水量不足下优化调度分析................................................................... 40

4.2.2 优化调度目标........................................................................................... 41

4.2.3 节点用水量重要系数............................................................................... 42

4.2.4 优化目标函数........................................................................................... 42

4.2.5 约束条件................................................................................................... 43

4.3 供水管网调度模型的求解 ............................................................................. 44

4.3.1 多目标优化基本理论............................................................................... 44

4.3.2 面向多目标问题的遗传算法................................................................... 47

4.3.3 NSGA-II求解模型................................................................................... 48

4.4 本章小结 ......................................................................................................... 49

第5章 D市优化调度工程实例 ............................................................................ 50

5.1 D市供水管网基本概况 ................................................................................. 50

5.1.1 供水水源基本概况................................................................................... 50

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5.1.2 供水管网基本概况................................................................................... 51

5.2 D市供水管网建模 ......................................................................................... 52

5.2.1 基础数据收集........................................................................................... 52

5.2.2 管网建模................................................................................................... 53

5.2.3 水力模型动态校核................................................................................... 55

5.3 规避水源污染调度方案 ................................................................................. 55

5.3.1 辛安水厂水源突发污染调度策略........................................................... 55

5.3.2 耿井水厂水源突发污染调度策略........................................................... 57

5.4 本章小结 ......................................................................................................... 59

结论 ......................................................................................................................... 61

参考文献 ..................................................................................................................... 63

附录I 供水量不足时管网水力模型求解部分原程序 ............................................. 67

附录II 算例管网节点信息表.................................................................................... 68

附录III 算例管网管段信息表 .................................................................................. 70

攻读学位期间发表的学术论文 ................................................................................. 72

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ............................................................. 73

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 ............................................................. 73

《学位论文出版授权书》 ......................................................................................... 74

致谢 ......................................................................................................................... 75

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第1章绪论

1.1 课题背景

城市供水管网系统是城市重要的基础设施，与城市交通系统、电力系统、通信系统、供热、供燃气系统等共同组成为城市的生命线工程系统 [1]。它是城市各项事业发展不可缺少的物质保障，也是人民生活和社会生产的命脉，在保障人民生活生产和国民经济建设中发挥着不可替代的作用。随着经济社会的迅猛发展，我国供水事业得到了飞速发展。据2005年《中国统计年鉴》对全国661座城市统计：2004年供水综合生产能力为24753.0万m3/d，年度供水总量4902755万m3，平均日供水量13432.87万m3/d，用水人口30339.7万人，人均日生活用水量210.8L/d，自来水普及率达到88.9%，供水管道总长度358410.5km[2]。进入21世纪后，我国城市供水总量、生活用水量均呈现快速增长趋势。

然而与我国供水事业飞速发展相矛盾的是我国水资源污染严重以及突发性水源污染事件频繁发生。在全国调查评价的700多条重要河流中，有近50%的河流断、90%的城市沿河水域遭到污染[3]。根据近年颁布的《中国环境状况公报》，我国7大河流水系中满足地表水III类标准的断面仅占总断面的30%～40%，而几乎丧失了水体所有功能的劣V类水断面居然也占到30%～40%。同时，在太湖、巢湖、滇池等28个国家重点监控湖泊中，超过六成的湖泊水质处于V类和劣V类的水平。江河湖泊等水污染加剧以及突发水源污染事故的频繁发生，对我国城市供水系统的安全可靠性提出了严峻挑战。为提高城市供水安全可靠性，减少突发水污染事故造成的影响，许多城市开始实施长距离引水、新建水源等工程，逐步形成多水源、多水厂联合供水的格局。为保障供水安全，实施多水源联合供水已成为未来发展趋势。

1.1.1 我国供水水源污染事故频发

我国大部分城市用水水源为河流、湖泊或水库等地表水源。这些地表水源一般流经或靠近城市。未经处理的城市生活污水和工业企业生产废水由于人为或非人为的因素很容易就被直接排放到地表水源中，造成水源污染。据报道，2001年至2004年发生的水污染事故高达3988件，其中大部分是由于企业违法排污和事故引发的水污染事件，这对城市安全供水提出了新的挑战。尤其是最近几年来，我国突发性水源污染事件频频发生，造成城市大面积长时间的停水事件屡见不鲜，

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给城市供水安全造成了严重威胁，给人民的生产生活带来了极大的影响[4]。

2000年11月，黄河遭受突发性污染灾害，水质严重下降，导致包头市以黄河水为水源的黄河净水厂出厂水多项水质指标不合格，迫使该地表水处理厂多次停止供水，最长停水时间约40天。

2005年11月13日，吉林石油化工厂储药设备发生爆炸，大约有100吨硝基苯泄入松花江，长达数百公里的江段遭受污染，造成重大的跨国环境污染事件，直接威胁到两岸的居民的正常用水，该事故导致下游的哈尔滨市被迫停水4天，在国内外引起广泛关注。

2005年12月，广东韶关冶炼厂将高浓度超标含镉废水排放入北江，造成重大污染事件。下游英德市的南华水厂由于水源受到污染于17日停止供水，停水时间长达15天。

2006年，由于滇池周围地区及昆明市大量工业废水和生活污水的排入，导致滇池受重金属污染、富营养化十分严重，多项水质指标已达不到饮用水源标准，占全市供水量53%的昆明市第三水厂被迫停止供水43天，造成城市居民饮用水困难。

2007年5月29日，太湖蓝藻突然爆发，造成无锡市水源水质严重恶化，城市居民饮用和生活用水改由桶装水代替，对社会生产生活产生了极大影响。直至6月4日恢复正常供水，共停水6天。

2011年6月，杭州市两日内接连发生两次水质突发污染事故。4日，杭州市建德境内苯酚槽罐车泄漏，造成杭州市主要取水河流新安江遭到近20吨苯酚的污染；5日，杭州市余杭区自来水厂水源遭到工业园区排放有机物污染，导致当地部分地区停止供水。受此影响，杭州市余杭区采取减量供水措施，严格限制企业生产用水，部分地区学校停课3天。

上述突发水源污染事件的发生，目前还难以做到完全避免，给供水安全提出了严峻的考验。对于城市供水企业来说，在未做到完全避免上述突发污染事故的现状下，关键是要完善应对突发污染事件的应急措施和技术手段，建立从水源到水厂直至管网中用户的多级屏障，积极应对供水水源污染，最大限度减小突发性污染造成的损失及影响，维护社会稳定。

1.1.2 采用多水源联合供水提高供水安全

安全供水是关系到国计民生的一项重要任务，保障供水安全已成为我国供水行业普遍关注的问题。如何应对水源突发污染事件，确保城市供水系统的安全运行、保障社会和人民的安全用水是一个重要的问题。应对突发性水源污染事件，

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行之有效的手段之一是采用多水源供水系统。必须认识到，在某一水源突发污染期间，采用多水源供水系统仍能保障城市一定量的供水，降低了突发性水源污染事故的危害。

2007年，太湖突发大规模蓝藻污染引起无锡市大面积长时间停水事故后，无锡市吸取了单水源供水系统抵御突发水源污染事故能力低的教训，启动了应对突发水源污染的行动计划。该计划的主要内容是新建第二供水水源以及原水源取水点优化，形成多水源联合供水的格局[5]。目前，国内许多城市也吸取了突发性水源污染事故造成单水源城市供水系统供水中断的教训，试图改变城市单一水源供水的不足，实施从距离城市较远的河流、湖泊或水库取水的长距离输水工程。例如，南水北调工程、大连的大伙房水库应急入连长距离输水工程、哈尔滨的磨盘山水库长距离输水工程等。供水系统尽可能形成双水源或多水源、多水厂联合供水的良好格局，这对保障安全供水、应对突发水源污染事件是非常有利的。

1.1.3 优化调度是应急的重要措施

随着经济社会的不断发展，人们对城市供水的安全性、可靠性和运行管理也提出了更高的要求。《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中也提到，城市供水优化调度系统的建设是供水行业建设的重要内容之一，已成为供水企业信息化建设发展的必然趋势。供水企业需要通过供水系统的优化调度，降低供水成本并逐步提升供水服务与管理水平[6]。

为提高供水系统的安全性，针对突发水源污染事件，各地区制定了许多应急预案措施，包括采用应急水处理技术、加强水质预警技术等。其中，对突发水源污染的多水源供水系统进行合理的优化调度就是一项重要的措施。在水源突发污染事故频频发生，供水系统逐步采用多水源、多水厂联合供水的趋势下，如何科学合理的调配各水源在各个供水时段的供水量和供水压力，规避某一水源突发污染事故，最大限度的保障居民安全用水，降低城市供水中存在的突发性污染事故风险，提高城市供水安全，并兼顾供水系统的节能降耗，成为供水行业亟待解决的问题。

1.2 供水管网系统水力模型与优化研究进展

1.2.1 管网水力模型研究进展

供水管网水力模型与供水优化调度有着密切的联系，它是优化调度决策的基础，其准确性直接影响到调度的可靠性和实用性。供水管网系统水力模型是指在特定运行状态下，用来模拟供水系统特性的数学模型。然而，对于任何水力模型，

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无论其多么复杂，只是对实际供水管网系统的近似模拟。国内外许多学者对管网水力建模进行了大量的研究，按照建模方法的不同，一般可将管网水力模型分为三类：宏观水力模型、微观水力模型和简化水力模型。

1.2.1.1 宏观水力模型

宏观水力模型(Macroscopic Model)就是在供水管网实际运行记录的基础上，利用统计分析的方法，建立几个主要变量（流量、压力等）随时间变化的一种经验性的数学表达式[7]。宏观模型应用“黑箱理论”的基本思想，直接建立起供水系统的“输入量”和“输出量”的关系。它不必考虑管网中各节点以及各管段所有的结构和状态参数，避开管网内部繁琐的管网水力模拟计算，而是从整个供水管网系统的角度出发，直接给出与优化调度相关的几个主要参数之间的经验函数关系式。这些主要参数包括供水管网的总供水量、泵站出口的流量及压力、控制点及测压点的压力等[8]。在计算机发展水平比较低的年代，计算耗时是工程应用的瓶颈，因此，国内外学者对宏观模型进行了大量的研究。

1975年，Robert Demoyer JR[9]提出基于管网比例负荷的宏观模型。所谓比例负荷指的是管网中各供水泵站供水量、各节点的用水量以及系统总用水量在不同各个时段都以一个统一的比例因子上下浮动。但在我国城市管网结构复杂，不同类型的用水用户有较大差别，其用水量变化规律存在着很大差别，故供水工况一般不满足该比例负荷的条件。

为了打破比例负荷宏观模型的限制，针对我国大部分城市不满足“比例负荷”模型，1981年刘遂庆提出了分时段的管网统计模型[10]，这种模型实际上就是一种“非比例负荷”模型。国外Tarquin等[11]和国内的孙伟、赵洪宾[12]，赵新华等[13]，王训俭[14]对此也做了相关研究，均是在“非比例负荷”的基础上建立管网模型。“非比例负荷”的模型的主要思想是，利用获取的各个时段几种重要的管网运行参数（如水厂出水压力、水厂出水量、控制点压力、测压点压力等），以统计学为基础，通过获取的运行数据进行回归分析和计算建立起宏观变量之间的回归方程式，从而建立系统网络分析模型。这些模型更加符合我国城市用水量变化规律。

宏观水力模型建模所需要的数据较少，其数学模型简单，建模速度较快，但宏观水力模型只是从统计分析角度，进行模拟计算，没有实质揭示管网内部运行状态，故其精度较低。另外由于宏观模型的数据基础是管网系统历史运行数据，当管网结构变化较快，管网用水规律变化较大时，模型的模拟精度就难以保证，需要及时不断地修正，从而降低了模型的稳定性。

1.2.1.2 微观水力模型

管网微观模型(Microscopic Model)是根据供水管网系统的网状拓扑结构，将管

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网特性用水力平衡方程组描述，计算中多以节点流量为基础变量的一种管网水力模拟模型[15]。一般，按照管网的实际运行情况，以管网中全部管网组件（管段、阀门、水泵等）为模拟计算对象。本质上，供水管网水力计算是建立在质量连续性守恒、能量守恒和管段水头损失方程基础上的，联立描述管网元件的特性方程及边界条件等，求解各节点和管段的运行状态。目前主要的求解方法[16]有解节点方程、解环方程、解管段方程。其明显的优点是直接应用详细完整的管网信息数据库资料建模。

与宏观模型相比，微观模型对系统拓扑的变化和节点用水量模式的变化具有较强的适应性，它可以方便地得到所有管段、节点、水源的工况参数以及各时段的模拟工况。其模拟结果可得到所有节点和管段的信息。缺点是计算工作量大，计算时间较长，占用计算机内存较多。由于计算机技术的飞速发展，计算速度大大提高，再加上计算方法的进一步改善，管网微观模型越来越多的用于管网工况模拟计算。

1.2.1.3 简化水力模型

为简化管网模型，只选取管径较大的输水管段建立管网简化水力模型(Simplified model)，管径较小的配水管网就忽略，例如可以选取管径在DN200mm以上的管段建模。另外，为保证管网的连续性，或为保留较重要的连通输水管，可能还要补充另一些较小管径的管段加以补充。管段简化模型还可以对管段进行并联、串联处理，用一条当量管来替代实际中的两条或更多管段，重新求解管网方程。简化模型是对微观模型的一种简化表达，由于其经过简化会产生比较大的误差，在应用时，应仔细斟酌如何简化管网，并考虑简化模型是否与实际管网等效，是否在允许的误差范围内。

传统的供水管网水力模型基本上都是在供水系统正常供水的前提下建立的，其节点流量是按照用户的需水量给定的，故很难模拟多水源供水管网系统在某一水源事故下供水量不足的运行工况，不能适应本课题研究。针对该问题，本文需对传统的供水管网水力模型进行改进，使其能较好的模拟水源污染事故停水时的供水工况，为应急状态的优化调度创造条件。

1.2.2 供水系统优化调度研究进展

通过查阅大量国内外文献发现，很少有学者对某一水源突发污染事故下多水源供水系统的优化调度进行研究。本文主要介绍对供水系统在正常工况下的优化调度研究进展。

供水管网调度指的是基于管网水力模型建立的调度数学模型求解优化运行的

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决策变量，以得到管网系统中各供水设施的控制参数和运行状态为最终目的。传统的优化运行调度是在满足供水系统约束条件的前提下，使得管网系统运行费用最小，以获得较高的经济效益。优化决策的约束条件主要包括：管网流量连续性方程及环路能量平衡方程，用水节点水头限制，水厂制水能力、泵站供水能力限制，阀门开度限制，水池水位限制等。

供水管网优化调度的研究始于上世纪六十年代，国内外学者对供水系统的优化运行进行了大量研究。目前在发达国家的一些城市已实现了供水系统计算机优化运行管理。由于管网拓扑结构不同，管网中水源数目不同，优化决策的方法也不尽相同。

供水系统运行的优化方法主要包括动态规划法(Dynamic Programming)[17,18]、线性规划法(Linear Programming)[19,20]、非线性规划法(Nonlinear Programming)[21,22]、混合整数线性规划法(Mixed-integer Linear Programming)[23]等。

动态规划法(DP)为求解供水系统优化运行的有效算法。但动态规划法的计算负荷与状态变量的数目密切相关，对于大规模多水源供水系统，动态规划方法由于维数的增加，导致计算负荷急剧增大。DP法对于多水源系统计算量比较大，优化计算时间很长。因此它在实际生产调度中的应用受到了限制。线性规划法(LP)可以处理大量的变量和约束，适于解决大型模型的优化问题，它要求变量之间的关系必须是线性的，但用于供水管网的非线性水力特性计算结果不是十分理想。考虑到供水管网系统中的水力关系是非线性的，非线性规划法(NLP)对在线性规划法的基础上作了改进，并在实际应用中验证了该算法的优越性。但对于大型复杂管网系统，随着决策变量个数的增加，计算耗时也会成倍增加，因此NLP方法的应用也受到了限制。混合整型非线性规划法(MINLP)相对DP、LP和NLP等方法，提高了模型求解的效率。但是MINLP法对于大规模管网系统来说，仍然存在计算耗时的问题。

1.2.2.1 国外研究进展

Ormsbee[24]对上世纪80、90年代供水系统的优化运行方法进行了详细论述，从管网特性（单水源或多水源）、管网水力模型（宏观模型、微观模型及简化模型）和优化求解方法（动态规划法、线性规划法、非线性规划、混合整型非线性规划法以及进化算法）等方面对各种方法的优缺点进行分析比较。

近年来，随着进化算法(Evolutionary Algorithm)的发展，许多学者将遗传算法(Genetic Algorithm)应用于供水系统的优化运行研究。

Mackle[25]利用水池的调节能力和电价的峰谷的模式，采用GA算法求解单水源供水系统的最优化运行方案。Beckwith and Wong[26] 先假定水池的运行轨迹，然

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后采用遗传算法来求解多水源供水系统的优化运行问题。Savic[27]以能量费用和维护费用为目标，运用多目标遗传算法求解同一模型。此外，Ivalermir[28]、Baran[29]等也采用遗传算法对供水管网系统的水泵进行了优化运行计算。

GA算法具有强大的并行搜索能力，可以同时处理离散和连续的变量。GA算法的全局寻优能力与初始化、适应度评价、选择、交叉、变异等操作有关，可以与其它局部寻优方法进行组合，它是一种比较有应用前景的方法。

1.2.2.2 国内研究进展

国内学者从上世纪七十年代开始将计算机技术应用于城市供水系统的模拟及运行管理，对供水系统的优化调度也进行了大量研究，取得了不少成果。

1981年刘遂庆采用回归分析法预测了城市管网系统的用水量，并对泵站出口流量及压力进行优化计算，最终确定了水泵机组的最优化组合调度方案，构建出符合我国城市用水特点的供水优化调度模式[10]。1986年姜乃昌[30]提出了利用管网宏观水力模型对供水泵站进行优化调度的思想，并指出供水泵站的水泵最佳运行组合方式是变速调节，这样有利于节省大量电耗。1989年钟伟俊等[31]提出对含加压泵站的供水管网系统的递阶优化算法，并于1990年将分解协调算法应用于含有水池和水塔的管网系统，但该算法仅适用于由少量管段组成的简单供水系统。1991年，王增义、张宏伟[32]采用约束非线性混合离散变量优化法，对泵站出口流量和压力己知的供水管网系统进行求解，以水泵的优化开启方案。1995年，武福平[33]采用二级优化对供水管网系统进行调度研究，第一级优化中利用综合约束函数双下降法求解得到供水泵站出口的最优流量和压力值，第二级优化中，根据第一级优化得到的泵站出口压力和流量，采用枚举法确定出运行费用最低的水泵组合运行方案。2001年，吕谋、张土乔等[34]提出对于不含调速泵的供水系统，以水泵的启闭状态以及水泵出口压力作为调度变量，以泵站运行费用最省为优化目标，采用一级寻优直接求解。对于含有调速泵的供水管网系统，采用两级寻优，第一级寻优结果为定速泵站中水泵的开启策略以及含有调速泵的混合泵站的出水口压力和流量，二级寻优则求解混合泵站中水泵组合运行状态以及调速泵的调速策略。2006年，信昆仑、刘遂庆[35]采用伪并行遗传算法求解基于微观模型的多水源供水系统优化调度问题。2010年，袁一星[36]等针对大规模城市给水管网系统采用分级寻优建立起优化运行决策模型：第一级寻优以制水成本、能耗等为目标函数，以各泵站出口流量为决策变量建模，并采用约束变尺度法(WHP)进行求解；第二级寻优在满足第一级寻优所要求的泵站流量和出口压力的前提下，求解泵站内的水泵组合优化方案，采用简约梯度算法(RG)求解，并将水泵分为定速泵、调速泵和混合泵分别建立模型并求解各水泵运行方案。方海恩[37]针对多水源多水池供水管

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网系统以供水系统运行费用最小化，漏失量最小化以及节点平均水龄最小化为目标建立供水系统的优化调配模型，并采用多种算法进行了求解对比分析。

国内外对供水管网系统优化调度的研究普遍集中在在管网正常运行工况下采用何种调配策略以降低泵站运行费用。这些研究的前提是满足供水管网中用户的用水需求，即将用户节点的供水量和供水压力作为约束条件。上述优化调度的理论和方法，很难直接应用于水源事故工况下供水量不足的供水管网系统。对水源污染事故下的多水源供水系统需重新确定优化目标和约束条件。

1.2.3 非正常工作状态下调度研究进展

国内外对供水管网在非正常工况下的优化调度研究较少，主要集中在供水管网系统爆管事故下的调度，而对水源突发污染事故下的多水源供水系统调度研究几乎为空白。

郑毅[38]在对管网正常运行状态和管网故障运行状态数学模拟和相关分析的基础上，通过实际管网正常运行状态宏观模型的变换，建立起对管网事故状态模拟仿真的宏观模型。根据我国供水管网的特点，提出了管网事故运行状态下优化调度的目标，建立起管网事故运行状态下优化调度的数学模型，并选择遗传算法对模型进行了求解。吕志成[39]也对供水管网系统爆管事故下的优化调度做了一定研究，首先根据供水系统正常运行工况下的水力模型，采用拓扑学理论给定管网事故状态下的最优关阀方案，再通过水力分析确定出管网管网事故运行与正常运行工况的关系，进而以压力分布均匀、最大限度保障供水安全和提高供水经济效益为目标，建立起事故状态下供水管网泵站的优化调度模型。赵元[40]通过建立管网局部故障工况下的管网宏观模型，以经济运行目标和供水压力目标建立起事故状态下的优化调度模型，并将其转化为单目标问题进行了求解。

1.3 课题来源及研究目的与意义

1.3.1 课题来源

本研究源于国家水体污染控制与治理科技重大专项“水源季节性重污染的城市饮用水安全保障共性技术研究与示范”课题中的子课题一“基于规避水污染高峰的多水源供水优化调度研究与示范”。课题编号：2008ZX07424-006。

1.3.2 研究目的与意义

供水管网系统是向现代化城市和企业供水的大型、复杂和多元化的一套工程系统。它的功能概括地讲就是向其服务对象提供足够的水量和水压，同时要保证

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其连续性、可靠性和卫生安全性。它要求把水安全地、保质保量保压地输配到各用户。如果某供水水源一旦突发污染，就直接威胁到社会生产和人民生活，甚至造成巨大损失，产生恶劣社会影响。城市供水系统优化调度需在传统的以节能降耗为目标的基础上继续深入发展，发展应急响应调度处置。

随着经济和社会的发展，供水安全问题越来越受到重视。我国水污染状况的不断加剧以及其他不确定因素的影响，使得水源突发污染事故频发，对供水系统的安全可靠性提出了严峻挑战。针对突发水源污染事件，各地区制定了许多应急预案措施。其中，对突发水源污染的多水源供水系统进行积极的优化调度是提高供水安全可靠性的重要措施。

对于多水源的城市供水系统，在某一水源突发污染的情况下，需要应急响应关闭受污染水源的水厂和泵站并对其他水厂和泵站进行优化调配。应急响应期间，关闭的水厂完全停止供水，其他水厂的输水量可能会增加。这样，可导致局部地区水压下降，部分地区水压上升，造成供水管网系统压力以及供水量分布不均，另外也会导致供水系统能耗费用的增加。因此如何通过供水系统的优化调度，最大限度的保障供水区域的用水，使得供水系统在应急响应状态下尽可能发挥其功能和效益，降低突发水源污染造成的危害，是供水系统运行的一个重要课题。

国家实施可持续发展战略的“十一五”水重大专项研究中，城市供水安全保障是核心内容之一。因此，很有必要实现多水源城市供水系统在水源突发污染状态下的优化调度，这样可以最大限度的保障供水的安全可靠性，提高供水企业管理水平和效益，同时对经济的持续发展和社会稳定也有一定的实际意义。

1.4 课题研究的主要内容

国内外学者已对供水系统正常运行工况下的优化调度进行了大量的研究，但是对于水源突发污染事故时的多水源供水系统优化调度研究较少。本课题针对突发水源污染事故下的优化调度的研究内容主要包括：

（1）对我国的突发水源污染事故及采用多水源供水的必要性进行概括分析，总结国内外有关优化调度研究的成果；

（2）对供水水管网水力建模过程、校核做出总结，分析影响供水管网水力模型准确度的影响因素；

（3）鉴于传统水力模型难以模拟某水源突发污染污染停水时管网的运行工况，对其改进，建立更符合实际管网运行工况并能模拟水源污染下供水量不足工况的水力模型，利用遗传算法(GA)对供水水力模型进行求解；

（4）针对各水源突发事故对供水系统的影响程度不同，建立起水源污染事故

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下供水管网系统失效程度的评价方法；

（5）建立规避水源污染的优化调度模型，应用遗传算法(GA)对其进行求解，通过操作泵站中水泵的状态，达到在水源突发污染时，最大限度地保证用户的用水，尤其是重点用户的供水，提高管网中实际用水量，降低管网漏失水量，同时兼顾节能降耗。

为更加清晰地描述本论文的研究思路，以框架图的形式表示出研究内容的主要结构框架，如图1-1所示。

图1-1 论文研究内容框架图

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第2章供水管网系统水力建模

2.1 城市供水管网水力模型的构建

城市供水管网系统建模的过程，实际上就是模拟特定运行状态下的实际管网系统，建立起具有供水系统特性数学模型的过程，主要有三部分模拟内容[15]：

（1）图元模拟图元模拟就是将复杂的城市供水管网系统进行拓扑分析，在进行一定可行简化后，将管段、节点、水源、水泵、阀门以及水池等元素以一定的形式输入到计算机中，组成一个具有一定拓扑结构的模拟实际管网图形。输入的元素还应包括其基本的属性信息，如节点标高、管段长度、管径以及水池容积等。这些数据在管网的实际模拟中是不发生改变的，被称作管网的静态信息。根据管网的静态信息可建立起管网系统的图文数据库。

（2）状态模拟状态模拟主要是模拟管网中元素的动态特性，包括节点流量随时间的变化，管道漏失量受管道压力及管道敷设年限的影响，水泵随时间或压力监测点压力大小的开启与调速变化，水源水位随时间的变化，阀门开度对水头损失系数的影响等。这些数据都是随着时间或某一变量而发生变化的，被称作管网系统的动态信息。状态模拟的目的就是利用管网系统的静态和动态信息建立并通过求解管网状态方程（包括节点流量连续性方程、环路能量守恒方程及水头损失方程），进行管网水力计算，以得到各个元素的运行状态（如节点压力、管段流量、水泵出口流量压力等）。

（3）参数模拟参数模拟就是模拟和计算不随时间发生变化的参数。例如，管道水头损失系数C值，不同材料、不同敷设年代的管道，其C值不尽相同。在管网水质分析过程中，引入余氯衰减系数K值。从管道卫生学角度，K值表征管道内化学反应状况，对于不同年代管道、不同材料的K值也不同。所以，管网建模时，也应对C值、K值进行模拟。

2.1.1 供水管网水力建模所需信息

为进行供水管网水力水质分析建立管网水力模型所需要的数据信息有管网静态和动态信息。建模过程中需开发一个管网信息数据库，该数据库应包含管网系统全部信息。包括节点信息，如节点标高、节点流量等；管段信息，如管长、管径、管材、管道摩阻系数C值；水源水位、高位水池水位、水泵流量扬程特性曲线和功率、阀门、减压阀、止回阀以及其他设备信息。同时，还应包括管网主要

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的运行信息，如阀门开启度的变化、用水量的变化等。

2.1.1.1 管网静态信息

管网信息数据库中的管网静态信息应包括以下信息：

（1）节点信息：节点编号、节点位置信息、节点流量、用水节点类型、节点标高、埋设深度、节点最小服务水头；

（2）管段信息：管段连接节点编号、管段编号、管道长度、管径、管材、管道承压能力、敷设年代、管段摩阻系数C值、管段位置、余氯衰减系数K值等；

（3）储水池信息：储水池位置、最大允许容积、最小允许容积、最高、最低储水位、进出水管径等；

（4）水源信息：水源编号、水源名称、地面高程、水泵型号、台数、清水池数量、容积、清水池最高、最低水位等；

（5）水泵信息：水泵特性曲线、功率、转速、比转数、调速比等。

2.1.1.2 管网动态信息

管网信息数据库中的管网动态信息应包括以下信息：

（1）整个管网总供水量、各个水厂水量分配及各水厂出口供水压力等信息；