供水管網(wǎng)水力模型校核與漏損定位研究.pdf

1、管網(wǎng)水力模型的構(gòu)建與運(yùn)用是實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)現(xiàn)代化管理的必要手段與途徑,它不僅有助于供水調(diào)度、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)管理,還是開(kāi)展管網(wǎng)漏損定位、管網(wǎng)水質(zhì)模擬、預(yù)警突發(fā)性水質(zhì)污染事件等相關(guān)研究的基礎(chǔ)。在構(gòu)建的管網(wǎng)水力模型中,由于節(jié)點(diǎn)流量與管道阻力系數(shù)無(wú)法直接測(cè)量,需要通過(guò)實(shí)測(cè)的水壓與流量數(shù)據(jù)進(jìn)行校核,在監(jiān)測(cè)點(diǎn)不足的情況下,如何有效校核水力模型并提高校核效率是管網(wǎng)研究領(lǐng)域的難點(diǎn)與熱點(diǎn)問(wèn)題。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、殴芫W(wǎng)水力模型校核是復(fù)雜的非線性優(yōu)化問(wèn)題

2、,其求解方法主要有基于確定性問(wèn)題的“梯度迭代算法”(Gradient-based algorithm)和基于隨機(jī)性問(wèn)題的“隨機(jī)搜索算法”(Stochastic search algorithm)。雅克比矩陣的計(jì)算是利用梯度迭代算法實(shí)現(xiàn)參數(shù)校核的關(guān)鍵,目前“擾動(dòng)法”被最廣泛用于計(jì)算供水管網(wǎng)雅克比矩陣,但該方法計(jì)算量大且精度低。本文應(yīng)用矩陣分析法推導(dǎo)了供水管網(wǎng)雅克比矩陣的解析式,分別包括節(jié)點(diǎn)水壓與管道流量對(duì)節(jié)點(diǎn)流量、管道阻力系數(shù)、管徑的雅克

3、比矩陣解析式。該式的導(dǎo)出不僅能提高管網(wǎng)參數(shù)校核程序的運(yùn)算效率,還有利于參數(shù)敏感度分析、漏損定位、水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置等相關(guān)研究的開(kāi)展。
　?、铺岢隽嘶诮?jīng)驗(yàn)信息的加權(quán)最小二乘管網(wǎng)阻力系數(shù)校核法。由于實(shí)際中監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)小于未知量個(gè)數(shù),管網(wǎng)阻力系數(shù)校核為欠定問(wèn)題,傳統(tǒng)校核方法習(xí)慣將管道按管材與管齡進(jìn)行分組以減小未知量個(gè)數(shù),本文將管道阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值作為偽觀測(cè)值引入目標(biāo)函數(shù),相較于傳統(tǒng)方法,其優(yōu)點(diǎn)是能充分利用管道阻力系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值方便地將欠定

4、校核問(wèn)題轉(zhuǎn)化為超定。
　?、菢?gòu)建了管網(wǎng)反計(jì)算模型并用于節(jié)點(diǎn)流量實(shí)時(shí)校核?？紤]到通常將節(jié)點(diǎn)流量校核轉(zhuǎn)化為優(yōu)化問(wèn)題求解需反復(fù)執(zhí)行管網(wǎng)水力平差計(jì)算(正計(jì)算),本文構(gòu)建了一個(gè)新的反計(jì)算模型,該模型采用矩陣分解法分離管網(wǎng)質(zhì)量與能量方程中的變量,重新構(gòu)建管網(wǎng)質(zhì)量與能量方程組。通過(guò)直接求解該模型可同時(shí)獲得管網(wǎng)中未知的節(jié)點(diǎn)流量、節(jié)點(diǎn)水壓與管道流量,且無(wú)需進(jìn)行傳統(tǒng)的管網(wǎng)正計(jì)算,為管網(wǎng)水力模擬提供了一個(gè)新的算法。
　?、葷B漏管網(wǎng)水力特性及漏損定

5、位研究。為研究滲漏管網(wǎng)水力特性、模擬管網(wǎng)漏損時(shí)水力狀態(tài),構(gòu)建了管道滲漏模型并利用相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)論證了模型的可靠性,將管道破損形式進(jìn)行分類并提出了不同形式破損口滲漏面積的計(jì)算方法。管網(wǎng)漏損可視為節(jié)點(diǎn)流量的異常增大,會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值的異常變化,利用一次二階矩法量化監(jiān)測(cè)值的正常波動(dòng)范圍,實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)漏損預(yù)警。將漏損定位轉(zhuǎn)化為與節(jié)點(diǎn)流量校核相似的優(yōu)化問(wèn)題,以最小化監(jiān)測(cè)值與管網(wǎng)水力模型計(jì)算值的差構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),通過(guò)逐個(gè)校核節(jié)點(diǎn)流量比較目標(biāo)函數(shù)殘差實(shí)現(xiàn)了管網(wǎng)

6、漏損定位?？紤]到對(duì)大型管網(wǎng)逐個(gè)校核節(jié)點(diǎn)流量計(jì)算量巨大,利用加權(quán)最小二乘回歸法對(duì)目標(biāo)函數(shù)的一階泰勒展開(kāi)式進(jìn)行殘差計(jì)算,提高了漏損定位效率。
　?、煽紤]管網(wǎng)漏損特征的水壓與水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置。定位管網(wǎng)漏損需要利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)提供的相關(guān)信息,優(yōu)化水壓與水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置可使漏損引起的壓力變化或水質(zhì)污染盡可能被及時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。通過(guò)計(jì)算管網(wǎng)中各管道與節(jié)點(diǎn)的漏損概率,利用Kmeans聚類法對(duì)水壓敏感度矩陣進(jìn)行聚類分析,優(yōu)化了水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置?？紤]到實(shí)