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基于fmGA的供水管网系统模型自动校核及模型应用

作　者: 舒诗湖
导　师: 何文杰；袁一星
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 市政工程
关键词: 供水管网水力模型水质模型自动校核快速混乱遗传算法供水安全
分类号: TU991.33
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

供水管网是城市发展的重要基础设施,供水管网数字化、信息化管理问题已经成为当前我国社会经济可持续发展的突出问题之一。中国供水行业制订的《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中,对供水管网系统总的要求是:安全供水,提高供水水质。为了保障城市供水管网系统的供水安全,特别是保障饮用水的水质安全,必须更好的全面了解供水管网中的水力、水质工况,而管网建模是最有效的方法。针对管网建模基础资料准确性的不足,本研究动用大量人力物力对模型基础资料和关键参数进行了大量的实测工作并改进了测试方法,实测内容包括管道、阀门阻力系数,大用户用水量变化规律(用水模式),水泵特性曲线,关键节点高程实测,主体水余氯衰减和管壁衰减系数以及可同化有机碳(AOC)动力学参数等。改进后的实测方法使模型参数初始估计值更贴近实际。在全面掌握和分析供水管网水力、水质资料的基础上,利用计算机建模技术,构建管网系统水力、水质模型,进行了管网模型与SCADA系统接口设计,实现了供水管网系统水力、水质的动态模拟。模型校核是供水管网系统模拟的技术核心,采用优化算法的模型自动校核是目前研究的前沿和未来的发展方向。本文探讨了不同用途管网模型的校核精度问题,分析了目前各种管网模型校核方法存在的主要问题,即不确定性问题和大模型校核时间过长问题,并提出了相应的对策,即大模型参数的有效分组,遗传算法的并行化以及实测模型初始参数等。采用多目标遗传算法和神经网络结合进行了监测点的优化布置研究,采用一次二阶矩(FOSM)方法对模型校核参数的不确定性问题进行了分析;采用快速混乱遗传算法(fmGA)进行了模型自动校核的实例分析,得出目前模型校核应以手动校核为主,自动校核为辅的结论。在校核后模型精度满足要求的基础上,建立了供水管网工况分析数字化平台,并用于指导城市供水管网系统规划和安全供水的实践。在城市供水管网系统安全供水的实际工程中,通过供水管网工况分析数字化平台可对各水源的不同供水量工况进行计算,可分别给出各种工况下供水管网系统中关键阀门开启度、管段负荷图、自由水压等值线图、各水源供水区域分布图。在供水管网工况分析数字化平台的基础上,采用灰色模型进行了中长期用水量预测,提出多个安全供水方案和几个方案比较指标,对M市在水源变更下的供水规划安全供水项目进行了多时段、多工况和多方案的分析,得出方案3为较优的水源变更方案。供水管网水质安全受到越来越密切的关注,在水力模型和动力学参数实测的基础上,提出了估计主体水和管壁动力学系数kb和kw初始值的具体方法,改进了交叉节点的水质混合计算方法,实验和模拟结果表明改进后的节点水质混合方式更贴近实际;探讨了不同类型水质模型的校核精度和校核方法问题,提出将交叉节点的水质混合调整系数纳入模型校核参数优化的范围,并建议水质模型校核分两步走的技术步骤。以多水源余氯模型为例,自动校核过程中,根据水力模拟确定各水源供水区域,在各自的供水区域内假定kb是相同的,各设置一个调整系数统一进行调整。假定余氯衰减级数和限制浓度已知,这样自动校核过程需要调整的系数只有kb和节点水质混合系数s,管壁反应系数k w通过调整C值间接调整。kb按各水源供水区域分成两组统一调整,节点水质混合系数s的调整范围也不大,极大的降低了计算强度,节约了自动校核的计算时间。细菌在配水系统中的再生长问题,目前传统的单物质水质模型无法对其进行定量研究,且不适合多水源供水系统的水质模拟,本文采用直接和间接两种方式模拟细菌在配水系统中的再生长。首先采用多物质反应水质模拟方法,建立了管网微生物再生长模型,可直接模拟多水源管网系统中微生物的数量以及更好的模拟余氯的衰减;其次在采用单物质反应模型模拟AOC浓度变化的基础上间接模拟管网中异养菌的分布。根据国际水协会(IWA)的风险评估报告,饮用水中微生物对人体的风险是最高的,其中占很大比例的是异养菌。本文引入效率因子的概念,在简单反应器的基础上进行理论探讨和影响因素分析,提出几个假设条件,分别对实际管网中主体水和管壁反应的AOC动力学进行研究,并提出了AOC在实际管网中的反应动力学方程。根据管网水中AOC浓度与异养菌平板计数(HPC)良好的相关性,间接模拟HPC在管网中的动态分布,并通过算例验证了该方法的可行性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-33
  1.1 课题背景  15-16
  1.2 我国供水管网系统建模的机遇与挑战  16-20
    1.2.1 管网建模的机遇  17-18
    1.2.2 管网建模的挑战  18-20
  1.3 国内外管网模型的研究进展  20-31
    1.3.1 管网水力模型的研究与应用  21-26
    1.3.2 管网水质模型的研究与应用  26-30
    1.3.3 模型自动校核研究进展  30-31
  1.4 课题研究的目的、意义及内容  31-33
    1.4.1 课题研究的目的及意义  31-32
    1.4.2 课题研究的主要内容  32-33
第2章管网模型参数实测与水力模型建立  33-61
  2.1 水力建模技术流程  33-34
  2.2 模型参数实测  34-58
    2.2.1 大用户用水规律（用水模式）实测  35-38
    2.2.2 管道阻力系数实测  38-44
    2.2.3 阀门阻力系数实测  44-54
    2.2.4 水泵特性曲线实测  54-56
    2.2.5 节点高程GPS实测  56-58
  2.3 供水管网系统动态模型建立  58-60
    2.3.1 管网和SCADA数据要求  58-59
    2.3.2 管网模型和SCADA接口设计  59-60
  2.4 本章小结  60-61
第3章基于fm GA的管网水力模型自动校核  61-94
  3.1 管网水力模型校核  61-66
    3.1.1 模型校核精度分析  62-64
    3.1.2 模型校核方法  64-66
  3.2 优化过程采用的遗传算法  66-79
    3.2.1 遗传算法基本原理  66-69
    3.2.2 遗传算法数学机理  69-70
    3.2.3 快速混乱遗传算法  70-75
    3.2.4 非控制排序遗传算法  75-79
  3.3 监测点优化布置  79-85
    3.3.1 监测点优化布置模型建立  80-81
    3.3.2 监测点优化模型求解  81-83
    3.3.3 监测点优化结果分析  83-85
  3.4 自动校核面临的问题和对策  85-88
  3.5 模型自动校核结果分析  88-93
  3.6 本章小结  93-94
第4章管网模型在水源变更下安全供水中的应用  94-110
  4.1 中长期用水量预测  97-101
    4.1.1 灰色预测方法简介  98-99
    4.1.2 GM(1,1)用水量预测模型的建立及求解  99-100
    4.1.3 预测结果与精度分析  100-101
  4.2 规划模拟及方案比较  101-109
    4.2.1 方案评价指标  102-103
    4.2.2 2015 年供水规划  103-106
    4.2.3 2020 年供水规划  106-109
  4.3 本章小结  109-110
第5章管网水质模型自动校核及其应用  110-141
  5.1 单物质反应模型  111-114
    5.1.1 单物质反应水质模型  111-112
    5.1.2 单物质反应水质模型的求解  112-114
  5.2 多物质反应模型  114-118
    5.2.1 多物质反应模型原理  115-116
    5.2.2 模型求解  116-118
  5.3 管网水质节点混合模拟方法的改进  118-121
  5.4 水质模型校核方法的改进  121-128
    5.4.1 水质模型校核标准  122-123
    5.4.2 水质模型自动校核的改进  123-126
    5.4.3 模型自动校核结果分析  126-128
  5.5 管网细菌再生长模型的应用  128-140
    5.5.1 单物质反应模型对HPC的间接模拟  129-136
    5.5.2 多物质反应模型对管网中细菌的直接模拟  136-140
  5.6 本章小结  140-141
结论  141-143
参考文献  143-153
攻读学位期间发表的学术论文  153-155
致谢  155-156
个人简历  156

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