哈尔滨市供水管网优化改造模型的研究及其应用 70页

'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:X703.1U.D.C:628.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYONTHEMODELOFOPTIMALRECONSTRUCTIONFORWATERDISTRIBUTIONNETWORKOFTHECIYTOFHARBINWITHITSAPPLICATIONCandidate:YankunSupervisor:AssociateProf.GaoJinliangAssistingSupervisor:ProfessorshipSeniorEngineer.GuanweipingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:BuildingandCivilEngineeringHarbinWaterSupplyAndDrainageAffiliation:GroupCo.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...........................................................11.1.1模型应用范围....................................................................................................11.1.2模型内容及目的................................................................................................11.1.3模型建立必要性................................................................................................21.2国内外研究现状.......................................................................................................21.2.1国内研究现状....................................................................................................21.2.2国外研究现状....................................................................................................31.3哈尔滨市概况及水资源利用情况...........................................................................41.3.1城市社会经济现状............................................................................................41.3.2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...................................................................................................92.1.1取水厂现状........................................................................................................92.1.2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.....................................................................................................193.1.1用水量预测流程..............................................................................................193.1.2用水量预测模型..............................................................................................203.2常规预测模型.........................................................................................................203.2.1回归预测模型..................................................................................................203.2.2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......................................................................233.4.2现状供水量......................................................................................................233.5预测哈尔滨市用水量.............................................................................................243.6近、远期供水量平衡.............................................................................................253.6.1近期水量平衡..................................................................................................253.6.2远期水量平衡..................................................................................................263.7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...........................................................274.1供水管网优化改造模型构建基础.........................................................................274.1.1供水管网优化改造模型构建意义..................................................................274.1.2供水管网优化改造模型构建流程及内容......................................................274.1.3管网拓扑结构生成..........................................................................................294.1.4管道阻力系数(C值)的确定............................................................................304.1.5节点流量确定..................................................................................................314.2供水管网优化改造模型的构建.............................................................................324.2.1建造费用..........................................................................................................324.2.2目标函数..........................................................................................................334.2.3约束条件..........................................................................................................344.2.4单目标优化改造数学模型..............................................................................344.2.5多目标优化改造数学模型..............................................................................354.3供水管网优化改造模型参数的确定.....................................................................374.3.1管材造价系数的确定......................................................................................384.3.2目标函数参数的确定......................................................................................394.4本章小结.................................................................................................................39第5章哈尔滨市供水管网优化改造模型应用...............................................................405.1供水管网多目标优化改造模型的求解方法.........................................................405.1.1免疫算法..........................................................................................................405.1.2基于免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型......................................425.2供水管网优化改造模型的应用.............................................................................455.2.1应用模型进行求解的流程..............................................................................455.2.2应用模型进行工况优化..................................................................................455.2.2应用模型进行市区管网优化改造..................................................................495.3模型应用的效果分析.............................................................................................555.4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。1.1.1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。1.1.2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1.1.3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。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状1.2.1.1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[1]化改扩建、漏失、管网状态评估进行可视化分析。1.2.1.2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，[2]并提出合理性解决方案。1.2.1.3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[3]建立管网智能化管理系统。1.2.1.4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[4]扩建提供科学依据。-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[5]规划改扩建提供可靠保证。1.2.1.5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[6-7]到，提供给决策者。1.2.1.6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[8]结果，同时为配水管网优化调度及规划改造提供支撑。1.2.2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[9-11][12-13]面，包括：管网运行分析、管段运行成本经济性分析、管网改扩建[14-18]决策模型的研究等。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[19-20]扩建决策模型来进行求解。1.2.2.1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[21-23]析方法来确定目标管路。1.2.2.2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[24-25]待进一步发掘及研究。-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.2.2.3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、[26]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。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。1.2.2.4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[27-28]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。1.3哈尔滨市概况及水资源利用情况1.3.1城市社会经济现状1.3.1.1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[29]地，其自然概况如表1-1所示：-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[29]表1-1哈尔滨自然概况表序号类别参数东经125°42′~130°10′1地理位置北纬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/s最高1024.4m7海拔标高最低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1.3.2水资源利用现状1.3.2.1水资源特点哈尔滨市水资源特点如表1-2所示：[29]表1-2哈尔滨水资源状况表序号类别参数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466km占多年平均径流量的6春汛（5月~6月）15%~25%占多年平均径流量的7汛期径流量（6月~9月）60%~75%占多年平均年径流量的811月至次年的4月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）68m³过境水可利用量与本地水资源量的总19258亿m³和20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。1.3.2.2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m³1.3.2.3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[29-31]出无序开采情况。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[29-31]题日趋严重。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。1.4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1.5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。2.1城市水源水厂现状2.1.1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[29-30]地下水水源供水的多水源供水模式。2.1.1.1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。2.1.1.2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2.1.2制水厂现状2.1.2.1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4合水力停留时间3min，速度梯度372S-1，GT值1.23×10；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1.2min，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2.1.2.2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。2.1.2.3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。2.1.2.4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。2.1.2.5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[30]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。2.1.2.6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磨盘山供水设施序建设规模供水能力输水管线配水管道库容号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------磨盘山水库供水设390万m³/d------施总规模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2.1.2.7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。2.1.2.8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东部经济技术1嵩山加压站10万m³/d开发区2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/d2.1.2.9二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[30]压水容器3000余台（套），保证了上百万哈尔滨市民的二次用水。2.2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）市政供水原水输水管线400供排水集团管线市区配水管线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）10000080000管长（m）6000040000200000DN1800DN1600DN1400DN1200DN1000DN900DN800DN700DN600DN500DN400DN300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管材不锈钢复合管管长（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1940年1950年1960年1970年1980年1990年~19392000年年代~1949~1959~1969~1979~1989~1999年~年年年年年年管长262379102340722497229982135421412274231235（m）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年管龄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2.3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[29-31]解决。2.3.1水源方面2.3.1.1供水水源不能满足需要33磨盘山水库工程通水后可向城镇供水量90万m/日。其中，10万m/3日分别配给五常和双城，另为哈市磨盘山净水厂提供80万m/日供水量。33目前哈市平均需水量为77万m/日，最大日需水量为80万m/日，供需基3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m/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。2.3.1.2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。2.3.1.3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。2.3.2水厂设施方面2.3.2.1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33厂可达171万m/日，而现状平均日用水量为72～75万m/日左右，最高为384万m/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，33现有前进水厂设计供水能力4万m/日，且实际供水量仅约2000m/日，供水设施能力也处于严重闲置状态。2.3.2.2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2.3.3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。2.4本章小结1.系统详细的介绍了哈尔滨市水源水厂现状。2.用实际数据形象的分析了哈尔滨市城区配水管网现状。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。3.1用水量预测方法3.1.1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[34-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36]。预测用水量的常规流程方法如图3-1所示。3.1.2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。3.2常规预测模型3.2.1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。3.2.2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[33,37-38]测模型；（3）指数平滑预测模型等。-20- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.3灰色预测方法3.3.1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[34]规则中潜在着可规则的可能。3.3.2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。3.3.3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[34-35,38]量原始时间序列。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[34-35,38]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)：(1)(1)dx/dtaxu(3-1)(1)式中x——原始序列的累加生成序列；a,u——系数。a设aˆ[]，采用最小二乘法计算，有式(3-2)。uT1Taˆ(BB)BY(3-2)N-21- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文(1)(1)1/2(x(1)x(2))1(1)(1)1/2(x(1)x(2))1式中B(1)(1)1/2(x(1)x(2))1(0)(0)TY(x(2),,x(N))N时间响应函数见式(3-3)及式(3-4)。(1)(0)uakuxˆ(k1)(x(1))e(3-3)aa(0)(1)(1)xˆ(k1)xˆ(k1)xˆ(k)(3-4)[38](1)建立模型将已有用水量序列数据表示为式(3-5)。(0)(0)(0)(0)QQ(1),Q(2),,Q(n)(3-5)(0)对Q作一次累加处理，生成一阶灰色模块见式(3-6)：(1)(1)(1)(1)QQ(1),Q(2),,Q(n)(3-6)(1)(0)式中Q(1)Q(1)k(1)(0)Q(k)Q(i)i1对式(3-5)微分处理，生成式（3-7）：(1)dQ(1)aQu(3-7)dt求解式(3-7)，有式(3-8)：(1)(0)uakuQˆ(k1)Q(1)e(3-8)aa对式(3-8)做还原可生成预测序列见式(3-9)：(0)(1)(1)Qˆ(k1)Qˆ(k1)Qˆ(k)(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3.4用水现状3.4.1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。3.4.2现状供水量3.4.2.1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71.14~78.9万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。3.4.2.2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5.9万m³/d。3.4.2.3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3.5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。3.6近、远期供水量平衡3.6.1近期水量平衡3.6.1.1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。3.6.1.2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。3.6.2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。3.7本章小结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.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。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4.1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。4.1.1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[39-45]供水管网的模拟计算来解决。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。4.1.2供水管网优化改造模型构建流程及内容4.1.2.1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改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4.1.2.2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[46-47]计算和管网工况分析。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。[47]供水管网工况分析主要包括：(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。4.1.3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4.1.4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4.1.5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4.2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。4.2.1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。[35]表4-3管道造价公式表名称公式参数a、b、为常数；苏联CabDC为管径造价(元/m)；公式D为管径(mm)。、、为常数；日本eDe为管径造价(元/m)；公式D为管径(mm)。曲线CD为管径造价(元/m)；23拟合CDB1B2DB3DB4DD为公称直径(m)；公式BI为系数。管道23Di为管径(m)；Wg1[B1B2DiB3DiB4Dli]i造价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Wg1123Wg2[B1B2DiB3DiB4Dli]it为投资回收期。年折tt算值动态23APit/,,为资金回收系Wg2APit/,,[B1B2DiB3DiB4Dli]i公式数。管道t为回收期(年)；t造价ii1i为基准收益率；APit/,,t年折11iP为投资现值(元)；算值A为经营成本(元)。折旧大修MP[B1B2DB3D23B4Dl]--2iiii100费为能量变化系数；E为电费；Qi为总流量(m³/s)；动力gQHhgQHhHi0为泵站到控制点静扬程ii00iiiiM124365E86000E(m)；费用iihi为泵站到控制点的管路水头损失(m)；为效率。i4.2.2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)g12tii123=t[B1B2DiB3DiB4Dli]i11iQH0hP23+86000E[B1B2DiB3DiB4Dli]i100tQH0hii1P23=86000E[t][B1B2DiB3DiB4Dli]i将其11i100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t86000EPii123WQh[t][B2DiB3DiB4Dli]i(4-2)11i100略去动力费用项，目标函数如(4-3)式：tii1P23W[t][B2DiB3DiB4Dli]i(4-3)11i1004.2.3约束条件[35]表4-4约束条件表序号类别参数Q为节点流量(m³/s)；iq为管段流量(m³/s)；Qq0ijiijjVin为节点总数；V为与节点i相邻的节点号集合。i()hij1()hij2水力约束1，2，…，l为管网中环号。()hijlk、m、n为常数；klijHHhsqnsij为管段摩阻，s；ijijijijijDminl为管段长度(m)。ij水头约束HHiimin--ns水源水量QiQhns为泵站个数；is约束Qh为管网用水最高时的水量。QQQmaxnsmin管径约束DiminDiDimax--流速约束ViminViVimax--4.2.4单目标优化改造数学模型由表4-3、4-4可以得出供水管网单目标优化改造模型的数学模型如式(4-4)：-34- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文tii1P23obj.minfDh,[t][B2DiB3DiB4Dli]i(4-4)11i100stQq0(i=1，2，L，n)iij.jVihij0(k=1，2，L，l)kHp0nsQiQhisQmaxQnsQminDiminDiDimaxViminViVimax4.2.5多目标优化改造数学模型由于前面所述哈尔滨供水管网改造所涉及到的水源及供水方式均发生变化的特点，因而提出，在传统单目标数学模型的基础上，增加管段流速优化目标及节点压力优化目标建立模型。在哈尔滨供水实际应用中，管段流速优化即是将各管段内水流速度在安全、经济流速范围内运行，充分发挥各管段的水量转输或配水作用；达到净水厂水泵机组在最佳工作区间内工作，提高效率，降低能耗；并使各管段的经济价值充分发挥。同时，要控制因流速发生巨大变化导致管道沉积物被冲起，而污染水质的情况发生。如，根据重力流、高压区、低压区各供水区域需水变化情况，分别各自调整调流调压设备开启度，从而达到各区域供、需水量平衡效果。例举某一日具体调整水量情况，见表4-5。表4-5哈尔滨市某日水量情况表重力流2条高压区2条低压区各1条DN1400管线向DN1200管线向DN1600、DN1400管线时间道里、道外供水南岗、平房供水向动力、香坊供水3水量m/h0:00-5:002900-30005180-58867258-68485:00-7:003000-43005310-62686848-105237:00-11:004300-48006268-808910370-1064111:00-14:004200-45007477-77599998-1037014:00-17:003900-42007158-74779930-1011417:00-20:004300-45007158-77649980-1029520:00-24:004500-29006583-76708769-9980-35- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文同样，在哈尔滨供水实际应用中，管网中的节点压力表明该节点所具有的该段管线内水位压力值，该值应在安全、合理、经济范围内。节点压力优化目标，指向管线经济流速、水量调配、管网安全运行、净水厂开启机组的台数、管网阀门开启度等一系列相关课题。磨盘山通水前，哈尔滨采用松花江水，供水厂主要为三水厂、四水厂，等水压线从三厂、四厂向末梢辐射；而磨盘山通水后，供水厂变为净水厂，等水压线从平房向末梢辐射。这就容易造成，原来管网压力低的地方，可能会出现压力升高、甚至爆管情况；而原来压力高的地方，水压可能会变低，如果没有二次供水设施，水压就达不到用户需要，出现用户没水现象。因此，哈尔滨市区内对重要管线、重要区域、重要节点陆续增设110个压力点，调度人员24小时观察市区供水管网压力情况，并根据全市管网压力供、需变化情况，进行适时调度、科学调度、经济调度、安全调度。在用水高峰日，比如春节前后的供水量巨大变化中，全市供水管线没有发生1处因供水压力过大发生爆管现象和供水压力不足而产生缺水片区。哈尔滨市低压区DN1600向动力区、香坊区供水管线，在2011年供水时由于有些阀门没有全部开启，造成净水厂低压机组全部启动，而后端局部地方还有缺水现象；2012年安装节点压力表后，通过对压力值进行分析、对比，发现此条供水管线供需矛盾巨大，且前后压力差大。初步判断有些阀门没有开启到位。通过排查、并逐渐开启相关阀门，最终达到净水厂少开一台机组的效果，每年能够为公司节省巨额电费。4.2.5.1管段流速优化目标函数管段流速优化目标函数为：Hydraulicviolationi_()((vjflj)(vkflk))(|vnvs|fln)(4-5)jPmkPxnPS式中Pm——i方案中管段流速低于经济流速下限的管段集合；Px——i方案中管段流速高于经济流速上限的管段集合；Ps——i方案中管段流速满足经济流速的管段集合；flj——管段j的流量；Δvj——管段j的流速与经济上限（或下限）差值的绝对值；vn——管段n的流速；vs——最佳流速；α，β——权重系数。-36- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.2.5.2节点压力优化目标函数节点压力优化目标函数的建立思想与管段流速优化目标函数建立思想基本一致。节点压力优化目标函数如下：Pressuredeficienti_()(hQjj)(hQkk)(4-6)jJmkJx式中Jm——i方案中节点水压低于最小服务水压的节点集合；Jx——i方案中节点水压高于最小服务水压的节点集合；Qj——节点j的节点流量；Δhj——节点j的水压与最小服务水压差值的绝对值；σ，ρ——权重系数。4.2.5.3供水管网改造年成本目标函数供水管网改造年成本目标函数与供水管网优化改造单目标模型中的目标函数一致。4.2.5.4供水管网改造多目标优化模型通过上面的分析，可得供水管网改造多目标模型形式如式(4-7)：obj.(4-7)st.Qqiij0(i=1，2，L，n)jVihij0(k=1，2，L，l)knsQiQhisDiminDiDimax4.3供水管网优化改造模型参数的确定管网造价、折现系数、电费的地域性差异，需要针对哈尔滨市管网确定管网设计参数。-37- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3.1管材造价系数的确定本文优化算法采用变量为目标函数计算公式中的离散管径变量，故需要管网工程造价计算如表4-6：表4-6管材造价造价工程概算公式表每米管材造价(1)+(2)+(3)+(4)+(5)工程直接费用(1)工程间接费用(2)=(1)×直接费费率计划利润(3)=(1)×利润率其他费用(4)=(1)×其它费用费率税金(5)=[(1)+(2)+(3)+(4)]×税金率根据上表管网工程造价计算程序本改造模型采用铸铁管造价计算出不同管径的单位管长管材造价见表4-7，求得单位长度管材工程造价如表4-8。表4-7管材建造及改造费用单价管径(mm)建造费用(元/m)改建费用(元/m)180030883273160028752994140026872879120022542535100020812481900189721838001695188770015871762600141115895009681326400732954300479826表4-8管材造价参数表参数B(1)B(2)B(3)B(4)建造-712.03451.83.0-22.354.60.5026改建-284.67393.57-16.09-0.2837-38- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.3.2目标函数参数的确定目标函数其他参数确定如表4-9。表4-9目标函数参数表参数参数项参数值P年折旧和维修费率7%t项目建设周期（年）20i资金年利率8%供水能量变化系数0.36水泵效率75%E电费(元/kw.h)0.554.4本章小结1.系统介绍了供水管网优化改造模型的构建流程及内容。2.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。并在供水管网优化改造单目标模型基础上建立供水管网优化改造多目标模型。3.确定供水管网优化改造模型参数。-39- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章哈尔滨市供水管网优化改造模型应用随着生命科学技术的进步，诸多寻优智能算法被开发出来，例如：蚁群算法、网络神经元、退火算法、进化算法、遗传算法、微粒群算法、免疫算法等，实际工程领域对寻优智能算法的应用，使得超复杂优化设计及计算难题的处理到很好的启发。城市供水管网优化改造模型问题，可以应用寻优智能算法，使得难以应用计算机技术来处理的非线性优化问题，优化调度、漏失问题得到很好的解决等，智能算法能够扩大搜索寻优的范围，减少传统优[35,48-50]化方法陷入局部最优解的风险。本文采用免疫算法对管网多目标优化改造模型求解。5.1供水管网多目标优化改造模型的求解方法5.1.1免疫算法人们在生命科学领域已经对遗传和免疫等自然规律进行了深入的研究。同时在模拟人工智能处理领域也取得了很多成果，进一步的挖掘和利用人类智能资源，开发生物智能体系，提升进化算法及智能计算任重而道远。免疫算法是基于生命体免疫系统中B细胞克隆进化及优势抗体进化而开发出来的一种高效优化寻优算法，本质上不用于达尔文进化算法，其是通过人工方式构造出来的一种数学仿真，其在计算、控制、寻优等方面具有相[51-54]当多的实际应用，有相当好的应用前景。免疫系统是动物的防御系统，是动物的三大支柱系统之一，神经系统和遗传系统已经得到人们的广泛关注，应用于很多实际工程之中，并且效果显著，作为第三大系统的免疫系统是动物日常生活中的必需系统，如果免疫系统受到伤害，那么就会危及生命，通过免疫系统推导出来的免疫算法现在也[55]正越来越广泛的被用于各种行业。免疫系统一个复杂系统，包括器官、细胞和分子，是除神经系统外，能够进行非我和自我信息识别的特异性组织，并能够进行准确应答及保留记忆[55]反应功能。免疫系统是通过遍布全身的各类淋巴细胞来识别和对抗入侵危害生命体的入侵者，免疫系统能够有效的保护生命体免受来自外界伤害，使生命体在自然环境中应对变化复杂、充满未知的状态下得以进行有序的生命活动的重要保障。同时，神奇之处在于免疫系统能够应对庞大近乎无限的-40- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文各类病毒的侵害，而自身却是一个相当有限的系统，这一特点引起了广大学者的关注，在跨学科交叉日益广泛的当下，人们在医学及生命科学研究这一领域的同时，已经推广到数学及计算机领域，免疫算法正是如此产生的，其受生命体免疫系统启发而构造对多峰值函数进行搜索及全局寻优能力极强的[55-58]新型寻优智能算法。免疫算法一般流程见图5-1。开始抗原识别产生初始B细胞群体生成初始抗体产生新B细胞群体生成新抗体亲和性计算YB细胞进化操作满足终止条件输出结果N促进和抑制细胞产生记忆单元更新图5-1免疫算法一般流程与多种寻优算法相比较，免疫算法有其自身的优点，即多样性和自我调节这两大特点，在寻优计算的过程中，免疫算法具有相当大的优势。免疫的记忆特性能够使产生抗体的小部分细胞被作为长寿细胞得以保留，当再次遇到出现过的抗原，就能够快速产生大量的相应抗体，从而产生对疾病的抵抗[58]能力，很好的计算出最优解。基于记忆训练功能和抗体新生的方法这两大特性遗传算法和免疫算法两者区别显著，免疫算法那是一种模仿自然进化过程的先进的寻优计算方法。-41- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.1.2基于免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型应用免疫算法求解供水管网优化改造模型是将供水管网中管道管径看作B细胞，抗原被设计成目标函数即管道造价年折算值、折旧大修费和动力费用的和，抗体被设计成目标函数的最优解，还有抗原识别、约束条件、产生初始种群、计算亲和性、更新记忆库、产生新B细胞生成新抗体及算法终[48]止原则等。5.1.2.1多目标优化改造模型的抗原供水管网优化改造将供水管网管道管径做为决策变量，求出各管径的最优解；以管道造价年折算值、折旧大修费和动力费用之和为目标函数，约束条件为水力约束、水头约束、水源水量约束、管径约束、流速约束。用免疫算法对模型进行求解时，抗体即管道造价年折算值、折旧大修费和动力费用之和最小。5.1.2.2多目标优化改造模型的约束条件求解供水管网多目标模型是一个大型、多元的复杂优化问题，当面对约束条件的处理时，我们通常有三种有效方法，包括：（1）应用B细胞编码解决约束条件，通过B细胞的编码使得在求解过程中始终保证解群的可行性，解始终为可行解。（2）约束条件的处理不在编码过程中实现，而是在寻优计算过程中设置检测模块进行判断，将可行解放入下一个群体。（3）引入惩罚函数计算，当B细胞的解违反了约束条件，这个时候通过惩罚函数的计算，降低其生存能力，在寻优计算的过程中，通过解群的更新，使违反约束条件解对应的B细胞生成能力越来越低，若干代后逐渐被淘汰，从而保证最优解产生于可行解中。方法一是将约束条件表现在B细胞中，通过B细胞编码来解决。方法二适用于处理简单约束条件问题，相对较容易实现。方法三是最简单的约束[59-61]条件处理方法。从供水管网多目标优化改造模型的特点出发，处理其约束条件，方法三是最方便、最简易及最合适的，目标函数将约束条件包含于其中，即将水力约束、水头约束、水源水量约束、管径约束、流速约束变为目标函数的一部[62-63]分,从而转变为多目标函数的问题。-42- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.1.2.3多目标模型初始种群求解供水管网多目标优化改造模型时，以B细胞通常使用随机产生的办法生成，通过计算得到各自的目标函数来产生初始抗体种群。这里以B细胞表示管径。用免疫算法求解供水管网优化改造问题时，解表示方法极其关键，编码[64]对于免疫算法中抗体和抗原的方式主要有以下几种：（1）实数编码是一种相对复杂的编码方法，不能够直接进行运算，需要进行转换运算，这就对计算机的运算和存储能力有较高要求。（2）整数编码用十进制串来表示问题的解，其需要很大存储量来做相应的转换运算，这主要是因为编码机制和不同的码长对寻优计算的精度与效率有很大约束；（3）二进制编码是最早也是最简单最原始的编码方式，二进制字符串[48]便于编码和操作，对于交叉变异算计的运算操作也有较大优势。供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题，采用对B细胞进行二进制编码。5.1.2.4多目标优化改造模型的亲和性用免疫算法求解供水管网优化改造问题时，抗体间的亲和性能够表明两个抗体间的相似度。抗原和抗体的亲和性能够表明抗体对抗原的识别程度[51]。[51]抗体间的相似程度的对外表象体现出两个抗体间的亲和性。每个抗原都有很多表位，而一类抗体只能有一种受体，所以一个抗原能够跟多个抗体想结合，对于供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题，改变目标函数可以很容易的实现抗原与抗体之间的亲和性的变化，抗原为以[52]管道造价年折算值、折旧大修费和动力费用之和最小。5.1.2.5多目标优化改造模型的记忆库记忆库、记忆机制的引入有利于深入探索问题，对克服盲目搜索差，提高寻优计算能力，通过记忆单元将亲和力强的优秀抗体保留并直接进入下一[52]代种群，具有很好的作用。5.1.2.6多目标优化改造模型生成新抗体B细胞群的新生包括三个主要部分：分别为选择、突变和交叉，通过生存里的选择，生存下来的B细胞才能进行随机交叉和变异。选择是将优势的B细胞直接传给下一群体，并在下一群体内进行突变、交叉的方法，以B细胞的生存能力作为评价群体中B细胞是否优势的-43- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文基本标准，在进化的过程中，这种方式体现出了免疫算法进化的活力和推动[48]力。突变能够有效的提高抗体识别能力，由于突变率和亲和度成反比例关系，所以随着群体的迭代，亲和度较大的将不受突变的作用，这时候需要结合选择算子和交叉算子进行进一步寻优计算。常用的变异方法有亲和突变、[54]超突变、均匀突变和互换突变等。供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题应用互换突变。互变突变是以一定的变异概率来随机选择参与变异的父代B细胞，通过随机改变某基因位置的基因，产生新的子代B细胞，以此来达到父代B细胞的更新。交叉操作能够保持群体的连续性，交叉算子具有很好的保持个体优良特性的优点，交叉算子的引入极好的保持了群体的连续性，有利于群体的快速收敛。对于求解供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题，保持群体的[55]多样性极其重要。单点、两点、均匀交叉是相对比较简单的交叉操作，也比较原始，而多点、顺序、启发和混合交叉就相对较复杂，在计算运行中[48]寻优速度也较好。供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题应用多点交叉。交叉是在群中对不同B细胞作随机的断点，对调相应后边的基因，产生新种群。5.1.2.7多目标优化改造模型的终止免疫算法作为一种启发式算法，在迭代过程中必须设置终止准则。主要包括：（1）迭代规定次数后终止给定运算的迭代次数N，当达到运算迭代次数后自动停止计算，具有很好的操作性和时间窗口，但是无法保证在N较小的情况下得到的解一定是最优解，经验型较强。（2）频率控制当某解的出现频率达到一定的标准，当算法继续进行下去的时候，次解出现的频率不断增加，可以表明此时已经无法得到更优的解，停止计算，输出最优解。（3）目标值变化控制在寻优计算过程中，在相应的计算迭代数内，目标值没有改变，表明解也不会继续进化，停止计算，输出最优解。（4）目标值均值-44- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文程序运行过程中，不同种群的更替，能够很容易的计算出均值与目标值的比值，当计算得到的相应群体目标值的均值于给定值相差较大的时候，程序终止，给出最优解。供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题应用限[48]定迭代次数的准则。5.2供水管网优化改造模型的应用5.2.1应用模型进行求解的流程供水管网多目标优化改造模型多峰值寻优问题是求解一个混合离散变量(管径)的非线性优化课题。决策变量为多目标优化改造模型的管径，应用供水管网水力计算软件进行水力计算。按免疫算法求解最优管径，具体计算过程见图5-2。开始抗原识别为以管道造价年折算值、折旧大修费和动力费用之和最小产生初始B细胞群体生成初始抗体产生新B细胞群亲和性计算体生成新抗体Y满足终止条件B细胞进化操作优化改造方案别N促进和抑制细胞产生记忆单元更新图5-2免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型流程图5.2.2应用模型进行工况优化针对哈尔滨市供水管网多水源的情况，通过供水管网优化改造模型对磨盘山1系列供水模拟计算，并进行工况分析，分析工具包括水头分布、供水趋势分析、管道负荷及供水满足区域分布。-45- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.2.2.1供水高峰时段水头分布状况图5-3、5-4分别为供水高峰时，全市供水区域自由水压及绝对水压分布图。图5-3供水高峰时段全市自由水头分布图图5-4供水高峰时段全市绝对水头分布图-46- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.2.2.2供水高峰时段供水趋势了解多水源管网的供水分界区域有利于进行供水的优化调度，模拟显示结果系统可自动设置用不同的颜色显示不同水源的供水范围。图5-5即为供水高峰时段，各泵站的供水趋势图。图5-5供水高峰时段全市供水趋势图从供水趋势图中可看出，制水三厂主要供南岗和哈西以及道外区大部分和道里区部分区域；四厂主要供道里区，供水范围相对较小；嵩山加压泵站主要供香坊和太平两区；六厂主要供动力区，供水范围相对较小；磨盘山水厂主要供道里区部分区域及道外的小部分区域和平房整个区域。从供水趋势角度看，供水趋势与实际情况基本相符，实现了当初第1系列供水的总体目标。5.2.2.3供水高峰时段管道负荷不同管径的管段在运行中都有其经济流速范围，也有其经济水力坡降范围。把超过经济水力坡降范围上限运行的管段称为超负荷管段，把低于该范围下限运行的管段称为负荷不足管段。根据计算出的各管段实际水力坡降值，可判断该管段是否处于经济负荷运行状态，还是处于超负荷或负荷不足的非经济运行状态。图5-6为哈尔滨市用水高峰时段的管段负荷情况，从图中可以看出，哈尔滨市大部分管段处于低负荷和略低负荷，经济负荷管段也占有一定的比例，而略超负荷和超负荷管段较少。其中，由于磨盘山水厂所处位置地面高程较供水区有较大的高程优势，使得重力供水的道里区的自由水压情况得到-47- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文了较大改善，该地区在旧的供水工况时，属于管网的低压区，经过1系列供水的实现将这个区的自由水头平均提升了5米左右，已经基本满足用户用水的需要。图5-6供水高峰时段全市管网运行负荷图5.2.2.4供水高峰时段供水满足区域图5-7为供水高峰时段，全市供水满足区域图。图5-7供水高峰时段全市供水满足区域图从图中可以看出，全市大部分地区已达到供水满足区域。-48- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文将以上磨盘山1系列供水模型的模拟结果与实际情况对照后发现，水厂出水量基本与模型的模拟计算值相符，而且全市的水压分布也与预测工况相符。不仅改善了管网压力的整体分布，而且降低了水厂的动力费用。5.2.2应用模型进行市区管网优化改造由于哈尔滨市区管网改造速度较水厂建设速度落后，管网供水能力较水厂供水能力落后，因此水厂难以满负荷运行生产。整个市区的13片低压供水区涉及到40万居民。夜间达到管网供水最低压力0.05MPa，个别地区达到0.02—0.03MPa，而白天几乎为零。另外，管道陈旧、管线分布不合理、配水管网建设落后、三水厂“低—高—低”式的高能耗配水方式等，都是造成哈尔滨市供水管网输配水能力不足的根本原因。利用已建立的哈尔滨市供水管网优化改造模型，从管网老化、管段水力工况、缩小低压区等方面考虑，选取了需要改造的1934年～1996年DN100～DN300管段50条共计8650米，这些管段不同程度的存在超负荷、老化和断头现象，并新铺设管段2200米以消除低压区。通过免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型，得到的最优结果见表5-1。表5-1管径优化运算结果N街道位置Y(年)D(mm)L(m)改造原因改造管径961学府路1953200689.9老化管3001036旭东街1963100193.7超负荷2001846文景头道街196910057.2严重超负荷2002223文景街1996200321.8严重超负荷3002265通达街1981150324.4断头管2502267清明二道街1981150356.7超负荷2503171安和街193610054.6老化管2003172阿什河街193610090.1老化管2003706哈站前广场1990100267.1超负荷2003830霁虹街去南岗线1990300265.9超负荷4003837铁路街伸向哈铁路段院内1990300162.9超负荷4003838铁路街伸向哈铁路段院内199010093.4严重超负荷3003978民益街1990100318.2断头管2004044中央大街193410041.3老化管200-49- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表5-1N街道位置Y(年)D(mm)L(m)负荷改造管径4280经纬街1935100104.3老化管2004282经纬街1935100113.3老化管2004292经纬街198330010.6严重超负荷4004543尚志大街194115069.5老化管2504544尚志大街194115034.8老化管3004709友谊路1934150131.9老化管2504719友谊路193415014.3老化管2504720友谊路1934150210.8老化管2004728中马路1952100114.3超负荷2004801南头道街193815014.9老化管2504806南勋街1949100219.6老化管2004818南小五道街1944100135.9老化管2001291学府路1953200275.3老化管3001423油坊街1957100490.2超负荷2001722通天街1960100230.3超负荷2002123中山路1951150627.2老化管2502413中山路1990150282超负荷3004432东风街193510036.9老化管2004539尚志大街19411505老化管2504545尚志大街194115038.2老化管2504556南马路1936200112老化管3004736东内史胡同19521005.1断头管2001007育林街1973150118.4超负荷2502991安和街1936100132.2老化管2004044中央大街193410036.7老化管2004441尚志大街194115041.3老化管2503964买卖街194110066老化管2004453中马路19861009严重超负荷200-50- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表5-1N街道位置Y(年)D(mm)L(m)负荷改造管径1250学府路1953200408.1老化管3004046红星街193410056.2老化管2004283经纬街1935100151.5老化管2001721安埠街-通天街19601005严重超负荷2003940安定街1935100156.4老化管2003652淮河路1990300533.8超负荷4002398文景街199020083.8断头管3001655通天街1953100336.8老化管200新铺设管段1-2007待定10消除低压区-新铺设管段2-2007待定2200消除低压区-新铺设管段3-2007待定10消除低压区-改造方法示意如图5-8，图5-8改造管段方法示意图-51- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文改造前后压力对比如图5-9、图5-10所示，图5-9改造前压力情况图5-10改造后压力情况另外，根据磨盘山工程通水后各配水区域的用水量及水压要求，经模型计算，向集团公司提出建议新建87公里DN500～DN1800生活管道50条及24公里DN600～DN1400工业配水管道23条，见表5-2：-52- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表5-2新建配水管道N街道位置D(mm)L(m)备注1南极街800862生活管道2南极街1000730生活管道3滨江街800550生活管道4南十四道街800420生活管道5田地街1000968生活管道6新阳路14002668生活管道7新阳路12001026生活管道8共乐街1200299生活管道9共乐街800537生活管道10建国街12001412生活管道11顾乡大街12001550生活管道12工农大街1200816生活管道13工农大街6001500生活管道14上江街600437生活管道15莱库街1400550生活管道16埃德蒙顿路14002557生活管道17莱库街---何家沟14001130生活管道18莱库街---何家沟16001090生活管道19水厂--何家沟16002532生活管道20水厂--何家沟14002540生活管道21何家沟16009870生活管道22何家沟14009845生活管道23王岗支管50050生活管道24水厂---哈平路18001184生活管道25水厂---哈平路18001105生活管道26水厂---平房区1800650生活管道27水厂---平房区9003115生活管道28哈平路18007822生活管道29哈平路18004293生活管道30林园街1600825生活管道31学府三道街1600576生活管道-53- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表5-2N街道位置D(mm)L(m)备注32学兴路1600867生活管道33林兴街1600198生活管道34和兴十一道街1200794生活管道35和兴十一道街900245生活管道36和兴十一道街500174生活管道37哈双公路800906工业管道38延兴路1400600工业管道39学兴路1400647工业管道40学兴路-任家桥14001440工业管道41和平二道街600664工业管道42哈东路800836生活管道43东直路8001197生活管道44南直路8002585生活管道45南直路1000955生活管道46南直路10003216生活管道47赣水路500687生活管道48公滨路14001050生活管道49公滨路7001000生活管道50红旗大街14001298生活管道51中山路6002165工业管道52新建南街600780工业管道53公滨路7001000工业管道54跃兴街18001073生活管道55铁兴路18002348生活管道56通乡街16002608生活管道57和平路1200969生活管道58任家桥---乐园街1400563工业管道59乐园街1400597工业管道60大庆副路12001585工业管道61安通街12002647工业管道62星华街600384工业管道-54- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文续表5-2N街道位置D(mm)L(m)备注63电塔街6001100工业管道64新疆大街9001826生活管道65渤海路6001216工业管道66渤海路700746工业管道67新疆三道街700697工业管道68新疆三道街6001129工业管道69新疆大街1200784工业管道70兴建街1000465工业管道71友协大街10001364工业管道72友协大街8001850工业管道73友协大街600534工业管道5.3模型应用的效果分析为减小磨盘山供水工程通水后由于供水管网工况发生巨变而产生的不利影响，利用供水管网优化改造模型模拟管网运行工况并进行最优化计算，预期的管网优化改造后的运行工况较改造前的工况有了显著的变化，原来的高压管段中的压力有了相应的降低，因而得到了分布合理的管网水压，进而使发生管段事故的几率大大降低，使将来管网的维护费用显著下降。并且压力的合理降低也使得管网漏失率大大降低，节约了宝贵的水资源，为供水企业带来了巨大影响。5.4本章小结1.详细介绍了供水管网多目标优化改造模型的求解方法，即免疫算法，并基于该算法对模型进行求解。2.应用供水管网多目标优化改造模型对磨盘山供水工程通水进行工况分析，得到优化指导。3.运用免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型，得到目标管道的优化计算管径，证实了数学模型及求解方法的科学性和有效性。-55- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论本文以哈尔滨市供水管网实际改造工程为基础，收集详尽的供水管网材料，建立相应模型，对供水管网优化改造问题进行深入的研究，结合理论及实际，得出如下结论：1.系统阐述哈尔滨市供水现状，针对哈尔滨市城市发展特点及供水管网的实际情况，提出城市供水存在的严峻问题。2.通过对有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，本次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，得到哈尔滨市2020年最高日用水量为95.54万吨。经过对预测结果的分析，本次预测精度满足哈尔滨用水量要求。3.建立了供水管网优化改造模型，在传统单目标模型的基础上，结合哈尔滨市由于水源变更给供水管网带来的流速、压力等巨大影响，增加了管段流速、节点压力以及供水管网改造年成本目标优化函数，从而最终确立了符合哈尔滨实际的供水管网多目标优化改造模型。4.通过计算机求解供水管网多目标优化改造模型寻优问题是非线性问题，拥有很多约束条件，相对复杂。运用免疫算法求解供水管网多目标优化改造模型，得到目标管道的优化计算管径，并在工程实践中以应用，证实了数学模型及求解方法的科学性和有效性。随着城市发展进程的不断推进，哈尔滨市城市供水量需求将越来越大，管网建设工程将越来越密集。“供水管网优化改造模型”将会在以后的城市供水发展建设中起到积极的指导作用，并将在实际应用中随着城市发展而不断完善。-56- 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