北京市南水北调工程供水管网调度分析 61页

'万方数据大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1课题背景与研究意义我国水资源南多北少，东多西少，空间上分布极为不均。长距离输水工程能够直接有效地解决我国水资源分布不均的难题。南水北调中线工程是我国为解决北方地区水资源严重短缺，有效实施水资源优化配置而建设的一个特大型基础设施项目，该工程引水起始端为丹江口水库的陶岔取水口，末端为北京市的团城湖明渠，输水干渠全长共1276km。致力子将湖北省丹江口水库的优质水源安全、可靠地输送至北京市团城湖，为北京市的生活和工业用水提供保障。南水北调中线工程的实施，对提高北京市城市供水保证率，从根本上解决日益严重的北京水资源供需矛盾，改善生态环境，保证首都社会稳定和可持续发展等方面有着十分重要的意义。北京市位于南水北调中线工程末端，是其沿线各省市中建成并投入运行最早的城市。2014年底南水北调中线工程总干渠末端北京市团城湖明渠开闸放水，届时北京市将形成“26213”的供水格局，即由两大动脉、六大水厂、两个枢纽、一条环路和三大应急水源组成的复杂供水系统。该供水系统针对调度提出了更高的要求，牵一发而动全身，某一处流量的变化可能导致全线调度方案的调整，一个IJ,4,的失误，就可能造成管道局部压力急剧增大，从而导致管道裂缝漏水，严重的将可能发生爆管等后果，对北京市的供水安全可能会造成极为严重的影响。因此，建立北京市南水北调工程的调度模型，针对不同工况制定合理的调度方案是必要和紧迫的。为保障北京市南水北调工程的安全输水，提高输水系统的稳定性和供水保证率，且便于运行管理，根据不同的地形和地质条件，在沿线设置了调压池、水库、涵洞、倒虹吸、泵站等交叉建筑物；与此同时，为控制输水管道运行，沿线还布设了节制闸、退水闸和分水口门等控制工程。这种既有管道又有交叉建筑物和控制建筑物的输水结构在建立数学模型进行数值模拟时，必须将交叉建筑物和控制建筑物当成内边界条件或特殊节点进行概化处理，才能对整个输水体系的水力响应过程实现准确模拟【1l。所使用的数值模拟模型既要能模拟出各种建筑物影响下的水流变化，同时还必须能够反映节制闸开度变化，分水口分水流量变化等控制运行操作下的管道水力响应过程。因此，必须针对北京市南水北调工程开展研究，建立合适的水动力学模型。本文以北京市南水北调工程运行调度特点和要求为基础，在对国内外水力模拟方法进行调研的基础上，建立适合于北京市南水北调工程运行要求的水力模型以及求解方法，为北京市南水北调工程的实际调度和运行效益的发挥提供科技支撑Lzj。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究1．2相关领域国内外研究现状1．2．1供水管网优化调度研究现状国外关于供水管网的优化调度研究起源于上世纪70年代，至今己取得不少经验和成果。VilasNitivattananon[3,4】针对水泵供水能力、管网用水负荷及其他地理条件的限制提出了采用逐步优化的方法求解优化调度动态规划数学模型的方法，此方法把供水管网中的优化调度模型按不同区域和时段分成若干子模型进行研究；Sakarya、A．BurcuAltanp’等人在对供水系统中泵的优化调度中考虑了水质因素的影响，通过与水质、水力模拟代码，非线性优化代码连接得到最优解；除此之外，McGuire，MichaelJ．L6J、Qingzhang【，J、Pelletier，Gnevievel8，9】等学者也对管网优化调度进行了研究，并提出与SCADA系统相结合的实时优化调度。国内学者于上世纪70年代已经开始采用现代计算机信息技术对供水系统进行模拟、优化设计以及水质的控制等。同时也在供水系统的优化调度管理方面进行了诸多的尝试和探索，编制了一些优化调度应用软件，并在黑龙江、山东、河南、广东等地进行了应用，但由于国内在该领域上的技术手段、设备条件等方面存在局限性，供水系统的可靠性及经济性方面研究成果尚不多见。在我国倡导建设新型节约型社会的口号下，进行供水管网系统优化调度是一种必然的趋势。1．2．2不确定性分析研究现状不确定性分析最早应用于供水管网系统的可靠性研究和水力的不确定性研究。WagnerIloJ采用蒙特卡罗随机抽样的方法，以水泵断电和管路断裂作为随机事件，分析了其对管网节点压力的影响。国内外学者关于供水管网的水力不确定性进行了一些研究，KapelanlllJ等仅对节点流量不确定性进行研究，并用遗传算法对随机优化模型进行求解；Babayan[12】等分析了节点流量不确定性对供水管网设计的影响，认为忽视节点流量的不确定性将导致设计失败；金溪【13】用线性化供水管网概率模型，评价了节点流量的随机性对供水管网水力特性的影响，发现如果节点流量变异系数较大，会增加线性近似随机性分析的误差；舒诗湖【14】基于蒙特卡罗方法从数据输入精度方面对供水管网模型状态量的不确定性进行了分析。1．2．3非恒定流研究现状对于管道中水击问题的研究可以追溯到19世纪中期，在此之后，很多学者对水击问题进行了进一步的研究。随着对水电站引水系统中恒定流与非恒定流的深入研究，国内外学者在恒定流与非恒定的基本原理和计算方法方面上均取得了较大成就。近年来， 万方数据大连理工大学硕士学位论文随着现代信息技术的不断普及和应用，数值模拟计算方法逐渐在实际输水工程运行中得到应用。2000年，PrasadaRao和ScottA．Yost[”J对一维非恒定流模型进行求解，对瞬态水波在明渠中传播的情况进行了模拟；21世纪初，Izquierdo[16]等基于水锤的弹性理论建立了简单管道水力瞬态的数学模型；与此同时，Filion、K锄e11『7】建立了瞬变流的延时分析模型，对水锤从产生到消失的过程进行了模拟，模拟结果较准确地提供了最不利时水锤的压力变化：2003年Ansari、Mohammad[18】等以某段输水管线为例分析了管道发生水锤时关阀速度对管道水锤最大、最小水压的影响；同年，Jayaraj等Il州人分析了阀门快速关闭时的水锤问题；2008年，Afshar等人【20】对阀门关闭时间进行计算，研究关阀时间长短与水锤压力之间的关系。目前，国内有关长距离、大流量明渠输水方面的研究较多。其中一些是关于明渠中分水口需水量变化在全线形成的非恒定流过程121,221的研究，如方神光等瞄1以南水北调中线天津分水口为例，模拟计算了分水口各种分水状态下干渠中的水流过渡过程；另外多数研究集中于渠道中闸门控制引起的非恒定流过程【23‘27】，如倪新贤等【27】结合南水北调中线输水工程，采用显式的特征线法求解圣维南方程，实际模拟输水渠道闸门问题，分析了闸门对渠道中非恒定流的影响；1998年朱承军、杨建东【28J对非棱柱体管道的一维非恒定流过程进行模拟计算，对管道中的瞬变流做了模拟求解；2002年，郑源[29J等对管道中气液两相流的研究进展进行了回顾，对100多年以来输水管道中的空穴流及液柱分离、水锤防护等方面的研究进展做了综述；2005年6月，樊希葆，谢水波等130J利用新的迭代方法对停泵水锤中的边界条件及阀门动作对水锤的影响做了研究分析；同年7月，郑源、屈波等人【3l】对输水管道体系中的含气水锤进行了研究：同年10月，钟登华等p2J用响应曲面法对复杂长距离输水管线进行优化仿真模拟，得到输水管线中的压力状态；2006年，东南大学谭平等133】对动力管道水锤激振进行分析，计算了水锤对管道产生的巨大破坏；2008年，余太平【34】等通过对长距离输水管线安全供水问题的研究，发现水力过渡过程是影响输水系统安全运行的重要因素；冯卫民、曹慧哲等【3孓371对由关阀引起的水锤进行了研究，提出了在输水系统实际运行过程应减少因阀门操作产生的水锤力，以防压力过大破坏管道。1．2．4存在问题(1)北京市南水北调供水系统存在的问题北京市南水北调工程输水距离长，地势复杂，为保障安全输水，管道与沿途河流、公路的交叉工程全部采用立交布置。根据不同的地形和地质条件，在沿线设置了调压池、 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究水库、涵洞、倒虹吸、泵站等交叉建筑物；为控制输水管道运行，沿线同时也布设了节制闸、退水闸和分水口门等控制工程。因此，管网布置比较复杂，并且工程各部分地面标高相差较大，导致输水管段压差比较大。如果管理不当，容易造成高压区管网压力不足，甚至不能满足最不利点对水压的要求；而低压区压力过高，易发生爆管等事故。因此，如何在保证供水要求的情况下使管网压力更为合理是优化调度需要考虑的问题13引。北京市南水北调供水管网的复杂性对优化调度提出了更高要求。(2)水力模拟不确定性存在的问题水力模拟的准确性很大程度依赖于基础资料的准确性和监测数据的完整性。一方面，我国管网信息化管理起步较晚，多数水务集团未建立相应的GIS数据库，且缺少足够的人力进行现场调研，导致资料数据的匮乏。另一方面，我国大多数管网仅在起点与终点设有水压监测点，这样不但影响数据的准确性，同时还增大了水力参数校核的难度。因此为保证供水管网的优化调度及安全运行，须研究模型参数对供水管网水力特性的影响【39】O(3)非恒定流研究存在的问题国内外对城市管网的水力过渡过程进行了大量的研究，也有不少学者对长距离渠道输水工程中的水力过渡过程进行了研究，但是针对长距离输水管网安全运行问题研究的较少。输水系统安全稳定输水是决定工程成败的关键因素，近年来由于停泵、阀门突然关闭等水击事件的频繁发生严重威胁着输水系统的安全运行。北京市南水北调工程输水线路较长，干线工程长80km，市内配套输水工程干线4条共187km，除了干线末端采用800m的明渠输水外，其他线路均为有压输水。并且北京市南水北调工程沿线构筑物及控制建筑物比较多，管网连接相对复杂，如果发生水击，水击波通过管道需要相当长的时间，由此引起的压力可能大到足以使管道破裂，一旦阀门因停电或操作失误，管路中会出现很强的正负水击压力，其危害不仅会使管道本身破裂，而且对阀门有严重的损伤。目前，由于专门针对南水北调长距离有压输水工程非恒定流问题的研究较少，缺乏针对性的应急调控措施，因此针对北京市南水北调长距离输水工程的非恒定流进行研究，对降低水击危害和减少损失有着不可替代的作用。1．3本文主要研究内容1．3．1主要研究内容本文利用非支配排序遗传算法NSGA．II对北京市南水北调工程正常供水阶段模拟出多组可行方案，并对方案进行对比分析，最终选取一组最优方案为调度方案；分析了模型参数对供水系统的敏感性，选择其中比较敏感的参数分析了其对供水系统的不确定4 万方数据大连理工大学硕士学位论文性影响；应用科学计算语言Java建立了一维水动力学模型，并利用所建模型对北京市南水北调工程应急检修工况进行模拟。本文主要研究内容如下：第一章绪论。首先简要论述了本文的选题背景和研究意义，然后总结了目前国内外关于供水管网优化调度、不确定性分析和非恒定流的研究现状和存在的问题，最后阐明本文主要研究内容。第二章北京市南水北调工程概况及研究范围。本章首先简单介绍北京市南水北调工程的干线工程和配套工程的主要任务、主要组成部分，为本文的研究内容提供工程背景基础；然后对本文所研究的工程范围进行了介绍；最后阐述了建模过程中工程概化情况。第三章北京市南水北调工程正常供水可行方案研究。首先对正常运行工况以及需要解决的问题进行了描述；然后针对待解决问题建立了相应的优化模型；同时对模型的求解方法—NSGA．II的基本原理和计算方法进行了介绍，并利用该方法为北京市南水北调工程正常供水阶段优化出多组可行调度方案：最后考虑调度规则约束和相邻供水管道压差，对方案进行分析比选，最终选出一组最优方案；第四章不确定性分析。本章首先对参数敏感性分析方法一Sobol进行简单的介绍，然后对工程不同管道粗糙系数、闸门局部损失系数等8个参数进行敏感性分析，找出其中比较敏感的参数，并分析了这些参数对模型的不确定性影响。第五章水动力学模型建立及应急检修工况模拟。首先介绍了水力学非恒定流计算原理，并对非恒定流多种求解方法进行简单介绍；然后针对北京市南水北调工程建立了一维水动力学模型，并结合工程实际情况，选择合适的求解方法；最后采用建立的一维水动力学模型对应急检修工况进行模拟计算，并对检修过程中可能出现的水锤问题进行了研究，为北京市南水北调工程的通水及安全运行提供了一定的参考。第六章结论与展望。本章对本文的主要研究内容和取得的主要成果进行总结，提出供水管网优化调度尚且存在的一些问题和未来的发展趋势。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究1．3．2文章结构图。-。●______-●●__。_________。________-。-●_-_。-●。-。。__-●_-●____--。。●__。。●-。●。。。。___。____——i弟1草缯论41．i第2章北京市南水北调工程概况I干线工程：l配套工程I本文研究范围及工程概化情况fi．-．．．．--．。‘-．⋯圳-lt．．¨t．．¨1．．．--，‘一-．^-i毒第3章北尿f：口罔水北调工程正常供水可行方案研宄j卜=I工况及问题描述t模型建立’模型求解，{可行方案研究及优选}一一：笛^軎世豫I的木墙卓挫厶婚I一一j弟4旱俣型H、J个硼疋。I士万形r}敏感性分析■，T参数选取卜|—_目标函数选取I’／I、侧疋比刀。们挫丛士二I_1第5章水动力学模型建立及应急检修工况水力模拟}模型求解方法概述’；特征线法求解水动力学模型’模型合理性验证●应急检修工况模拟◆第6章结论与展望图1．1文章结构流程图Fig．1．1Structurediagramofthepaper一6一 万方数据大连理工大学硕士学位论文2北京市南水北调工程概况及工程概化2．1工程概况南水北调工程是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工程。南水北调工程的实施，对于优化中国水资源配置，建设资源型、环境友好型社会，进一步推动小康社会建设和实现经济社会的可持续发展具有极为重要的作用。北京属于资源型重度缺水地区，人均水资源量不足300m3，仅为全国的1／8、世界的1／30，远远低于国际公认的人均1000m3的缺水下限。水资源紧缺已成为制约北京经济社会可持续发展的第一瓶颈。南水北调中线工程是解决我国北方地区水资源严重短缺，实施我国水资源优化配置的特大型基础设施项目，总干渠全长1276km。工程建设的修建任务为由丹江口陶岔取水口至末端团城湖明渠的输水总干渠，2008-2014年将河北省西大洋、王快、岗南、黄壁庄等水库的水调向北京，为北京提供应急水源创造条件，2014年后将丹江口水库的优质水源安全、可靠的输送到终点团城湖，向北京市提供生活、工业用水。北京市南水北调工程的实施，对提高北京市城市供水保证率从根本上解决日益严重的北京水资源供需矛盾、改善生态环境、保证首都社会稳定和可持续发展等方面有着十分重要的意义。2．1．1干线工程北京市南水北调干线工程位于南水北调中线工程的末端，起点位于北京房山区北拒马河中南支，终点为北京海淀区的团城湖，全长约80km。沿线设房山、燕化、良乡、长辛店、王佐、南干渠、新开渠、永引渠、水源三厂、团城湖分水口。工程主要任务：将上游南水北调中线工程总干渠来水，通过北拒马河渠首枢纽的连接与控制，经输水暗渠穿越北拒马河中、北支，经惠南庄泵站、惠南庄～大宁压力输水管道，进入大宁调压池，再通过永定河倒虹吸、卢沟桥暗涵、西四环暗涵、团城湖明渠输至北京段终点团城湖，实现北京段总干渠管涵输水。工程近期向北京市应急供水，待南水北调中线程全线竣工后，承担向北京市输送来自丹江口水库汉江水的任务。北京段总干渠采用管涵加压方案。除干渠末端外，沿线不设明渠。采用小流量(Q茎20m3／s)管涵自流，大流量管涵加压输水方式。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究图2．1北京市南水北调干线工程总平面示意图Fig．2．1ThemainengineeringlayoutdiagramofSouth-to—NorthWaterDiversionarojectinBeijing(1)惠南庄～大宁段工程自惠南庄泵站出水钢管接输水干管；管道沿低山、丘陵地带布置，管线穿越河、沟渠均采用下置方式；为缩短管线长度、减少深挖石方段、减少折点及施工难度，布置了2座压力隧洞，在隧洞进、出口管线中心距在6．10～20．0m之间渐变与隧洞连接；输水干管末端设控制蝶阀井，井后管线与大宁调压池南壁2-DN3．6m钢管对接，终点至大宁调压池。输水干线为2排内径4．0m的预应力钢筒砼管(PCCP)；管线主要布置在房山区的山前及丘陵地带，为保证管道运行安全，当Q=20m3／s时管顶最小压力水头不得小于2．08 万方数据大连理工大学硕士学位论文m。工程由54．20km长2．DN4．0mPCCP压力管道、2．28km长2孔DN4．0m压力隧洞、管道附属建筑物及永久巡线路组成。(2)大宁调压池工程大宁调压池位于惠南庄～大宁段末端，控制范围长127．89m。调压池以永定河倒虹吸进口两侧翼墙中心线为轴线对称布置，采用方形台地中央布置圆形钢筋混凝土水池的结构。调压池内径81．0m，起始段底高程与压力管道管内底齐平为46．50-46．30m(北京地方高程系统，下同)，长15m，其余池底高程46．80m。调压池周圈池壁采用扶臂式钢筋砼挡墙结构，高度16．20m，池项高程63m。池顶外布置环形甬道，甬道宽6m，甬道高程61．80m。甬道外侧为边长116m的台地，台地边距甬道外侧挡墙最近距离10．50m，台地高程59m。坡脚外设巡线路。调压池占地宽190m，长154m，总占地面积298001m‘。(3)永定河倒虹吸工程永定河倒虹吸包括进口段、闸室段、管身段，总长2510．79m。永定河倒虹吸进水闸室设在大宁调节池北侧，共四孔。其中两孔为团城湖引水口，另两孔为南干渠分水口，分水设计流量为35m3／s。在倒虹吸进口东侧，设有退水闸。退水闸与进水闸平行布置，相距4．50m，中间采用分水尖分隔水流。进口两侧采用弧型翼墙与调压池池壁挡墙相接。倒虹吸管身穿越大宁水库副坝、大宁水库库底、永定河右堤、永定河主河槽、永定河左堤及公路五环以后到达终点与卢沟桥低压暗涵相接。(4)卢沟桥暗涵工程卢沟桥暗涵与永定河倒虹吸北侧的两孔箱涵对接。卢沟桥暗涵全长5271．75m，采用钢筋混凝土箱涵形式，终点与西四环暗涵相接。(5)西四环暗涵工程西四环暗涵总长12．64km。工程主体由长1370m双孔联体明挖方涵、长210m双孔联体暗挖方涵、长10．96km(含穿越五棵松地铁站工程、铁路交叉工程)两条并行圆形暗涵以及O．10km出口闸组成。沿线布置有新开渠左分水口、永引渠左、右分水口以及第三水厂分水口、调压井1座、排气阀井3对、通气孔l1对(其中6对兼做排水检修孔)、检修井2处。(6)团城湖明渠工程起点位于大潮市场内的西四环暗涵出口闸末端，经过金河、金河路和船营村，穿过颐和园围墙后进入团城湖下游京密引水渠昆南段，渠道总长为885．00m，由777．80m明管段及107．20m团城湖闸(包括出口暗涵段)组成。沿线主要交叉两处，分别为金河、金河路与干渠相交。主要建筑物四座。分别为金河交叉处左岸排水倒虹吸一座；金河路 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究交叉处新建跨渠船营公路桥一座；出口设团城湖闸一座；新增分水口一处，为团城湖分水口。2．1．2配套工程为了做好北京市供水系统空间布局的战略性调整，2007年初由北京市南水北调工程建设委员会办公室同北京市发展和改革委员会、北京市规划委员会和北京市水务局共同编制完成了《南水北调市内配套工程总体规划》。总体规划提出了“两大动脉、六大水厂、两个枢纽、一条环路和三大应急水源地"供水格局。其中“两个枢纽”即为大宁调蓄水库工程和团城湖调节池工程，“一条环路”即为由南水北调中线工程进城段、团城湖至第九水厂输水工程、南干渠工程和东干渠工程组成的一条基本沿五环路的供水环路系统。北京市南水北调工程布置图见图2．2。"‘北京市南水北谰。々．．‘L№j_渠图2．2北京市南水北调工程布置图Fig．2．2LocationplanofSouth—to-NorthWaterDiversionProjectinBeijing(1)两大动脉10少～、‰。 万方数据大连理工大学硕士学位论文两大动脉即南水北调中线总干渠和密云水库至第九水厂输水干线。(2)六大水厂六大水厂即现状第九水厂、第八水厂、第三水厂、田村水厂、规划的第十水厂、郭公庄水厂。上述六座水厂作为供水系统的骨干水厂，新建、改建后，一方面可以减少地下水厂的运行，另一方面为地表水与地下水的联合调度提供便利条件。第九水厂由自来水集团管理，水厂供水能力171万m3／d，现状水源为密云．怀柔系统、怀柔应急水源地、马池口应急水源地、平谷应急水源地，通过密云、怀柔至第九水厂的输水管线、团城湖取水。2008年以来第九水厂年供水量呈持续上升态势，年均增加0．22亿in3，2012年年供水总量己达到5亿in3，日均达到173万In3／d。现状密云(怀柔)水库至第九水厂的输水管线需要保留15万m3／d的热备份。第八水厂位于朝阳区五元桥以东、环铁路北侧，水厂规模50万m3／d。通过东干渠工程预留的八厂分水口取水。第三水厂原为地下水厂，地下水供水能力25万m3／d，在2008年进行改造后，增加地表水供水能力15万m3／d，现状水源为河北应急调水。2012年供地表水已经达到0．44亿1333，日均达到12万m3／d。但是由于现状第三水厂的地表水源只有河北应急调水，扣除每次调水初期和末期总调水量逐步增加或者减少的影响，河北应急调水稳定供水的时间里，日均供水己经超过14万m3／d。田村山水厂由自来水集团管理，给中心城的供水能力34万m3／d，现状水源为张坊水、河北应急调水、密云．怀柔系统的水，均从团城湖取水口取水。2008年以来，供水量也呈增长趋势，2011年供水总量已经达到1．02亿m3，日均达到29万m3／d。第十水厂位于朝阳区定福庄，一期规模为50万m3／d，通过东干渠工程预留的十厂分水口取水。计划2015年初具备接水条件。郭公庄水厂位于丰台区西南部，一期规模为50万n13／d，2020年水厂规模达到75万n13／d。通过南干渠工程预留的郭公庄分水口取水。计划2014年10月具备接水条件。(3)两个枢纽两个枢纽即团城湖调节池和大宁调压池。团城湖调节池工程主要任务是向第八水厂、第九水厂、田村水厂、城子水厂及石景山水厂分配水量。大宁调压池作为另一个重要枢纽工程，承担着进城段及南干渠段输水工程的供水任务，同时还起着调节供水水位、供水流量的作用。(4)一条环路“一条环路”即为由南水北调中线工程进城段、团城湖至第九水厂输水工程、东干渠工程和南干渠工程组成的一条基本沿五环路的供水环路系统。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究东干渠工程地处北京市东部地区，起点与团城湖～第九水厂输水工程相接，沿五环路外(部分沿内环)向东转向南，终点到亦庄调节池附近与南干渠末端相接，全长44．70km。沿线建设分水口4处，分别为：八厂分水口、十厂分水口、通州分水口以及亦庄分水口。沿线设置调压设施2处。同时建设管理中心1处、结合现地设施建设管理所3处。图2．3东干渠平面布置示意图Fig．2．3Theeastmaincanallayoutdiagram南干渠工程，起点为南水北调中线干线北京段永定河倒虹吸末端，终点为亦庄调节池。沿线共穿越大兴灌渠、凉风灌渠等河流14条，五环路、京开高速等主要公路8处，京九、京山等铁路4条，及地铁大兴线、房山线。南干渠工程全长26．80km，以京九铁路东侧为界分为上、下两段：上段采用浅埋暗挖法施工，下段采用盾构法施工。浅埋暗挖段施工总长11．30km，共布置有15座暗挖竖井，设计流量30m3／s，加大流量35mVs。盾构段施工总长度共15．50km，共有5座盾构始发井，设计流量27mVs，加大流量32m3／s。 大连理工大学硕士学位论文输水规模：京沪高铁以西段设计流量30m3／s，加大流量35m3／s；京沪高铁以东段设计流量27m3／s，加大流量32m3／s。南干渠工程的京沪高铁以西段采用浅埋暗挖法施工建设两条DN3．4m的钢筋混凝土隧洞，长度11．20km；京沪高铁以东段采用盾构法施工建设一条DN4．7m的钢筋混凝土隧洞，长度15．60km。沿线设置分水口3处，分别为：黄村水厂分水口、郭公庄水厂分水口以及预留首都新机场分水口，其中黄村水厂分水口设计分水规模为6．56m3／s，为2条DNl．6m钢制管道与南干渠输水隧洞相连；郭公庄水厂分水口设计分水规模为12．15m3／s，为2条DN2．2nl钢管与南干渠输水隧洞相连；预留首都新机场分水口设计分水规模5．79m3／s，分水口采用DN2．2m钢管以法兰封堵。沿线设置排气阀井43座、排空井5座、三通井1座和调压设施1处。⋯—蹦一鲈埔：：I：0。)，大印箩／、一zkq20151027_0r一厂‘＼5．：加·t一／，一¨鬟村、一心’氏一厂＼r，7，f，图2．4南干渠工程总平面示意图Fig．2．4Sketchmapofsouthcanalprojectplan(5)三大应急水源地三大应急水源地即平谷地下水应急水源地、怀柔地下水应急水源地以及张坊应急供水工程。万方数据 北京市南水北调工程供水管网调度研究2．2本文研究范围及工程概化2．2．1本文研究工程范围北京市南水北调供水系统分初期供水系统(2014年10月-2015年12月)与中期供水系统(2016年后)，本文针对初期供水系统进行研究。北京市南水北调工程初期供水系统包括：水源系统(2个地表水源、3个应急水源)，输水系统(3条输水干线、4条输水环路)，调蓄系统(3个调蓄水库、2个调节池)，用水户(7座水厂及河湖景观及地下回补)，辐射状支线。(1)水源系统：北京市南水北调供水系统的水源分为地表水源和应急水源，其中地表水源包括南水北调来水和密云水库，应急水源包括张坊水源地、密怀顺水源地和平谷水源地。(2)输水系统：北京市南水北调工程输水系统包括三条输水干线以及一个闭合环路。输水干线包括长为80km的北京市南水北调干线工程、长为103km的南水北调来水向密云水库调蓄工程以及长为66km的密云～怀柔～第九水厂输水管线；输水环路包括长为21．30km的环路西线即北京市南水北调干线工程(大宁调压池～团城湖)、长为29．30km的环路zkq20151027南线即即永定河倒虹吸+南干渠工程(大宁调压池～亦庄调节池)、长为8．20km的环路北线即团城湖至第九水厂输水工程以及长为44．70km的环路东线即东干渠工程。(3)调蓄系统：北京市南水北调工程调蓄系统包括调蓄水库以及调节池，其中调蓄水库包括密云水库、大宁水库及怀柔水库；调节池包括大宁调节池和亦庄调节池。(4)用水户北京市南北调工程用水户包括沿线水厂及河湖景观。供水初期参与受水的水厂包括5座现状水厂和2座新建水厂，水厂名称及规模见表2．1：河湖景观用水指通过干线工程、南干渠、东干渠以及密云调蓄工程向沿线河道进行补水。万方数据 大连理工大学硕士学位论文表2．1初期水厂规模表Tab．2．1Thescaleoftheinitialwaterplants2．2．2工程概化综合考虑本文研究内容，对工程进行以下概化。(1)水源系统：本文所研究工况中沿线水厂需水均来自南水北调，因此水源系统中只有南水北调来水。(2)输水系统：①北京市南水北调干线工程zkq20151027北京市南水北调工程起点为惠南庄泵站，而泵站并非本文研究重点，因此将惠南庄泵站简化为水源；北京市南水北调干线末端为800m明渠，本文所建模型均为有压管道，本文采用等效糙率方法对此处进行简化，有效的避免了有压流和无压流的交替计算【401。②南水北调来水向密云水库调蓄工程南水北调来水通过京密引水渠反向输水，通过多级泵站加压后最终将来水送入密云水库。由于数据有限，对京密引水渠向密云水库的输水管道进行简化，将京密引水处作为一个分水口，只起调节沿线水量平衡的作用，分水量代表向密云水库的输水量，而对于向密云水库输水时沿线泵站工作情况不进行研究。③密云～怀柔～第九水厂输水管线本文所研究工况中水厂需水均来自南水北调，因此，对本条输水管线不做研究。(3)调蓄系统本文研究工况中起调蓄作用的有大宁水库、大宁调节池以及密云水库。(4)用水户本文主要对沿线水厂的分水情况及工程关键节点的水头进行研究，因此北京市南水北调工程初期涉及的水厂为本文主要用水户，不考虑沿线河湖景观分水情况，又考虑到万方数据 北京市南水北调工程供水管网调度研究本文研究工况中长辛店水厂不分水，因此本文的用水户为第九水厂、田村水厂、第三水厂、城子水厂、郭公庄水厂以及第十水厂6座水厂。zkq20151027万方数据 大连理工大学硕士学位论文3北京市南水北调正常供水可行方案研究及优选调度方案是调度人员在工程运行过程中保障其安全运行的重要技术参考，做好北京市南水北调供水工程输水系统的调度方案研究可全面提高其各种工况下的通水安全性。调度方案的优劣直接决定了能否在保证工程安全的情况下，按调度计划实时地将水输送到沿线各分水口。北京市南水北调工程调度过程中关键节点的水头必须满足相应供水工况下调度规则的要求；为了保证管道安全稳定运行，并行输水箱涵水压越接近越好，因此北京市南水北调工程的闸门调度问题是一个多目标优化问题。多目标优化求解方法主要分两种：一是将多目标优化问题转化为单目标问题，此时的目标函数往往是整体效益最优或以某一特定的目标效益最优作为目标函数，将其它目标作为相应的约束条件进行寻优，常用约束法、权重法、拉格朗日乘子法和隶属函数法等方法；另一种方法是利用启发式算法通过求得Pareto解集从而得到不同目标下最优方案的非劣解集。目前，对于多目标问题求解方法中，启发式算法的有效性得到了一致认可，其中非支配排序遗传算法NSGA—II是最具代表性的启发式算法之一，并在多个领域的多目标求解问题中被广泛应用。北京市南水北调工程的水库、闸(泵)站数量与约束条件较多，需同时考虑的目标zkq20151027函数也比较复杂。本章采用改进的遗传算法NSGA—II对正常供水工况闸门优化调度的多目标问题进行求解。首先对北京市南水北调正常供水工况的多目标优化问题进行求解得到一个非劣解集即Pareto解集：然后利用DiscoveryDV软件对Pareto解集进行可视化，通过分析得到11个相对最优解即相对最优方案；最后基于可变模糊集理论对相对最优方案进行优选，以最优方案作为调度方案。3．1工况及问题描述供水系统调度模型是为水量调度系统服务的，是北京市南水北调供水调度工程的发动机。充分考虑北京市南水北调工程输水线路长、沿程过水建筑物类型和数量众多、节制闸和分水口等建筑物与水流的复杂作用，建立内边界长距离输水数学模型。在水量分配方案基础上，根据调度规则制定工程的稳定供水调度方案。正常供水阶段是一切工况的前提与基础，因此选择北京市南水北调工程正常供水工况进行模拟。北京市南水北调工程正常供水阶段参与的水厂包括第三水厂、田村山水厂、城子水厂、第九水厂、郭公庄水厂以及第十水厂6座水厂。正常运行工况输水时，需要根据调度原则以及输水流量和工程特性，调整闸门开度使得管道流量满足沿线分水口需水要求，同时满足关键点水头要求。万方数据 北京市南got．调工程供水管网调度研究(1)正常供水工况简介南水北调中线来水40m3／s，惠南庄泵站加压，输水管道保持有压输水状态，沿线水厂分水情况见表3．1，环线输水情况如下：①西线：北京市南水北调西线即总干渠进程段，总干渠来水经过大宁调节池一路向北，依次经过永定河倒虹吸、卢沟桥暗涵、西四环暗涵至团城湖，输水管线长21km。正常供水阶段，沿线第三水厂分水1．73m3／s，余水经过团城湖后，分别给城子水厂分水1．0rrl3／s、田村山水厂分水1．97m3／s。此工况下北京市南水北调来水除保证沿线水厂分水外，多余的13．00m3／s通过京密引水渠进入密云水库。②北线：北京市南水北调北线即团城湖～关西庄泵站段，南水北调来水经团城湖向北至龙背村，该段输水管线长4km，龙背村向东至关西庄泵站，输水管线长8．3km，关西庄泵站分水给第九水厂，分水16．50m’／s。③东线：北京市南水北调东线即关西庄泵站至亦庄调节池，输水管线长14．6km。沿线设第八水厂、第十水厂、通州水厂三个水厂分水口，正常运行工况下第十水厂分水2．90m3／s，其余两个水厂不分水。④南线：北京市南水北调南线即大宁调节池向南至亦庄调节池，输水管线长27．2km，沿线设黄村庄水厂分水口、郭公庄水厂分水口以及预留首都新机场分水口，正常运zkq20151027行工况下郭公庄水厂分水2．90m3／s，黄村庄水厂以及新机场水厂不分水。此工况供水方式如图3．1所示。万方数据 万方数据大连理工大学硕士学位论文图3．1正常工况供水示意图Fig．3．1Theschematicdiagramofnomalwatersupply表3．1正常供水阶段各水厂需水情况Tab．3．1Thewaterrequirementinthestageofnormalwatersupply(2)调度规则供水期间，永定河倒虹吸1号、4号进水闸全部开启，通过调节永定河倒虹吸2号、3号进水闸以及龙背村进水闸的开度调节供水环路进程段和南干渠段的水量分配，并确保以下几点：①大宁调压池水位保持在55．50m左右(方案中此处水位为55．50±0．30m时为较优方案)；②团城湖水位保持在49m左右；③第九水厂分水口处水头不得低于43．70m；④东干渠十厂分水口处水头不得低于40m；19 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究⑤东干渠调压井水位不得高于46m。3．2模型建立(1)决策变量在整个调度过程中能直接改变的只有永定河2号进水闸、永定河3号进水闸、龙背村闸3个闸门的开度，闸门开度直接决定着相应位置水头(水位)是否满足调度规则中的各个水位要求，因此把上述3个闸门开度作为相应的决策变量：墨mi。≤五≤五一(3．1)五而。≤置s五一(3．2)五而。≤x3≤鼍一(3．3)其中：■代表永定河2号闸门的开度，Xl。抽表示闸门的最小开度，t一为闸门的最大开度；也代表永定河3号闸门的开度，五础表示闸门的最小开度，也。，为闸门的最大开度；‘代表龙背村闸门的开度，‘面丹表示闸门的最小开度，‘一为闸门的最大开度。(2)目标函数根据调度规则，将大宁调压池水位及团城湖水位达到调度规则指定位置为目标。另外考虑到北京市南水北调工程干线进城段为两两并行供水的钢筋混凝土箱涵，将进城段左侧即连接西线的并行箱涵分别命名为【号箱涵(永定河l号闸门所在箱涵)、II号箱涵(永定河2号闸门所在箱涵)，连接南干渠的并行箱涵分别命名为III号箱涵(永定河3号闸门所在箱涵)、IV号箱涵(永定河4号闸门所在箱涵)。根据调度规则，正常供水时永定河倒虹吸1号、4号进水闸均保持全开，控制2号、3号闸门开度，并且郭公庄水厂只由4号进水闸所在管道进行供水，此时，I号与II号箱涵必然存在压差，同样III号箱涵与IV号箱涵也存在压差。由于正常供水工况为长时间持续运行工况，若并行箱涵压差较大，高压箱涵必然会挤压低压箱涵，使得低压箱涵受到损坏，威胁供水系统的安全运行。并行箱涵供水压差越小越有利于供水系统的安全运行，因此，将I号、II号输水箱涵的压差以及III号、IV号输水箱涵的压差越小作为另两个目标函数。rainf,=}Ⅳ。(五，Ⅳ：，鼍)一H．刚一(3．4)20 万方数据大连理工大学硕士学位论文minf2=I见(五，X：，置)一马胁I(3．5)rninA=I皿(五，x：，五)一只(五，X：，五)l(3．6)miIl六=I皿(五，x：，墨)一吃(五，z：，墨)l(3．7)其中五，五，骂分别表示永定河2号、3号进水闸以及龙背村进水闸的开度。Z、厶均为在(五，五，坞)下，与调度规则中的接近程度，越小表示越相近，为0时表示(五，五，五)为最优闸门开度；六为在(五，五，五)下，I号箱涵与II号箱涵的压差；六为在(五，五，墨)下，III号箱涵与IV号箱涵的压差；q(五，置，鼍)为在闸门开度(五，五，五)下，通过EPANET计算所得的大宁调压池水位；q础表示通过调度后，大宁调压池应该保持的相应水位，也可称之为大宁调压池目标水位，根据调度规则取55．50m；见(五，五，置)为在闸门开度(墨，置，墨)下，通过EPANET计算所得的团城湖水位；吼础表示通过调度后，团城湖应该保持的相应水位，也可称之为团城湖目标水位，根据调度规则取49．00m；皿(五，五，五)为在闸门开度(五，五，五)下，通过EPANET计算所得的I号箱涵水压：也(五，K，墨)为在闸门开度(五，五，鼍)下，通过EPANET计算所得的II号箱涵水压：皿(五，五，墨)为在闸门开度(五，置，鼍)下，通过EPANET计算所得的III号箱涵水压；风(五，五，墨)为在闸门开度(五，五，五)下，通过EPANET计算所得的Ⅳ号箱涵水压：(3)约束条件根据调度规则，将九厂分水口处水头、十厂分水口处水头以及东干渠调压井水位作为约束条件。①第九水厂分水口处水头不得低于43．70m。即：％(五，五，五)2马down(3．8)21 万方数据北京市南g,Ak调工程供水管网调度研究马(五，五，鼍)为在闸门开度(五，．砭，羁)下，通过EPANET计算所得的第九水厂分水口处的水头；马加表示该调度规则下，第九水厂分水口处的最低限制水头，本章取43．70m。②十厂分水口处水头不得低于40m。即，峨(置，五，墨)≥风down(3．9)风(五，五，鼍)为在闸门开度(五，五，墨)下，通过EPANET计算所得的十厂分水口处水头；风～表示该调度规则下，十厂分水口处的最低限制水头，本章取40m。③东干渠调压井水位不得高于46m。即，凰(五，五，鼍)≤凰棚(3．10)马(墨，五，置)为在闸门开度(五，五，墨)下，通过EPANET计算所得的东干渠调压井水位；凰～表示该调度规则下，东干渠调压井水位的最低限制水位，本章取46m。3．3模型求解3．3．1NSGA—II算法及原理NSGA．II是通过对遗传算法(GeneticAlgorithm)的改进发展而来的。Srimivas等人在1994年首先提出了NSGA算法，NSGA是先根据个体的支配关系进行分层，然后再选择算子进行执行，这种算法的优点就是能够对多个目标进行优化，由于Pareto解集分布均匀，因此，允许多个不同等效解同时存在，但是该算法计算效率比较低。2000年，Deb等提出了的NSGA的改进算法——．NSGA．II。NSGA．II是在第一代算法的基础上改进而来，主要体现在以下几方面：(1)提出了快速非支配排序算法，不但使得计算复杂度得到降低，同时通过父代种群与子代种群的合并，这样下一代种群就是从双倍空间中选取所得，使得所有最优秀个体得到保留；(2)引进精英策略，保证优良种群个体在进化过程中不被丢弃，优化结果的精度得到提高；(3)采用拥挤度和拥挤度比较算子，一方面克服了NSGA中人为指定共享参数造成的缺陷，同时还能保证种群多样性。3．3．2NSGA．II算法流程NSGA．II算法流程：(1)快速非支配排序 万方数据大连理工大学硕士学位论文首先对父代种群进行初始化，对所有个体进行快速非支配关系排序。将种群中完全不被支配的个体将存入当前集合，1，将受集合Fl中个体支配的解放到集合足中，最后将凡作为一级非支配个体集。并对足做分级操作，且赋予相应的非支配序，直至所有个体均被分级。(2)拥挤度计算拥挤度的计算直观上可用个体i周围仅包含个体f的最大长方形来表示，如图3．2所示。平均拥挤距离越大可以使种群个体的空间分布越广，种群多样性得到保持。●?一1●⋯一●i一一一一●?一1●●图3．2个体i的拥挤度Fig．3．2Thecrowdeddegreeofgeneticindividuali(3)产生下一代种群基于拥挤距离和快速非支配排序两个准则实行的竞争选择机制进行父代样本的选择，拥挤距离大、非支配序号小的个体优先被选为父代样本。子代则通过交叉突变产生，对于新生成的父代种群与子代种群组合，再次对其进行非支配关系排序以及拥挤度的比较，通过排序将其中最优的刀个个体选为下一代种群，如图3．3所示。利用Java语言编制NSGA．II的计算程序，用来求解北京市南水北调工程优化调度模型，图3．4为NSGA．II计算流程。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究尸快速非支配排序拥挤度排序只“鼻巧一不合条件，淘汰图3．3NSGA—II计算流程图Fig．3．3ProcedurediagramofNSGA-II一24— 万方数据大连理工大学硕士学位论文图3．4NSGA．II算法的计算流程图Fig．3．4CalculationprocedureofNSGA-II 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究3．4可行方案研究及优选本文针对正常供水工况在相应调度规则约束下，利用NSGA-II算法得出多组可行方案；基于可变模糊集理论对方案进行优选，得出一组最优方案作为调度方案，为工程调度及运行管理提供参考。3．4．1可行方案研究根据北京市南水北调工程正常供水工况调度规则，通过NSGA-II算法得到一个非劣解集即Pareto解集，该解集中的方案均为可行方案。分析目标函数结果发现，目标函数2的值均为O，表示模拟所得团城湖水位与调度规则要求(49m)一致，说明所得解对于目标函数2而言均为最优解，因此对可行方案进行分析及优选时只需考虑另外三个目标函数即可。本文利用DiscoveryDV软件对Pareto解集即可行方案进行可视化，见图3．5(a)。图中goall表示目标函数l即模拟所得大宁调压池水位与调度规则要求值(55．50)的绝对值；goal3表示目标函数3即I号箱涵水压与II号箱涵水压的绝对值；goal4表示目标函数4即III号箱涵水压与Ⅳ号箱涵水压的绝对值。图3．5(b)～3．5(d)为只考虑两个目标时得到的Pareto前沿解，左侧图例表示第三个目标在Pareto前沿解中的表现，Pareto前沿解表示相对所考虑的目标均比较优的解。图3．5(b)为只考虑目标1和目标3时得到的5个Pareto前沿解，图3．5(c)为只考虑目标l和目标4时得到的7个Pareto前沿解，图3．5(d)为只考虑目标3和目标4时得到的4个Pareto前沿解。分析上述Pareto前沿解发现其中有5个解同时为两个图中的Pareto前沿解，因此最终得出11个Pareto前沿解即11个相对最优方案，各方案目标函数值见表3．3。 万方数据大连理工大学硕士学位论文429&∞-2．％(a)g羽3一’(C)囝o●冒．■·．，■▲■、‘■I■■0∞0∞0∞"为"∞量一goalI429364(b)(d)目o～o暑o^oIA·L^2●～¨．▲0∞O∞0一"为"-I∞国90e11。c"雯盘．-．GO奠O—O∞O■I∞""Igoad图3．5Pareto解集及不同目标的Pareto前沿解Fig．3．5Paretosetandthefrontiersolutionsofdifferentgoals一27nl口oa∞硒一"2∞-2，社■■￡，I^S-&柏∞●O￡，I^!_&弘加O∞O秘麓O 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究表3．3相对最优方案目标函数值．．．．．．．．．．．．T——a——b——．——3———．—3——————T——h——e———r——e——lativelyoptimalobjectivefunctionvalue．——方案goalIgoal3盟型兰3．4．2基于可变模糊集理论的方案优选将相对最优方案中的目标函数值作为评价指标进行可变模糊优选(指标XI代表目标函数1，勋代表目标函数3，z，代表目标函数4)，得出最优方案。(1)计算指标特征值矩阵由表3．3可得特征值矩阵：f00．010．230．740．820．060．090．100．931．681．36IⅣ=10．980．680．640．460．380．921．180．720．600．650．52l4．184．723．613．563．093．993．803．083．052．963．08Imaxx_『一xIl02——L——_—■(3．1)：maxxl|一mlnxI|得到指标特征值规格化矩阵厂10．990．860．560．510．960．950．940．4500．19尺=10．250．630．680．901．000．3200．580．720．660．820．310．000．630．660．930．4l0．520．930．9510．93(2)确定指标权重给出3项指标重要性的二元比较排序矩阵(①～③依次表示3项指标)，并经一致陛检验无误： 万方数据大连理工大学硕士学位论文①②③总和排序ro．510]1．52E=100．501053【．·lo；J三i5·由矩阵E可知X3的重要性排序为1；x1的重要性排序为2；娩的重要性排序为3。通过二元比较并参考陈守煜教授提出的模糊语气算子【42】，计算得到3项指标的非归一化权向量："iVk(0．67，0．25，1)将向量w，‘归一化，得到3项指标的权重：w=(0．35，0．13，0．52)(3)方案优选应用可变模糊优选模型，分别计算11个方案的相对优属度向量：①口=1，P=1时，方案相对优属度向量Lll=(0．54，0．43，0．72，0．66，0．79，0．59，0．60，0．89，0．75，0．61，0．66)；②口=1，P=2时，方案相对优属度向量u2=(0．51，O．40，O．69，O．64，0．75，0．56，O．60，0．90，O．73，0．60，O．64)；③口=2，P=1时，方案相对优属度向量U3=(0．58，0．36，0．87，0．78，0．94，0．68，0．70，0．98，O．90，O．71，0．79)；④口=2，P=2时，方案相对优属度向量u4=(0．51，0．32，0．83，0．76，0．90，0．62，0．70，0．99，0．88，0．70，0．76)；四种模型得出的方案相对优属度排序较为稳定，取四种模型得出的方案平均相对优属度向量为：：=(0．54，0．38，0．78，0．71，0．85，0．61，0．65，0．94，0．81，0．65，0．71)对11个方案按照平均优属度大小排序，得方案8(0．94)>方案5(0．85)>方案9(0．81)>方案3(0．78)>方案4(O．71)=方案11(0．71)>方案7(O．65)=方案10(O．65)>方案6(0．61)>方案1(0．54)>方案2(O．38)，明显方案8为最优方案。3．4．3最优方案调度结果展示利用方案8进行调度时各闸门开度为：永定河倒虹吸1号进水闸与4号进水闸全开，开度为3．8m；永定河倒虹吸2号进水闸部分开启，开度为1．14m：3号进水闸部分开启， 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究开度为0．19m；郭公庄右侧检修闸关闭，使永定河倒虹吸4号进水闸流量全部供郭公庄水厂；龙背村闸门部分开启，开度为0．54m。利用方案8进行调度时工程水位、流量示意图如图3．6所示。图3．6方案二全线水位、流量示意图Fig．3．6Schematicdiagramoflevelandflowforscheme2th从图3．6看出，正常供水稳定时大宁调节池水位为55．60m，东干渠调压井水位为45．84m，十厂水头为44．73m，第九水厂水位为44．1lm，均满足调度规则的水位限制要求。3．5结论本章利用带精英策略的非支配排序遗传算法NSGA—II算法对北京市南水北调正常供水工况中的多目标问题进行优化，得出一个Pareto解集即多组可行方案。然后利用 万方数据大连理工大学硕士学位论文DiscoveryDV软件对Pareto解集进行分析，得到两两目标下的三组Pareto前沿解集共16个，其中5个解同时分布在某两组Pareto前沿解集中，经分析最终得出11个Pareto前沿解即11组相对最优方案。最后基于可变模糊集理论对11组方案进行模糊优选。结果表明，方案8在可变模糊优选4个模型中优属度均为最大，且都在0．85以上；4个模型平均优属度为0．94，用模糊语气来描述可认为方案8为“非常好”方案。因此，将该方案作为正常供水工况的调度方案。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究4北京市供水管网参数敏感性分析及不确定性分析水动力学模型的不确定性根据其来源可分为输入不确定性、模型结构不确定性以及模型参数不确定性，本文所用模型均假定为确定性模型。建模过程中管道粗糙系数、闸门局损系数等参数根据经验或实验取值，但是参数估计、参数实测以及实验等过程的不确定性严重影响模型模拟及优化结果的可靠性【43彤】，因此需要对模型进行不确定性分析。本章首先使用Sobol方法对北京市南水北调工程调度模型的参数敏感性进行分析，然后分析了敏感参数不确定性对目标函数的影响。通过对各参数敏感性及不确定性分析，找出对供水系统影响相对较大的参数，在实际模拟过程中保证此类参数取值的准确性。4．1参数的敏感性分析敏感性分析是定性或者定量地研究模型输出结果受各因素变化的影响程度。通过对模型的敏感性分析，能够得到对模型结果变化影响最为明显的参数以及各参数间的相互作用等。敏感性分析主要有两种方法，即局部敏感性分析和全局敏感性分析【45，46‘。局部敏感性分析是建立在计算模型输出和参数的一阶偏导数关系上的，这对模型取值邻域的可导性提出了要求，因此局部敏感性分析的结果可能不能很好地代表整个参数的取值范围的敏感程度。尽管全局敏感性分析方法需要的计算量较大，但随着计算机技术的不断发展，全局敏感性分析渐渐取代了局部敏感性分析，其主要优势体现在：(1)可以获取参数之间的相互作用；(2)得到的结果更加接近于实际情况；(3)可以用于非线性模型【4¨。目前常见全局敏感性分析方法包括FAST法、Morris法、Sobol法【4引、GLUE法、ExtendFAST法以及基于ANN的权值分析法【49】等。其中Sobol方法具有形式简单、计算简便等优点，是最具代表性的全局敏感性分析方法15⋯。4．1．1Sobol方法Sobol方法是一种基于方差分解的全局敏感性分析方法【511。其核心是将目标函数的总方差分解成单个参数的方差和参数间相互作用产生的方差。该方法已经广泛应用于环境、经济、社会等领域大型模型中【52。54】。假设模型可以表示为：Y=／(幻=厂(五，⋯，瓦)，其中，Y为模型输出的目标函数；X=x(m，⋯x。)为模型的参数。那么Y的方差D∽可以作如下分解：D@)=∑口+∑岛+∑Vijk+⋯Dl"2"⋯(4．1)ll‘Ji0．0155时，无论W6取何 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究值，目标函数H1均得不到合理结果；上述区间之外，W2取较小值同时W6取较大值时H1可求得合理结果；W2取值较大同时W6取值较小HI结果在合理范围之内。图4．5(c)显示当W2<0．0125且W7<2．5时，目标函数H1的值几乎不在合理范围(55．00m-56．00m)之内；同样当W2>0．0155时目标函数H1几乎不在合理范围之内；上述区间之外，W2取较小值同时W7取较大值目标函数H1可求得合理结果；W2取较大值同时W7取较小值目标函数H1可求得合理结果。图4．5(d)显示目标函数H1随W6、W7的增大基本呈增大趋势，但是趋势较不明显。说明两个参数对目标函数单独作用的不确定性较小，二者对目标函数的影响主要是由各参数间的相互作用造成的，这与4．1．3节中目标H1的参数敏感性分析结果一致。三◆．’：}懒，}嘲。∥、。‘{{，tl·r，：htl●|33卑三奠蟊舟下投I暑佃)0‘。‘一I·‘≯t’’‰1’-●J●_·■·__-_-·-___-______·_···-·-I憾懈●朋意图4．5W2、W6、w7对H1的不确定性影响Fig．4．5TheuncertaintyaffectofW2、W6、W7toH1m■一．一，■Ij黪一 万方数据大连理工大学硕士学位论文(2)4．1．3节中分析得出目标函数H4(东干渠闸门损失)的敏感参数为W6(永定河2号闸门损失)、W8(龙背村闸门损失)，因此研究上述两个参数的不确定性对H4的影响，结果见图4．6，图中显示H4随着W6、W8的增加而减小。图4．6中右上区域即A区H4的结果均满足调度规则要求，H4满足要求时W6最小值为4．84，W8最小值为2．47，图中显示W6、W8同时取最大值时目标函数H4结果最小为44．8m。图4．6中右下区域即B区为目标函数H4不满足调度规则的情况。因此W6、W8只要在右上区域取值即可。W6图4．6W6与W8对H4的不确定性影响Fig．4．6TheinfluenceofW6andW8ontheuncertaintyofH4在供水管网模型的基础上进行不确定性分析，可以进一步深入理解模型输入参数与模型输出结果之间的关系。随着管道长时间运行使用，管道糙率会发生一定的变化，当调度规则不变时，若要满足调度规则要求需要重新对闸门调度情况进行计算。4．3结论本章首先简要介绍了模型不确定性的来源以及参数敏感性与不确定性的联系；然后使用Sobol方法对北京市南水北调工程调度模型的参数敏感性进行分析；最后选择其中比较敏感的参数，分析了参数的不确定性对模型结果的影响。主要成果有：咐■■—H㈠¨HU●■■ 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究(1)根据工程调度规则以及模型参数输入情况，选择大宁调压池水位(H1)、九厂进厂处水头(H2)、十厂进厂处水头(H3)以及东干渠调压井水位(H4)为目标函数，PCCP管道粗糙系数(W1)、西四环粗糙系数(w2)、团九粗糙系数(W3)、东干渠粗糙系数(W4)和南干渠管道的粗糙系数(W5)，永定河倒虹吸3号闸门损失(w6)、2号闸门损失(W7)以及龙背村进水闸损失(W8)8个参数作为研究对象。(2)分析了8个参数对不同目标函数的敏感性，发现同一参数对不同目标函数的敏感程度不同，且参数W2、W6、W7以及W8的敏感性要高于其他参数的敏感性。(3)以目标函数H1、目标函数H4为例详细分析了各目标函数的敏感参数的不确定性影响，分析结果可为工程运行过程中管道糙率变化以及闸门系数的选择提供参考。 万方数据大连理工大学硕士学位论文5水动力学模型建立及应急检修工况水力模拟北京市南水北调工程作为一项大型跨流域调水工程，其输水线路长、沿线过水建筑物类型和数量众多，分水口、进水闸、水库等建筑物与水流之间作用复杂，造成长距离输水非恒定流模拟比较困难。对于该项工程而言，在建立数学模型对其进行数值模拟时，必须将控制建筑物及交叉建筑物当成特殊结点类型或者内边界条件进行概化处理，才能实现对整个渠道水力响应过程的准确模拟。由于北京市南水北调工程输水线路较长、管网连接复杂，一旦阀门因停电或操作失误，管路中会出现很强的正负水击压力，其危害不仅会使管道本身破裂，而且对阀门有严重的损伤。因此，做好北京市南水北调工程非恒定流过程研究意义重大。所以本文根据北京市南水北调工程的特点，建立了供水管网调度一维水动力学模型，并利用该模型对PCCP管应急检修过程中不同关阀时间引起的水锤问题进行了详细分析，最终确定合适的关阀时间，在保证管道安全的前提下尽可能在最短时间内关闭阀门将影响降到最低。为北京市南水北调供水调度部门进行科学合理的决策提供了重要的借鉴和参考。5．1模型求解5．1．1基本方程非恒定流的基本理论基础是运动方程和连续方程。非恒定流的计算需要对运动方程和连续方程进行联立求解，然后再对实际工程中涉及到的边界条件进行处理。(1)运动方程2丝+鱼+v尘+尘IvI：0(5．1)g夏+瓦+V瓦+芴IV，5(5·1)式中v为断面平均流速，m／sf为时间，s；x为距离，m：h为测压管水头，m；g为重力加速度，m／s2；A为摩阻系数：D为管径：g．a_h为压力(包括重力)项；孚+v芸斑t)tOX为惯性力项；去11，I为阻力项，它总是与流速方向相反。(2)连续方程考虑均质薄壁圆管满足虎克定律，水击连续微分方程为：丝+v塑+vs·目+￡堂：0Ill(5．2)一+V一+VS∥+一一=Lb．Z， 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究式中C为水锤波速，m／s；0为管道倾角。式(5．1)、(5．2)组成一阶拟线性双曲型偏微分方程组。5．1．2模型的特征线法求解北京市南水北调工程输水线路长，沿线交叉建筑物多，以下复杂边界条件的处理是模型求解的难点：管道与调压池、水库相连；工程沿线设有多处分水口；北京段总干渠以及南干渠等管道涉及不同管径管道连接。北京市南水北调供水系统作为比较复杂的管道系统，模型求解方法的选择及边界条件的处理对模型在实际工程的应用至关重要。对于非恒定流基本方程的求解比较困难，方法众多，包括经典水力学中的一些近似计算法和图解法，后来随着计算机的发展，近--=十年来，计算水力学有了很大的发展，包括有限差分法、有限体积法、有限单元法、特征线法等多种数值解法【58】。考虑到特征线解法精度较高，考虑因素全面，并可处理复杂管道系统‘591。本文决定采用特征线法对北京市南水北调工程的非恒定流问题进行求解。下面对模型求解过程进行介绍。(1)特征方程①特征线方程公式(5．1)和公式(5．2)为两个因变量(v和办)和两个自变量(x和f)的一阶拟线性双曲型偏微分方程组，首先将模型偏微分方程转化为常微分方程，然后用差分法求解常微分方程得到特征线差分方程，特征线网格见图5．1。用c+和矿来代表两个方向的特征线。沿C+一dh+三尘+vSi．1l乡+剑：oj——+一——+v∥+——_=Uldtgdt29D【妄⋯cJ∞·3)一=v+cl出J沿c‘塑一旦鱼+vsill秒一三型：o——一一——+VSm∥一——_=Udtgdt299dx一=V—f出(5．4)一般式(5．3)和式(5．4)为特征线方程和相应特征线上满足确定的微分关系式的特征方程。以上两对常微分方程即是特征方程。 万方数据大连理工大学硕士学位论文②特征差分方程c+特征线方程：Ax=cAtc。特征线方程：Ax=_c△f将管道沿x方向分为Ⅳ等分，如图5．1所示，其间隔为Ax(称为距离步长，取正值)，每一结点(其中包括x=0，x=L个端点)在triO时刻的v和h作为初始值。若将时间步长取为址：竺(取正值)，则网格上每一交点都满足上述特征线方程。k4f4x么X4X4x4f％，h。．4fVf一1．7’‘＼～Vi+1h』一1h，+l图5．1X．t平面网格图Fig．5．1Planegridsdiagramofx-r在c+特征线上的有限差分方程为G觑咄一。)+詈◇pj--Vi_1)峨址sin0+2TMgDVHhl=。(5．5)，特征线上的有限差分方程为GR吨。)一詈(vpj--Vi+I)帆出s访p一参k-hl=。㈣6，凡网格中的非边界上的结点都应满足以上两式。将以上两式相加，消去Vp．得k=非帆。+》飞。)-出sinO◇i-I"j"Vi+I)一豢㈧u。h1|vmI)]眠7， 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究同理，将(5．5)和(5．6)两式相减，消去h岛得Vp,=兆Qa-i--h，+1)吨-1+VJ+。)一趔“-1--Vt+1)一等(v¨Iv,+1h+。Iv。+lC／．1I)l(5．8)ZlC么l式(5．7)和式(5．8)中的Ax和△，分别为距离步长和时间步长。已知管道上(包括端点)有Ⅳ+1个结点的v与h的初始值，利用方程式(5．7)和(5．8)可求得网格内部结点，即i=2，⋯，Ⅳ个结点上的h^和V厅；管道两个端点的hp和V。由式(5．5)或式(5．6)，分别结合管道两端相应的边界条件来确定。当f=At时，管道上的每一个结点，即相对应的断面上的hP和VP求出后，继续增加一个时段，即计算t=2At时刻管道各结点流速及相应水头，然后将上一时段计算所得各结点的Vp和hp作为下一时段的初始值。对以上步骤进行重复计算，直至达到要求为止。(2)工程边界条件的处理由图5．1可知，从第一个时段出开始，管道两个端点的h，1，数值就直接影响到内部结点，而计算端点的水头、流速必先给定边界条件。针对北京市南水北调工程PCCP管起点与惠南庄泵站相连，末端与大宁调压池相连：南干渠输水线路上游为管径3．4m的双管输水，下游直径为4．7m单管输水，双管单管连接处不但涉及多根管线相连的情况，同时还有管径变化的处理。西四环、东干渠等均涉及上述不同的复杂边界。每根管道的上游端即管道的起点如PCPP管起点、每根管道下游端及管道的末端、沿线输水干线有分水口处以及管径发生变化等边界条件进行了处理。1)管道上游端该处适用特征线f。的方程式(5．6)，见图5．2(a)。为了便于处理，可改写为h。=CM+CHvn(5．9)晶¨ 万方数据大连理工大学硕士学位论文JLrc+／T／＼／AXLN+lx(a)(b)图5．2管道两端计算示意图Fig．5．2Schematicdiagramofcalculationofpipeends式中o=c／g，对于给定的管道CH是一个常数。厶=吃叫zCG拙幽弘豢kI)@㈨CM在计算中是一个只决定于前一时段计算所得的己知数值的变数。式(5．9)所提供的方程含有hA和Vn两个未知量，还需要说明VA和办A关系的补充方程需要由边界条件来确定。①团城湖至龙背村闸输水线路上游端为团城湖，且团城湖水位长时间保持不变，则边界条件为常值，即hp=ho，直接代入式(5．9)，则可得Vpl：与阜(5．⋯乙日当上游库水位(或调压井水位)为一变量，但给定为时间的函数，则可对已知时间计算hA，然后代入式(5．9)求得VA。②PCCP管的上游端与惠南庄泵站相连，根据工程运行情况，边界条件可给定为一个变量的时间函数，与式(5．9)联立求解。2)管道下游端该处适用，特征线方程(5．5)、见图5．2(b)为了方便也改写为式中CH：三gh附枷=Cp—o％M，(5·12) 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究cp砜喁(c片一出sm口一豢IVNl)㈦m与上游端相同，可根据具体条件，找出补充方程。3)两个和多个管道的连接输水沿线有多处分水El，且南干渠处还有双管变单管的节点，此种边界条件为三根管道相连，边界条件的处理如下。图5．3所示为三个管道的连接，如图中所示水流方向，对于接头处管①出适用c+特征线方程式(5．12)，而对于管②和管⑧则适用c。特征线方程(5．9)。三根管道则有6个相应变量，变量的第一个下标表示管道编号，变量的第二个下标则表示管道的断面编号，因此有v柏⋯、：二坠：幽±刍．(5一．14)VA，(Ⅳ+1)2—_i二—三(·’。玩v。，：笠：!二鱼：(一．15)515V％12-二专-—‘‘·。日2v。，：业(5．16)V乃。12二专_【·)再由接头处的连续性条件以及任意时刻水头相等的条件再补充3个方程，即3∑Q=oI=l‰㈣旷◆慨Ⅲ 万方数据大连理工大学硕士学位论文么&一图5．3多根管道求解示意图Fig．5．3Schematicdiagramofpluralityofpipelinestosolve西四环沿线除了有分水口还涉及两根不同管径相连的情况。此种边界条件的处理如下。图5．4为二根不同管径管道连接，4个未知数用4个方程联立求得。j+1幺工二≤一图5．4两根管道的求解示意图Fig．5．4Schematicdiagramoftwopipelinestosolve4)考虑局损有些情况局部水头损失往往在管道的总损失中占有很重要部分，这时在计算的时候就必须将局损考虑在内。例如一些问题需要将管道进1：3的局损以及流速水头的变化考虑在内，如图5．5所示。此时，上游的边界条件为％=％+f丢+丢=k+(1+f)丢2c5．-8) 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究图5．5考虑局损的求解示意图Fig．5．5Solvingschematicdiagramincaseoflocaldamage其中hD为总水头，f为进口处的局部损失系数，代入式(5．8)得，％一器+(5．19)如串联管道的接头处(见图5．4)要考虑流速水头的变化以及局部水头损失时，则水头相等的条件改为‰。M，+1Vpj,(N_+I)=‰"1+(，均等㈣2。，显然，求解％和％只需求解一个二次方程式即可。(3)水击波速实际工程中很多时候，输水管道的特性无法准确的描述，导致水击波速也很难确定。在缺乏资料情况下，可凭经验进行近似选取，明钢管的水击波速可近似取C=1000m／s；埋管可近似取c=1200rn／s。本文所用实例均为埋管情况，因此，本文波速C近似取1200m／s。5．2模型的合理性验证模型的精确性直接影响到模型在实际工程中的应用效果。精准的水力模型可以准确的模拟管网运行状态，评估管网运行现状，辅助管理者制定合理的调度方案，可见模型精确与否是模型能否在实际工程中得到应用的最关键因素。由于缺少工程实际运行数据，为了验证一维水动力学模型的可靠性，将其与EPANET软件的模拟结果进行对比分析。其中EPANET软件主要用于有压管网系统(包 万方数据大连理工大学硕士学位论文括水库、pump、tank等)的恒定流水力计算和水质分析，具有管网平差、运行模拟、信息管理和运行管理等较完善功能剐】，其计算原理及应用参见文献[61】。本文所建立的模型可用于恒定流和非恒定流水力计算，考虑到非恒定流过程比较复杂，而特征线对非恒定流模型的求解已在实际工程中得到验证，因此，本文只对恒定流结果进行比较，若与EPANET结果接近，则说明模型可用。模型合理性验证的主要内容包括：工程中关键节点(惠南庄起点、调压池、团城湖和龙背村)的水头是否符合管道供水要求；管道中流量能否满足沿线水厂需求。(1)工况描述惠南庄泵站加压保持起点流量为28．40m3／s，永定河1~4号进水闸全开。来水在第三水厂分出1．73m3／s，在城子水厂和田村山水厂分别分出0．58m3／s和1．97m3／s，在第九水厂分出16．50m3／s，郭公庄水厂分出2．90m3／s，多余的4．72m3／s来水全部分配给密云水库。(2)结果及分析表5．1起点流量已知时水力学模型与EPANET模型计算结果Tab．5．1ResultsofhydraulicmodelandEPANETmodelwhenstreamflowatthestartingpointisknown对比结果发现本文建立的一维水动力学模型与EPANET软件模拟结果基本吻合，管道流量可以满足沿线水厂需水情况，关键节点水头也比较一致。即本文建立的一维水动力学模型可用于输水管网系统的模拟计算。5．3应急检修工况模拟北京市南水北调供水工程对于从根本上解决日益严重的北京水资源供需矛盾有着重要意义，保证管道安全输水是第一要务。考虑到南水北调与北京市五大水系连通存在的各种问题，不仅需要研究各个运行阶段的调度方案，还应该对南水北调管道中的水力 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究特性进行研究，避免频繁开关水泵、闸门造成的水锤风险。管道检修是管道供水过程中不可避免同时又严重威胁着输水工程安全的一种紧急情况。在这类紧急状态下，工程调度的目标是尽快关闭事故段阀门，减少水量浪费，同时又要避免阀门关闭过快对管道造成危害。本节以PCCP单管检修为研究背景，假设供水期间PCCP管道发生事故通过切换连通井阀门，关闭事故段阀门。管道进行抢修，事故段改为单管输水，其余仍为双管输水，抢修完毕后，恢复全线双管输水。对检修过程中不同关阀时间引起的水锤问题进行了详细分析，最终确定合适的关阀方案在保证管道安全的前提下尽可能在最短时间内关闭阀门将影响降到最低。5．3．1工况分析以PCCP左管检修为例，惠南庄泵站加压保持28．40m3／s的流量。假定在总干渠PCCP管1捍和2撑连通井之间的左管出现应急情况，需要关闭控制该段左管的上下游阀门，即图5．6中1撑连通井的2≠}蝶阀和2撑连通井的l拌蝶阀，以便于进行相应管路的检修维护工作。应急检修工况下，供水流量不变，PCCP检修处由PCCP右管进行单管供水，其余仍为双管输水。检修过程中水厂需水量不变，水厂分水情况见表5．4。表5．4各水厂分水量Tab5．4Thewaterquantityofeachwaterplant埘挠井蹦瓣图5．6检修工况闭合闸门(红色)与管线运行情况示意图Fig．5．6Schematicdiagramofthemaintenanceconditionsofclosedgate(red)andtheoperationofpipeline 万方数据大连理工大学硕士学位论文5．3．2运行结果分析对于应急检修工况下，PCCP管道由原来的双排管同时运行切换至单根管线运行，此过程影响到非检修管线运行过程中的管道压力分布、压力极值，针对管道检修过程，为保证沿线分水口正常需水量，要模拟PCCP管道检修管道流量变化情况还要模拟出检修过程中PCCP管起点维持输水量不变的水头变化情况和沿线节点水头波动情况。另外还要重视大宁调压池的水位波动情况和下游团城湖的水位变化。前十个小时按正常工况运行，第10小时出现应急情况。因此图中lOh之前的管道流量及节点水头为检修之前的正常运行情况。PCCP管道沿线管底高程变化情况见图5．7。点A(5413，42．45)靠近PCCP管道起点且地势相对较低，供水时该点水压最大，因此对不同关阀时间A点的水头波动情况进行模拟分析。5551E47＼掣扣叵433935030000400005000060000与起点距离／m图5．7PCCP管道高程图Fig．5．7PCCPpipelineelevationmap图5．8为应急检修阀门瞬间关闭时A点的水头变化情况，图中红色为管内水头波动情况，蓝色为A点管底高程。图中显示，瞬间关阀时管道最大水头达137．54m，相应管内水压为95．09m，最低水头的9．54m即管内产生32．91m的负压，可以看出阀门瞬间关闭时管路中出现很强的正负水击压力，其危害不仅会使管道本身破裂，而且对阀门有严重的损伤。因此，任何情况下都要避免瞬间关阀。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究图5．9为2-8min关阀时A点的水头波动情况，图5．10为13-20min关阀时A点的水头波动情况，表5．5为关阀过程产生的最大最小水头及相应水压。140120100{80水*6040200858075E70＼水*6560555042．459．549．810．310．811．311．812．312．813．313．8时间／h图5．8瞬间关阀时A点的水头变化Fig．5．8LevelchangesofinstantoffvalveatpointA9．810．310．811．311．812．312．813．313．8时刻／h图5．92min-8min关阀时A点的水头变化Fig．5．9Levelchangesof2min～8minoffvalueatpointA52 万方数据大连理工大学硕士学位论文时亥U／h图5．1013min-20min关阀时A点的水头变化Fig．5．10Levelchangesof13min-20minoffvalueatpointA表5．5A点模拟结果Tab．5．5simulationresultsofpointA调度部门要求管道检修时管内产生的最大水击压力不得超过正常供水压力的1．4倍。A点高程为42．45m，正常供水时A点水头为61．09m，即A点正常供水压力为18．64m，因此检修时A点压力最大不得超过26．10m，即关阀时A点的最大水头不得超过68．55m。图5．9显示8min之内完成关阀过程时管内水头波动较大，不满足要求。通过模拟发现关阀时间不低于13min时，产生的最大水头可以满足要求。13min完成关阀过程时A点最大水头为68．42m，虽然小于要求的68．55m，但是二者比较接近。出于安全考虑，加的鹃盯∞的阻够酡盯∞山／水* 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究本文选择14min完成关阀时间，此时A点的最大水头为67．92m。另外图5．10还展示了15min及20min完成关阀过程时A点水头波动情况，发现继续延长关阀时间对减小管道水头波动作用不大。因此，应急工况下，选择14min完成关阀过程，既能保证管道安全运行又能以最快速度将阀门关闭，减少了水量浪费。关阀过程中为了保证沿线水厂可以正常供水，关阀的同时需要惠南庄泵站加压保证起点维持28．40m3／s的来水。∞>E＼删煺14．2514．2314．1814．1510．3时间／h图5．1lPCCP管道起点流量变化曲线Fig．5．1lFlowcurveofthestartingpointofPCCPpipe应急工况下，沿线水厂分水量不变，且分水流量全部来自南水北调中线。图5．1l表明PCCP起点每根管道均维持14．20m3／s的稳定供水量即南水北调中线维持28．40m，／s的来水。 万方数据大连理工大学硕士学位论文9．810．811．812．813．8时间／h图5．12PCCP管起点水头变化过程Fig．5．12ChangesprocessofHuinanzhuangpumpstationhead应急检修工况下，惠南庄泵站维持28．40mVs的流量不变，图5．12显示惠南庄泵站单根管线水头即PCCP管起点水头发生一段时间的波动调整，由正常工况的62．43m升高到67．04m，并维持恒定水头供水。关阀过程中该点的最大水头为68．41m，相应的水击压力为15．06m，小于正常供水压力的1．4倍。‘疗＼E＼■榛16．0014．0012．0010．008．006．004．002．000．009．810．811．812．813．8时间／h图5．13检修管路运行过程中的流量变化Fig．5．13Theflowchangesduringtheoperationofmaintenancepipeline曲铅口酶的甜∞破缸Ⅲ／冰* 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究图5．13显示检修管线始末端阀门关闭后，管路流量逐步地由正常供水情况下的14．20m3／s降为检修工况下的0m3／s，不再过流。30．0028．0026．∞24．∞22．∞20．0018．0016．0014．∞12．0010．009．810．811．812．813．814．815．816．817．8时间／h图5．14非检修管路运行过程中的流量变化Fig．5．14Theflowchangesduringtheoperationofnon—maintenancepipeline67666564E＼水63*626160599．810．811．812．813．814．815．816．817．8时间／h图5．15非检修管路水头变化Fig．5．15Headchangesofnon-maintenancepipeline一56一∞＼￡lII＼■壤 万方数据大连理工大学硕士学位论文检修管线始末端阀门关闭后，管路输水由原来的双排供水切换至单根管线供水，检修管段相对应的正常管线承担全部的过流流量，图5．14显示流量由正常情况下的14．20m3／s逐步增大至28．40m3／s，并维持28．40m，／s恒定不变。图5．15为非检修管路4撑闸门处水头变化情况，该点水头由原来的60．29m增至64．93m。15．5015．00誊14．50E＼●螺14-0013．5013．009．810．811．812．813．8时间／h图5．16出检修管路后恢复双管供水管线的流量变化Fig．5．16Flowchangesofdoublewatersupplypipelineaftermaintenance出检修管路后管道又恢复为双管运行，管道流量平均分配至左右两条管线，但是从图5．16中仍能看出关阀对管道流量有一定的影响。开始关阀之前单管维持14．20mVs稳定供水，开始关阀后PCCP单管有0．5m3／s的水量波动且波动越来越小，最终稳定至14．20m，／s，此后维持此流量稳定供水。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究E＼坦*54．0854．0353．9853．9353．8853．8353．7853．73时间／h图5．17大宁调压池的水位变化Fig．5．17LevelchangesofDaningsurgetank13．814．815．816．817．8时间／h图5．18团城湖水位变化Fig．5．18LevelchangesofTuanchengLake由于来水不变，因此检修过程中连接大宁调压池的PCCP双管流量产生很小的波动，这些波动对大宁调压池水位造成了相对较小的影响。图5．19显示关阀之前大宁调压池水位维持53．885m恒定供水，开始关阀之后大宁调压池水位在53．887m到53．877m之内波动，直至关阀结束，随后水位慢慢恢复到53．885m并维持此水位正常供水。检修过程驼驵卯的鸲钉帖山／迥* 万方数据大连理工大学硕士学位论文中惠南庄泵站加压保持28．40m3／s来水不变，且大宁调压池水位几乎维持在检修之前正常供水阶段的53．885m，团城湖水位继续维持在49m，如图5．18所示，因此可保证沿线水厂分水不被影响。5．4结论本章首先简单介绍了长距离输水工程中非恒定流模拟的重要性，然后针对北京市南水北调工程特点建立了一维水动力学模型。最后采用所建模型对PCCP管道的应急检修工况进行了模拟。通过分析检修过程中由关阀引起的管道水头波动情况发现，关阀时间越短、速度越快，发生管道破坏的可能性越大，但关阀时间超过某一范围后对减小水头波动的意义不大。因此，本文根据检修过程产生的水击压力不超过正常供水压力1．4倍的要求，选择14min完成关阀过程，既保证管道不被破坏又避免水量浪费。最后对14min完成关阀过程PCCP全线流量及关键节点水头变化情况进行了展示。 万方数据北京市南水北调工程供水管网调度研究6结论与展望6．1结论本文依托于“北京市南水北调工程调度手册编制”项目。选取北京市南水北调正常运行阶段调度方案的制定及优化、应急检修工况中非恒定流水力过程等关键问题进行研究。本文所建模型可为工程实际运行提供参考，研究成果可供北京市南水北调供水调度部门借鉴和参考。主要成果有：(1)针对工程正常运行工况进行了可行方案研究及方案优化。调度过程中受到调度规则的约束外，由于总干渠进城段为四段并行钢筋混凝土暗涵，正常供水作为长时间运行工况，运行过程中相邻暗涵内的输水压力越接近越好，否则，低压供水管道将受到高压供水管道的挤压，从而影响输水安全性以及管道的使用寿命。因此，将进城两两暗涵内供水压差作为另两个优化目标。首先利用NSGA．II算法得出多组可行方案，然后基于可变模糊集理论对多组方案进行优选得出一组最优方案作为调度方案。最后对利用最优方案调度时的工程运行情况进行展示。(2)对北京市南水北调供水管网节点水头的不确定性进行分析。首先对参数的敏感性进行分析，发现同一参数对不同目标函数的敏感程度不同，其中四个参数的敏感度要高于其他参数；然后对其中比较敏感的参数进行不确定性分析，分析了各参数的不确定性对目标函数的影响。计算结果为工程运行过程中管道糙率变化以及闸门系数的选择提供参考。(3)针对北京市南水北调工程沿线交叉建筑物多、边界条件复杂等特点建立一维水动力学模型，并对模型进行求解及合理性验证。首先对现有非恒定流方程求解方法进行简要分析，考虑到工程自身沿线交叉建筑物多、边界条件复杂等特点，而特征线解法精度较高，考虑因素全面，并可处理复杂管道系统，因此，本文决定采用特征线法对北京市南水北调工程模型进行求解，对工程边界条件的处理进行简单介绍，并对模型的合理性进行了验证。(4)本文以PCCP管道检修为例，对供水管网中由关阀引起的水力过渡过程进行模拟研究。通过PCCP管应急检修过程中由关阀引起管道水头波动的情况来看，关阀时间越短、速度越快，发生管道破坏的可能性越大；关阀超过一定时间后对减小水头波动的意义不大，根据应急检修产生的水击压力不超过正常供水压力的1．4倍的要求，最终选择14min完成关阀过程。并对14min完成关阀过程时管道流量及关键节点水头波动情况进行了模拟及简单分析，为工程应急工况提供参考。 万方数据大连理工大学硕士学位论文6．2展望论文在北京市南水北调工程调度方案研究、模型不确定性分析及非恒定流水力模拟的研究中取得了一定的成果。但是该工程管道之长、控制建筑物之多、水位控制之严是目前任何管网输水工程中都未曾遇到的，因此调度方案的制定及优化、水力模型的应用在后续工作中还有一些需要改进和完善的地方：(1)由于数据有限，模型中的管道粗糙系数、闸门参数往往是通过实验或经验所得，这与实际运行有一定差距，需要根据实测值来进行校验。(2)非恒定流水力学模型只是对工程中一段管道应急检修中的关阀问题进行模拟分析，实际运行中可能涉及到多条管道多个阀门同时开关的问题，模型有待完善。(3)本文所得到的调度方案还未在工程的实际运行中得到应用，因此还需在实践中进行验证。'