哈尔滨市供水管网优化改造模型研究及其应用 80页

'工程硕士学位论文哈尔滨市供水管网优化改造模型研究 及其应用STUDYONTHEMODELOFOPTIMAL RECONSTRUCTIONFORWATERDISTRIBUTIONNETWORKOFTHECIYTOF HARBINWITHITSAPPLICATION闫鹍哈尔滨工业大学2013年6月 国内图书分类号：X703.1学校代码：10213 国际图书分类号：628.3密级：公开工程硕士学位论文哈尔滨市供水管网优化改造模型研究 及其应用硕士研究生：闫鹍导师：高金良副教授副导师：关伟平教授级高工申请学位：工程硕士学科：建筑与土木工程所在单位：哈尔滨供水集团有限责任公司答辩日期：2012年9月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:X703.1 U.D.C:628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEMODELOFOPTIMALRECONSTRUCTIONFORWATERDISTRIBUTIONNETWORKOFTHECIYTOFHARBINWITHITSAPPLICATIONCandidate:YankunSupervisor:AssociateProf.GaoJinliangAssistingSupervisor:ProfessorshipSeniorEngineer.GuanweipingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:BuildingandCivilEngineeringAffiliation:HarbinWaterSupplyAndDrainageGroupCo.LTDDateofDefence:June,2012Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要经济和社会的快速发展，城市用水问题越来越显著突出，已经成为经济和社会发展的新瓶颈问题。目前，我国供水工程已经进入优化改造挖潜的新时期，由于实际供水管网计算复杂，管网改造设计问题在当下，若还应用原来的设计方法，已经无法在经济上给出最优答案。对于不断增长的供水需求的现实问题，供水管网优化改造问题越来越需要重视，亟需解决。本文从作者的实际工作出发，以哈尔滨市近些年在城市供水方面发生的巨大变化为背景，通过对供水管网优化改造模型的建立与应用，实现对城市供水管网的科学管理。通过对哈尔滨市供水现状包括水源水厂现状及配水管网现状的阐述，站在实际工作角度，对哈尔滨市城市供水存在的实际问题进行深入分析，为下步进行优化改造研究打下基础，确立目标。通过对常用用水量预测方法进行分类，并考虑到哈尔滨市已有用水量数据较少，应用灰色预测模型对哈尔滨市中长期用水量预测分析，利用较少的已知数据，保证预测精度，为哈尔滨市供水管网优化改造提供用水量数据支持。随后，通过对供水管网优化改造模型的构建流程及内容的系统介绍，针对哈尔滨市供水管网特点及实际情况，构建供水管网优化改造模型。并在供水管网改造单目标模型基础上建立供水管网改造多目标模型。最后，以磨盘山供水工程通水为工程实例，同时采用免疫算法对模型进行求解并应用。在哈尔滨供水方式发生改变的背景情况下，作出工况分析应用以及管网改造最优化寻解应用，验证优化改造模型的理论和应用价值。关键词：供水管网；城市用水量；管网优化改造；免疫算法-I- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentoftheeconomyandsociety,urbanconsumptionofwaterincreasessharply.Watersupplyhasbecomeanimportantfactorrestrictingeconomicdevelopment.Currently,watersupplyprojecthasenteredanewperiodofpotentialtapping,planningandreconstructioninChina.Becauseofthecomputationalcomplexityoftheactualwaterdistributionnetwork,itisdifficulttoachieveeconomicoptimizationdecidingthepipelinealignments,diameterandotherparametersonlywithexperienceFacingthegrowingdemandforwatersupply,theproblemofwatersupplyprojectplanningandreconstructingwaterdistributionnetworkshouldbefocusonincreasinglyandsolved.Thispaperproceedfromtheactualworkoftheauthor,withtremendouschangesinHarbinurbanwatersupplyrecentyearsasthebackground,throughtheestablishmentofwaterdistributionnetworkoptimizationmodelandapplication,thescientificmanagementofurbanwaterdistributionnetworkisachieved.ThispaperstartswiththedescriptionofthecurrentsituationofwatersupplyinHarbin,includingplantwaterstatusandthestatusquoofwaterdistributionnetwork,Andfromapracticalpointofview,theauthormakesadeepanalysisonactualproblemsinurbanwatersupplyinHarbincity,Layingthefoundationandsettinggoalsfortheoptimizingandrebuildingofnextstep.CommonlyusedWaterConsumptionForecastareclassifiedinthepaper.ConsideringthelessofwaterconsumptiondatainHarbin,waterdemandsinthemiddleandlongtermareforecastedusinggreysystemforecastingmodel.Theforecastingresultsofferahigherprecisionfortheplanningandre-constructionofwaterdistributionnetworkinHarbincityundertheconditionoffewwaterdemandsinformation.Subsequently,throughthetransformationofwaterdistributionnetworkoptimizationmodelofprocessandcontentofthesystemintroduced,accordingtoHarbincitywaterdistributionnetworkfeaturesandtheactualsituation,buildingawaterdistributionnetworkoptimizationmodel.ThenBuildingmulti-objectivedecisionmodelofwaterdistributionnetworkonthebasisofthesingleobjective.Finally,takethewatersupplyprojectinMopanshanforexampleandusetheimmunealgorithmtosolvethemodelandapply.Inthecontextofchanging-II- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文watersupplyinHarbin,tomakeanalysisandapplicationconditionandpipenetworkoptimizationsearchsolutionapplication,optimizethetransformationmodelvalidationandapplicationofthetheoryofvalue.Keywords：waterdistributionnetworks,urbanwaterdemand,waterdistributionnetworksre-construction,immunealgorithm-III- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要...................................................................................................................................IAbstract................................................................................................................................II第1章绪论.........................................................................................................................11.1哈尔滨市供水管网优化改造模型课题提出...........................................................1 1.1.1模型应用范围....................................................................................................1 1.1.2模型内容及目的................................................................................................1 1.1.3模型建立必要性................................................................................................21.2国内外研究现状.......................................................................................................2 1.2.1国内研究现状....................................................................................................2 1.2.2国外研究现状....................................................................................................31.3哈尔滨市概况及水资源利用情况...........................................................................4 1.3.1城市社会经济现状............................................................................................4 1.3.2水资源利用现状................................................................................................51.4哈尔滨市供水管网优化改造原则...........................................................................71.5本课题研究的主要内容...........................................................................................8第2章哈尔滨市供水现状及问题分析.............................................................................92.1城市水源水厂现状...................................................................................................9 2.1.1取水厂现状........................................................................................................9 2.1.2制水厂现状......................................................................................................102.2城市配水管网现状.................................................................................................122.3城市供水存在问题.................................................................................................162.3.1水源方面..........................................................................................................162.3.2水厂设施方面..................................................................................................172.3.3管网方面..........................................................................................................182.4本章小结.................................................................................................................18 第3章哈尔滨市用水量预测...........................................................................................193.1用水量预测方法.....................................................................................................19 3.1.1用水量预测流程..............................................................................................19 3.1.2用水量预测模型..............................................................................................203.2常规预测模型.........................................................................................................20 3.2.1回归预测模型..................................................................................................20 3.2.2时间序列预测模型..........................................................................................203.3灰色预测方法.........................................................................................................213.3.1灰色系统..........................................................................................................213.3.2灰色模型优点..................................................................................................213.3.3灰色模型..........................................................................................................213.4用水现状.................................................................................................................23-IV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.4.1哈尔滨市现有及未来供水区域......................................................................23 3.4.2现状供水量......................................................................................................23 3.5预测哈尔滨市用水量.............................................................................................24 3.6近、远期供水量平衡.............................................................................................25 3.6.1近期水量平衡..................................................................................................25 3.6.2远期水量平衡..................................................................................................26 3.7本章小结.................................................................................................................26 第4章哈尔滨市供水管网优化改造模型的构建...........................................................27 4.1供水管网优化改造模型构建基础.........................................................................27 4.1.1供水管网优化改造模型构建意义..................................................................27 4.1.2供水管网优化改造模型构建流程及内容......................................................27 4.1.3管网拓扑结构生成..........................................................................................29 4.1.4管道阻力系数(C值)的确定............................................................................30 4.1.5节点流量确定..................................................................................................31 4.2供水管网优化改造模型的构建.............................................................................32 4.2.1建造费用..........................................................................................................32 4.2.2目标函数..........................................................................................................33 4.2.3约束条件..........................................................................................................34 4.2.4单目标优化改造数学模型..............................................................................34 4.2.5多目标优化改造数学模型..............................................................................35 4.3供水管网优化改造模型参数的确定.....................................................................37 4.3.1管材造价系数的确定......................................................................................38 4.3.2目标函数参数的确定......................................................................................39 4.4本章小结.................................................................................................................39 第5章哈尔滨市供水管网优化改造模型应用...............................................................40 5.1供水管网多目标优化改造模型的求解方法.........................................................40 5.1.1免疫算法..........................................................................................................40 5.1.2基于免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型......................................42 5.2供水管网优化改造模型的应用.............................................................................45 5.2.1应用模型进行求解的流程..............................................................................45 5.2.2应用模型进行工况优化..................................................................................45 5.2.2应用模型进行市区管网优化改造..................................................................49 5.3模型应用的效果分析.............................................................................................55 5.4本章小结.................................................................................................................55 结论.....................................................................................................................................56 参考文献.............................................................................................................................57 攻读学位期间参与的课题研究.........................................................................................63 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限.........................................................64 致谢.................................................................................................................................65 个人简历.............................................................................................................................66-V- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1哈尔滨市供水管网优化改造模型课题提出哈尔滨市自2005年起城市供水设施建设取得了新进展，磨盘山水库供水一期工程于2006年年底建成投产，送水量达到45万m³/d，二期工程建设也已于2007年4月开工建设，并于2009年底建成。随着磨盘山水库供水工程建成投产，哈尔滨市区供水于2007年4月至2010年1月间，相应逐步调减原有供水设施的供水量或停止其供水，以便充分发挥磨盘山水库水源供水水质好的优势。磨盘山水厂的启用，将使得哈尔滨市供水管网的水力运行工况发生重大变化，由于来水方向及水厂出水量的变化，管网中主要管段的流量也将发生剧烈变化，部分主干管段的节点压力将显著增加，如何解决管网负荷高、减小低压区域面积、降低供水厂运行能耗、保障城市供水安全等问题均需借助管网优化改造模型来解决。2.1模型应用范围本文所研究供水管网的改造范围为哈尔滨市主城区，包括道里区、道外区、南岗区、香坊区、平房区以及松北区。2.2模型内容及目的依据城市总体规划并结合近几年实际供水状况，合理分析预测城区近远期需水量，在满足城市各行各业用水需求的前提下，增强城市管网供水的可靠性，即保证供水管网能够按质按量的向用户供水，这就需要对管网进行优化管理，而“供水管网优化改造模型”就是进行管网优化管理的基础。针对哈尔滨市城市水源发生变化的实际情况，利用“供水管网优化改造模型”真实的反映出管网特征和正常的供水需求，进而对供水管网进行整体结构和工况分析，对不合理、已经不能满足城市需要以及城市新发展区域的管网提出改建、扩建及新建方案，作为工程生产建设实施、供水企业二级单位向一级部门提出的建设要求提供理论依据，为城市供水设施建设及安全优化运行提供准确的改造依据。-1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1模型建立必要性“供水管网优化改造模型”是针对供水管网、以城市供水管网为最基础数据而建立的模型。供水管网是给水领域中非常重要的组成部分，担负着把水安全可靠地输配到用户，保证用户的水质、水量和水质要求，一经出现事故就直接影响社会生产和人民生活，甚至会造成巨大损失。哈尔滨由原来的松花江水源供水转变为磨盘山水库供水，城市内部由供水三厂、四厂及各加压站向管网配水转变为由平房净水厂通过重力流、低压、高压向管网配水，这种重大的供水变化，将导致供水管网内部发生重大变化。同时，城市供水管网系统老化、城市用水量增加引起的供需矛盾、提高供水安全性等问题越来越突出，亟需通过供水管网优化改造来解决。2.1国内外研究现状2.3.1国内研究现状3.1供水管网交互式虚拟仿真平台综合运用计算机虚拟现实技术结合供水管网微观模型，实现城市供水管网交互式仿真平台，虚拟城市供水管网运行状态，对供水管网优化调度、优化改扩建、漏失、管网状态评估进行可视化分析[1]。3.2优化分区思想运用在城市供水管网水力模型的基础上，运用城市供水管网优化分区理念，根据现有城市实际情况，对城市供水管网进行优化分区，其中包括：选择区域系统阶层数、划定区域规模、确定进水点数目和位置、划定区域边界等，并提出合理性解决方案[2]。3.3分质供水管网智能化管理规划浙江某市供水管网规划包括生活用水及工业专用管网优化布置，建立分质供水管网，构建“高速公路模式”给水主环网、优化设置区域加压设施，并建立管网智能化管理系统[3]。3.4动态仿真模型建立山西某特大城市供水管网动态仿真模型包括：城市管网的静、动态数据的收集，计算机模拟仿真系统建立、计算机模拟仿真工况计算。真实反映城市供水管网现状，对模型的运行及维护分析，为供水管网优化调度及规划改扩建提供科学依据[4]。-2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文东北某特大城市供水管网存在严重老化、漏损率高、局部地区供水压力低、供水安全性差等问题，亟需通过供水管网规划改扩建来解决，通过动态仿真模型的建立，提出合理的规划方案，对节约投资、降低供水能耗、提高投资效益有重要意义。供水管网动态仿真模型为实现供水管网经济、科学的规划改扩建提供可靠保证[5]。1.1运用最优化分析方法给水系统优化运行调配作为寻优过程，需要在众多的可行解中寻找到最优解，主要是通过实测和模拟及校核相应运算参数，在准确度基础上建立供水管网数字化模型，然后通过构建供的水管网数字化模型，设置目标函数及相应约束条件，进而通过智能寻优算法进行求解，讲最优解在可行解中找到，提供给决策者[6-7]。1.2建立配水管网数字化分析平台通过东北某特大城市新老水源切换的实际情况，在供水管网水力微观模型的基础上，建立配水管网数字化分析平台，以直观的方式体现出工况模拟结果，同时为配水管网优化调度及规划改造提供支撑[8]。2.1国外研究现状国外研究人员针对供水管网规划改造问题主要围绕在几个相对集中的方面，包括：管网运行分析[9-11]、管段运行成本经济性分析[12-13]、管网改扩建决策模型的研究[14-18]等。其中管网改扩建决策模型是建立和求解管网规划改造问题的核心，管网运行分析和运行成本经济性分析一般用来辅助管网改扩建决策模型来进行求解[19-20]。2.3.1管段改造模型目标函数的设置包括以成本和事故两方面的不同情况，成本方面主要是管段故障维护成本及施工成本，事故方面主要是通过引入事故概率的数学分析方法来确定目标管路[21-23]。2.3.2优先性排序模型优先性排序主要强调管段在管网中的重要性，重要性可以体现在水力可靠度以及供水安全性等方面，通过对管段的优先性排序，可以很科学的选找出需要改造的管路，但是由于其参数设置的有效性方面，使得这种方法还有待进一步发掘及研究[24-25]。-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1管网改造最优化模型寻优计算模型在最优化设计上，其目标函数及约束条件的设置区别非常大，其主要体现在目标函数以成本计还是性能可靠度，约束条件是用管网相应压力、流速等相应参数还是改造成本，同样的模式演化出来的模型千差万别[26]。最优化模型是所有的决策模型中构建与求解最为复杂的，对参数的要求也最高。在考虑计算的可行性，模型在构建过程中很难将所有因素都作为约束条件进行考虑，通过具体的分析，将最为关键的因素作为约束条件给予考虑。在最优化模型的构建过程中切合实际的假设及正确的选择约束条件是两个最重要的关键，在最优化模型建立过程中对供水管网现状进行准确客观分析，结合实际，构建可求解的最优化模型。1.2供水管网优化改造模型的求解方法介绍管网优化设计目标函数包括两大类，主要区别在于设计方法和思路区别，目前最广泛应用的是基于数学规划技术的优化算法，包括：线性规划、非线性规划、动态规划技术、整数规划技术、遗传算法、免疫算法和神经网络方法等。非数学规划模型大多数基于工程经验和观察所总结的经验模型，依赖于工作者的自身素质和多年的工程经验，其成功应用于实践的工程案例不是很普遍。管网改造决策模型的求解方法在随着优化理论的进步，产生了相当大的进步。比较显著的就是进化算法思想的引入。进化算法是优化理论领域当前最热门、发展最快的一个领域。这些优化算法的出现对于求解管网改造决策模型提供了非常大的帮助，其中就包括利用遗传算法进行求解相关模型[27-28]。2.1哈尔滨市概况及水资源利用情况2.3.1城市社会经济现状3.1自然概况哈尔滨坐落于松嫩平原，地处松花江中上游，是国家重要的制造业基地，其自然概况[29]如表1-1所示：-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表1-1哈尔滨自然概况表[29]序号类别参数1地理位置东经125°42′~130°10′北纬44°04′~46°40′2总面积5.31万km²3市区面积4272km²4平均气温（年）3.6℃5平均降水量（年）523mm6平均风速（年）4.1m/s7海拔标高最高1024.4m最低112m8平均水位（年）115m9最大冻土深度205cm10平均低水位（年）113.2m11平均流量（年）1180m³/s12主导风向西南风1.1水资源利用现状2.1水资源特点哈尔滨市水资源特点如表1-2所示：表1-2哈尔滨水资源状况表[29]序号类别参数1多年平均年降水量619.7mm2多年平均年降水总量328.86亿m³3河流流域面积4平方公里以上186条4主要一级支流5条5流经哈尔滨市松花江干流466km6春汛（5月~6月）7汛期径流量（6月~9月）占多年平均径流量的15%~25%占多年平均径流量的60%~75%811月至次年的4月占多年平均年径流量的6%~15%9冰封期5个月-5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表1-2序号类别参数10断面平均径流量389.39亿m³11断面最大径流量（年）846.7亿m³12断面最小径流量（年）122.5亿m³13多年平均地表水资源量99.24亿m³14地下水资源量30亿m³15多年平均水资源总量121.46亿m³16人均水资源量（全市）1289m³17资源情况中度缺水18人均资源量（城区）68m³19过境水可利用量与本地水资源量的总和258亿m³20缺水情况水质性缺水21水体功能较差哈尔滨水资源分布特点是中部和西南部严重缺水，东北部和东南部相对丰富。由于近年来污染严重，水体自净能力下降，市区面临水质性缺水问题非常突出。1.1水资源开发利用现状根据统计资料，哈尔滨水资源开发利用情况如表1-3所示：表1-3哈尔滨水资源开发利用统计表序号类别参数1水利工程和市政工程总供水量4.81亿m³2年用水总量44.12亿m³3城镇生活用水2.64亿m³4工业用水量2.55亿m³5农村生活及家畜用水量1.01亿m³6农业用水量36.93亿m³1.2水资源开发利用存在的主要问题哈尔滨市水资源开发利用存在大量问题，主要包括地下水超量开采、地表水污染严重和生态用水得不到重视等突出性的问题。-6- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文地下水超量开采，磨盘山通水前，市区内通过自有井口的超量开采已经形成了超过上百平方公里的漏斗区，并且由于硬化路片的逐渐扩大，地下水水源补给越来越少，松花江水位长期处于低水位状态也导致地下水水源补给的进一步减少，于此同时对企事业单位自有井口的统计数据不足，无法统计出无序开采情况[29-31]。磨盘山通水后，由于没有直通松北区的供水管线，因此松北区地下水使用状况依旧不容乐观。水体污染严重，地表水受到多方面污染，其中上游由于污水处理不当，对地表水形成了难以恢复的污染。并且本地的污水排放也造成下游水体污染。哈尔滨市区的四方台及朱顺屯水源地，是城区集中式饮用水水源地，应当是不低于Ⅲ类的高功能水体，但由于受上游排污影响，大部分时段达不到功能要求。目前一些县（市）、镇地区浅层地下水也受到了不同程度的污染。近年来房地产行业的高速发展，使得江北的大量湿地被开发，造成湿地和沼泽的水容量大量减少，同时由于生活、生产的需要，大量地表水和地下水被开发利用，使得湿地和沼泽的水源被抢夺，这造成了环境用水和生态用水的大量减少，使得江河的水量逐年降低，水位长期处于超低位水平，由于水量的减少，造成河流环境容量降低，没有足够的自净能力，造成的污染问题日趋严重[29-31]。水资源规划及管理有待加强。地下水开发利用缺乏整体规划，区域开发利用不合理，有些地区井位密集，造成地下水很快干枯。无取水许可证私自开采地下水、市政供水管网覆盖地区仍利用自备地下水源的现象存在。哈尔滨市入境和过境水量较丰富，但过境水资源利用程度较低。1.1哈尔滨市供水管网优化改造原则依据城市总体规划及城区近几年供水量实际情况及发展趋势，合理预测规划需水量，统筹规划分步实施，合理确定近远期供水设施建设规模。结合主城区规划需水量、现有及新建水源设施状况，统筹优化调度新、旧水源运行，优化城市供水管网，提高供水水质，降低运行成本。按照建设资源节约型社会和加强环境保护的要求，充分重视水资源节约和水污染防治，降低城市供水管网改造成本。依据哈尔滨市城市总体规划及近期城市重要发展区规划，做好供水管网建设，解决新区尤其是周边区域居民生活用水问题，提高城市供水普及率。同时满足周边地区的地方经济发展及建设社会主义新农村的供水量需要。-7- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1本课题研究的主要内容依据城市总体规划并结合近几年实际供水状况，合理分析预测城区近远期规划需水量，为城市供水设施建设及安全优化运行提供改造依据。哈尔滨供水管网改造有其自身的特点，具体特点概括如下：(1)供水管网构成、管路复杂、多水源、地面高差大；(2)管网建设经历时间长，材料类型极其复杂；(3)处于经济高速发展时期，人口流动性大，用水量不均，使得城市中长期用水量预测困难；(4)管网运行管理手段相对落后，缺乏系统化、数字化管理方法。结合哈尔滨市供水管网改造的特点，本文主要研究内容包括如下：(1)结合哈尔滨供水管网改造工程实际，运用灰色预测方法预测哈尔滨市2020年用水量；(2)系统详细的分析哈尔滨市城市供水现状情况，包括整个供水系统三大内容，即水源、水厂、管网现状情况，提出哈尔滨市城市供水存在的问题，为模型的构建提供事实依据；(3)针对哈尔滨市供水多水源现状及管网现状，构建哈尔滨市供水管网优化改造模型；(3)选择优化算法，应用免疫算法结合供水管网水力计算软件求解哈尔滨市供水管网优化改造模型；(4)应用哈尔滨市供水管网水力计算软件，针对哈尔滨市实际现况，进行水源切换带来的管网工况分析及供水管网管段优化改造应用。-8- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章哈尔滨市供水现状及问题分析哈尔滨市是黑龙江省省会，我国东北北部中心城市、国家重要的制造业基地、历史文化名城和国际冰雪文化名城。随着“北跃西扩、南延东优、中兴外联”城市空间发展策略的实施，国民生产总值逐年增长，城市人口不断增加，人民生活水平和生活质量显著提高，目前正向着成为重要国际经贸城市迈进。随着城市各项建设事业的迅速发展，哈尔滨市城市供水能力也有了很大提高。自1986年以来，在国家及地方政府的支持下，先后进行了一、二、三期供水工程及哈尔滨市磨盘山水库供水工程的建设。哈尔滨市主城区市政供水系统现状供水范围包括六个行政区，即南岗区、道里区、道外区、香坊区、平房区、松北区。哈尔滨市城区近远期规划供水范围除上述六个行政区外，还包括城区的新发展区以及呼兰区、阿城区。1.1城市水源水厂现状2.1取水厂现状在国家及省市政府的支持下，哈尔滨市主城区自1986年以来，通过对以松花江水源为主的三期工程建设和磨盘山水源为长距离输水工程的建设，城市供水设施供水能力逐步提高，已基本满足近期城区所需要的水量的要求，目前哈尔滨市主要是由磨盘山供水为主，松花江为应急水源，结合部分地下水水源供水的多水源供水模式[29-30]。2.3.1水源一厂一水厂为松花江水源取水厂之一，位于城区上游四方台。岸边取水塔建于日伪时期，于一九五二年投产运行。原设计取水能力为3万m³/d，经一九八二年改扩建后，取水能力达到10万m³/d。一水厂向三水厂输送原水。2.3.2水源二厂二水厂为松花江水源另一座大型取水厂，位于城区上游朱顺屯，日取水能力65万m³/d。旧取水塔取水能力为15万m³/d，设有一级泵站两座。新建岸边取水泵房位于旧取水塔下游81m处，取水能力为50万m³/d。二水厂向三、四水厂输送原水。2001年应急供水工程，在二水厂新建了50万m³/d取水塔1座。-9- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1制水厂现状2.1制水三厂三水厂为松花江水源净水厂，原水来自一、二水厂（取水厂）。三水厂始建于1952年，经历1978年、1992年和1996年三期改造扩建，形成日净水能力12.5万m³/d，30万m³/d，22.5万m³/d（绍和系统）三个系统，总净水能力为65万m³/d。位于城区西部、南岗区西大直街西端。由一、二水厂输送原水。52系统规模为12.5万m³/d。净水工艺为：原水→隔板式混合池→旋流反应池→斜管沉淀池→浮阀滤池→清水池→送水泵房→配水管网→用户。混合水力停留时间3min，速度梯度372S-1，GT值1.23×104；斜管沉淀池清水区上升流速2.5mm/s；滤池设计滤速14.3m/h。92系统规模为30万m³/d。净水工艺为：原水→管道混合→隔板回转反 应池→迷宫斜板沉淀池→虹吸双阀滤池→清水池→送水泵房→配水管网→用 户。混合时间1.2min，反应池停留时间26min，迷宫斜板沉淀池主流区流速 为24.5mm/s，虹吸双阀滤池设计滤速为7.9m/h。绍合系统规模为22.5万m³/d。净水工艺为：原水→管道混合→机械搅 拌反应池→斜管沉淀池→气水反冲洗均质滤料V型滤池。混合混合时间2.3.1min，反应池停留时间30min，斜管沉淀池清水区上升流速1.6mm/s，滤 池设计滤速6.67m/h，强制滤速7.6m/h。三水厂现有三座送水泵房，总送水能力65万m³/d。一泵房送水将52 系统净水配送市区，送水能力为6万m³/d。泵房内设送水泵7台，其中2 台备用，单泵流量792m³/h，扬程为58m。二泵房送水能力为41万m³/d， 包括绍合系统净水10万m³/d及92系统净水30万m³/d，其中向平房加压站 输水8万m³/d，泵房内安装11台送水泵，7台送水泵向市区配水，其中2 台备用，3台采用变频调速，单泵流量3600m³/h，扬程为73m；3台送水泵 往平房加压站输水，其中1台备用，单泵流量1620m³/h，扬程为96m；2台 水厂自用水泵。三泵房送水能力为18万m³/d，将绍和系统净水12.5万 m³/d及52系统净水5.5万m³/d配送市区，内设送水泵7台，5台单泵流量 2020m³/h，扬程为59m，其中2台备用；2台单泵流量1746m³/h，扬程为 73m。-10- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1制水四厂为松花江水源净水厂，原水来自二水厂（取水厂）。始建于1936年，经1978年、1987年二期改造扩建，形成净水能力4.5万m³/d和3.2万m³/d两个系统。送水泵房内设送水泵5台，其中2台备用，单泵流量576~972m³/h，扬程为58m，向道里、道外区配水。1.2制水五厂五水厂为地下水源供水厂，有南岗、顾乡、王兆屯三处深井水源，分布于南岗区、道里区、原动力区内，目前实际供水能力1万m³/d。1.3制水六厂六水厂为地下水源供水系统，由王岗水源井群、哈平水源井群、输水管道、菅草岭配水厂等组成，设计供水能力7.0万m³/d，实际供水能力2万m³/d。菅草岭配水厂将水源井群来水经加氯消毒后送至市区配水管网。加压泵站设7台水泵，5用2备，单泵流量579~972m³/h，扬程50~65m。1.4制水七厂七水厂由于位于城市中下游，不宜作为饮用水水源，主要为了满足工业用水需求，其配水管管网独立于市政管网自成系统，源厂合建[30]。1.5磨盘山净水厂为满足城市规划需水量，从根本上解决供水量不足问题，改善市区供水水质，提高城市供水安全可靠性，城市供水由单一松花江水源供水发展为两个水源联合供水，哈尔滨市的水资源得以可持续利用，保障城市及社会经济可持续发展目标。磨盘山供水设施情况如表2-1所示：表2-1磨盘山供水设施序号建设规模供水能力输水管线配水管道库容1一期工程建设45万m³/d176.53km58.6km4.59亿m³2二期工程续建45万m³/d------3磨盘山水库供水设施总规模90万m³/d------净水厂送水泵房选用高、低压两种配水泵。一期工程安装了低压配水水泵2台（1用1备），变频调速，单泵流量4600m³/h，扬程24m；高压配水泵4台（3用1备），2台变频调速，单泵流量3000m³/h，扬程47m。磨盘山净水厂哈尔滨供水分区情况如表2-2所示：-11- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-2哈尔滨供水分区情况序号分区情况供水区域1重力自流供水区道里区（含群力地区）及道外区2低压供水区香坊区、道外区部分及南岗区东部3高压供水区平房区及南岗区南部铁路编组站附近地区1.1松北区供水设施松北区现有一处地下水源地及净水厂，位于前进小区东南部，日供水能力4万m³/d，供前进区及附近区生活用水，其他工业及科教区均采用自备水源。配水管网为树状布置，仅敷设到净水厂附近生活区。1.2城区配水加压站城区加压泵站情况如表2-3所示：表2-3城区加压泵站情况序号配水加压站地点配水能力1嵩山加压站东部经济技术开发区10万m³/d2马家花园加压站东部化工区化工路6万m³/d向热电厂供生产用水3平房加压站平房区8万m³/d4平房开发区加压站平房区8万m³/d1.3二次供水设施主城区现有二次供水设施2700余台（套），进户管线1350km，加压恒压水容器3000余台（套），保证了上百万哈尔滨市民的二次用水[30]。2.1城市配水管网现状目前，哈尔滨市城区供水管网总长度约2850km，其中：由供排水集团负责的市政供水管线近1500km，原水输水管线近400km，市区配水管线1100km；由物业及产权单位负责的入户及小区管线近1350km。如表2-4所示：-12- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-4哈尔滨市供水管网现状管护单位管线类别管长（km）原水输水管线400市政供水管线供排水集团市区配水管线1100小计1500物业及产权单位入户管线1350合计2850原水干管主要分布在城市西部群力地区，承担由取水厂向净水厂输送原水的任务；配水干管遍布城区内各主要街道。磨盘山净水厂配水干线分三种不同压力向市区配水，重力自流供水区包括道里区（含群力地区）及道外区，低压供水区包括香坊区、道外区部分（原太平区）及南岗区东部，高压供水区包括平房区及南岗区铁路编组站附近地区。供水三厂配水干线分别向南经学府路至南岗地区，向东经文昌街等至香坊、动力区，向北经新阳路至道外和太平区，向西经埃德蒙顿路至顾乡群力地区。供水四厂配水干线沿新阳路、北环路向道里、道外中心区配水。供水五厂、六厂出厂干管直接接入供水三厂配水干线。供水七厂配水干线沿化工路向南敷设，提供工业企业生产用水。哈尔滨供排水集团建设和管理的主配水管线干线有17条，其中：由磨盘山净水厂向哈市主城区供水的主干线有六条，分别是向道里、道外区以重力流方式配水管线2条，管径是DN1400，道里方向长度为18km，道外方向长度为25km；通过磨盘山平房水厂高压泵站向平房区配水管线2条，管径均为DN1200，长度约10km。通过低压泵站向南岗、动力、香坊等区配水管线2条，管径分别为DN1600和DN1400，长度约24km。由以松花江为水源的净水三厂、净水四厂等向哈市主城区供水的主干线有11条，其中净水三厂9条，管径分别为DN1800至DN400，总长度约100km；净水四厂2条，管径分别为DN900和DN500，总长度约20km。除以上17条城区主配水管线外，城区街路还建有DN100以上的配水管线近900km左右，即为本文管网优化改造重点研究内容。其管径与长度统 计如表2-5所示，管材与长度统计如表2-6所示，管龄与长度统计如表2-7所示。-13- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-5主城区DN100以上供水管线管径及管长统计序号管径管长（m）1DN18005532DN1600135173DN1400329184DN1200431765DN1000425036DN900182407DN800131108DN700467319DN6007877810DN5005709211DN4004397312DN30012670313DN100～DN300386004合计903295主城区DN300以下供水管网中，DN300及DN600配水管道数量所占比重最大，如图2-1：140000120000管长（m）100000800006000040000200000DN1800DN1600DN1400DN1200DN1000DN900DN800DN700DN600DN500DN400DN300管径图2-1主城区DN300以上供水管网管径及管长统计图-14- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-6主城区供水管线管材及管长统计管材PE管玻璃钢管不锈钢复合管钢管塑料管铸铁管其它管长（m）5733907247313573159857292794百分比0.01%0.37%0.79%3.44%0.35%94.96%0.09%主城区供水管网中铸铁管为主要材质，如图2-2：其它铸铁管塑料管钢管不锈钢复合管 管长（m）玻璃钢管PE管0100000200000300000400000500000600000700000800000900000管长（m）图2-5主城区供水管网管材及管长统计图表2-7主城区供水管线年代及管长统计年代~1939年1940年~1949年1950年~1959年1960年~1969年1970年~1979年1980年~1989年1990年~1999年2000年~管长（m）262379102340722497229982135421412274231235百分比2.90%1.01%3.77%2.76%3.32%14.99%45.64%25.60%主城区供水管网中老旧管网所占的比例仍旧比较多，如图2-3，-15- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2000年~1990年~1999年1980年~1989年1970年~1979年1960年~1969年 管长（m）1950年~1959年1940年~1949年~1939年050000100000150000200000250000300000350000400000450000管长（m）图2-3主城区供水管网管龄及管长统计图1.1城市供水存在问题哈尔滨市在以松花江水源为主的供水设施建设完成三期之后，磨盘山水源为主的长距离输配水设施得以建设，磨盘山水源水能达到国家一类水质标准，能够很好的满足哈尔滨市的经济发展和社会需要，符合国家新饮用水卫生标准。由于松花江水源水质污染问题得不到很快的解决，主城区供水管网、二次输配水设施改造投入经费不足，城市供水问题倍加突出和亟需得到解决[29-31]。2.1水源方面2.3.1供水水源不能满足需要磨盘山水库工程通水后可向城镇供水量90万m3/日。其中，10万m3/日分别配给五常和双城，另为哈市磨盘山净水厂提供80万m3/日供水量。目前哈市平均需水量为77万m3/日，最大日需水量为80万m3/日，供需基本平衡。如暂不考虑向双城及牛家工业区供水，即使有7~10万m3/日余量，但随着三环内哈西客站的开通，群力东区入住率提高以及道外三马地区的打通，余量很快用尽，城市供水矛盾将日益凸显。因此目前仅靠磨盘山一-16- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文个水厂已不能满足哈市供水发展需要，抓紧启动松花江水源供水工程已迫在眉睫。1.1单一水源供水存在巨大风险现阶段哈市属于磨盘山单一水源供水状态，其长输管线长达180公里，管材接口2.5万余个，水压为6至11公斤，一旦磨盘山供水系统发生事故或正常维护等状况，哈市将面临全市或部分区域长时间停水的困境。因此实现磨盘山与松花江双水源联合供水，对保证哈市供水安全意义重大。1.2地下水严重超采目前，松北区大量取用地下水作为城市供水水源，自备水源数量众多，且对地下水的开采控制力度不足。2.1水厂设施方面2.3.1水厂利用率低目前，哈尔滨市江南城区总供水能力包括磨盘山净水厂和松花江水源水厂可达171万m3/日，而现状平均日用水量为72～75万m3/日左右，最高为84万m3/日，供水设施供需量比达到2.0，远高于国内其他类似城市水平，供水能力供大于求，设施闲置问题较为突出。而城市新发展区域如哈东新区、华南城等区域，距离城市中心较偏远切规划范围大、需水量大，用水将呈现紧张状况供水设施需求将很迫切。松北地区由于存在大量的自备井，且公共供水管网覆盖范围有限，目前松北区5镇仅1个镇由公共供水厂供水，现有前进水厂设计供水能力4万m3/日，且实际供水量仅约2000m3/日，供水设施能力也处于严重闲置状态。2.3.2水厂设施老化问题突出目前，哈尔滨市区现有城市公共供水厂除江南城区磨盘山净水厂刚建成不久，处理工艺先进、建设标准相对较高外，其他十多座水厂均建于上世纪70、80和90年代初期，处理工艺相对落后，建设标准相对较低，特别是呼兰老城区和阿城区的供水厂建设年代久远，资金投入不足，设施缺少更新，设备陈旧老化状况严重，能耗高、效率低，严重影响出水水质，急需进行升级改造。-17- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1管网方面与当前国内多数城市在供水管网建设方面存在的问题相似，哈尔滨市现状供水管网系统也普遍存在部分管网老化、材质低劣，漏损严重，供水产销差率较高的问题。城区配水管网材质参差不齐，仍有多数超期服役的铸铁管使用，管道结垢、破损、锈蚀状况严重，存在较为严重的跑、冒、滴、漏现象，同时由于存在大量的陈旧老化管道，致使供水压力大幅降低，部分区域出现供水压力不足状态。虽然每年都进行老管网改造工程，但仍存在大量老旧管线需要更新。2.1本章小结2.3.1系统详细的介绍了哈尔滨市水源水厂现状。2.3.2用实际数据形象的分析了哈尔滨市城区配水管网现状。2.3.3通过对哈尔滨市水源水厂以及配水管网现状的详细分析，提出了现阶段哈尔滨市城市供水存在的实际问题，为下一步进行优化改造研究打下基础，确立目标。-18- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章哈尔滨市用水量预测城市用水量直接与城市人口、经济发展、产业结构、人民生活水平、生活习惯及节水水平等诸多因素有关，具有随机性、周期性的特点。城市在不同时期有着不同的经济状况及居民生活、生产状况，这些波动的产生，会导致用水量发生变化，考察短期用水量变化，周期性规律占主导；考察长期用水量变化，其体现出较强的趋势性，综上可知城市用水量预测具备可行性[32-35]。国内外许多学者在用水量预测方面做了大量的研究和探讨。1.1用水量预测方法2.1用水量预测流程输入用水量原始数据模式识别选择模型寻找最佳参数无效有效性检验预测分析输出预测结果图3-1城市用水量预测流程-19- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文预测城市用水量主要是根据用水量数据的特点，选择相应的用水量模型，于此同时要严谨的考虑时间窗口，观测的数据为已有的历史数据，考虑到时间的不可逆性，历史数据就成为信息含量极高的具有极强应用性的数据。同时气候、地域、社会、文化、经济等主客观影响因素，对有可能的影响因素尽最大可能来收集及分析，然后在运用系统的数学方法，应用现代计算机技术来求解模型，达到预测用水量的目的，这其中精度就尤为重要[34-36]。预测用水量的常规流程方法如图3-1所示。1.1用水量预测模型城市用水量根据预测原理，主要分为两种：趋势法和因果法。趋势外推预测方法是源于事物运动惯性，强调考察食物的内在延伸性，以此来预判事物的运动变化，强调合力的延伸，而不着重考察各个分力。因果法区别于趋势法主要是基于事物之间的相关特性，着重考虑对事物产生影响的各个分力也就是各种影响因素的作用。2.1常规预测模型2.3.1回归预测模型回归预测模型强调输入值和输出值之间的相关性，也就是他们的因果关系，通常我们以天气、人口、经济增长、生活习惯、居民生活水平、人口素质等作为常用的分力即影响因素。2.3.2时间序列预测模型时间序列预测模型是认为对应时间序列的数据反映了所在时间序列已经发生的合力作用结果，即众多影响因素共同导致的数值，这个时候考察整个时间序列轨迹的时候就会发现，整个时间序列都是反映了外部影响因素合力即综合作用的结果，而这种结果仅有的变量就是时间，即以此预测的水量变化仅同时间有关系，预测模型仅仅依赖于历史已经发生的观测资料，这种方法使得预测的过程相对简单和明了。常用到的水量预测的时间序列预测模型有：（1）滑动平均（MA）预测模型；（2）自回归滑动平均（ARMA）预测模型；（3）指数平滑预测模型等[33,37-38]。-20- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1灰色预测方法2.1灰色系统灰色量泛指在某指定时间内的随机变化数据，而这种随机变化过程我们一般称作灰色过程；无规则数据序列是可以通过转换变为有规则序列的，无规则中潜在着可规则的可能[34]。2.2灰色模型优点灰色模型是所有现有预测模型中所需要已知数据最少的，并且其主要是将看似无规则的序列转换成有规则序列，通过有限次的运算，即可以模拟出系统的有效状态。2.3灰色模型灰色问题泛指结构、特征、信息参数不完备的问题，而这种系统即成为灰色系统，灰色预测是指对应灰色系统，利用已知发生信息，已经发生的信息我们可以认为是一个固定值，不再受外界环境影响，利用过去已知数据来建立一个数学模型，主要是应用它的长期趋向特性，当利用已知固定数据寻找到这种趋向规律后，就可以应用这种特性来对未来时间窗口的数据进行推测。灰色模型正是基于这种原理构建出来的数学模型，这种数学模型可以利用已经发生的用水量数据进行建模，然后形成序列模型，而非直接采用用水量原始时间序列[34-35,38]。灰色预测模型不考虑分力也就是单个影响因素的作用，仅仅通过考察已经发生的原始数据来，从而忽略了随机影响因素的作用，通过考察合力的作用结果，来应用其数列的内在规律，当以原始数据为基础的序列生成后，就可以利用其进行预测，一阶线性动态模型微分方程如下式(3-1)[34-35,38]：dx(1)/+(1)=(3-1)dtaxu式中x——原始序列的累加生成序列；(1)a,u——系数。a设aˆ=[]，采用最小二乘法计算，有式(3-2)。uaˆ=(BTB)-1BY(3-2)TN-21- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式中B=é-ê1/-1/êêêê-ë1/2(x(1)(1)2(x(1)(1)M2(x(1)(1)+++x(2))(1)x(2))(1)x(2))(1)ù1ú1úúúM1úûYN=(x(0)(2),L,x(0)(N))T时间响应函数见式(3-3)及式(3-4)。uu kxe aaxˆ(1)(+1)=((0)(1)-)-ak+(3-3)xˆ(0)(k+1)=xˆ(1)(k+1)-xˆ(1)(k)(3-4)(1)建立模型[38]将已有用水量序列数据表示为式(3-5)。Q=L(3-5)()Q()Q(0)Q(0)n00{(1),(2),,()}对Q(0)作一次累加处理，生成一阶灰色模块见式(3-6)：Q=L(3-6)(1)Q()Q(1)Q(1)n{(1),(2),,()}1式中Q(1)(1)=Q(0)(1)kåQ((k)()1)=Qi(0)i=1对式(3-5)微分处理，生成式（3-7）：dQ+=(1)aQ(1)dtu(3-7) 求解式(3-7)，有式(3-8)：æ-uöuˆ(1)(0)(3-8)Q÷ak+(k+1)=(1)-çQeèaøa对式(3-8)做还原可生成预测序列见式(3-9)：ˆ(0)kQ(1)kQ(1)kˆˆQ(+1)=(+1)-()(3-9)式(3-8)、(3-9)为灰色模型的时间响应函数及预测序列计算公式。-22- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1用水现状2.1哈尔滨市现有及未来供水区域哈尔滨市主城区市政供水系统现状供水范围包括六个行政区，即南岗区、道里区、道外区、香坊区、平房区、松北区。哈尔滨市城区近远期规划供水范围除上述六个行政区外，还包括城区的新发展区以及呼兰区、阿城区。2.2现状供水量2.3.1主城区现状用水量依据哈尔滨市供排水集团统计，江南城区（南岗区、道里区、道外区、香坊区、平房区）市政供水系统2003年至2010年平均日供水量为3.1~78.9万m³/d，最高日供水量约为83.7万m³/d（2008年），最低日供水量为64.1万m³/d（2004年）。具体见表3-1。表3-12003年至2010年江南城区供水量（万m³/d）年份20032004200520062007200820092010最高日82.378.2579.9680.0782.9783.782.684.5最低日70.764.165.365.269.8671.668.370.1平均日73.971.1472.6972.7975.4378.976.1477.69以上统计数据未包括企事业单位的自备水源供水量及松北区供水量，2005年计入企事业单位的自备水源供水量约16万m³/d及松北区供水量1万m³/d后，主城区用水量为96.96万m³/d。2.3.2呼兰区现状用水量呼兰区现状用水主要来自三座市政净水厂及企业自备水源，总用水量为3.3.1万m³/d。2.3.3阿城区现状用水量阿城区现状总用水量约为7.5万m³/d。-23- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1预测哈尔滨市用水量哈尔滨最高日用水量的影响因素过多，并且伴随大量的随机影响因素，通过考察哈尔滨市最高日用水量以前原始数据，总结规律，发现其预测不适用于因果分析法，不考虑因果分析预测法，那么趋势预测方法中，灰色预测模型属于趋势预测模型的一种，本文采用趋势预测方法对用水量进行考察。哈尔滨市2003年至2010年最高日用水量数据见表3-2。表3-2哈尔滨市2003年至2010年最高日用水量年份最高日用水量(万吨)年份最高日用水量(万吨)200382.3200782.97200478.25200883.7200579.96200982.6200680.07201084.5通过运用计算机程序计算，得到哈尔滨市最高日用水量预测分析结果见表3-3。表3-3哈尔滨市最高日用水量预测数据分析年份最高日用水量(万吨)模拟用水量(万吨)相对误差(%)200382.377.86-5.70200478.2578.80.70200579.9679.75-0.26200680.0780.720.81200782.9781.7-1.55200883.782.69-1.22200982.683.691.30201084.584.700.24应用趋势预测方法得到哈尔滨市最高日用水量预测结果见表3-4。-24- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表3-4哈尔滨市2020年最高日用水量预测年份最高日用水量(万吨)年份最高日用水量(万吨)201185.73201691.04201286.76201792.15201387.82201893.26201488.88201994.39201589.96202095.54气候、天气、产业结构、经济状况、人口组成、生活水平、习俗文化等多方面影响因素都对城市用水量有着不同的影响，本次预测2020年最高日用水量主要考虑的是趋势预测，不考虑因果效应，试图利用已知较少数据来预测未来中长期用水量。1.1近、远期供水量平衡2.1近期水量平衡2.3.1磨盘山净水厂一期通水后水量平衡主城区由磨盘山净水厂和现有水源联合供水。在磨盘山净水厂二期工程建成前，为提高城市供水安全可靠性，应对水库水源水质、水量变化以及单条长距离输水管线爆管等突发事故，统筹兼顾新、老水厂运行及备用，现有水厂将采用降低运行水量与磨盘山净水厂联合供水方式。2.3.2磨盘山净水厂二期通水后水量平衡主城区以磨盘山净水厂为主不足水量由现有水源和新建补充水源供给。磨盘山净水厂二期工程建成通水后，由水库至净水厂的长距离输水管线形成双线输水，安全距离内安装连通阀门，供水量基本可以满足江南城区市政供水范围内的需水量，三、四水厂暂停供水。本着先地表水、后地下水，严格控制城区内地下水的开采量的原则，市政系统地下水源水厂五、六水厂将全部停止运行，除七水厂供应工业用水和系统外企事业单位自备地下水源外，江南城区市政用水量将全部由磨盘山净水厂提供。-25- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在磨盘山水库供水二期工程建成后，根据双城市政府的请求，以及当地水资源缺乏无法解决城市需求的实际情况，将根据五常市城镇供水实际需要择期向其分送原水。考虑到哈尔滨市城市污水处理规划位置，以及本地已有七水厂专供集中的工业用水大户，污水处理中水回用将主要用于城区内沟景观用水、绿化及浇洒道路用水的实际情况，城区供需水量平衡中仅考虑污水处理中水回用于部分工业用水、绿化及浇洒道路水量。1.1远期水量平衡考虑主城区远期水量平衡，2015年以后，主城区需水量将超过近期内新增水源（包括污水处理中水回用资源）及原有水源供水能力，需适时建设补充水源，以满足远期需水量。2020年左右，城区规划需水量将超过近期内全市建设完成的供水设施总能力，需建设新的水源。2.1本章小结2.3.1通过对相关城市用水量的数学模型进行讨论，根据原理的不同对常见模型进行分类，通过讨论预测城市用水量的方式方法，总结哈尔滨用水量的特点，选择适用于哈尔滨市供水实际情况的算法-灰色预测方法。2.3.2预测采用灰色预测模型对以后原始数据转换生成时间序列，并进行2020年远期预测。2.3.3根据实际工作进行了直到2020年的供水量平衡预测。-26- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章哈尔滨市供水管网优化改造模型的构建1.1供水管网优化改造模型构建基础供水管网系统是一个结构复杂、规模庞大、用水变化随机性强、运行控制为多目标的网络系统。以往，我们对埋在地下的供水管网都是进行经验性管理，不能直接进行实验和大量的测试，实现科学化管理非常困难。要实现给水系统的科学化管理，尤其是大规模给水系统，供水企业必须建立供水管网优化改造模型。而构建供水管网优化改造模型的基础，是首先要形成管网水力模型，在反复多次的调用水力模型进行计算后确定的。2.1供水管网优化改造模型构建意义城市供水管网优化改造基础水力模型的计算是解决以下问题的有效途径，包括：新旧管道并存、管段连接复杂、原始资料不详、管道阻力系数相差较大、节点流量难以跟踪实测、管网监测点数量不足、供水管件年久失修等问题。供水管网现状资料以及运行参数很多均属未知等困难均可通过城市供水管网的模拟计算来解决[39-45]。供水管网优化改造模型的建立，一方面要让管网达到经济运行的目的，来降低供水成本、降低漏失率；另一方面要优化改造即优化改扩建工程，利用“供水管网优化改造模型”真实的反映出管网特征和正常的供水需求，进而对供水管网进行整体结构和工况分析，对不合理、已经不能满足城市需要以及城市新发展区域的管网提出改建、扩建及新建方案，为城市供水设施建设及安全优化运行提供准确的改造依据，使管网建设投资的合理性、有效性达到最大化。2.2供水管网优化改造模型构建流程及内容2.3.1确定供水管网优化改造基础水力模型首先，根据从哈尔滨市供排水集团和各个供水分公司及水厂采集到的大量管网图、管网数据、用户水量数据等数据资料，最终形成了哈尔滨市供水管网优化改造基础水力模型。然后在基础水力模型形成的基础上，管网优化改造模型对其进行反复多次的调用计算。该水力模型数据处理功能由四大引擎实现，如图4-1所示；图形编辑功能如图4-2所示；工况分析功能如图4-3所示。-27- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图形引擎数据引擎管网水力模型构建引擎模型水力计算引擎图4-1基础水力模型数据处理功能数据库引擎图形界面图形引擎图形导入图形编辑修图层管理报表管理拓扑重构拓扑检查图4-2图形编辑功能数据库引擎图形界面图形引擎建模引擎数据查询图层管理报表管理水力计算工况仿真图4-3管网工况分析功能-28- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1供水管网优化改造基础水力模型计算供水管网基础水力模型计算主要包括三部分：现状资料收集、管网水力计算和管网工况分析[46-47]。现状资料的收集，包括大用户资料的收集、管材、管径及连接情况、测压点数据、阀门开闭。绘制管网拓扑图，对节点和管段编号，绘制用水量变化曲线，实测水泵特性曲线，收集管道阻力系数资料，建立数据库。然后通过管网水力计算，根据已知特定管段阻力系数推求出其他管段的阻力系数，运用供水管网水力计算软件进行平差计算，并利用测压点数据进行水力校核。供水管网工况分析主要包括[47]：(1)管道负荷确定管道中水流速上限和下限做为约束条件，使真实流速介于上限和下限之间，达到最经济工况。(2)水流方向根据供水管网水力计算软件工况计算结果，通过计算机显示出管网中实际水流方向，综合判断供水管网合理性。(3)供水分界线以供水分界线来判断各水厂供水的合理性，合理通过泵站进行优化调度。(4)水泵的工况通过模拟计算的水泵工况点合理判断水泵是否在高效区(5)供水路径通过供水节点流量判断供水主要路径进一步判断供水路径是否合理、经济运行。2.1管网拓扑结构生成供水管网优化改造基础水力模型以供水管网拓扑结构为计算基础。经收集哈尔滨市DN300及以上供水管路数据，并录入到水力模型中，最终形成了哈市供水管网数字式底图。供水管网错综复杂，不同节点上不同管径管道相互交叉，利用供水管网水力计算软件进行有效的计算，需要进行简化处理，保证水力特征情况下，哈尔滨市供水管网拓扑结构图保留了管段5341条，节点4482个，拓扑图如图3-4所示：-29- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3-4哈尔滨市供水管网拓扑结构图1.1管道阻力系数(C值)的确定根据哈尔滨市现状管道使用的年限及锈蚀情况，参考其他城市对不同使用年代的管道的测试结果，配水管道C值按表4-1取值。表4-1管道阻力系数(C)取值表序号管道使用年限(年)C值10-511026-10100311-1595416-2590526-30856>30807新增管道120-30- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1节点流量确定节点流量由大用户用水量、小用户用水量和管网漏失量三部分构成，表4-2给出了哈尔滨市部分大用户信息。表4-2哈尔滨市大用户用水量信息序号单位地址类型1第一工具厂南马路117号22省中医大学和平路24号13中医附属医院和平路24号14省中医大学和平路24号15汽轮机厂大庆路2号26哈轴承厂红旗大街14号27新加坡大酒店赣水路68号38福顺天天大酒店赣水路39省民航大厦中山街310日月潭公滨路300号311省农垦总局红旗大街112工大男教公寓大直街92号413大福源宣化街402号314好又多十字街45号315烟厂一曼街104号216哈铁五中大直街125号117哈尔滨通信分公司花园街1号518交通厅家属区交电街2号419花园浴场复华跃井街角320融府康年酒店河清街88号321中央商城中央大街100号322兆麟小学校地段街189号123省工商银行营业部河洛街7号524工商银行河清街88号525省财政厅家属高谊街49号426市第一医院买卖街168号1-31- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.1供水管网优化改造模型的构建优化改造模型的构建和求解过程复杂，对参数要求高，并且在应用时引入了必要且符合实际的假设来降低复杂度，提高了计算速度和一致性。由于哈尔滨市磨盘山供水工程的实施，城区供水水源有了巨大变化，即由原来的松花江水源单独供水变为现在的松花江、磨盘山联合供水，直至过渡到磨盘山水源单独供水而松花江水源作为备用水源；并且磨盘山通水后，哈尔滨市区管网供水方式也大大改变，由原来的三厂、四厂及加压站送水逐渐变为整个市区重力流、低压区、高压区分片送水。正是由于哈尔滨市供水管网水源位置及供水方式发生巨大变化而需优化改造的特点，使得哈尔滨市的管网改造问题不能仅仅以改造成本一个指标作为依据来确定改造方案，而应对多种约束条件均予以满足，达到改造成本、管段流速及节点压力等多个目标函数的最大可行性，甚至最经济性。因此，提出建立适用于哈尔滨供水管网改造的具有多目标函数的优化改造模型。管网设计的费用函数是由管网建造费、折旧大修费和动力费三项组成。2.1建造费用由于供水管网中，二级泵站、水塔、水池等所占比重较小，管道造价在整个输配水系统的造价中所占比重最大，故供水管网优化改造模型只考虑管道造价，见表4-3。表4-3管道造价公式表[35]名称公式参数苏联公式C=+aabDC=+aa、b、a为常数；C为管径造价(元/m)；D为管径(mm)。日本公式曲线e=g+aDba、g、b为常数；e为管径造价(元/m)；D为管径(mm)。C为管径造价(元/m)；(D)拟合CD=B1+B2D+B3D2+B4D()()()()()3D为公称直径(m)；公式B为系数。(I)管道造价W=åB+BD+BD+BDl()()()2()3giiii1[1234]Di为管径(m)；l为管长(m)。 -32- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表4-3名称公式参数管道造价年折W1W[B1B2DB3DB4D]l==å+++t为投资回收期。g1()()()2()31()()()2()3g2iiiitt算值动态公式W=APit·åB+BD+BD+BDl()()()()2()3giiii2/,,[1234](A/P,i,t)为资金回收系数。管道t为回收期(年)；造价年折()()i1+itA/P,i,t=()1+i-1()ti为基准收益率；P为投资现值(元)；算值A为经营成本(元)。折旧大修费PM=·åB+BD+BD+BDl--()()()()232[1234]100iiiig为能量变化系数；E为电费；Qi为总流量(m³/s)；动力费用ii0iii0iM124365E86000E=´åå=ååggrgQ(H+h)rgQ(H+h)ii0iii0ihhiiHi0为泵站到控制点静扬程(m)；åh为泵站到控制点的管i路水头损失(m)；h为效率。i1.1目标函数由表4-3可以得到管网年折算费用的目标函数如式(4-1)：W=W+M+M(4-1)g12 =i1+i()t·[B(1)+B(2)D+B(3)D+B(4)D]l23()tiiii1i1+-å+å()+QHhPåå86000gE0+·[B1+B2D+B3D2+B4D3]l()()()()h100iiii=()()++tåQH0hi1iP23åå将其86000gE[][B(1)B(2)DB(3)DB(4)D]l+++++htiiii(1+i)-1100简化，目标函数如(4-2)式：-33- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文()t86000Ei1iPg+åå(4-2)W=Qh++B()D+B()D+B()Dl[][234]23h100(1+)-1tiiiii略去动力费用项，目标函数如(4-3)式：i+iP()t11i1+-å(4-3) ()()2()3W=[+][B2D+B3D+B4D]l()tiiii1001.1约束条件表4-4约束条件表[35]序号类别参数Q为节点流量(m³/s)；i-å=QqiijjÎVi0q为管段流量(m³/s)；ijn为节点总数；V为与节点i相邻的节点号集合。i水力约束ååüï(h)ij1()ïhij2ý1，2，…，l为管网中环号。å(h)ïþ ijlk、m、n为常数；H-H=h=sqnijijijijkls为管段摩阻，=ij；sijijmDinl为管段长度(m)。ij水头约束Hi>Himin--水源水量约束nsåQi=Qhi=sQmaxQQ³ns³minns为泵站个数；Qh为管网用水最高时的水量。管径约束Dimin