城市供水管网基于压力驱动节点流量模型漏失控制的研究 102页

'ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac中图分类号：TU991学校代码：10213UDC：628.1密级：公开硕士学位论文城市供水管网基于压力驱动节点流量模型漏失控制的研究硕士研究生：张敏导师：高金良副教授申请学位：工学硕士学科、专业：市政工程所在单位：市政环境工程学院答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-tracClassifiedIndex:TU991UDC:628.1DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONLEAKAGECONTROLBASEDONPRESSURE-DRIVENNODEFLOWMODELOFURBANWATERSUPPLYNETWORKCandidate:ZhangMinSupervisor:AssociateProf.GaoJinliangAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MunicipalEngineeringAffiliation：SchoolofMuni.&Envir.Eng.DateofDefence:June,2009Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要给水管网漏失问题一直是供水行业的一大难题，目前我国城市管网平均漏失率为20%以上，有的高达60%，造成了严重的资源浪费和经济损失。现常用的漏失控制措施有漏失检测技术、管道更换技术、分区管理技术等，前两者需消耗大量的人力、物力，经济性较差，而后者并不适合我国结构庞大、拓扑错综复杂的管网现状。而传统水力模型对于占总供水量相当比例的漏失没有专门进行考虑，并且还存在其它严重的弊端，不利于管网漏失的预测控制工作，模型模拟结果与管网实际运行工况差距较大，指导性预测性较差。鉴于以上存在的问题，本课题对传统水力模型进行了校正，并在此基础上提出了通过优化调节阀门设置最小化管网漏失的有效措施。传统水力模型中存在两点弊端，其一是假定节点用水量为定值，实际上用水量是压力的函数，并非恒定的；其二将总漏失量在管网中平均分配，事实上漏失的影响因子繁多，难以量化，建立综合关系式，其中压力是一重要因素，管网压力不同，漏失亦不同。以上两点导致管网建模时节点流量与实际工况不符，模型准确度低的问题。为此本文首先分别建立了节点用水量、漏失量与压力的关系式，通过MATLAB编程，在调用传统经典水力计算软件——EPANAT2.0的同时，对其节点流量依据上述关系式进行修正，建立了压力驱动节点流量水力模型。该模型与管网的实际运行状况更加逼近，更具有指导管网运行管理的价值。通过遗传算法（GA）对其进行求解，并以一管网算例加以证实说明，计算结果相当满意。为了实现管网漏失的控制，本课题选取了PRV，建立了阀门漏失控制模型，并将压力驱动节点流量水力模型嵌入其中，形成压力驱动节点流量漏失控制模型，这也是本论文的核心内容。以漏失总量为目标函数，以遗传算法为优化算法，求解出最佳阀门设置，然后操作阀门动作，达到在正常供水的前提下，最大程度降漏的目的。以沈阳市区域管网作为实例，通过压力驱动节点流量水力模型的求解得出的节点流量和节点压力与管网实际监测数据更加稳合，这进一步证实该模型的优越性。在此基础上，又将压力驱动节点流量漏失控制模型应用到沈阳管网，结果显示漏控效果十分显著，管网压力平均降低23.23%，漏失平均降低26.5%。关键词：供水管网；漏失控制模型；压力驱动模型；节点流量；经济漏失率I ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractLeakagehasbeeneveramajorproblemforthewatersupplyindustry.Atpresent,theaveragenetworkleakagerateismorethan20%inourcities,andsomeashighas60%.Thiscausesseriousresourcewasteandeconomicloss.Thecommonlosscontrolmeasureshasleakagedetectionmeasure,pipereplacementtechnology,zoningmanagementtechniques.Thefirsttwoneedconsumealargeamountofmanpowerandmaterialresources,andhavepooreconomy.Whilethelatterisnotsuitableforlarge-structure,complex-topologynetworkinChina.Andthereareseriousdefectsintraditionalhydraulicmodel,whichleadtoawidegapbetweenthesimulationresultsandactualnetworkoperatingconditions,poorpredictabilityandinstructiveness.Inlightoftheaboveproblems,theissuecalibratesthetraditionalhydraulicmodel.Andonthisbasis,theauthoralsoproposestheeffectivemeasureofminimizingleakagebyoptimizingandregulatingvalveset.Thetraditionalhydraulicmodelhastwodefects.Oneisassumptingthatthenodewaterconsumptionischangeless.Infactconsumptionisafunctionofpressure,isn"tconstant.Thesecondisassigningthetotallossofnetworktoeachnodeonaverage.Actuallylosshasmanyinfluencingfactors,soitisdifficulttoquantifyandestablishancomprehensiverelationship.Pressureisanimportantfactorofloss.Thelosschangesignificantlywithpressure.Thetwopointsleadtobiggapbetweentheoreticalvalueandactualvalueandlowaccuracyofthemodel.Sothispaperfirstlyestablishedrespectivelytherelationshipsbetweenpressureandnodewaterconsumption,loss.Thenitmakesanamendmenttonodeflowaccordingtotheabove-mentionedrelationship,whilecallingtraditionalhydrauliccalculationsoftware——EPANAT2.0throughMATLABprogramming.Finallypressure-drivennodeflowhydraulicmodelisestablished.Comparedwithtraditionalmodel,itapproachesthenetworkactualoperatingconditionsmuchmore,andhasgreaterguidancevalue.Themodelissolvedbythegeneticalgorithm(GA).AnexamplenetworkisproposedtoconfirmtheconvergenceofGA,andtheresultissatisfactoryquitely.Inordertoachievethecontrolofnetworkleakage,thetopicsselectsPRVvalve,andestablishesleakagecontrolmodel.Embeddingpressure-drivennodeflowhydraulicmodelintoleakagecontrolmodel,pressure-drivennodeflowleakagecontrolmodelisformedatlast,whichisthecoreofthispaper.TakingthetotallossastheobjectiveII ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文function,theoptimalvalvesettingsissolvedbygeneticalgorithm.Thenmovingvalveoperation,wecanachievethepurposeofreducingleakagebythebiggestextentunderthepreconditionofsupplyingwaternormally.TakingtheregionalnetworkofShenyangCityasanexample,theresultsshowthatthetheoreticalvalueofpressure-drivennodeflowhydraulicmodelismoreclosetothemonitoringvalueofnetworkthanthetraditionalmodel.Thisfurtherconfirmsthesuperiorityofthemodel.Onthisbasis,pressure-drivennodeflowleakagecontrolmodelisappliedtoShenyangnetwork.Theresultsshowthatleakagecontrolareveryremarkable.Thepressureandleakagereduce23.23%and26.5%anaverageseparately.Keywords:watersupplynetwork,leakagecontrolmodel,pressure-drivenmodel,nodeflow,economiclossrateIII ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要........................................................................................................................IAbstract....................................................................................................................II第1章绪论...........................................................................................................11.1课题背景.....................................................................................................11.1.1城市供水系统现状.............................................................................11.1.2供水管网漏失现状.............................................................................21.2城市供水管网漏损的危害.........................................................................31.3国内外研究现状.........................................................................................41.3.1漏失检测方法和仪器.........................................................................41.3.2基于漏失控制的管道更新.................................................................61.3.3供水管网漏损控制理论研究.............................................................71.4本课题研究的目的及意义.........................................................................91.5本课题研究的主要内容及思路...............................................................101.5.1研究课题的主要内容.......................................................................101.5.2研究课题的技术路线.......................................................................11第2章供水管网漏失的分类及控制分析...........................................................122.1供水漏水失量的分类...............................................................................122.1.1国际供水系统的分类.......................................................................122.1.2按水的去向分类...............................................................................122.1.3按能否被检测到分类.......................................................................142.1.4按漏水发生部位分类.......................................................................152.2供水管网衡量漏失程度的指标...............................................................162.3经济漏失率和经济漏失密度...................................................................172.4供水管网漏损原因的分析.......................................................................192.4.1漏失与管材的关系...........................................................................192.4.2漏失与管径的关系...........................................................................202.4.3漏失与管道铺设年限的关系...........................................................202.4.4漏失流量与压力、漏洞直径的关系...............................................202.4.5漏失与运行压力的关系...................................................................212.4.6漏失与埋深的关系...........................................................................212.4.7漏失与温度变化的关系...................................................................21II ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.4.8施工质量对漏失的影响...................................................................222.5控制供水管网漏失率的措施...................................................................222.5.1推行选用优质管材...........................................................................222.5.2优化控制管网压力...........................................................................222.5.3加强施工质量控制...........................................................................232.5.4加强对非法用水的惩罚力度...........................................................232.5.5降低水表误差...................................................................................232.5.6加强漏损控制管理...........................................................................232.5.7加快城市供水管网改造...................................................................232.5.8加强供水管网技术档案管理...........................................................232.5.9增加管网漏损的周检频率...............................................................242.6国际水协推荐的控漏措施.......................................................................242.7本章小结...................................................................................................25第3章供水管网压力驱动节点流量水力模型的研究.......................................263.1传统的供水管网水力模型.......................................................................263.1.1传统的供水管网水力模型方程.......................................................263.1.2传统水力模型的弊端.......................................................................273.2压力驱动节点流量水力模型的建立.......................................................273.2.1节点漏失量的修正...........................................................................273.2.2节点实际用水量的修正...................................................................293.2.3压力驱动节点流量水力模型...........................................................303.3压力驱动节点流量水力模型的求解........................................................303.3.1传统遗传算法的基本操作...............................................................313.3.2遗传算法的一般步骤.......................................................................323.3.3遗传算法在压力驱动水力模型中的应用.......................................323.3.4程序原代码.......................................................................................333.3.5软件界面...........................................................................................343.4算例............................................................................................................343.4.1供水管网信息...................................................................................343.4.2算例求解结果...................................................................................363.4.3遗传算法运算稳定性.......................................................................403.5本章小结....................................................................................................40第4章供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型研究...................................42III ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.1供水管网压力驱动节点流量漏失控制的定义........................................424.2压力驱动节点流量漏失控制模型的分类................................................424.3供水管网漏失预测控制模型....................................................................434.3.1供水管网漏失预测控制模型的思想...............................................434.3.2用水量预测........................................................................................434.3.3供水管网漏失预测控制模型求解...................................................444.4供水管网漏失反馈控制模型....................................................................444.5阀门的选择................................................................................................454.6供水管网压力压驱动节点流量力漏失控制模型的建立........................464.6.1供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的数学表达式...........464.6.2供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型流程...........................464.7供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的求解...............................474.7.1算法的选择.......................................................................................474.7.2遗传算法的编码...............................................................................474.7.3约束条件的处理...............................................................................484.7.4供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型求解流程...................494.7.5程序原代码.......................................................................................494.7.6软件界面...........................................................................................494.8本章小结....................................................................................................50第5章基于压力驱动节点流量模型漏失控制...................................................515.1工程实例概况............................................................................................515.2工程实例供水管网拓扑结构....................................................................525.3工程实例供水管网基本数据....................................................................525.4工程实例供水管网漏失控制结果分析....................................................535.4.1压力驱动节点流量水力模型结果...................................................535.4.2压力驱动节点流量漏失控制模型结果...........................................545.5本章小结...................................................................................................62结论.....................................................................................................................64参考文献.................................................................................................................65附录1压力驱动节点流量水力模型求解的部分原程序代码..........................69附录2压力驱动节点流量漏失控制模型求解的部分原程序代码..................71附录3工程实例给水管网节点信息表................................................................73附录4工程实例给水管网管段信息表................................................................77IV ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录5压力驱动节点流量水力模型节点结果表................................................85附录6压力驱动节点流量漏失控制模型节点结果表........................................87攻读学位期间发表的学术论文.............................................................................91哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.........................................................92哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.........................................................92致谢.....................................................................................................................93V ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景水是生命之源，是人类赖以生存和发展不可缺少的宝贵资源，是自然环境的重要组成部分，是可持续发展的必要条件。然而地球上的淡水资源非常有限，真正可供人类使用、易于取到的淡水仅占地球水资源的0.26%。并且水资源分布很不均衡，约65%的水资源集中在不到10个国家里，而人口占世界总人口的40%的80个国家却严重缺水，另外26个国家的水资源也很少[1,2]。联合国用水会议曾发出警告说:“水不久将成为一个深刻的社会危机，石油危机之后的下一个危机便是水”。据统计，在全国666个城市中，有330个城市不同程度缺水，其中严重缺水的达108个城市；在32个百万人口以上的特大城市中，有30个城市长期遭受缺水的困扰[3]，缺水问题己成为我国城市建设和经济发展的重要制约因素。缺水原因是多方面的，其中供水管网漏失是一大因素。我国大部分城市的供水系统近百年的历史，管道运行的时间远远超过其正常寿命。尽管在改扩建中，更换了大量老化管线，但仍有极多的应该退役的管线在运行。并且由于供水设施的陈旧、供水技术水平的低下、施工质量的不达标、管理体制的落后，我国城市管网漏失相当严重。因此解决管网漏损问题已刻不容缓，认真研究管网漏失的原因，提出相应的对策十分必要的。1.1.1城市供水系统现状为适应我国经济迅速发展、城市化进程的国情，自来水普及率迅速提高，过快的增长速度也造成了我国过分注重管网系统的发展，忽略了供水系统的科学布局和规划，过分强调供水可靠性，忽视了管网系统的优化是一个多目标问题。长期以来，管网大多凭经验运行、人为决策，使得管网系统改扩建缺乏科学依据，致使管线连接复杂、铺设冗余，供水路径复杂，压力不均，事故多，漏耗大，管理和维修困难等一系列问题，这是我国供水管网系统中普遍存在的现象[4,5]。主要表现在：（1）供水设施陈旧，现役管网日益老化、管网更新速度慢；（2）管网布局不合理，管线连接复杂、铺设冗余，导致管网优化运行难度大；（3）供水安全性差，缺乏备用资源，应对紧急事故能力差；（4）供水水质偏差，二次污染严重；（5）管网漏耗严重，造成严重的经济、社会损失；（6）管理和技术水平偏低，大多凭经验运行，人为决策。特别是水泵调度时，-1- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文合理性较差，能源浪费严重。1.1.2供水管网漏失现状根据1998年城市供水统计年鉴，549个大中型城市的单位管长平均漏失量为3.2m3/km/h，全国城市供水漏失总量约为34.97亿m3，相当于近10座供水量100万m3/d的特大型水厂的一年供水总量。假设城市供水在无利润的情况下，其平均成本约为0.9元/m3，按此计算，那么我国城市供水行业一年因漏失而造成的直接经济损失达31.47亿元[6]。这仅仅是直接经济损失，而实际上造成的经济损失将远远超过这个数字。也就是说，投资巨额产出的净水没有到达用户，在中途白白流失浪费，这不仅是一笔巨大的经济损失，更是种资源、能源的滥用。近几年的《城市供水统计年鉴》显示，我国管网漏损现状不容乐观，城市平均漏损率在20%以上，有的甚至达到60%以上。其中北方城市漏损情况最为严重，如2000年漏损率最高的吉林省集安漏损率为63.71%[7]，2005年黑龙江省肇东市漏损率达到83.67%，广西省河池市漏损率达到86.22%[8]。2005年我国主要城市漏损率情况如图1-1所示。4035302520漏失率(%)151050北京天津太原包头沈阳长春上海南京杭州合肥神州南昌济南郑州武汉长沙广州南宁海口成都贵阳昆明拉萨西安西宁银川石家庄哈尔滨图1-12005年我国主要城市漏损情况Figure1-1TheleakageofmajorcitiesinChinain2005据建设部《全国城市供水管网改造近期规划（2006年-2007年）》中的统计，2000-2003年因爆管停水的事故达13.7万次，2003年供水企业漏失率为20.5%；2003年因供水管网事故影响高峰期用水达21537次，涉及人口达3819万人，造成恶劣的影响。与其它国家相比，我国的漏失情况情况不容乐观。据统计，我国管道单位长度、单位时间内的漏水量平均值为3.41m3/km/h，，而国外平均值为1.3m3/km/h，西欧等国的平均值为0.53m3/km/h[9]，说明我国管网的漏失情况比国外严重得多。现列举几个国家的漏失情况如表1-1。-2- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表1-12003年一些国家单位管长单位时间漏失量数据表Figure1-1Thetableofunitlengthunittimeleakageinsomecountriesin2003中国马来西班新加国别泰国巴西德国日本英国瑞士(大陆)西亚牙坡漏失3.412.31.20.50.40.91.00.80.30.3率我国政府多次制定规划和政策法规，对供水企业的管网管理技术进步提出了严格要求，支持鼓励供水管网漏损控制的科学技术研究，为我国城市供水管网的科学管理和科技进步提供了良好的政策条件。《城市供水行业2000年技术进步发展规划》中明确提出把“降低漏耗”作为五个主攻方向之一；《城市供水管网漏损控制及评定标准》(CJJ92-2002)要求城市供水企业必须详细掌握现状管网资料，采取合理有效的检漏措施，定期进行漏水检测并修复漏水管道，将管网漏失率控制在12%以下[10]；《关于进一步加强城市节约用水和保证供水安全工作的通知》（建设部2003）和《关于加快城市供水管网改造的意见》（建设部、国家发改委和财政部2003）这两份文件的出台充分体现了我国漏失问题的严重性，国家已将控制漏失提上了日程。1.2城市供水管网漏损的危害城市供水管网中日益剧增的漏失量不仅造成巨大的经济损失，还给社会、人们生活带来了恶劣影响，具体表现形式如下：（1）漏失造成城市水资源的浪费据2004年城市供水统计年鉴，2004年全国600余个城市漏失总量达45亿m3,相当于近15座供水量100万m3/d的特大型水厂的一年供水总量。我国可利用水资源本来就匮乏短缺，如此巨大的水资源浪费使得供水现状雪上加霜。因此降低供水管网漏损，是我国供水行业亟待解决的问题。（2）漏失造成城市财政收入的流失漏失引起一系列投入资金的增加和资源的浪费，造成国家财政收入的流失。资金的增长主要通过以下几个途径：水处理成本增加、出厂压力提高、维修资金投入增加等。根据《城市供水价格全国统一审价工作》，全国平均每吨水售水成本从1999年的0.986元/m3升至2001年的1.180元/m3，按此计算，全国增加的总售水成本将提高20%，而花费大量资金将处理达到饮用水标准的水却又白白地流掉了[11,12]。（3）漏失降低了输水可靠性管道漏失的增长影响了供水的连续性和安全性，不仅降低了用户的用水压力，甚至可能中断供水；腐蚀的供水管网，也增加了二次污染的机会，使供水水质下降。因此国内外供水企业无不把加强供水管网的水-3- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文漏失控制作为企业管理的重要内容之一。（4）漏失降低了服务水平随着社会的进步，用户对供水企业的服务水平的要求越来越高，但管道漏子频发给居民生活带来严重影响，不仅使服务中断，影响了居民群众的生活，影响工业生产的正常进行，而且道路刨修任务不断，妨碍了城区交通，给人们的生产生活带来了极大的不便。（5）漏失对环境的污染经常的刨漏及维修也对环境带来污染，使社会、经济、环境综合效益降低，从而也降低了城市竞争力，造成整个社会环境水平的下降。因此对供水管网的漏水控制和维护管理工作的研究，不仅有益于供水企业的经济效益，而减少对周边环境造成的危害，同时也可大幅度节约水资源和经济投资，促进国民经济和城市建设的发展。1.3国内外研究现状对供水管网漏损问题的研究，一方面集中在供水管网漏失检测技术、方法和仪器设备开发、生产上，另一方面集中在漏损管理控制理论上，近年来基于漏失控制的管网更换改造研究也逐步成为了各国学者、专家研究的重点。1.3.1漏失检测方法和仪器管道漏失可以分为明漏、暗漏两大类。管道明漏是不难发现的，如果发现在管网附近发现有清水冒出或路面局部下陷、泥土潮湿、绿化带植物特别茂盛、下凹部位经常潮湿有水，阀门井、配水井内长期积水等现象，就可判断此处可能为漏水点[13]。但暗漏需要一定的方法和技术才能发现并确定漏点，因此管道漏失的检测技术一直是供水学者的研究重点。目前常用的检测方法有：被动检漏法、音听检漏法、区域测漏法、区域装表检漏法、瞬态流测定法等。1.3.1.1被动检漏法被动检漏法是一种最原始的检漏方法，它主要是一种以发现明漏为主的方法。供水管理部门组织专门的巡检队伍依据管网图沿线进行巡视，同时设置专线调度系统进行巡检的信息传递和维修任务的安排，并接受广大市民的义务报漏。它设备资金少，管理费用低，但它对暗漏和漏水点不是冒水点的明漏是无法发现和判断漏点的，因此单凭此法不能把漏水率降低到较好的水平，而且过分依赖市民报漏，会引发市民对管理部门的不满，降低服务声誉。1.3.1.2音听检漏它是目前国内外最广泛使用的一种主动检漏方法。当压力水从漏水口喷出，会产生三个成音频率，第一个成音频率为水与孔口发生摩檫产生振动，然后沿管、-4- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文土层传播开来，其传播的距离与漏水大小、管材、土质有关；第二个成音频率为漏水口喷出的水喷到周围的泥土上产生的频率，这是检查漏水判断地点时主要利用的频率；第三个成音频率为漏水点附近的土壤因水流冲刷而产生空穴，水在空穴内转动而产生的声音，根据漏水产生的成音频率判断漏点位置。利用音频进行检漏的技术主要有听漏棒、听漏饼、电子放大音听仪、相关检漏仪等。音听检漏法仪器设备简单，操作方便，价格较低，所以被广泛使用，据英国水研究中心估计，音听检漏法约可查地下漏水的80%。但音听检漏法受其它声音干扰较大，需要依靠检漏人员的经验判断，所以检漏效果在一定程度上取决于检漏人员的经验和素质。1.3.1.3区域检漏法区域检漏法是用流量计检测管道中的流量，来确定漏水产生范围（管段）的方法，主要用于某一区域的检漏。相对于音听检漏法，区域检漏法系统地监测流量和压力，可以进行管网运行状况分析；用所测流量与正常流量相比较，可以迅速发现漏损较大的管段。区域检漏法不能找出漏点的具体位置，还需采用其它检漏方法及时找出漏水量较大的漏点位置，减少暗漏持续时间，从而提高检漏效率。1.3.1.4区域装表法区域装表法是在管网中安装漏控水表，统计和对比该区域的进水流量和出水流量，如果差额较大，可能有漏水。采用最小夜间流量法评估区域的管网漏损水平，是一种效率较高的流量监测分析方法。国外城市供水管网区域化起步较早[14]，英国伦敦的供水管网分为16个区，日本东京的供水管网分为50多个区，国内供水管网分区才起步，99年上海依据河流地理位置分为4个区域，沈阳则根据行政区分为8个区域，城市供水管网分区管理逐渐兴起，已成为供水企业研究和发展的方向。1.3.1.5瞬态流测定法利用瞬态流进行管网漏失点测试的研究是近几年来兴起的管网测漏方法。利用管网中流体瞬态变化，考虑漏失点出现对流态的影响，应用网格法或者反问题法进行瞬态分析，确定管段漏点。现在有效的瞬态分析方法分为两种，阻尼法和反射波法[15-17]。阻尼法是指当瞬态压力波沿管线传播时，管道的摩擦阻力和漏失将引起整个瞬态过程的衰减。这样通过将有漏失存在时管道的阻尼与没有漏失时管道的阻尼相比较，检测出漏失的存在并将其定位。2001年Wang成功地完成了单管的实验室验证，但由于管网中很多非管元件都会产生阻尼，从中很难区分出漏失产生的阻尼与反射，因此该方法目前还不能应用于环状管网。-5- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文反射波法是指当一个行进的瞬态压力波到达一处漏失点时，压力波被部分反射，另一部分将继续传播。如果能区分出反射波信号(通常是第一个反射波)，那么就可确定漏失位置，即反射时间乘以波速的一半。1999年Brunone用一根直径93.8mm、长352米的聚乙烯管对一漏失点(其面积为管道截面积的5%)成功地完成了测试。2000年Leeetal用一根直径22mm的铜管，对漏失点为直径lmm的孔口进行测试，同样得到了正确的结果。但目前将这种方法应用到实际管网还很困难，因为管网中的任何非管元件都可能产生瞬态反射，单纯的漏失反射很难确定。综上可以看出，检漏技术需要建立在精密仪器的基础上，且投入大量的人力物力。目前我国所用的漏失探测仪基本上都从国外进口，相当昂贵。并且管网漏失大部分为渗漏和背景漏失,一般是难以用仪器探测出来，因此主要依赖检漏技术达到降漏目的的思路是不现实的。1.3.2基于漏失控制的管道更新美国供水协会（AWWA）1969年针对管网漏失严重的问题就提出建议：发展一种有效的方法和工具，将管道漏损、维修费用与更新管道费用联系起来考虑，确定合理的管道更新时间。T.M.Walski[18]认为供水管道发生漏水的次数与管道的铺设年限有关，建立了供水管道漏损随使用年限变化的回归预测模型，但他们关注的是分析方法，对管网漏损数据和模型分析参数缺乏重视。Walski和Pellicia[19]将管道口径、温度因素引入模型，致力于收集确定建立模型所需的数据和参数，为理论转变为具有使用价值的工具做出了探讨；T.M.Walski[20]、EnriqueCabrera[21]建立了供水管网随使用年限变化的回归预测模型；天津大学的傅玉芬以经济决策为目标函数，以管道漏损预测为基础，比较管道维护费用和安装费用，建立了管道更新经济决策模型。这些研究和模型的建立为供水管理部门进行管道更新决策提供了理论基础，但定性分析的成份较多，还需与实际进一步结合。在理论研究的同时，供水管理部门也逐步将管道更新作为工作重点，国外早就将管道更新纳入了正常的工作日程。日本从1980年开始，就将在用的铅管更换为不锈钢管，将灰口铸铁管更换为有防腐层的球墨铸铁管或钢管，1995年完成了石棉水泥管的全部更换工作；美国一直在进行管网更新工作，预计今后20年将在水行业投资1510亿美元，其中56％将用于管网改造。我国不少城市也将管网改造提上了工作日程并已实施，2000年11月7日国务院[2000]36号文件要求“各省、市、区采取有效措施，加快城市供水管网技术改造，降低管网漏失率，对运行使用年限超过50年，以及旧城区严重老化的供水管网，争取在2005年前完成更新-6- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文改造工作”。管道更新作为供水企业的一项日常工作，什么时间更新经济合理，需要根据管网运行现状和城市发展要求，综合考虑各方面因素研究决定。1.3.3供水管网漏损控制理论研究目前供水管网漏损控制理论研究主要包括：漏损预测模型研究、漏损诊断模型研究、漏损经济技术分析研究、漏损控制方法研究等。1.3.3.1供水管网漏损预测模型供水管网预测模型是将数学中的预测方法应用到供水管网的漏损预测工作中，揭示出漏损历史数据中隐含的规律，可以预测漏损未来的变化趋势，改变了供水行业被动的漏损管理模式，对供水管网的运营和管理具有非常重要的意义。天津大学的张宏伟[22]，应用多元线性回归分析理论，对供水管道投入使用后产生漏损的出现时间进行了预测，建立了供水管道漏损控制预测模型。哈尔滨工业大学的陈兵[23]，针对供水管网漏失的特点，采用时间序列法研究了供水管网的线性指数平滑模型和二次曲线平滑模型，又采用灰色序列法建立GM(1，l)拓扑模型，并通过预测模型经济分析和比较，证明了灰色序列法预测效果优于指数平滑法。同济大学的耿为民[24]，引入自回归滑动平均混和过程时间序列预测模型，预测月漏损水量，并将管网供水压力引入该模型形成修正的预测模型，使模型精度有了较大的改善;采用叠合模型的预测方法预测了供水管网漏损件数;采用神经网络BP模型建模，预测了多发漏损管材的安全使用时间，对管网改扩建与漏损防治相结合起到了一定的促进作用。Waiski[25]将管道口径、温度因素引入模型，致力于收集确定模型所需的数据和参数，建立了供水管网使用年限变化的回归预测模型，但由于管道使用年限和漏损率并不存在必然的关系，因此，模型的精度不高。Shamirlsgl[26]认为管道漏损次数与管道铺设年限呈相关关系，提出了管道漏损情况随年限变化的回归预测模型。采用回归分析方法建立供水管网漏损控制频率随管道敷设年限变化的模型，但影响漏损的原因众多，而管道敷设年限只是其中之一，因此预测效果不理想。1.3.3.2供水管网漏损诊断模型的研究城市供水管网漏损的实时诊断，是通过监测供水管网中的水量或水压变化，利用监测数据建立相应的数学模型，进一步分析漏水点的位置。哈尔滨工业大学的刘天顺[27]，从瞬变流的角度研究管网漏失的物理特征，并采用瞬变流的反问题分析方法建立供水管网的分析模型，应用特征线法，利用C++-7- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文和Matcom混和编程，最小化压力测量值与计算值之间的偏差对该问题进行求解。青岛建筑工程学院的刘崎峰[28]，提出应用神经网络的自组织、自学习能力进行管网渗漏的诊断，这种方法只需将供水管网各种工况下对测压点造成影响的数据输入神经网络，让其充分学习直到收敛，然后在将来的检测中只需将测压点数据输入训练好的神经网络就可以判断管网是否发生泄漏，并确定漏点。西安建筑科技大学的李凌峰[29]，则开发了基于SCADA系统的供水管网检漏检爆系统，根据管网测压点情况，能够在一定精度上估计测压点周围的漏失水量。袁荣华等[30]利用管道突然发生泄漏时，引发的在液体中传播的瞬间负压波，通过捕捉负压波传播到上下游的时间来定位。冯继东[31]开发了基于互相关分方法，能够进行信号处理及仿真的埋地供水管泄漏定位系统，可在PC机上操作。DaliusMisiunas[32],B.S.Jung和B.W.Karney[33],P.v.John[34]也分别应用瞬变流理论和遗传算法研究了管网漏失的物理特性，并提出了漏点的诊断方法，G.B.Steven[35]则利用漏失水的流态特征进行了漏失研究。1.3.3.3供水管网漏损控制技术经济分析漏失控制过程中，在节约水资源的同时，也要提高供水企业的经济效益，因此漏失程度并不是越低越好，当漏失程度很低时，需要大量的漏失检测和维修费用，有时甚至出现得不偿失的状况。天津大学的陈超[36]，采用回归分析的方法，拟合供水管道的生命年限微观模型，又对管网漏水损失的各种费用进行分析，应用费用差值分析原理，结合单管线的可靠性理论，建立了管道寿命经济决策模型。哈尔滨工业大学的陈兵[37]，建立了漏失水量费用、漏失控制费用和漏失总费用与漏失程度关系的数学关系式，从经济角度以数学方式定量地描述了实际漏失控制投入与产出随漏失程度变化的关系。提出了“经济漏失程度”的概念，推导出了经济漏失程度的数学表达式，并提出了经济漏失程度是动态变化的。天津大学的傅玉芬[38]，建立了管道维护费用模型、管道建设费用模型;对管道维护费用与管道建设费用进行分析与比较，确定了最佳更新管道时间，提出了管道服役寿命的概念;建立了给定资金水平能力下管道更新的最佳资金分配模型和管道更新经济决策系统。Walski[39]提出了依据历史管道漏损数据来决策管道最佳维护更新时间的办法。Cabrera等[40]对经济漏损水量和水价之间的关系进行了阐述。1.3.3.4供水管网漏损控制方法理论研究鉴于供水管网结构庞大，拓扑复杂，并且为动态变化，管理控制难度系数很大，有时工况具有很强的不见预测性，所以一般人工操作的、传统经验性的控制手段效果甚微。目前研究人员都倾向于在计算机的帮助下建立供水管网模型，模-8- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文拟管网工况，预测管网动向。漏失控制的理论研究也是在该基础上发展的。目前，供水管网的漏损控制方法主要包括：（1）管网压力控制技术管网压力控制不仅可以降低漏水量，还可以减少漏损发生的概率。由于大多数管网没有实施压力控制措施，因此通过压力控制来降低漏损具有广阔的前景。哈尔滨工业大学的余涛[41]，利用对用户水量的预测，提前解决可能出现的压力过高问题，并指定阀门的启闭方案，将该方法应用于小区管网系统，证明了阀门控制策略确实能够降低管网的漏失量。May[42]和Godwin[43]指出供水管网中漏失总量与压力呈指数关系，可以通过降低整个管网或局部区域压力来降低漏失水量。文献[44-46]从水力状况分析了供水管网漏损同压力的相关性。Stering和Bargisla[47]将供水管网划分为若干个压力管理区域，通过控制阀门的开启，以实现供水管网压力的优化控制，证明减压阀的设置及减压杆的控制能够最大限度地降低供水管网的漏失。文献[48,49]也阐述了如何利用优化阀门控制方法减少管网漏失。Jowitt和xu进一步实现这一算法，计算管网各个阀门的控制时间安排进度，研究通过调整现实运行压力与阀门进度安排之间的差值，降低管网漏失量的方法。Pudar和Ugget[50]，Jonathan和Logathan[51]基于漏点的位置和漏水量同水量和测压质量高度相关的特性，利用敏感性矩阵得出管网的最优压力水平，进一步提出了减少漏失的方案。Vairavamoorthy和Himber使用二次平方根法来求解阀门优化的非线性问题。（2）供水管网区域化管理赵洪宾等[52]提出了供水管网区域化管理的思路，提出从水压平衡、便于漏损检查、适应已敷设管道的能力等方面考虑区域划分的规模，并考虑水厂供水能力、用水类型、地面标高等，通过水力计算来确定区域边界。将供水管网区域化管理可有效提高管理水平和经济效益，实现供水系统管理的科学化和现代化。但鉴于我国城市管网拓扑结构庞大、复杂、繁杂无序，目前很难根据管网水力状况合理地区块化，供水管网区域化管理可做为我国供水业的一大努力方向。1.4本课题研究的目的及意义城市供水管网漏失问题目前正日益阻扰着中国供水行业的进步，阻碍着中国的经济发展。作为发展中国家，中国的供水管网建设、维护、更换水平与世界发达国家还有一定的差距。吸收发达国家控制供水管网漏失的经验，结合我国实际-9- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文情况，从漏失原因和漏失机理上进行分析，切实的寻找一条可以有效控制我国城市供水管网漏失的有效途径是我们急需解决的难题。目前控制漏失的方法主要有：漏失检测技术、管道替换修复技术及压力漏失控制技术。目前虽然随着检测仪器的不断升级，精密度越来越高。但它仅局限于大的漏失，对于占管网漏损绝大比例的不易发现的渗漏或背景漏失常常无能为力。并且检测设备大多国外进口，价格昂贵，经济性较差。更换修复技术是所有技术中代价最高，时期最长的，虽能够为许多因素提供保证保障，例如水质和漏失量等，但鉴于其较低的经济性，并不适合我国现状国情。压力漏失控制技术是有意识的通过不同的手段操作管网的运行，降低供水压力，调节供水管网流量分配从而达到降低漏失的目的。它可以全局地、全方位地降低漏失量，是最适合我国国情，最为有效的方法。因此本课题对压力漏失控制技术进行研究，以达到最小化城市管网漏失的目的。同时鉴于传统水力模型的弊端——节点流量分配的不合理性，对其进行了修正，建立了更符合管网实际运行工况的水力模型——压力驱动节点流量水力模型。在此平台上建立的压力漏失控制模型也更为科学、准确。1.5本课题研究的主要内容及思路1.5.1研究课题的主要内容在国外，漏失控制研究已取得不少的成果，降漏效果显著。国内本研究还处于刚刚起步的阶段，亟待加强。本课题的研究内容主要包括：（1）对国内外的城市供水管网漏损现状及危害进行了概括，总结国内外有关漏损控制区研究的成果;（2）分析漏失的主要影响因素，建立管网漏失量与压力的关系式，明确管网节点实际用水量与节点压力的函数式。（3）鉴于传统水力模型中节点流量不合理的部分，对其修正更新，建立了更符合管网实际运行工况的水力模型——压力驱动节点流量水力模型。（4）通过MATLAB编程，利用遗传算法（GA）对压力驱动节点流量水力模型进行求解。（5）构建阀门漏失控制模型，将已建立的压力驱动节点流量水力模型嵌入其中，复合组建压力驱动节点流量漏失控制模型。并应用遗传算法（GA）对其进行求解，优化阀门设置。通过操作阀门动作，降低管网中过高水压，以达到在保证正常供水的前提下，最小化漏失量的目的。-10- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.5.2研究课题的技术路线为了更清晰地表达本论文的思路，以图示的形式展示了论文的主要结构框架，如图1-2所示。图1-2论文的结构框架Figure1-2Theframeworkstructurefigureofthepaper-11- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章供水管网漏失的分类及控制分析2.1供水漏失的分类城市管网漏失量巨大，组成结构繁琐，目前已形成多种划分标准。研究漏失分类及组成有利于理清漏失的来源，因果关系，进而为控制漏失奠定理论基础。2.1.1国际供水系统的分类一直以来，世界上绝大多数国家对供水系统水漏失的量化定义都很含糊，有的采用计量水量，有的采用单位管长漏水量，有的则用百分比，但采用不同的分子分母，等等，使得供水系统一方面存在较高的漏失，但其管理人员却无法清楚的了解其存在及种类。鉴于这种情况，国际水协（IWA）于1996年成立了一个工作小组，组员为来自英国，美国，西班牙，德国，日本等国的供水系统专家。工作组前后花了三年的时间，考察了各国的具体情况，从供水系统的水量平衡，即供水的水源，不同用户的使用情况，漏失的组成等方面给予一个相对统一，完整且具有较高适用性的定义及分类，见表2-1。此表目前已是北美供水公司管理人员用于其水量结算及水漏失控制工作的基本依据[53]。表中学术名词的定义[53,54]：（1）有效供水量水厂将水供出厂外后，各类用户实际使用的水量，包括收费的(即售水量)和不收费的(即免费供水量)。（2）售水量收费供应的水量，包括生产运营水、公共服务用水、居民家庭用水以及其它计量用水。（3）产销差水量供水企业提供给城市输配水系统的自来水总量与所有用户的用水量总量中收费部分的差值。产销差水量=免费供水量+物理漏水量+帐面漏水量（4）免费供水量实际供应并服务于社会而又不收取水费的水量，如消防灭火等政府规定减免收费的水量及冲洗管道的自用水量。（5）帐面漏水量又称为“纸上漏水量”，指由于用户水表计量不准确，收费或财务上的错误，未经授权的非法用水等供水司带来经济损失的水量。（6）管网漏水量/物理漏水量指通过系统输配水管网及城市蓄水设备渗漏，漏失及溢流到外界的水量。一般发生在:输水干管及一级输水系统;城市配水管网;连接用户的支管;输配水系统的管件;水塔/水池等渗漏及溢流。2.1.2按水的去向分类供水漏水量的定义是指供水总量和有效供水量之差，包括：（1）从管道、清水池、溢流口等处漏水（2）不用水表计量的商业用水，其用水量超过付费水量的部分-12- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表2-1IWA规定管网漏失的组成和分类Table2-1ThecompositionandclassificationofnetworkleakageprovidedbyIWA一级二级三级四级五级六级七级计量售水量售水量Billedmetered售水量Billedconsumption水公司Revenueauthorized未计量售水量外卖净水water系统有效consumptionBilledunmetered公司自water供水量consumption身水源exportedAuthorised计量免费供水量Own免费consumptionUnbilledmeteredsources供水量consumptionUnbilled未计量免费供水量authorizedUnbilledunmeteredconsumptionconsumption系统总非法用水(偷盗，欺供水量诈)Unauthorized帐面漏水量SystemconsumptionApparentinput表计量误差产销lossvolumeMetering差水水公司inaccuraciesnonrevene自身系输水管及干管漏水water统供水系统漏水量水公司外量Leakageon(NRW)OwnUnbilled调水源transandmainssourcesauthorizedWater管网漏水量水池/水塔等consumptionimported/物理漏水量渗漏及溢流Reallossorleakage&overphysicalflowatstorageloss进户管漏失量Leakage-serviceconnection-13- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文（3）不用水表计量的生活用水，其用水量超过付费水量的部分（4）水表计量不准确（5）未计量的消防、绿化及冲洗街道用水下面给出我国供水量常用的划分方法如表2-2。表2-2我国常用供水量划分方式Table2-2ThecommondivisionwayofwatersupplyquantityinChina一级二级三级四级收费的水量收费卖给其它水厂或地区的馈水量有效水量其它用水量供水量未收水表少计量费水量本公司未付水量供水明显漏水量偷水、滴漏量量输水管漏水真实配水管漏水无效漏耗量配水池漏水供水量水表外侧支管、水池、屋顶水箱漏水量调整水质不好、修理管道需要放水、核减量或用户纠纷等核减付费的水量表中供水行业学术名词的定义[55,56]：（1）供水量即水厂供给输配水管网的水量。通常是出厂水管上装置的计量仪表，在一定时间内记录的总水量。（2）收费水量按用户抄表读数收费的水量和包费制用户收费折合的用水量。（3）馈水量卖给其它水厂或地区的水量。（4）水表少计量旋翼式水表在低流量时读数往往低于实际流量，造成水表少计量的情况。（5）其它用水量公园、绿化、公厕、消防等用水。（6）调整核减量由于水质不好需要放水、修理管道需要水或其它用户纠纷等因素核减用户付费的水量。在表2-2中，其它用水量的收费部分计入收费水量，未收费的部分计入未收费水量。2.1.3按能否被检测到分类按照是否可以被检漏仪器发现或主动探测到，漏失可分为背景渗漏、不可避-14- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文免的物理漏失量、暗漏和明漏。（1）背景渗漏(backgroundleakage）又称不可检测的漏失，当单个漏点的漏水量低于400—500L/h，一般的检漏仪器很难检测出来了。这些不可检测到的微量漏水统称为背景渗漏。虽然对于每一个漏点而言，水量微小，但是其总量可观，占漏失总量的很大一部分。由于背景渗漏很难被检测到，对于其的控制就比较困难，一般而言，通过更换管道管件的方式可以有效的降低，但成本非常昂贵。一种有效且经济的方法是通过系统压力控制的方法。（2）暗漏(reportedburst)又称为可主动检漏点，在系统中经常出现，其漏失水量属中等水平，取决于系统的压力、运行情况、土壤情况及管道状况等。暗漏持续时间则取决于主动检漏措施的积极性及强度。一个供水系统的检测周期如果为一年，漏点当中的一些有可能发生在刚刚检测之后，则其持续时间将为近一年，即漏到下一个检测周期检测出为止.而此时有些漏点也有可能仅仅发生几天而已。综合而言，根据以往经验，暗漏平均持续时间为检测周期的一半，即若检测周期为一年，平均暗漏的持续时间为半年，若检测周期缩短为半年，则平均暗漏的持续时间为3个月。这一规律可以做为供水企业制定经济合理的漏失检测计划的重要依据。（3）明漏(reportedburst)明漏流量一般都很大，是可以被用户或路人发现的漏失，多为爆管事件，对周围环境及用户会产生较大的影响。一般地说，对其处理速度都很快，因此漏失的持续时间都不长。因此，即使具有较大的漏水流量，但漏水的量却不大，也易于发现。（4）不可避免的物理漏失(UnavoidableAnnualRealLosses，UARL)指的是在当今的技术水平及条件下，无论采取什么技术手段都无法避免的供水系统理论上的最小物理漏失水量。它包括一定的背景渗漏，一些明漏及暗漏。鉴于背景渗漏和暗漏占总漏失量的绝大部分，并且利用检漏仪器效果甚微，故将此做为本课题漏失控制对象。而明漏易发现，物理漏失不可避免，不在研究范围之内。2.1.4按漏水发生部位分类供水系统中漏水主要发生在四个部位:清水池、干管、配水管和用户供水管。清水池漏水通常发生在进出水阀门处，若要检查其漏水情况，则需关闭进出口阀门，再用听音法确定有无漏水，若无声则阀门不漏水。通常需测定较长时间(24h或更多)，以获得较高的精度。干管漏水量也可直接测定，可利用热脉冲流量仪等流量仪表测定漏水时的流-15- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文速，进一步测定其漏水量。通常较老的干管漏水量比新管大。配水管及用户供水管的漏水则难以直接正确测定，通常采用最小夜间流量法测定。2.2供水管网衡量漏失程度的指标漏失一般是指由于管段、管段接口、阀门、消火栓等管网部件破裂或蓄水池溢流等原因，使从净水厂送出的水流经供水管网时，有一部分未经使用而流失到管网外。这一部分未经使用而从供水管网中流失掉的水称为管网漏失。常用的衡量漏失程度的指标如下：（1）漏失率漏失水量与供水总量的百分比称为漏失率，其数学表达式为：QTLR=×100%(2−1)Q供式中LR——漏失率（%）；Q——年漏失量（m3）。T（2）单位管长漏失量单位管道长度单位时间内的漏失水量称为单位管长漏失量，其数学表达式为：QTLPL=(2−2)8760L式中LPL——单位管长漏失量(m3/km/h)；L——管道总长度(km)。（3）单位用户接口漏水量单位用户接口单位时间内的漏失水量称为单位用户接口漏失量表达式为：QTLPN=(2−3)8760N式中LPN——单位用户接口漏失量(m3/个/h)；N——用户接口数（个）。由于管网真正的漏失水量难以准确计量，大部分国家和地区的供水行业从自身管理与经营角度出发，常采用“未计量水率”（国内称为产销差率E）代替漏失率进行漏失方面的统计分析：(3)(3)供水量m−售水量m未计量水率(产销率)=×100%(2−4)(3)供水量m漏失率是一项综合性技术指标，在一定程度上反映了供水管网的漏失水平，具有一定的可比性。它的不足之处在于未考虑管网因素，因此不能真实反映漏-16- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文失主体的管网因素，掩盖漏失的真实情况。通过研究和长时间的实践证明，国外不少专家认为用单位管长漏失量和单位用户接口漏失量作为供水管网漏失程度指标更为合理。不过，我国城市住宅层次相差很大，抄表方式也不尽相同(有的按户抄表，有的按楼门抄表)，同样供水量的用户接口数相差很大，因此单位用户接口的漏失量指标不太适合我国实际情况。单位管长漏失量仅考虑了管长因素，而单位用户接口漏失量仅考虑了用户接口因素，从理论上讲比漏失率更合理，但是由于同样忽视了管网供水压力等漏失影响因素，因此也未能全面反映管网漏失因素。Lambert考虑了管长、用户接口位置于密度以及管网运行压力等因素，提出了BAL(BenchmarkAnnualLeakage，年漏失基准)[53]这一概念，并在此基础上建议采用ILI[53](InternationalLeakageIndex，国际漏失程度指数)作为比较不同情况下的漏失程度指标。BAL是假设漏失流量与运行压力为线性关系的条件下，考虑管网长度、用户接口数和运行压力等综合因素而建立的，其数学表达式为：BAL=(A×K×N+B×L)×P(2−5)式中A，B——变量；K——系数，当水表在建筑物入口则为1，在街道边缘则为0.67；P——运行压力(m)。ILI为年漏失量与年漏失基准的比值，其数学表达式为：QTILI=(2−6)BAL对全球34个供水企业的ILI指标进行调查，结果显示12个系统的ILI低于2，这说明他们采取了积极的控漏措施，控漏水平很好。而8个供水系统的ILI高于8，说明其控漏水平较低。剩余的15个供水企业则处于2~8之间，基本还算合理，但有些供水企业还需进一步加强其控漏措施，提高其控漏水平。2.3经济漏失率和经济漏失密度在治漏降耗的过程中，是否漏耗降到零就是最优最好呢?是否可以达到“零漏耗”目标呢?通过对管网自身特点及性质仔细研究，就可以发现“零漏耗”是不可能存在的。管网的机械附属设施的滴漏、不易发现的长时间小漏和维修过程中的漏水等时时刻刻都存在。因此一个供水管网系统必然存在一定的不可避免的漏水量。从经济合理的角度来看，也不是漏损值越低越好。当漏损值较高时，漏水点较多，较大的漏水点也较多，此时仅花少量的人力和资金便可以找到较多较大的漏水点，降低较多的漏损量，这时漏损控制的效益较大。但当漏损值很低，-17- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文尤其是较大的漏水点很少时，要花较多的人力和资金才能找到较少的漏水点，降低较少的漏水量，因而经济效益甚低，甚至出现得不偿失的情况，因此应允许有不可避免的物理漏水量[57]。与漏失直接相关的费用主要有三种：（1）漏失水量费用；（2）漏失控制费用，为检漏的费用与维修费用两者之和；（3）总消耗费用，为漏失费用与漏失控制费用两者之和。图2-1漏失程度经济分析图Figure2-1Theeconomicanalysisfigureofleakageextent如图2-1所示，漏失水量的费用随着漏失程度的升高而增加，而漏失控制费用随着漏失程度的升高而减少。将这两条曲线叠加起来会得到总消耗费用曲线，总消耗费用曲线呈凹形，在低谷区其总消耗费用最低。总消耗费用在低谷时的漏失率和漏失密度本文称为“经济漏失率”和“经济漏失密度”（漏失密度即为漏失总量与供水面积的比值），只要远离“经济漏失率”和“经济漏失率”，不论漏失率和漏失密度是高还是低，其总消耗费用都比较高，因此将漏失控制在“经济漏失率”“经济漏失密度”内是合理的。需要特别指出的是，不同的区域有不同的“经济漏失率”和“经济漏失密度”，即使是同一个区域，不同的时期也会有不同的“经济漏失率”和“经济漏失密度”，由于制水成本的变化、运行费用的变化、以及与漏失控制相关技术的发展等，使“经济漏失率”和“经济漏失密度”，也相应地变化，因此漏失控制费用也应是动态的。供水公司进行漏失控制时，首先一定要统计漏失水量费用、漏失控制费用和总消耗费用的变化规律，确定经济漏失率和经济漏失密度的范围区间，然后再进行工程操作，将漏失率控制在经济范围内，以达到使用最小的人力、物力达到最大的控漏目的，否则会造成不必要的经济损失。-18- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.4供水管网漏损原因的分析影响管网漏损的因素包括管网自身因素和外在因素，自身因素包括：管材、管径、管龄；外在因素包括：运行压力、埋深、温度变化、外力负荷、地质条件、施工质量。2.4.1漏失与管材的关系图2-2为瑞典对管材的漏失情况统计图[58]。可以看出瑞典不同管材每年每10km管长漏失件数在0.3至3.0之间，其中钢管最高，每10km管长约2.9件，PE管最低，每10km管长约0.25件。图2-3为丹麦不同管材的漏失情况统计图[59]。可以看出丹麦不同管材每年每3.532.521.510.5漏失件数/(a/10km)0钢铸铁电镀钢PVC球墨铸铁PE其它管材图2-2瑞士不同管材的漏失情况统计图Figure2-2TheleakagestatisticalfigureofdifferentpipeinSwitzerland54.543.532.521.51漏失件数/(a/10km)0.50钢灰口铸铁PELPVC石棉水泥球墨铸铁混凝管材图2-3丹麦不同管材的漏失情况统计图Figure2-3TheleakagestatisticalfigureofdifferentpipeinDenmark-19- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文10km管长漏失件数在0.2至4.6之间，其中钢管最高，每10km管长约4.6件，混凝土管最低，每10km管长约0.2件。在这两个国家中，钢管最易发生漏失，而球墨铸铁管发生漏失频率比较小。目前公认的漏失率从大到小管材依次为：钢管、铸铁管>预应国混凝土管>球墨铸铁管>塑料管。这也是建设部大力推广使用球墨铸铁管和供水塑料管等新型管材重要原因之一。2.4.2漏失与管径的关系有资料显示[58]，漏损概率与管径成反比，管径越小，漏失的可能性越大。2.4.3漏失与管道铺设年限的关系一般情况下，铺设年限越长越容易出现漏失。图2-4为丹麦对灰口铸铁管道不同铺设年限的漏失情况统计图[59]。可以看出，对于灰口铸铁管材，铺设年限大于50a，发生漏失的频率非常大。因此铺设年限超过50a的灰口铸铁管道应列为重点检漏管道，在以后的漏失控制工作中要特别注意。300200100漏失件数011—2021—3031—4041—50>50管道铺设年限/年图2-4灰口铸铁管不同铺设年限的漏失情况统计图Figure2-4Theleakagestatisticalfigureofgraycastironpipewithdifferentlayingtime2.4.4漏失流量与压力、漏洞直径的关系当管网供水压力为0.5MPA时，不同大小漏洞的漏水流量见表2-1[60]。表中漏失流量在不同压力下的换算关系见表2-2[60]。表2-1大小不同漏洞的漏失量Table2-1Theleakageofdifferentsizesofleaks漏洞直0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.06.07.0径/mm漏失量0.330.971.823.165.18.1511.314.818.222.33039.3L/min-20- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文对表2-1所列数据进行分析，认为漏失流量与漏洞直径之间关系近似为二次函数关系，即随漏洞直径的增大，漏失流量呈平方增长。根据最小二乘法原理进行曲线拟合，建立了水压在5个大气压下时的漏失流量与漏洞直径近似数学表达式如式（2-7）。2Q=0.748d+0.488d+0.135(2−7)式中Q——漏失流量(L/min)；d——漏洞直径(mm)。表2-2漏失量在不同压力下的换算关系Table2-2Theconversionrelationofleakageunderdifferentpressure名称12345678910水压/MPa0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0换算率0.450.630.770.891.001.101.181.271.341.41在此基础上，根据表2-2中漏失流量在不同压力下的换算关系，进一步建立了不同压力下漏失流量与漏洞直径之间关系的数学表达式如式（2-8）。(2)Q=C0.748d+0.488d+0.135(2−8)式中C——不同水压下漏失流量换算率。2.4.5漏失与运行压力的关系运行压力与管网的漏失有着密切的关系。管网的漏水量与运行压力成正比，压力越大，漏水量越大；反之，越小。当压力小于一定值时，有可能不漏水。在系统运行时，有时会造成局部压力过大，而引起严重的漏失，甚至爆管。2.4.6漏失与埋深的关系若埋深不够，当上层土壤发生沉降或外力负荷过大，很可能造成管网漏损。2.4.7漏失与温度变化的关系在气温变化较大的气候条件下，管网可能由于热胀冷缩的缘故而发生漏损。处于温差较大的北方地区，温差也是造成漏失的主要原因之一。2.4.8施工质量对漏失的影响（1）铺设管道时管沟处理不当例如，管道基础0.3m内的腐殖土、淤泥、块-21- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文石硬物未清除干净而导致管道发生不均匀沉陷或被硬物顶坏导致漏水。（2）接口质量差铸铁管使用石棉水泥接口较普遍，但如果捻打不实容易漏水。此外，橡胶圈就位不准确，承插铸管的借转角度太大，承口间隙不均，这些都可能导致漏水。钢管焊接质量不好，在焊缝有夹渣、气孔、焊缝宽厚不均，焊接时咬肉或焊不透处，容易发生渗漏。（3）法兰连接不规范调查发现,法兰同管不垂直，两法兰片不平行，垫圈太薄或安歪，拧紧螺丝时没按对角线法则或少上螺栓等，都会导致法兰受力不均而水外泄或漏流。（4）覆土不匀回填土石未分层、两侧土的密度不同，使管道的侧向受力,会增加爆裂几率。回填土中有大于规范的石块、冻土也会造成漏水。（5）管道防腐措施不当特别是在施工困难、管道交错、横过下水管等复杂地段改安的钢管或中小口径钢管，由于管内壁没做防腐处理，管外壁防腐层太薄，造成管道腐蚀。2.5控制供水管网漏失率的措施漏失控制工作是一个综合的系统工程，涉及探漏检漏技术、管道维修技术、管网改造、供水管理、用户管理、水表计量、收费系统管理、人员培训、项目资金筹措等。这仅仅依赖于供水公司自身的力量是不够的。还须利用国内外先进的管理经验，技术手段及融资能力，充分发挥自来水内部推动作用，内外双管齐下，以取得良好的社会综合效益。供水公司常用的控制漏失举措有以下几个方面。2.5.1推行选用优质管材铺设供水管道过程中，无论改造还是新建管道，严把管道工程质量关，淘汰原使用的灰口铸铁管、自应力钢筋混凝土管及镀锌钢管，在改造过程中全部采用抗压、抗腐蚀、寿命长、韧性好、安装简捷的UPVC，PE塑料管、球墨铸铁管等符合国家标准的管材[61]。2.5.2优化控制管网压力在满足供水要求的前提下，尽量均衡压力分布，避免产生局部压力过大的现象，以降低漏损的可能性。供水公司应根据具体的生产状况、输水能力以及社会需水量，建立优化调度模型，及时调整出厂水送水泵的组合，使调度工作趋于合理、经济。此外，可以在需要管道安装阀门，通过调节阀门的开启度，避免局部压力过大[62]。亦可采取分区供水等供水方式，以降低整体控制的难度。分区供水-22- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文逐渐成为供水业的趋势。2.5.3加强施工质量控制施工过程必须严格遵守施工规范，尤其管底基础、管道接口、覆土的质量、试压验收等一系列工序都必须严格把关。提高质检人员的技术业务素质，质检人员必须具备施工经验。在施工工程中，还要重视管道防腐工作。2.5.4加强对非法用水的惩罚力度加强对消防设施的管理，特别是对环卫、市政建设、绿化等部门用水一律实行消防栓挂表，定位管理。同时加大对全市消防栓巡视防范力度。加大查处各类违章用水行为。对严重窃水户应按照《城市供水管理办法》等法规依法惩处。2.5.5降低水表误差用灵敏度高的水表替代灵敏度低的水表，并坚持按国家计量法的规定进行周期例检。强化水表的计量管理，提高抄表人员的抄表质量和工作责任心，真实反映用户用水情况，对有问题的水表要及时更换，减少估表。2.5.6加强漏损控制管理成立专业的检漏队伍,引进先进的检漏设备和技术，定期对管网进行检查，及时发现问题，解决问题；建立漏损管理系统，借助计算机软件，如MATLAB、VB、GIS、对信息进行系统管理，建立管网漏损预测模型，更换会发生漏损的管网[62]。2.5.7加快城市供水管网改造根据城市建设发展情况制定供水管网改造计划，对于常发生爆管漏水的薄弱管段和年代已久的老化管网，尽快实施改造[61]。要积极、稳妥、科学开展旧城管网改造工作，一方面主动联系用户，争取用户资金，另一方面争取财政资金来支持管网改造。2.5.8加强供水管网技术档案管理没有详细的管网资料或不对资料进行归档管理，是导致检漏工作无法有效开展的重要原因之一。因此，供水企业应及时详细掌握管网现状资料，建立完整的供水管网技术档案，并逐步建立管网信息系统，有效地利用供水管网技术档案，控制管网漏损率。-23- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.5.9增加管网漏损的周检频率为降低管网漏损，供水企业应着力提高周检频次，并根据不同的检漏方法，采用不同的检漏周期。如用音听法，宜每半年到二年检查一次；用区域检漏法，宜一年半到二年半检查一次；对埋地管网，用被动检漏法，宜半个月到三个月检查一次；当漏失率大于15%时，或对漏水较频繁的管道，宜用上述周期的下限。为了提高检漏效率，选择适当检漏方法至关重要，一般遵循下面原则[61,62]：（1）管道检漏，应以主动检漏法为主，被动检漏法为辅。（2）埋地且附近无河道和下水道的输水管道，以被动检漏法为主，主动检漏法为辅。（3）城市道路下的管道检漏以音听法为主，其他方法为辅。其中对阀门性能良好的居住区管网，可采用区域检漏法；单管进水的居住区可用区域装表法。（4）当进水总量与用水总量差较大时，用区域检漏法检漏。（5）在管网压力经常高于服务压力甚多的局部地区，宜采用压力控制法，使该地区的管网最低压力降到等于或大于服务压力。2.6国际水协推荐的控漏措施针对物理漏失、帐面漏失，国际水协经过分析总结，分别提出了推荐措施，如图2-5和图2-6。图2-5IWA降低物理漏失的推荐措施Figure2-5IWArecommendedmeasuresforreducingphysicalloss-24- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-6IWA降低帐面漏失的推荐措施Figure2-6IWArecommendedmeasuresforreducingapparentloss2.7本章小结本章依据不同的分类方法，对供水系统进行分类，并结合实际情况开展“经济漏失率”和“经济漏失密度”的研究，为我国供水行业科学地制定漏失控制目标和相应的对策奠定基础。漏失的影响因素繁多且难以定量化，本文分别研究了漏失与管材、管径、铺设年限、供水压力、埋设深度、温度、地质条件及施工质量的关系，并在此基础上提出了多种切实可行的漏失控制有效措施，为后面管网建模奠定了基础。-25- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文供水管网压力驱动节点流量水力模型的研究供水管网水力分析是管网设计、运行管理及改扩建的基础。通过水力计算和工况分析,可以了解管网的工况,掌握系统的动态运行规律,对于提高供水管网的管理水和供水企业的社会效益、经济效益,实现供水系统的优化调度都有着重要的意义[63]。对于管网的漏损水力分析,是确定管网漏损点的位置、估算漏损量、最终实现漏失控制的基础。3.1传统的供水管网水力模型3.1.1传统的供水管网水力模型方程供水管网水力计算方法主要有管段方程组解法、环方程组解法和节点方程组解法，其中节点方程组解法是一种常用且切实可行的方法。节点方程组是由节点连续性方程、管段流量关系式以及环能量方程关系式共同组成。节点连续性方程：n∑qij+Qi=0(3−1)j=1j≠i式中qij——与节点i连接的管段流量（L/S）；Qi——节点i的节点流量（L/S）。规定：式(3-1)中的流量流出为正,流入为负。由海曾—威廉方程可得：1/n(H−H)()1/nijq=h/S=(3−2)ijijij1/nSij式中Hi,Hj——节点i,j的水压(m)；Sij——管段ij的摩阻。管网的环路能量方程为：∑hi−0=0(3−3)i∈loop式中Δh——环路中水头损失之和(m)。传统的水力模型中,根据节点连续性方程、环路能量方程求出供水管网节点水压和管段流量等，模拟管网的运行工况，预测水量水压变化趋势，预报乃至防止爆管事故的发生，指导供水管理工作。在以往的几十年中，应用的都是这种传统水力模型，国际上已研发了几个经典的、实用性极强的水力模型软件，如美国环-26- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文保署开发的EPANET，美国Bentley公司的WaterGEMS，哈尔滨工业大学给排水研究所研发的WNW，都颇受供水界同仁们的认可和肯定。3.1.2传统水力模型的弊端随着供水研究的进展，社会对漏失问题的日益关注以及人们对供水各方面要求的不断增长，传统水力模型的弊端和不足之处日益突显，成为水力模拟发展的“瓶颈”。本课题应供水行业发展的需要，对传统管网水力模型进行修正创新，调整不合理部分，使其更符合当前发展要求，与管网实际运行工况更加趋近逼真，进一步提高现实指导意义。传统水力模型校核时主要包括两部分：摩阻系数C值和节点流量。C值在实践中影响很小，而且难以测试，推算亦不准确。节点流量是影响模型精确度的主要因素。而在传统模型中节点流量分配过于简单，假设为定值，不成熟的两点具体如下：（1）在传统水力模型中，式（3-1）中节点流量——Q是这样得出的：将总供i水量按长度或面积平均分配到各管段，形成比流量，然后再乘以各管长或面积，进而计算出分配到各管段的管段流量，每管道上的流量平均分配到上下节点，构成流量Qi。总供水量包括节点实际用水量和漏失量，均被平摊到管网中，而实际上漏失量在管网中并不是均匀分布的，而是与压力的分布有关，为压力的函数，压力越大，漏失量越大。城市管网结构庞大，压力差距大，因而漏失分布亦不均衡，显然传统方法是不科学，与实际情况相差较大，这是传统水力模型一大弊端。（2）传统水力模型中，节点实际用水量假定为常量。这是与实际状况相违背。真实的节点用水量是变量，压力的函数。可以这样阐述，原模型中不论压力怎样变化，实际用水量均不变，都能正常供水，这是不合理的。当压力为负数时，用户无水可用，实际供水量为0。当压力不满足额定要求时，用户虽有水可用，但也不能达到额定值。所以节点用水量假定为定值，这是传统水力模型中另一大弊端。以上两点造成管网建模时节点流量估算不准确，模拟结果与实际情况相差较大，故需对传统水力模型中的节点流量重新定义及估算校核。3.2压力驱动节点流量水力模型的建立3.2.1节点漏失量的修正供水管网漏失的分布与压力分布有关，传统水力模型中将漏失平均分配的做-27- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文法是不科学、不精确的，为了建立新的水力模型，首先要确定漏失与压力的关系。从水力学上来说,管道漏失可以看做是小孔自由出流或淹没出流，根据水力学公式可知：q=Aµ2gH(3−4)i−leaki式中q——节点i的漏失量（m3/s）；i-leakA——漏口面积（m2）；Hi——节点i的自由水头（m）；µ——孔口的流量系数，一般在0.6~0.62之间。但是大量的实验数据表明，漏失与压力的关系与式（3-4）并不吻合，这说明简单的孔口出流方程很难解释复杂的漏失问题。这是因为压力是供水系统漏损的关键因素，增压会造成漏点扩大或新增漏点，所以，压力升高与漏损增加呈非线性关系。目前国际上通用的压力与漏水的关系模型为：水漏失量与压力成n次方的关系，n值的范围为0.5~2.5，平均值为1.15，接近线形关系。对于不同材料的管道及不同的漏点，n值是不同的，一般认为：非金属管道系统n值在1.25~1.75之间；金属管道系统，当漏失量较小时n值一般在1.0~1.5之间,当漏失量较大时(即明漏或爆管)，n值一般在0.5~1.0。近十几年来国内外研究人员通过大量的实验数据，得出的漏失量与压力经验关系式[64-66]如下：1.18q=kH,i=1,2,3,⋯,n(3−5)i−leakii式中ki——漏失系数（m1.82/s）；由上一章可知管网漏失除了与压力有关外，与管长、管龄、管材、施工质量、接口数目等也存在相关性，并且它们之间的关系很难定量化。漏失问题是一个多因素、动态的难题。为了便于研究，常将复杂的问题简单化，每次只研究一个因素或两个因素，或将所有因素综合归纳成一个因素，本研究中采用前者，只考虑两个因素：压力和接口数目，忽略其它因素的影响。因为管网漏失主要是从管道接口处渗漏的，所以模型中选取接口数做为研究因素。节点接口数目虽然不容易确定，但可以用节点用水量的大小来反映，这是因为一般来说用水量大的区域，用户较多，管道接口也多，从统计学上来说，它们是成线性的，所以可以用节点用水量的大小代替节点接口数目做为影响因素。根据上面假设，本课题所建立的漏失与节点压力关系式如式（3-6）。1.18q=aQH(3−6)i−leakii-28- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中Q——节点i的节点流量（m3/s）；iα——漏失系数（m-1.18）。iαi为节点漏失系数，反映管道特定时期特性的参数，它不随管网运行工况等外界因素而变化，只与管道本身有关，是管长、管龄、管材、施工质量等特性的综合反映值。它是动态变化的，管道性质一变，也随之变化，准确确定αi值，是建立漏失模型关键的一步。3.2.2节点实际用水量的修正对于节点实际用水量与压力的关系式，国外专家也进行了大量研究，取得了不少进展，获得了多个经验公式。Rossman提出的节点实际供水量与压力的关系式[67]如下式：val(avlmin)αQ=SH−H(3−7)式中Qavl——节点实际用水量（m3/s）；S——节点用水量系数，取决于用户特性；Havl——节点实际压力（m）；Hmin——节点最小供水水头，即供水量大于0时的最小水头（m）。Rossman提出的关系式简单宜用，但节点实际用水量随压力增大而无限增大，这是不科学的。针对该问题Wagner提出节点实际供水量与压力的分段函数式[68]：reqavldes⎧QH≥H⎪1/αavlminval⎪red⎛H−H⎞minavldesQ=⎨Q⎜⎜desmin⎟⎟H≤H≤H(3−8)⎪⎝H−H⎠⎪avlmin0H≤H⎩式中Qreq——节点额定用水量（L/S）Hdes——节点临界压力，即满足额定用水量时对应的压力（m）；α——节点供水量系数，1.5~2之间(Wagner等建议为2）此式中有三个关键压力：最小供水水头、临界压力、节点实际压力。当节点实际压力小于最小供水水头时，实际供水量为0；当节点实际压力大于临界压力时，节点流量达到额定值，不会再随压力的增大而增大；当节点实际压力大于最小供水水头并小于临界压力值时，节点供水量符合指数关系，随压力的升高而增加。另外，Bentley最近也提出了节点实际供水量与压力的关系式[69]，见式（3-9）。以上公式均是在大量实验数据的基础上，通过理论分析得出的。虽然形式不一致，但各有其依据，没有绝对意义上的对与错，只是适用范围不同，这是因为-29- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文不同地区得到的实验数据不会雷同，即使同一地区不同管道也会有较大差异。其中式(3-8)应用最为广泛，为公认的用水模式表达式，因而本课题采用该式表示节点实际用水量。reqvaldes⎧QH≥H⎪val0.5Q=⎨⎛Havl⎞(3-9)redavldes⎪Q⎜⎜des⎟⎟HPa，则对该位进行变异，变异的新基因也由随机数RAND()产生，再将其转化为一个合法的自然数，同样地该自然数解码成的值是在可选的范围内。图3-1示意某条染色体变异的过程。3.3.2遗传算法的一般步骤遗传算法的技术思路如图3-2。3.3.3遗传算法在压力驱动水力模型中的应用根据以上讨论，本文确定了压力驱动水力模型的遗传算法的寻优过程：先给定群体规模M、遗传概率Pc、变异概率Pa，随机地产生一个初始群体，每一个体表示一组节点流量组合，按照生物界优胜劣汰、适者生存的演变规律连续执行遗传、变异和选择操作，经过足够代数的进化，直到满足终止条件，最后算法停留状态即优化结果，将其解码即为压力驱动水力模型中的节点压力。具体步骤描述如下(目标函数用f(X)表示)：（1）先给定遗传概率Pr、Pa，群体规模M，最大迭代代数MAXG，输入管网参数：管长、地面标高、节点额定流量、管径、已知节点水压、总供水量等数据。（2）利用随机函数RAND任意生成一个初始群体——节点流量（Q）和漏失系数，其中节点流量之和为一固定值，即总供水量已知。（3）通过MATLAB编程，将初始种群——节点流量赋值于各个节点，利用EPANET软件，求得节点压力值（H）。根据式（3-6）和式（3-8），分别计算出节-32- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文点实际用水量和节点漏失量，两者相加得理论节点流量（Q’）（4）以初始节点流量与理论节点流量差值之和的负数为适应度函数，目标是使适应度最大。当Q与Q‘无限逼近时，适应度函数值达到最大，接近0，这是Q或Q/即是压力驱动节点流量水力模型的最终解。（5）寻找本代中最优个体，如果当前最优适应度值小于规定精度，则计算结束，显示计算结果。若否，则对本代的个体进行选择、交叉、变异，产生下一代个体，循环步骤（3）。（6）当精度达到时，解码得到压力驱动节点流量水力模型的节点流量值，模型求解完毕，退出程序。图3-2遗传算法流程图Figure3-2Theflowchartofgeneticalgorithm3.3.4程序源代码压力驱动节点流量水力模型是在传统水力模型基础上的创新校正，所以本程序利用MATLAB语言调用传统水力模型的经典软件EPANET2.0的同时，对其流量、压力进行了修正更新，使其符合压力驱动节点流量水力模型的表达式，即式（3-10）、式（3-11）、式（3-12）。程序部分源代码见附录（1）。-33- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3.5软件界面本程序是用MATLAB循环调用EPANET2.0，软件界面如图3-3所示。图3-3软件界面图Figure3-3Thefigureofsoftwareinterface3.4算例3.4.1供水管网信息为了进一步阐明压力驱动水力模型及求解过程，现以实例说明，其拓扑结构如图3-4所示。该管网为四个环的单水源供水结构[69]，包含20个节点和24条管段。已知水源压力为42mH2O，海曾威廉公式水头损失系数为120。节点最小供水水头为6m，临界压力为16m，即节点压力为6m以下时，供水量为0，16m以上时，节点供水量可达到额定值。界于6m和16m之间时，用水量按公式3-8计算。供水管网节点、管段信息分别见表3-1、表3-2。管网中有6个监测点，其中3个压力监测点：节点20、节点22、节点55，监测值依次为：13.39m、13.18m、15.01m。3个流量监测点：节点24、节点30、节点36，监测值依次为：11.01L/S、12.53L/S、13.96L/S。通过对比压力驱动节点流量水力模型和传统水力模型求解的理论值与管网实际监测值，可以分析出两模型的优越程度。-34- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图3-4供水管网拓扑结构图Figure3-4Thetopologymapofwaterdistributionnetwork表3-1供水管网节点信息表Table3-1Thenodeinformationtableofwaterdistributionnetwork地面标额定流量最小供水临界测压节点编号高/m/(L/S)测压管水头/m管水头/mJunc2013.851019.85水29.85Junc2213.431019.4329.43头/mJunc2413.211019.2129.21Junc2613.601019.6029.60Junc2815.671021.6731.67Junc3013.901019.9029.9头/米0Junc3213.501019.5029.50Junc3412.671018.6728.67Junc3612.191018.1928.19Junc3812.191018.1928.19Junc4012.191018.1928.19Junc4212.191018.1928.19Junc4413.721019.7229.72Junc4715.241021.2431.24Junc4913.381019.3829.38Junc5113.521019.5229.52Junc5313.451019.4529.45Junc5513.021019.0229.02Junc5815.201021.2031.20Junc6213.401019.4029.40Resvr6542.00-------35- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-2供水管网管段信息表Table3-2Thepipeinformationtableofwaterdistributionnetwork管道编号管长(m)管径(mm)摩阻系数Pipe23305.7200120Pipe25464.4150120Pipe27495.0200120Pipe29212.3200120Pipe31667.1200120Pipe33287.5350120Pipe35724.4400120Pipe37308.2400120Pipe39495.3300120Pipe41246.0150120Pipe43249.3150120Pipe45242.6150120Pipe46232.1150120Pipe48460.6150120Pipe50157.7200120Pipe52206.6150120Pipe54138.5150120Pipe56225.2150120Pipe57183.7150120Pipe59421.1200120Pipe60291.9300120Pipe61291.5200120Pipe63250.4150120Pipe66829.36001203.4.2算例求解结果3.4.2.1算例求解结果在进行算法操作时必须先设定一些参数，本例中的各参数取值如下：选择算子：0.08最大代数：200种群规模为：200经优化，适应度为3.64L/S，初始节点流量与理论值最大差值为0.3L/S，即流量总误差为3.64L/S，在误差允许范围内。这也说明利用遗传算法求解压力驱动节点流量水力模型是可行的，完全收敛的。优化结果如表3-3。-36- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-3供水管网节点结果表Table3-3Thenoderesulttableofwaterdistributionnetwork节点水头节点压力节点漏节点编号节点流量（L/S）/m/m失系数2010.7927.5713.690.0882210.4726.8113.360.0882410.7626.8513.610.0882610.7427.3813.760.088289.8028.1212.430.0883012.8532.6318.700.0883213.2434.3220.780.0883413.9437.4024.680.0883614.3238.9326.690.0883814.0037.7425.500.0884013.5235.0222.790.0884213.5634.6822.450.0884413.2735.0821.310.0884712.4832.1916.920.0884911.0127.5214.110.0885110.6027.1213.580.0885310.7027.1713.690.0885511.9428.3815.320.0885812.1530.9815.750.088629.8626.0712.640.088水源-240.0040.000.00--如表3-3所示，节点漏失系数为0.088，即α为0.088。节点36漏失率最大，为29.6%，节点25漏失率最小，为17.6%。管网靠近水源端自由水头大，漏失率亦高，远离水源端漏失率较低，如节点34—节点44之间的漏失率均为27%左右。管网总漏失率为21.3%，总漏失量为51.12L/S。节点压力均大于6m，节点实际用水量均大于0；节点压力界于6m~16m之间的占55%，因而节点实际用水量未达到额定值的亦占55%；节点压力大于16m的，节点实际用水量达到额定值的占45%。节点最大实际用水量为10L/S，最小为8.02L/S，平均值为9.35L/S。3.4.2.2压力驱动节点流量水力模型的优越性为了评价压力驱动节点流量水力模型的与传统水力模型的优越性，需将两模-37- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文型计算结果与管网监测值比较，如表3-4所示。可知对于节点流量，压力驱动模型与监测值平均相差0.31L/S，传统模型与监测值相差1.17L/S。对于压力值，压力驱动模型与监测值平均相差0.26m，传统模型与监测值相差1.75m。所以无论是流量值抑或压力值，总是压力驱动模型更加趋近于真实值，模型的精确度越高。表3-4不同模型理论值与监测值对比表Table3-4Thetableofcomparisonbetweenmonitoringvalueandtheoreticalvalueofdifferentmodel压力驱动模传统模型差值1差值2节点编号监测值型理论值理论值绝对值绝对值节点2411.01L/S10.76L/S12L/S0.25L/S0.99L/S节点3012.53L/S12.85L/S12L/S0.32L/S0.53L/S节点3613.96L/S14.32L/S12L/S0.36L/S1.96L/S节点2013.39m13.69m11.68m0.30m1.71m节点2213.18m13.36m11.04m0.18m2.14m节点5515.01m15.32m13.61m0.31m1.40m3.4.2.3算例求解结果分析PDD节点实际用水量PPD节点漏失量传统模型节点流量传统模型节点实际用水量16141210864流量值/(L/S)2020242832364044495358节点编号图3-5压力驱动与流量驱动水力模型节点流量对比Figure3-5Thecomparisonofnodeflowbetweenpressure-drivenandtraditionalhydraulicmodel节点流量最大值为14.32L/S，最小值为9.80L/S，大于12L/S的占45%，小于12L/S的占55%，由此可见，压力驱动节点流量水力模型与传统水力模型中的节点流量分布差别很大，对比如图3-5。从图上可以看出除节点58外，其它所有节点的实际用水量、节点流量分别与传统模型中基准值10L/S、12L/S的关系是一致的，-38- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文即当实际用水量大于10L/S时，节点流量一定大于12L/S，反之同理。从图3-6、图3-7中可以看出，靠近水源端的节点（节点32~44），压力驱动水力模型与传统模型中的压力十分接近；远离水源端的，前者大于后者。这是因为在压力驱动模型中，虽然管网前端节点流量较大，但它传输的是总流量，与传统模型中相同，水头损失相同，节点压力亦相同。而管网后端随损失节点压力降低，节点流量也减少，但传统模型中的节点流量却是假设为定值，所以新模型中的流量较小，水头损失较小，节点压力较大，这也是红框区域内压力驱动模型压力高于传统模型压力的缘故。图3-6压力驱动节点流量模型节点压力图Figure3-6Thepictureofnodepressureofpressure-drivenhydraulicmodel图3-7传统水力模型节点压力图Figure3-7Thepictureofnodepressureoftraditionalhydraulicmodel-39- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文传统模型中最大节点压力为28.68m，最小节点压力为12m，最大压力差值为16.68m；压力驱动节点流量模型中最大节点压力为28.68m，最小压力值为14.43m，最大差值为14.25m。所以可以看出后者的最小压力值比前者大2.43m，低压区相对减少，压力分布更为均衡化。3.4.3遗传算法运算稳定性遗传算法运行过程如图3-8和图3-9所示。从图3-8中可以看出，适应度随图3-8遗传算法平均适应度变化曲线Figure3-8Thecurveoftheaveragefitnessdegreeofgeneticalgorithm图3-9节点22、34、36的节点流量遗传进化过程Figure3-9Theprocessofgeneticevolutionoftheflowofnode22,34,36代数的增长不断升高的，到达180代时趋近稳定，最后逼近最大值-3.64。图3-9中所示的是节点22、34、36个体优化过程，开始时个体在定义的范围区间内波动较剧烈，达到150代时趋于平稳。结果表明，利用遗传算法求解压力驱动节点流量水力模型是正确的选择，它具有较高的稳定性，收敛速度也较为合理。-40- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.5本章小结鉴于传统水力模型的两大弊端，即节点漏失量的平均分配和节点实际用水量假设为定值，本文分别对其进行修正，建立了节点漏失量与压力的关系式和节点实际用水量与压力的分段函数式，通过MATLAB编程，将以上两式与EPANET2.0接合，嵌入新模型中，形成压力驱动节点流量水力模型。与传统水力模型相比，它更加逼近管网实际运行情况，更具有指导预测作用。然后通过遗传算法对模型进行求解，该算法具有稳定性强、收敛速度快的特点，并通过一小型算例加以说明分析，计算结果相当满意。同时也证实了压力驱动节点流量水力模型优越于传统水力模型，更加接近于管网实际工况，从而说明该模型构建的意义所在，为下一章全面建立压力驱动节点流量漏失控制模型做好了铺垫。-41- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型研究4.1供水管网压力驱动节点流量漏失控制的定义漏失目前已成为全球面临的严重问题，在水资源日益短缺的21世纪，它的影响十分恶劣，可造成不可估计的经济损失和社会危害。降低漏失的方法主要有三种：检漏、更换管道及压力控制。鉴于前两种方法的缺点，本课题主要是在压力驱动水力模型的基础上对压力控制漏失技术进行研究。影响管道漏失的因素有很多，可分为外因和内因。外因亦称为人为因素，如施工损坏、人为破坏等。由于人为因素没有一定的规律可循，很难对其做出统计得到一定的结论，因此，考虑建立供水管网渗漏模型时应当排除外因影响。内因是指管网特性及周围环境的影响，如管材、管径、管龄、压力、埋深、气温等。内因中除了压力外，其它因素对于特定管网系统已是定值，不再改变，因此控制漏失时，应把主要方向放在压力控制上。已知漏失与压力存在正指数关系，压力越大，漏失越严重。供水管网漏失控制就是在保证正常供水的情况下，通过调节阀门设置，使得管网压力分布更为合理，从而达到降低漏失的目的。管网规划设计水压一般以高远地区为控制点，并考虑一定的发展因素和安全因数，使得供水系统部分区域供水压力远远大于实际需要，导致系统漏点增多，漏失量增大，以及造成不必要的能量消耗，同时较高的运行压力对供水基础设施的使用寿命影响也很大，过高的压力常常是爆管的诱因。有效控制管网供水压力可以保持稳定的供水服务压力，减少背景渗漏及暗漏水量，减少爆管事故，减少供水设施维修量，延长资产使用寿命。一般说来，调控管网压力可行的途径主要有两个，一是进行优化调度，调节供水水泵运行工况，调整水厂以及二泵站出口压力，降低整个管网运行的压力值。二是利用阀门控制，在高压区域内安装减压阀，通过调节阀门状态，控制下游压力。对于压力的合理控制，这两途径效果都十分显著。对于优化调度，已有不少的研究成果，不在本课题范畴之内，阀门控制是论文研究的重心，亦称为压力漏失控制技术。该技术思路：首先选择合适的阀门，优化阀门定位，将阀门置于最优位置，建立压力驱动节点流量漏失控制模型，通过模拟计算优化阀门设置，通过操作阀门动作，控制压力值，达到供水正常的前提上，漏失量最小化的目的。4.2压力驱动节点流量漏失控制模型的分类按照控制方式的不同，压力漏失控制模型可以分为管网预测控制模型和管网反馈控制模型，这两种模型操作的方向不同，优化方法也不同。前者是根据收集-42- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的历史数据的走向趋势预测下一时刻管网运行工况，为压力控制操作提供依据。后者是将在线监测仪器上所返回的实时数据做为输入数据，以控制压力操作。4.3供水管网漏失预测控制模型4.3.1供水管网漏失预测控制模型的思想供水过程中，不同时间段内因用户用水量的不同，管网运行工况也有较大区别，所以不同时刻，阀门动作亦不同，为了实现漏失的实时控制，需提前计算优化下一时刻阀门具体操作动作，这也是供水管网漏失预测控制模型建立的基础。为了模拟下一时刻阀门动作，需掌握下一时刻管网系统的输入变量，如管网拓扑结构、节点管段固有参数及用水量的大小、分布情况等，这是预测模型求解的必要条件。但用水量不是常量，随时间而变化，所以求解模型时，首先需要进行用水量的预测。确定下一时刻的用水量后，将其嵌入漏失控制模型中，通过优化计算获取既能保证正常供水，同时又能使漏失量最小化的阀门设置。供水管网漏失预测控制模型具体思路如图4-1。图4-1供水管网漏失预测控制模型示意图Figure4-1Theschematicdiagramoftheleakagepredictivecontrolmodelofwatersupplynetwork4.3.2用水量预测城市供水系统时用水量预测是依据过去时段的城市供水量数据来推测下一个时段的城市需水量。通过对原始数据处理和用水量模型建立，发现并掌握城市供水系统时用水量变化规律，对下一个时段的城市总需水量做出科学的定量预测。目前预测时用水量的方法很多，如单指数平滑法、灰色理论、BP神经网络法、模糊线性回归法等，它们各有优缺点及应用范围，本文推荐单指数平滑法[71]。即假定当前时期为t，已知时间序列观测值为x1，x2，…，xt，将连续n个时期的观测值的平均数，作为下一个时期(t+1时期)的预测值Ft+1为：1F=(x+x+⋯x)(4−1)t+1tt−1t−n+1n-43- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.3.3供水管网漏失预测控制模型求解时用水量预测完毕后，嵌入预测控制模型，进行优算。由于优化问题维度较高而且管网模型是非线性的，所建立的方程也是多变量、非线性的，并且还有大量的约束条件、边界条件限制，所以计算阀门的最优设置是相当困难的。考虑到模型的大型化和供水系统的实时控制的需求，选择先进的、稳定的优化算法，可以提高运算速度和效率。4.4供水管网漏失反馈控制模型由于供水系统中存在着许多未知的不确定因素(例如爆管的发生、用户用水量的反常），都会给供水管网运行管理和漏失控制模型产生不可忽略的影响和误差，为此引出了供水管网漏失反馈控制模型的概念。供水管网漏失反馈控制就是指供水系统输出信号直接引回输入端以影响对系统阀门的控制，达到降低漏失的目的。它的信号流通构成了闭合的回路，可以称之为闭环系统[72]。为了便于阐明反馈模型的原理，假定管网系统中仅有一个阀门和供水水源，供水水源的供水量等于用户用水量和漏失量之和。阀门动作，即阀门设置，影响整个系统的压力分布和漏失量，从而也影响供水水源的供水总量。对于用户用水量一定的条件下，阀门动作与总供水量之间存在着相关性，互为变量，某一阀后压力（H）对应着某一总供水量（Q），不同的阀后压力对应不同的供水量，从而构成了一个H—Q曲线，称此曲线为阀后压力—供水量曲线，函数称为反馈函数，曲线上的点为阀门操作点。漏失模型的目的就是寻求保证正常供水的前提下，漏水量最小的阀门操作点，该点称为最优阀门操作点。该曲线是对应特定的用水量工况，若用水量工况变化，曲线亦变化。若将多工况依次对应曲线上的最优阀门操作点连接起来，就是所谓的最优阀门操作曲线。该曲线通常可以用二次多项式近似模拟。漏失反馈控制模型中，阀门设置为输入量，总供水量为输出量。反馈函数定义如下：H=f(Q)(4−2)bb通过观测（测量）得到的输出量，将其代入阀后压力—供水量函数中，求得阀后压力，然后依据此值调节阀门动作。反馈控制过程如图4-2。此思路也适应于多阀门多水源的情况，这时反馈函数式如下：Hbi=fi(Qb1,Qb2,Qb3⋯Qbn)fori⊂{1,2,3⋯n}(4−3)反馈模型主要是针对系统中有不确定变量的问题，这里不确定量指的是用户-44- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文用水量。反馈结构中，既没计量用水量，也没预测用水量，它的影响是通过计量的总供水量间接反映的。反馈函数f(Qb)的计算相当复杂，它相当于计算了所有用水量情况的阀门操作方案。但是反馈函数一旦确定，它就可以适用于所有的用水量情况，为系统提供鲁棒的控制。供水管网漏失反馈控制模型的实施需要中央控制器、PRV自动控制阀门、SCADA传输系统。安置在监测点的SCADA系统将计量的流量、压力值传送到中央控制器，控制器根据输入数据求得最优阀合压力值，SCADA系统再将其传送到阀门控制器，阀门动作，降低漏失量。图4-2供水管网漏失反馈控制模型示意图Figure4-2Theschematicdiagramoftheleakagefeedbackcontrolmodelofwatersupplynetwork鉴于供水管网漏失反馈控制模型的复杂性，本文选用的是预测控制模型，反馈模型不再详细阐述。4.5阀门的选择阀门是用以控制流体流量、压力和流向的装置。被控制的液体可以是液体、气体、气液混合体或固液混合休。阀门通常由阀体、阀盖、阀座、启闭件、驱动机构、密封件和坚固件组成。阀门的控制其功能是依靠驱动机构或流体驱使启闭件升降、滑移、旋摆或回转运动以改变流道面积的大小来实现的。阀门种类繁多，如截断阀、止回阀、调节阀、分流阀等。本课题采用的是调节阀中的减压阀，减压阀是一种自动降低管路工作压力的专门装置，它可将阀前管路较高的水压减少至阀后管路所需的水平。它广泛用于高层建筑、城市供水管网水压过高的区域、矿井及其他场合，以保证供水系统获得适当的服务水压和流量。鉴于漏失率和浪费程度几乎同水压大小成正比，因此减压阀具有改善系统运行工况和潜在节水作用，据统计其节水效果约30％。减压阀的基本作用原理：通过阀内流道对水流的局部阻力降低水压，水压降的范围由连接阀瓣的薄膜或活塞两侧的进出口水压差自动调节。减压阀的工作由阀后压力进行控制。当压力感应器检测到阀门压力指示升高时，减压阀阀门开度-45- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文减小；当检测到减压阀后压力减小，减压阀阀门开度增大，以满足控制要求。4.6供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的建立4.6.1供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的数学表达式供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型是在压力驱动水力模型的基础上，引入减压阀，根据阀门放置原则，将减压阀安置在最佳位置，采用漏失预测控制模型，以管网运行的历史数据和管网参数做为输出量，模拟下一时刻减压阀的最优阀后压力动态值，实现实时控制，达到漏失量最小化的目标。因而可以看出漏失控制模型是具有多个非线性约束条件的数学最优化问题，数学表达式如下：目标函数为：min∑qi−leak约束条件为：n⎧val⎪∑qij+Qi+qi−leak=0⎪j=1j≠i⎪⎪⎨∑Δh=0(包括阀门的局部阻力)⎪i∈loop⎪H≥Hmin⎪"⎪⎩H1≤H≤H2（阀后压力的范围）其中req1.18qi−leak=αiQiHi(4−4)reqavldes⎧QH≥H⎪1/αavlminval⎪red⎛H−H⎞minavldesQ=⎨Q⎜⎜desmin⎟⎟H≤H≤H(4−5)⎪⎝H−H⎠⎪avlmin0H≤H⎩式中Qval——节点实际用水量(L/S)；Hval——节点实际压力(m)；Qreq——节点额定供水量(L/S)；Hmin——节点最小供水水头(m)；Hdes——节点临界压力，即满足额定流量时对应的压力(m)；qi-leak——节点漏失量(L/S)。-46- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.6.2供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型流程为了更清晰地表达供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的建立过程，见流程图图4-3。4.7供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型的求解4.7.1算法的选择供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型目标在于寻求使得管网漏失量最小化的控制阀门管理方案。由于阀门管理方案中包括阀门是否开启以及阀门开度两种变量，因而该问题是既有连续变量，又有离散变量，是一个混合非线性优化问题。鉴于遗传算法的稳定性、快速性、全局搜索性，本模型仍然采用遗传算法。图4-3供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型流程图Figure4-3Theflowchartofleakagecontrolmodelbypressureofwaterdistributionnetwork4.7.2遗传算法的编码根据求解问题的变量进行遗传算法编码。变量中既有开关型离散性变量，也有阀门设置连续性变量。个体编码可以按照{0|1，a（阀门设置）}的规则进行。对于是否开启，由于只存在开关两种状态，因此可以使用二进制编码十分准确地表-47- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文达：{0，1}，其中“0”表示阀门关闭，“1”表示阀门开启。阀门设置采用连续变化的实数来表示，当阀门的二进制为1时，阀门设置由实数位计算得出；当二进制为0时，则表示阀门关闭，不参与实数编码计算。供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型可分为三类：（1）对管网系统中所有管段进行阀门定位及设置优化时，个体编码形式如下：010.00124.89010.00126.45……共计2n个数字（其中n为管段数），该行数据表示：内部编号为1的管段上的阀门关闭，编号为2的管段上的阀门开启，阀门设置为24.89m，内部编号为3的管段上的阀门关闭，编号为4的管段上的阀门开启，阀门设置为26.45m。（2）当限制了阀门数量，对阀门位置和设置进行优化时，代码形式如下：010.00124.89010.00126.45……形式如第一类相同，但其中数字1的总数不能超过m(m为阀门数量限制）（3）当仅对固定位置的阀门进行阀门设置优化时，代码形式如下：30.0024.8910.0026.45……共计m个数字（m为阀门个数）。4.7.3约束条件的处理遗传算法处理约束条件最常用的方法之一就是惩罚函数法。所谓的惩罚函数就是将约束条件进行简单的数学处理，以惩罚函数的形式嵌入目标函数中，并通过调整惩罚函数的系数，使得到的目标函数的数量级与目标函数本身一致，从而起到约束自变量的作用，本算法中惩罚函数采用的是简单的线性惩罚函数。（1）对管网系统中所有管段上进行阀门定位及设置优化时，设最小允许服务水头为H0，嵌入惩罚函数的目标函数为：min(∑q+σδ(h))i−leak⎧H0−min(h),min(h)H0式中σ——惩罚因子，σ>0；min(h)——最小节点压力(m)。（2）当限制了阀门数量，对阀门的位置和设置进行优化时，嵌入惩罚函数的目标函数：min(∑q+σδ(h)+σδ(k))σσ>0i−leak121,22⎧(k−k),k≠k00δ(k)=⎨⎩0k=k0-48- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中k——管网中阀门总个数（个）；k0——阀门个数的限制值（个）；（3）对固定位置的阀门进行设置优化时，嵌入惩罚函数的目标函数同（1）。4.7.4供水管网压力驱动节点流量漏失控制模型求解流程上一章压力驱动节点流量水力模型采用遗传算法，阀门漏失控制模型也采用遗传算，所以压力驱动节点流量漏失控制模型就是调用两个嵌套的遗传算法。通过MATLAB编程将遗传算法与EPA结合起来，寻求各时段最优阀门设置，通过阀门动作，实现压力的合理分布，漏失最小化的目的。遗传算法求解模型时的技术思路如图4-4。图4-4压力漏失控制模型利用遗传算法求解过程流程图Figure4-4Theflowchartofthesolvingprocessofleakagecontrolmodlebygeneticalgorithm4.7.5程序源代码压力驱动节点流量漏失控制模型是将压力驱动节点流量水力模型嵌入漏失控制模型中的复合模型，因两模型皆采用遗传算法，所以本程序两次调用遗传算法，较为复杂，部分程序见附录2。-49- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.7.6软件界面同上一章，本程序仍然是利用MATLAB循环调用EPANET2.0。软件界面亦同上一章一致，见图3-3。4.8本章小结本章建立压力驱动节点流量漏失控制模型，通过最优化阀门设置，在保证正常供水的前提下，最小化管网漏失量。漏失控制模型分为两大类：预测漏失控制模型和反馈漏失控制模型，反馈控制模型因其复杂难以实践，因而本研究中选择了预测漏失控制模型，阐述了其运行步骤：管网数据的输入校正、用水量的预测、利用压力漏失控制模型优化计算阀门设置。阀门的种类繁多，本章中通过技术经济对比，最后选择了PRV阀门。通过MATLAB编程，将第三章中建立的压力驱动节点流量水力模型嵌入漏失控制模型中，构成压力驱动节点流量漏失控制模型，该模型也就是本论文的核心内容。该模型亦采用遗传算法对其进行求解。-50- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第5章基于压力驱动节点流量模型漏失控制实例第3章中建立了压力驱动节点流量水力模型，并通一简单算例加以说明分析，第4章在上一章基础上进一步建立了压力驱动节点流量漏失控制模型。为了证实该复合模型的可操作性，本章以沈阳市管网为实例，对其供水状况进行分析，选择恰当的阀门位置，通过调节阀门设置达到最小化漏失的目的，从而证明这种方法可以用于我国城市供水管网漏失控制的工作中。5.1工程实例概况沈阳市自来水总公司担负着为沈阳市工业生产和居民生活供水，供水面积为210平方公里，人口377万人。2006年平均日供水量大约132.2×104m3，其中34.3×104m3的水来自大伙房水库地表水，由李巴彦水厂进行水质处理，其余的97.9×104m3的水是地下水。沈阳市共有9个水厂、32个水源，468眼地下取水井。其中三个水厂（石佛寺、尹家和黄家）位于沈阳市的北部，另外还有位于南部的苏西水源，其余水源都位于市区附近。除此之外，在市内几处水压较低地方还有为数不多的补压井，这些补压井水量较小。沈阳市配水管网始建于1915年，至今已有九十多年的历史，输水管长度634公里，直径最大为DN2200，其中，混凝土管占68％，铸铁管占24％，石水泥管占8％。市街配水管网长度约2,690公里，服役超过30年的有1843公里，占市街管网的68%。小区管网长度1534公里。沈阳市管网建设年代统计见图5-1。由此可见，沈阳的供水管道陈旧，耐压能力低，漏失量大，事故多。800市街管网长度700小区管网长度600500400300管网长度/公里200100050年以上30—40年10—20年铺设年代图5-1沈阳市管网建设年代统计图Figure5-1ThechartofconstructionyearsofShenyangpipenetwork管材有PE管、玻璃钢管、钢管、球墨铸铁管、石棉水泥管、预应力钢筋混凝-51- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文土管和普通铸铁管。普通铸铁管用量最多，DN500以上管道长度达187km。球墨铸铁管次之，DN500以上管道长度近45km。据统计，到目前为止，全市DN75以上管道附属设备共计11780件，其中各类阀门7056个，消火栓4286个。配水管网共设44个远传测压点(可用31个)。据1995~2006年供水资料统计，自来水公司供水日变化系数在1.05~1.19，最高日时变化系数在1.12~1.18。5.2工程实例供水管网拓扑结构因沈阳城市管网结构庞大，拓扑复杂，数据繁多且动态变化，控制管理较为困难，因此为了便于课题研究，本论文中只选取了城市局部管网，即八水厂供水区域管网。八水厂是由三个小水厂组成：李巴彦、大伙房一、大伙房二。其设计供水量为45万m3/d，实际供水量也是45万m3/d。其中李巴彦水厂是1962年投产使用，大伙房一水厂是1992年投产应用。该管网含三个供水水源，其中一个水库，182个节点，338条管段，157个环，水库供水量为2427.07L/S。图5-2供水管网拓扑结构图Figure5-2Thetopologymapofwaterdistributionnetwork地面标高的差距造成部分高压区，本课题中选取了PRV，通过调节阀门的设置，促使压力分布趋于合理化，从而降低管网漏失量。通过数据统计分析和水司管理人员的实践经验，计划在本区域内安装四个PRV阀门，它们依次在管段599、607、528、527上，直径分别为DN1000、DN300、DN1200、DN500。管网拓扑结构和阀门的位置见图5-2。5.3工程实例供水管网基本数据管网节点、管段的基本数据分别见附录3、附录4。本课题假定节点最小供水水头、节点临界水头依次为6m，16m。-52- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.4工程实例供水管网漏失控制结果分析5.4.1压力驱动节点流量水力模型结果5.4.1.1压力驱动节点流量水力模型结果在将压力驱动节点流量漏失控制模型应用在工程实例之前，首先应先验证压力驱动节点流量模型的可靠性，因为后者是前者的平台。在进行算法操作时必须先设定一些参数，本例中的各参数取值如下：选择算子：0.08最大代数：200种群规模为：200经优化，适应度为-5.64L/S，其中初始节点流量与理论值最大差值为0.09L/S，即流量总误差为5.64L/S，平均每个节点误差为0.03L/S，在误差允许范围内，这也说明利用遗传算法求解压力驱动节点流量水力模型是可行的，完全收敛的。优化结果见附录5。5.4.1.2压力驱动节点流量水力模型的优越性从图5-3可知，压力驱动节点流量水力模型节点流量理论值与实际监测值平均相差0.64L/S，而传统水力模型节点流量理论值与监测值平均相差2.18L/S。所以可以说前者与实际工况更接近，更具有指导管网管理工作的意义，压力驱动节点流量水力模型优越于传统水力模型，从而保证了压力驱动节点流量漏失控制模型在沈阳管网的平稳适用。压力驱动模型节点流量理论值传统模型节点流量理论值节点流量实测值2219161310节点流量（L/S）7Junc408Junc391Junc388Junc570Junc381Junc389Junc390Junc405节点编号图5-3不同模型理论值与监测值对比图Figure5-3Thetableofcomparisonbetweenmonitoringvalueandtheoreticalvalueofdifferentmodel-53- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.4.2压力驱动节点流量漏失控制模型结果5.4.2.1压力驱动节点流量漏失控制模型结果压力驱动节点流量漏失控制模型中，以管网总漏失量为目标函数，节点连续性方程和能量守恒定律、阀门设置范围、保证正常供水的最小服务水头等为约束条件，通过遗传算法求解。处理约束条件时采用惩罚函数，选择合适的惩罚因子，将约束条件嵌入目标函数中。利用遗传算法求解时，为了保证结果的可靠性和收敛的高效性，必须先设定一些参数，本例中的各参数取值如下：选择算子：0.08最大代数：50种群规模为：60经过遗传算法优化，在保证正常供水（即最小服务水头为10m）的前提下，达到管网漏失量最小目的的阀门设置，阀门2：14.52m，阀门6：13.10m，阀门8：13.10m，阀门9：11.75m。即阀门2、阀门6、阀门8、阀门9的阀门设置依次为14.52m、13.10m、13.10m、11.75m。操作阀门之前对应的压力值分别为：21.97m、19.36m、20.38m、18.49m，分别降低7.45m、6.26m、7.28m、6.74m。为了更清晰地对比压力驱动节点流量漏失控制模型与传统非漏失控制模型，现将两模型模拟结果综合起来，如附录6。图5-4阀门设置遗传进化过程Figure5-4Theprocessofgeneticevolutionofvavlesettings遗传算法运行过程如图5-4所示。从图中可以看出，阀门2、6、8设置个体优化初始时波动较剧烈，达到10代时趋于平稳。结果表明，利用遗传算法求解压力驱动节点流量漏失控制模型是正确的选择，它具有较高的稳定性。-54- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.4.2.2压力驱动节点流量漏失控制模型结果分析将压力驱动节点流量漏失控制模型应用到沈阳供水管网中，对经过优化计算得出的节点结果进行数据分析，如表5-1。表5-1供水管网节点结果分析表Table5-1Theanalsistableofnoderesultofwaterdistributionnetwork节点流量差节点压力压力降低漏失降低节点编号值/（L/S）差值/m百分比百分比1720.966.2826.06%29.97%1732.026.2726.34%30.29%1745.216.2826.16%30.08%1753.866.2733.69%38.42%1760.726.2725.00%28.78%1771.286.2724.68%28.42%1811.866.2824.70%28.44%1822.116.326.84%30.85%6231.716.2926.00%29.91%6661.586.429.77%34.10%6670.536.4229.00%33.24%6680.546.4229.01%33.26%6691.586.4329.98%34.33%6700.886.4232.91%37.56%6710.886.4232.91%37.56%6720.886.4232.91%37.56%6781.796.5337.53%42.60%6791.806.537.49%42.55%68013.806.2836.47%41.45%4700.406.327.67%31.76%4712.116.2827.54%31.63%4722.096.2626.81%30.81%4731.766.2524.81%28.57%4741.536.2424.81%28.57%4751.476.2824.51%28.24%4831.326.2726.94%30.96%4840.196.2926.95%30.96%4860.266.2927.17%31.21%4871.296.3127.41%31.48%4880.516.3428.08%32.22%4901.116.3528.31%32.48%4910.466.3828.42%32.60%4920.136.3428.17%32.32%4930.206.2927.29%31.34%5430.756.4731.73%36.26%5441.336.5132.50%37.11%-55- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5-1（续表）节点流量节点压力压力降低漏失降低节点编号差值/（L/S）差值/m百分比百分比1836.036.2937.85%42.94%18416.086.2836.79%41.80%1853.266.2828.49%32.68%1863.276.2728.41%32.59%1873.246.2729.34%33.62%1882.206.2629.35%33.63%1892.166.2727.90%32.03%1900.566.2829.62%33.94%1910.626.2727.90%32.03%1930.406.3528.55%32.75%1942.026.3829.21%33.48%1950.676.4128.59%32.79%2002.926.2731.12%35.59%2014.006.2831.06%35.52%2023.916.4532.58%37.19%2031.856.530.73%35.16%2046.686.4936.18%41.13%2052.756.434.02%38.78%20613.746.3136.52%41.50%2074.546.3837.03%42.06%2089.046.3237.75%42.85%2096.146.3332.16%36.74%2101.176.3736.38%41.35%2113.696.3637.66%42.74%2123.486.3632.90%37.55%2131.246.3429.65%33.97%2140.726.327.47%31.55%2150.846.2927.40%31.46%2160.686.2827.16%31.20%2210.566.3828.39%32.57%2590.736.4428.89%33.12%2601.926.4229.85%34.18%2614.526.4731.73%36.26%2622.056.4832.86%37.51%2634.826.432.36%36.95%2645.856.4136.65%41.65%2651.836.4337.56%42.63%2661.746.4539.21%44.42%2674.476.4539.07%44.27%2683.656.636.75%41.75%2694.016.835.75%40.67%-56- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5-1（续表）节点流量节点压力压力降低漏失降低节点编号差值/（L/S）差值/m百分比百分比2703.756.9136.06%41.01%2711.146.9235.74%40.66%2721.056.7134.82%39.65%2734.826.734.61%39.42%2743.636.6238.05%43.16%2756.756.5334.70%39.52%2761.386.8733.58%38.29%2775.586.8734.49%39.29%2784.846.6237.44%42.51%2799.226.5937.40%42.46%2804.876.4929.85%34.19%2811.276.4731.02%35.48%2826.136.4331.50%36.01%2835.086.4432.74%37.37%2843.756.4329.91%34.25%2850.866.4329.51%33.81%2861.896.4329.66%33.97%2871.566.4229.59%33.89%2881.576.4329.95%34.30%2891.216.4329.58%33.88%2901.566.4129.74%34.07%2910.606.4229.37%33.65%2920.816.4228.41%32.59%2930.276.4328.67%32.88%2940.256.4328.15%32.30%2952.166.4328.73%32.95%2966.656.4228.31%32.48%2970.536.4229.00%33.24%2980.676.4229.10%33.36%2990.886.4332.84%37.48%3251.186.4228.07%32.21%3260.536.4226.21%30.14%3670.456.4428.36%32.53%3682.425.8131.42%35.92%3692.16-1.4-10.42%-12.40%3700.43-1.43-9.97%-11.87%3712.92-2.96-18.09%-21.68%3771.53-1.84-11.21%-13.35%3780.04-2.42-15.13%-18.08%3790.0000.00%0.00%3802.15-1.27-9.91%-11.79%-57- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5-1（续表）节点流量节点压力压力降低漏失降低节点编号差值/（L/S）差值/m百分比百分比3814.30-1.4-12.04%-14.35%3820.49-1.26-10.38%-12.36%3830.38-1.41-9.73%-11.58%3841.02-1.41-10.09%-12.02%3851.42-1.39-9.99%-11.89%3860.99-1.38-9.41%-11.20%3871.97-1.33-11.04%-13.15%3882.38-1.25-10.37%-12.35%3893.62-0.58-4.31%-5.10%3903.64-0.59-4.27%-5.05%3911.95-0.63-4.80%-5.69%4042.246.3328.81%33.04%4052.83-1.14-7.97%-9.47%4060.28-1.32-10.00%-11.90%4071.36-1.36-9.71%-11.56%4081.45-1.38-10.41%-12.39%4096.286.9435.81%40.73%4120.70-0.62-4.21%-4.99%4180.546.4228.58%32.78%4190.146.4228.72%32.94%4203.406.4131.03%35.49%4211.306.4530.64%35.06%4220.216.4429.84%34.18%4231.996.3228.95%33.19%4246.376.3830.00%34.35%4253.256.3432.58%37.20%4331.656.2724.97%28.75%4340.926.2825.49%29.33%4355.696.2734.62%39.44%4421.35-1.36-11.24%-13.39%4511.376.3537.66%42.75%4525.536.3637.00%42.03%4531.246.4129.53%33.83%4620.696.428.42%32.60%4630.65-1.42-10.09%-12.01%4643.635.630.29%34.67%4650.16-0.3-1.56%-1.84%4660.25-0.29-1.47%-1.73%4670.29-0.3-1.48%-1.75%-58- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从表5-1可以看出，漏失控制模型的节点流量均比非漏失控制模型的小，且相差较大，最大差值为16.08L/S，平均差值为2.45L/S。通过操作阀门动作，压力平均降4.93m左右，即23.23%左右。通过漏失与压力关系式的转换，得出漏失率平均减少26.5%，所以阀门控制漏失方法效果相当显著，具有很高的研究价值。图5-5传统非漏失控制模型节点压力图Figure5-5Thepictureofnodepressureoftraditionalnon-leakagecontrolmodel图5-6压力驱动节点流量漏失控制模型节点压力图Figure5-6Thepictureofnodepressureofpressure-drivenleakagecontrolmodel-59- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文从图5-5和图5-6可以看出，通过阀门设置优化调节，管网压力明显降低，特别是红框区域内。漏失控制之前，框内压力主要分布在16~24m；控制后，框内压力主要分布在12~20m。框外压力变化不明显。图5-7节点压力等高线图Figure5-7Theplotofnodepressurecontour节点压力等高线如图5-7所示。从图中可以看出，本区域内压力分为5级，均大于最小服务水头，大部分集中在13~16m，其中阀门之前有部分区域压力达到16~19m，因而可以说阀门的位置并不是最优化，可以稍微置前，以便其控制更多区域，更大程度地降漏。阀门后局部区域压力介于10~13m，而其它部分为13~16m，显然是前者因地面标高等原因，导致压力较低，为了保证正常供水（水头大于最小服务水头），防碍后者压力的进一步降低。30漏失量节点用水量25201510流量/(L/S)50173181279209275405435471节点编号图5-8供水管网节点流量组成图Figure5-8Thefigureofnodeflowcompositionofwaterdistributionnetwork节点流量分为两部分：节点用水量和漏失量。图5-8中每节点对应两组数据，一组为非漏失控制模型的节点用水量和漏失量，一组为漏失控制模型的节点用水-60- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文量和漏失量。后者的节点用水量总是小于等于前者的，管网前端压力大于16m时，后者等于前者，管网后端压力小于16m时，后者小于前者。管网前端压力较大，后者漏失量大于前者的，管网后端压力较小，后者小于前者。图5-9和图5-10是从管网中截取的两供水途径379、465、377、378、371和271、272、273、274、275、262、261、421、422。对比压力驱动节点流量漏失控制模型和传统非漏失控制模型中供水沿程水头损失的差异。压力驱动漏失控制模型水头损失曲线传统非漏失控制模型水头损失曲线787674727068379465377378371图5-9阀前水头损失曲线图Figure5-9Thefigure1fheadlosscurvebeforevalve供水途径一位于管网前端、阀门之前，该管段未实施降压措施，所以两模型中节点水头相近，但是该区域内节点压力大，漏失控制模型中的节点流量较非漏失控制模型中的大，沿程流量和水头损失也大，从而节点水头较小。压力驱动漏失控制模型水头损失曲线传统非漏失控制模型水头损失曲线696867666564636261271272273274275262261421422图5-10阀后水头损失曲线图Figure5-10Thefigureofheadlosscurveaftervalve供水途径二位于阀门之后，该管段已实施降压措施，漏失控制模型中的节点水头要远小于非漏失控制模型中的，相差6.5m左右，即降压6.5m，说明阀门控制漏失技术的高效性。-61- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图5-11供水途径压降图Figure5-11Thefigureofheadreductionofwatersupplypath图5-11为供水管网中途径阀门6的一段管段。可以看出阀门前后，即节点465~节点3和节点271~节点209，压降均较为平坦，幅度不大。而阀门处（节点3~节点271）压力骤降，约7mH2O。该图可明显看出阀门控制压力的效果。图5-12节点压力分布概率图Figure5-12Thedistributionprobabilitymapofnodepressure图5-12为供水管网中节点压力分布概率图，Y轴的含义为小于等于对应X轴压力的节点数所占的比例。从图中可以看出，曲线两段是呈增长趋势，而中间段无变化，即压力介于62.5~73.6m之间的节点数目为0。这是通过阀门控制，节点压力骤减，没有呈现平稳降低走势的缘故。5.5本章小结本章将第3章和第4章构建的压力驱动节点流量水力模型和压力驱动节点流量漏失控制模型应用到工程实例——沈阳管网。利用遗传算法求解压力驱动节点流量水力模型的结果表明，遗传算法的选择是完全正确，结果合理稳定，收敛性好。并且通过对比压力驱动模型、传统水力模型与实际监测值，得出新构建的模-62- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文型优越于传统模型，与实际工况更加吻合。在此基础上，再将压力驱动节点流量漏失控制模型应用到沈阳管网中。求解结果表明：压力漏失控制技术效果显著，管网压力平均降4.93m左右，即23.23%左右，漏失率平均减少26.5%，因此压力驱动节点流量漏失控制模型具有较高的研究价值。-63- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论目前，随着水资源的日益匮乏和水质的恶化，漏失因已成为全世界供水业关注的焦点和热点，它是一项长期而艰巨的难题。传统水力模型中缺乏专门考虑漏失的功能，还存在节点用水量恒定化的弊端，针对这些问题，本课题对传统水力模型进行校正，建立了压力驱动节点流量水力模型，该模型与管网实际运行工况更加吻合。并在此基础上建立了压力驱动节点流量漏失控制模型，通过优化调节阀门设置，达到在正常供水的前提下，最小化漏失的目的。本论文的主要成果包括如下几个方面：（1）在分析漏失形成原因，研究漏失的影响因素的基础上，建立了漏失与压力的指数关系式，同时将节点流量作为漏失系数的一部分，即考虑了管网接口数目对漏失的影响，此式是科学合理，符合漏失的产生过程。（2）针对传统水力模型中将节点流量假定为常数的问题，本课题对其进行了修正，建立了节点用水量与压力的分段函数关系，该思路对低压供水、火灾等事故时的管网建模相当具有价值。（3）将漏失与压力关系式和节点用水量与压力函数式整合，两者相加，得到压力驱动节点流量，通过MATLAB编程，与EPANET软件结合，建立压力驱动节点流量水力模型，完成对传统水力模型的校正。鉴于遗传算法强稳定性和收敛性，以此作为算法，对模型进行求解，得到更接近管网实际工况的节点流量和节点压力。以小型管网为算例，证实了选用遗传算法的正确性以及压力驱动节点流量水力模型的优越性。（4）选取PRV减压阀，建立漏失控制模型，将压力驱动节点流量水力模型嵌入其中，形成压力驱动节点流量漏失控制模型，这也是本研究的核心内容。利用遗传算法，优化求解阀门设置，通过操作阀门动作，实现正常供水的前提下，最大程度地降漏的目的。并以沈阳管网为工程实例，通过求解漏控效果相当显著，管网压力平均降低4.93m，即23.23%，漏失平均降低26.5%。因时间问题和水平有限，本课题部分内容研究有所欠缺，有待进一步提高。现提出以下展望：（1）利用遗传算法求解压力驱动节点流量水力模型时，因代数、个体数过多，耗时较长，不便于实现管网在线控制，下一步研究中可以选取更优的算法，提高求解速度。（2）漏失模型控制中，只进行了静态控制，没有实现动态控制，这也应该做为下一步研究的重点，真正实现压力驱动节点流量漏失控制模型的工程化。-64- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1世界资源研究所,联合国环境规划署,联合国开发计划署.世界资源报告.中国环境科学出版社.1993:2~52S.White.InternationalReport:WaterDemandManagementandConservationIncludi-ngWaterLossesControl.WaterSupply.2000,18(1):163~1753钟淳昌,任鹤云.中国城市给水工程的发展趋向.给水排水.1994,(6):41~454张丽.自控调节阀优化控制模型.天津大学硕士论文.2003:8~135周建华.大规模城市给水管网系统优化运行模型研究.哈尔滨工业大学博士论文.2003:10~246中国城镇供水协会.1998年城市供水统计年鉴.1999:4~677中国城镇供水协会.城市供水统计年鉴.2001:12~338中国城镇供水排水协会.城市供水统计年鉴.2006:45~689关伟平.城市管网漏失分析研究.林业科技情报.2000,12(8):36~4410中国城镇供水协会.城市供水管网漏损控制及评定标准.中华人民共和国建设部.2002:4~611赵宏伟.供水管网漏损的控制方法.城乡建设.2008,(9):67~8812王继华,彭振斌,关镶锋.供水管网检漏技术现状及发展趋势.桂林工学院学报.2004,24(4):456~46013梁刚.水管网检漏方法及技术运用.科技创新导报.2009,(8):55~5814J.Morrison,S.Tooms,D.Rogers.DMAmanagementguidancenotesversion.IWAWaterLossTaskForce.2007,(2):25~3615刘岩,郭海洋.加强管网检漏降低供水漏损.黑龙江科技信息.2008,(23):4~716R.Pilcher,S.Hamilton,H,Chapman.Leakagelocation&repairguidancenotesversion.IWAWaterLossTaskForce.2007,(3):12~1817舒诗湖,何文杰,赵明.供水管网漏失检测技术现状与进展.管网设计与运行.2008,34(6):114-11618M.Thomas,Walski.ReplacementRulesforWaterMains.J.AWWA.1987,79(11):3319T.M.Walski,A.Pellicia.EconomicAnalysisofWaterMainBreaks.JournaloftheAmericanWaterAssociation.1982,74(3):140~1720M.Walski.ReplacementRulesforWaterMains.J.AWWA.1987,79(11):33~3721EnriqueCabrera.USArmyEngineerDistrictNewYorkCityWaterSupplyInfrastructureStudy.DACW.1995,(5):45~51-65- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文22张宏伟,陈超,洪霞.供水管道漏损预测模型研究.中国给水排水.2001,17(6):7~923陈兵.城市给水管网漏失问题的研究.哈尔滨工业大学硕士论文.2001:23~3424耿为民.给水管网漏损控制及其关键技术研究.同济大学博士论文.2004:39~4225邱云龙.组合模型在给水管网漏损预测中的应用.重庆大学硕士论文.2006:5~1026U.Shamir,C.D.D.Howard.AnAnalyticApproachtoSchedulingPipeReplacement.Jour.AWWA.1979,71(5):24827刘天顺.瞬变流反问题分析在给水管网漏失检测中的应用.哈尔滨工业大学硕论文.2003:6~728刘崎峰.城市供水管网漏失问题的分析与诊断.青岛建筑工程学院硕士论文.2004:13~1429李凌峰.基于SCADA系统的供水管网检漏检爆.西安建筑科技大学硕士论文.2005:23~2530袁荣华，王毅，称春刚.基于负压波结构模式识别方法的供水管网检漏与定位技术的研究.广西大学学报.2003,28(3):202~20531冯断东,李天匀.埋地供水管泄漏系统仿真研究.中国给水排水.2004,20(1):7~932M.Dalius,V.Jolm,O.Gustaf.PipelineBreakDetectionUsingPressureTransicntMonitoring.JoumalofWaterResourcesPlanningandManagement.2005,131(4):316~31533B.S.Jung,B.W.Karney.SolutionforWaterDistributionSystemsunderPressure-DeficientConditions.JournalofWaterResourcesPlanningandManagement-ASCE.2006,132(3):175-18234J.P.Vitkovsky,A.R.Simpson,M.F.Umbert.LeakDeteetionandCalibrationUsingTransientsandGenetieAlgorithms.JoumalofWaterResourcesPlanningandManagement.2000,126(4):262~26335S.G.Buehberger,N.Gayarri.LeakEstimationininWaterDistributionSystemsbyStatisticalAnalysisofFlowReadings.JoumalofWaterResourcesPlanningandManagement.2004,130(4):321~32536陈超.供水管网漏水管理信息系统和管道寿命经济决策系统.天津大学硕士论文.2000:12~13-66- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文37陈兵.城市给水管网漏失问题的研究.哈尔滨工业大学硕士论文.2001:4~838傅玉芬.城市供水管网漏损预测.天津大学硕士论文.2004:11~1939T.M.Walski.EconomicAnalysisofWaterMainBreaks.J.AWWA.1982,74(3):4~740E.Cabrera.EconomicLevelofReliabilityfortheRehabilitationofHydraulicNetworks.JournalofCivilEngineeringandEnvironmentalSystems.2006,23(3):191-20741余涛.降低给水管网漏失的阀门控制研究.哈尔滨工业大学硕士论文.2003:1~542J.May.PressureDependleakage.WorldWaterEnvironmentEngineering.1994,(10):15~1943S.J.Godwin.TheResultsoftheExperimentalProgramonLeakageandLeakageControl.WaterResearchCenter.1980,(56):52~15444T.Walski,T.Bezts,T.Posluszny.UnderstandingtheHydraulicsofWaterDistributionSystemLeaks.Jour.AWWA.2004,152(6):295~29745B.David,R.Julia.WaterDistributionsSystemsAnalysis:PatternsinSupply-PipeLeakage.Jour.AWWA.2000,145(6):29~3346R.Aidakanian,A.A.Ghazali.Pressure-LeakageRelationinUrbanWaterDistributionSystems.TransInstMC.2003:15~1847A.Stering.LeakageReductionbyOptimizedControlofValvesinWaterNetworks.TransInstMC.1984,127(13):67~6848M.J.H.Stering.LeakageReductionbyOptimizedControlofValvesinWaterTransInstMC.1984,129(21):53~5449K.Vairavamoorthy,J.Lumbers.LeakageReduetioninwaterDistributionSystems:OptimalValveControl.JoumalofHydraulicEngineering.1998,124(11):1146~115450R.S.Pudar,J.A.Liggett.LeaksinPipesNetworks.JoumalofHydraulicEngineering.1992,118(7):1031~104651A.Jonathan,G.V.Loganathan.AnalysisofPressure—DePendentLeakageinWaterDistributionSystems.JournalofHydraulicEngineering.1999,(8):177~18352赵洪宾,何文杰,韩宏大.我国供水管网实现区域管理的思路.中国给水排水.2001,17(9):59~61.53杨丰华.产销差供水(NRW)控制30问.2006年4月8日中国水网:http//:www-h2O-china.com/report/guanwang/index.asp54边鹏.城市供水管网漏损控制方法的研究.天津大学硕士论文.2004:5~755薛磊,常杪.城市供水管网漏损控制潜力研究.城市公用事业.2006,12(5):4~7-67- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文56段焕丰,俞国平.供水管道漏损安全预测方法.计量技术.2006,(1):3~457邱文心,王萍.采用合理的漏损控制指标实现治漏降耗.给水排水.2003，29(4):32~3558S.E.Kristenson,O.Bergstedt.GeneralReport:RecentTechniquesinLeakDetection.Proceedingsof18thInternationalWaterSupplyCongress,RioBrazil,1988:34~3659P.Frirs,F.Baekkegard.GeneralReport:RecenttechniquesinLeakDetection.Proceedingsof18thInternationalWaterSupplyCongress,RioBrazil,1988:78~8160陈莹,袁忠民,吴浩.供水管网检漏技术及应用.城市公用事业.2007,(1):3～861郝亚民.如何减少给水管道漏水量的措施.科技信息.2008,(7):32762林柯.如何有效降低城市供水管网漏损.西南给排水.2007,29(2):46~4863高全超,崔建国.城市供水管网漏损状态下的水力分析方法.科技情报开发与经济.2008,18(5):143~14464S.J.Goodwin.TheResultsoftheExperimentalProgramonLeakageandLeakageControl.WaterResearchCenter.1980,(52):15465S.Hiki.RelationshipBetweenLeakageandPressure.JournalofJapanWaterworksAssociation.1982,(5):50~5466T.Tucciarelli,A.Cominisi,D.Termini.LeakAnalysisonPipelineSystemsbyMeansofOptimalValveRegulation.JournalofHydraulicEngineering.1999,(3):277~28567L.Rossman.EPANETUser"sManual2000.UnitedStatesEnvironmentalProtectionAgency,Cincinnati,U.S.A.68W.H.Ang,P.W.Jowitt.SolutionforWaterDistributionSystemsUnderPressure-DeficientConditions.Jour.AWWA.2006,132(3):175~18269Z.Y.Wu,R.H.Wang,M.Thomas.ExtendedGlobal-GradientAlgorithmforRressure-DependentWaterDistributionAnalysis.JoumalofWaterResourcesPlanningandManagement.2009,135(1):13~2270赵云珍.遗传算法及其改进.昆明理工大学硕士论文.2006:23~2871赵洪宾.给水管网理论系统理论与分析.中国建筑工业出版社.2003:6~2972B.Ulanicki,P.L.M.Bounds,J.P.Rance.OpenandClosedLoopPressureControlforLeakageReduction.UrbanWater.2000,(2):105~114-68- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录1压力驱动节点流量水力模型求解的部分源程序代码function[sol,eval]=yaliqudongmuoxing(sol,options)numv=size(sol,20);y=0;node_count=20;p2=zeros(1,node_count);forn=zeros(1,node_count);leak2=zeros(1,node_count);q1=zeros(1,node_count);cha=zeros(1,19);%qed=[1510151530102020205102530152030251515202520];cha1=0;x=sol(1:numv);forj=1:19x(j)=sol(j)y=y+x(j);enda=240-y;x(20)=sol(20);ifa>0loadlibrary("E:KETIEPANET2epanet2.dll","E:KETIEPANET2epanet2.h");calllib("epanet2","ENopen","E:TankOutNoPDD.inp","E:3.rpt","");presPtr=libpointer("singlePtr",node_count);fori=1:19calllib("epanet2","ENsetnodevalue",i,1,x(i));endcalllib("epanet2","ENsetnodevalue",20,1,a);calllib("epanet2","ENsolveH");calllib("epanet2","ENsolveQ");fork=1:node_countcalllib("epanet2","ENgetnodevalue",k,11,presPtr);-69- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文p2(k)=double(get(presPtr,"value"))ifp2(k)>=16forn(k)=10;elseifp2(k)<=6forn(k)=0;elseforn(k)=10*[(p2(k)-6)/10]^0.5;end⋮⋮calllib("epanet2","ENreport");calllib("epanet2","ENclose");elseeval=-100000000;end%toc;-70- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录2压力驱动节点流量漏失控制模型求解的部分源程序代码function[sol,eval]=leakcontrol111(sol,options)numv=size(sol,3);x=sol(1:numv);x(1)=sol(1);x(2)=sol(2);x(3)=sol(3);node_count=181;p=zeros(1,node_count);leak=zeros(1,node_count);forn=zeros(1,node_count);qz=zeros(1,node_count);leak1=zeros(1,15);q=zeros(1,15);%leak2=0;qed=[................];forj=2:15loadlibrary("E:KETIEPANET2epanet2.dll","E:KETIEPANET2epanet2.h")calllib("epanet2","ENopen","E:6.inp","E:3.rpt","");calllib("epanet2","ENsetlinkvalue",343,5,x(1));calllib("epanet2","ENsetlinkvalue",344,5,x(2));calllib("epanet2","ENsetlinkvalue",345,5,x(2));calllib("epanet2","ENsetlinkvalue",346,5,x(3));presPtr=libpointer("singlePtr",node_count);calllib("epanet2","ENsolveH");calllib("epanet2","ENsolveQ");fork=1:node_countcalllib("epanet2","ENgetnodevalue",k,11,presPtr);p(k)=double(get(presPtr,"value"));ifp(k)>=16forn(k)=qed(k);elseifp(k)<=6-71- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文forn(k)=0;elseforn(k)=qed(k)*[(p(k)-6)/10]^0.5;end⋮⋮calllib("epanet2","ENclose");leak2=leak1(j);break;endleak2=leak1(j);calllib("epanet2","ENreport");calllib("epanet2","ENclose");end[E,I]=min(p);if(E>=10)y=0;elsey=10-E;endz=leak2+10000000000*y;eval=-z;-72- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录3工程实例给水管网节点信息表给水管网节点信息表Thenodeinformationtableofwaterdistributionnetwork地面标节点流量最小供水临界测压管水节点编号高/米/（L/S）测压管水头/米头/米Junc26046.2513.2152.2562.25Junc26147.522.1753.563.5Junc26248.28.5554.264.2Junc261Junc26347.8720.7453.8763.87Junc26450.215.9856.266.2Junc26550.64.6856.666.6Junc26651.33.9857.367.3Junc26751.2510.3357.2567.25Junc26850.110.4856.166.1Junc26949.4713.555.4765.47Junc27049.612.6955.665.6Junc27149.4455.465.4Junc27249.13.7955.165.1Junc2734917.75565Junc27450.89.4356.866.8Junc27549.223.0855.265.2Junc27648.26.2354.264.2Junc27748.7522.2554.7564.75Junc27850.613.1856.666.6Junc27950.625.0256.666.6Junc28046.3235.5752.3262.32Junc28147.27.0753.263.2Junc28247.530.5553.563.5Junc28348.4621.1554.4664.46Junc28446.625.7252.662.6Junc28546.36.5252.362.3Junc28646.313.8352.362.3Junc28746.2511.5352.2562.25Junc28846.510.6652.562.5Junc28946.29.0452.262.2Junc29046.2510.9652.2562.25Junc291464.75262Junc29245.38.1851.361.3Junc29345.42.6651.461.4Junc294452.555161Junc29545.520.9551.561.5Junc29645.267.1251.261.2Junc29745.84.6751.861.8-73- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表地面标节点流量最小供水临界测压管水节点编号高/m/（L/S）测压管水头/米头/mJunc29545.520.9551.5061.50Junc29645.267.1251.2061.20Junc29745.84.6751.861.8Junc29845.95.6451.961.9Junc29948.463.5854.4664.46Junc3254512.085161Junc32643.386.1649.3859.38Junc36746.324.5352.3262.32Junc36850.28.9256.266.2Junc36957.213.7163.273.2Junc37056.33.8262.372.3Junc37154.338.3260.370.3Junc3775718.26373Junc378560.496272Junc37958.40.0064.474.4Junc38059.811.0365.875.8Junc38160.717.166.776.7Junc38260.52.1366.576.5Junc38356.23.6562.272.2Junc38456.77.8462.772.7Junc38556.810.5562.872.8Junc38656.29.8562.272.2Junc38759.78.4665.775.7Junc38860.610.0766.676.6Junc38961.418.3667.477.4Junc3906120.396777Junc39161.49.1667.477.4Junc40447.818.9953.863.8Junc40556.322.1562.372.3Junc40657.51.6463.573.5Junc40756.810.3262.872.8Junc408608.656676Junc40949.522.0855.565.5Junc412605.286676Junc41845.35.3451.361.3Junc41945.41.3551.461.4Junc4204718.235363Junc42146.87.6652.862.8Junc42246.251.5152.2562.25Junc42345.515.9551.561.5Junc42446.341.252.362.3-74- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表地面标节点流量最小供水临界测压管水节点编号高/m/（L/S）测压管水头/米头/mJunc4254813.175464Junc4334220.714858Junc43442.511.0248.558.5Junc4354917.845565Junc44260.35.9466.376.3Junc45150.63.4156.666.6Junc45250.314.5156.366.3Junc453469.215262Junc46246.36.8852.362.3Junc46356.65.1962.672.6Junc46450.41456.466.4Junc465582.16474Junc46657.53.5563.573.5Junc467574.376373Junc47044.44.1550.460.4Junc47144.321.7250.360.3Junc47243.622.5249.659.6Junc47341.722.2547.757.7Junc47441.719.2647.757.7Junc47541.519.3147.557.5Junc48343.814.0949.859.8Junc48443.82.0649.859.8Junc486442.735060Junc48744.213.4350.260.2Junc48844.85.1650.860.8Junc4904511.075161Junc49145.14.5851.161.1Junc49244.91.3550.960.9Junc49344.12.1250.160.1Junc53547.520.8753.563.5Junc54247.518.1253.563.5Junc54347.63.6653.663.6Junc544485.925464Junc54547.56.1553.563.5Junc5584718.775363Junc559612.876777Junc5675029.555666Junc5684319.674959Junc5706011.646676Junc57147.522.2953.563.5Junc5724615.855262-75- 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ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表管道编号管长(m)管径(mm)摩阻系数Pipe8114481200100Pipe812414400100Pipe813417600100Pipe814173300100Pipe816500600100Pipe817126500100Pipe818426800100Pipe8194341200100Pipe820512500100Pipe821319300100Pipe822377300100Pipe823338500100Pipe824522300100Pipe825332300100Pipe841330300100Pipe842459300100Pipe843555300100Pipe844344300100Pipe845671300100Pipe846227300100Pipe8561200300100Pipe857841400100Pipe858630400100Pipe859495500100Pipe860833400100Pipe8621044300100Pipe864899500100Pipe925132300100Pipe926242300100Pipe927197300100Pipe928290300100Pipe930238300100Pipe931244300100Pipe932189500100Pipe933167500100Pipe935236300100Pipe936256400100Pipe937114300100Pipe939183300100Pipe948275300100Pipe949444300100Pipe71030500100-82- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表管道编号管长(m)管径(mm)摩阻系数Pipe950353300100Pipe951169300100Pipe952392300100Pipe953590300100Pipe960308500100Pipe961406500100Pipe983541300100Pipe984447300100Pipe985385300100Pipe986478300100Pipe987508300100Pipe9881202300100Pipe990845400100Pipe991334400100Pipe993501400100Pipe994362400100Pipe995116400100Pipe996355300100Pipe997642400100Pipe998448300100Pipe999344300100Pipe1000312400100Pipe1001666400100Pipe1002706400100Pipe1003327300100Pipe1004269400100Pipe1005212400100Pipe1006382400100Pipe1007372400100Pipe1008277400100Pipe1009308300100Pipe10101081600100Pipe1011289300100Pipe1012342300100Pipe1013299300100Pipe1014343300100Pipe1015281500100Pipe1016276800100Pipe1017303500100Pipe1018264500100Pipe1019412500100-83- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表管道编号管长(m)管径(mm)摩阻系数Pipe1042181400100Pipe1043353500100Pipe10464691200100Pipe1069338400100Pipe1070227500100Pipe10715600100Pipe1077832600100Pipe1081623300100Pipe1082316500100Pipe10872856500100Pipe1108457400100Pipe1119717500100Pipe1120438300100Pipe1121431500100Pipe1122561500100Pipe1124268400100Pipe1125426300100Pipe1126294500100Pipe1127272600100Pipe1132623300100Pipe1133613600100Pipe1134125600100Pipe1135528600100Pipe1136523600100Pipe1137604600100Pipe1138282400100Pipe1181443800100Pipe1182483800100Pipe1191301300100Pipe1192696300100Pipe1193239300100Pipe1194547300100Pipe1195263300100Pipe1196481300100Pipe1197673400100Pipe1198184600100Pipe1199222500100Pipe1200212600100Pipe1201246400100Pipe1202414400100Pipe1203333600100Pipe4887300100-84- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录5压力驱动节点流量水力模型节点结果表压力驱动节点流量水力模型节点结果表Thenoderesulttableofpressure-drivennodeflowhydraulicmodel节点流量节点水头节点压力节点漏节点编号（L/S）/（m）/（m）失系数Junc17211.5966.8823.880.0076Junc17323.7966.8823.580.0076Junc17462.4966.8923.790.0076Junc17513.1766.8918.390.0076Junc1769.6366.924.870.0076Junc17717.7366.925.20.0076Junc18125.7466.9125.210.0076Junc18224.0667.0223.260.0076Junc18314.0467.0116.410.0076Junc18440.6666.9616.860.0076Junc18530.0266.9321.830.0076Junc18630.5466.8521.850.0076Junc18722.9866.8521.150.0076Junc18815.4166.8121.110.0076Junc18922.5266.8522.250.0076Junc1903.7566.8520.980.0076Junc1916.4566.8522.250.0076Junc1933.9167.1422.040.0076Junc19416.467.2421.640.0076Junc1956.8467.3322.230.0076Junc20014.2966.8619.930.0076Junc20119.9166.87200.0076Junc20216.7567.4119.610.0076Junc20311.3767.5720.970.0076Junc20419.1567.5617.760.0076Junc2059.5567.3718.620.0076Junc20635.9267.1217.080.0076Junc20711.6367.3417.040.0076Junc20821.4167.1416.540.0076Junc20926.3167.1519.480.0076Junc2103.1567.3217.320.0076Junc2118.9367.316.70.0076Junc21213.6367.3419.140.0076Junc2138.6167.1721.170.0076Junc2147.8167.0222.720.0076Junc2159.1666.9422.740.0076Junc2167.5266.922.90.0076-85- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表节点流量节点水头节点压力节点漏节点编号（L/S）/（m）/（m）失系数Junc26013.5567.5821.330.0076Junc26122.4367.7120.210.0076Junc2628.5867.7419.540.0076Junc26320.8367.4719.60.0076Junc26415.667.5117.310.0076Junc2654.5567.5316.930.0076Junc2663.8467.5716.270.0076Junc2679.9767.5816.330.0076Junc26810.2967.8917.790.0076Junc26913.4468.3418.870.0076Junc27012.6568.6219.020.0076Junc271468.6119.210.0076Junc2723.7868.2119.110.0076Junc27317.6968.219.20.0076Junc2749.268.0417.240.0076Junc27522.9167.8518.650.0076Junc2766.3168.5220.320.0076Junc27722.3968.5219.770.0076Junc27812.968.1317.530.0076Junc27924.4768.0617.460.0076Junc28036.5967.8921.570.0076Junc2817.267.8920.690.0076Junc28230.9267.7420.240.0076Junc28321.2267.9619.50.0076Junc28426.3867.9321.330.0076Junc2856.7167.9221.620.0076Junc28614.2267.821.50.0076Junc28711.8667.7821.530.0076Junc28810.9367.821.30.0076Junc2899.367.7621.560.0076Junc29011.2567.6221.370.0076Junc2914.8467.6821.680.0076Junc2928.567.7322.430.0076Junc2932.7667.6522.250.0076Junc2942.6667.6622.660.0076Junc29521.7267.722.20.0076Junc29669.8367.722.50.0076Junc2974.8367.7621.960.0076Junc2215.867.3822.280.0076Junc259767.6522.110.0076Junc2985.8267.7921.890.0076-86- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文附录6压力驱动节点流量漏失控制模型节点结果表压力驱动节点流量漏失控制模型节点结果表Thenoderesulttableofpressure-drivennodeflowleakagecontrolmodel压力驱动模型压力驱动模型传统水力模节传统水力型节点编号节点流量/(L/S)节点压力/m点流量/(L/S)节点压力/m20212.7713.3516.6819.82039.2814.6511.1321.1520412.8211.4519.5017.942056.8712.419.6218.8120623.1510.9736.8917.282077.4110.8511.9517.2320813.110.4222.1416.7420920.113.3526.2419.682102.0611.143.2317.512115.5210.539.2116.8921210.1712.9713.6519.332137.1715.048.4121.382146.7716.637.4922.932157.9416.678.7822.962166.5116.847.1923.122215.0316.095.5922.472596.0315.856.7622.2926011.2915.0913.2121.5126117.6513.9222.1720.392626.513.248.5519.7226315.9213.3820.7419.7826410.1311.0815.9817.492652.8510.694.6817.122662.24103.9816.452675.8610.0610.3316.512686.8311.3610.4817.962699.4912.2213.5019.022708.9412.2512.6919.162712.8612.444.0019.361933.3815.893.7822.2419413.9115.4615.9321.841955.9316.016.6022.4220011.2513.8814.1720.1520115.7313.9419.7320.222722.7412.563.7919.2727312.8812.6617.7019.362745.810.789.4317.4-87- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表压力驱动模型压力驱动模型传统水力模节传统水力型节点编号节点流量/(L/S)节点压力/m点流量/(L/S)节点压力/m27915.811.0325.0217.6228030.715.2535.5721.742815.814.397.0720.8628224.4213.9830.5520.4128316.0713.2321.1519.6728421.9715.0725.7221.52855.6615.366.5221.7928611.9415.2513.8321.682879.9715.2811.5321.72889.0915.0410.6621.472897.8315.319.0421.742909.415.1410.9621.552914.115.444.7021.862927.3716.188.1822.62932.3916.002.6622.432942.316.412.5522.8429518.7915.9520.9522.3829660.4716.2667.1222.682974.1415.724.6722.142984.9715.645.6422.062992.713.153.5819.5832510.916.4512.0822.873265.6318.076.1624.493674.0816.274.5322.713686.512.688.9218.4936911.5514.8413.7113.443703.3915.773.8214.3437135.419.3238.3216.3637716.6718.2618.2016.423780.4518.420.4916379019.6019.63808.8814.0911.0312.8238112.813.0317.1011.633821.6413.42.1312.143833.2715.93.6514.493846.8215.387.8413.973859.1315.310.5513.913868.8616.049.8514.663876.4913.388.4612.053887.6913.310.0712.0538914.7414.0518.3613.47-88- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表压力驱动模型压力驱动型传统水力模型节传统水力型节点编号节点流量/(L/S)节点压力/m点流量/(L/S)节点压力/m39016.7514.4220.3913.833917.2113.769.1613.1340416.7515.6418.9921.9740519.3215.4422.1514.34061.3614.521.6413.24078.9615.3610.32144087.214.648.6513.2640915.812.4422.0819.384124.5815.345.2814.724184.816.045.3422.464191.2115.931.3522.3542014.8314.2518.2320.664216.3614.67.6621.054221.315.141.5121.5842313.9615.5115.9521.8342434.8314.8941.2021.274259.9213.1213.1719.4643319.0618.8420.7125.1143410.118.3611.0224.6443512.1511.8417.8418.114424.5913.465.9412.14512.0410.513.4116.864528.9810.8314.5117.194537.9715.39.2121.714626.1916.126.8822.524634.5415.55.1914.0846410.3712.8914.0018.494651.9419.562.1019.264663.320.053.5519.764674.0820.554.3720.254703.7516.474.1522.7747119.6116.5221.7222.847220.4317.0922.5223.3547320.4918.9422.2525.1947417.7318.9119.2625.1547517.8419.3419.3125.6248312.771714.0923.274841.8717.052.0623.344862.4716.862.7323.1548712.1416.7113.4323.024884.6516.245.1622.58-89- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文续表压力驱动模型压力驱动模型传统水力模节传统水力型节点编号节点流量/(L/S)节点压力/m点流量/(L/S)节点压力/m61725.7215.4429.4921.6162114.0115.5415.9721.874909.9616.0811.0722.434914.1216.074.5822.454921.2216.171.3522.514931.9216.762.1223.0553516.1913.5420.8719.8854214.4513.9518.1220.45432.9113.923.6620.395444.5913.525.9220.035454.9113.976.1520.4155816.8816.0418.7722.285592.3614.452.8713.8656718.2110.829.5516.9756817.9617.8719.6724.145709.1813.7811.6412.4357117.2613.5122.2919.8357213.4915.0115.8521.33574015.47014.175760.4813.30.6312.0558053.9217.7159.1423.985849.1615.9710.2015.966016.0914.197.5220.466103.9715.744.4814.66123.3915.763.8214.336134.8513.596.2320.4661519.2215.1122.4521.3961626.3215.829.5922.0762213.4915.0115.8521.3362317.9617.919.6724.196669.3715.110.9521.56674.1415.724.6722.146684.1315.714.6722.136699.0715.0210.6521.456702.6813.093.5619.516712.6813.093.5619.516722.6813.093.5619.516782.9210.874.7117.46792.9210.844.7217.3468023.0310.9436.8317.22605-1983.802427.070-90- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文1李飞宇，张敏，高金良.哈尔滨市供水管网管理优化创新及工程实践.低温建筑技术.2009,31(3):102-1032张敏,高金良.基于综合指数法小城镇供水管材方案优化.哈尔滨工业学报.待发表3WenyanWu,KuiChang,JinliangGao,MinZhang.ResearchonWaterQualityComprehensiveEvaluationofWaterSupplyNetworkUsingSOM.4KuiChang,JinliangGao,MinZhang.RealisticofVirtualDesignandOperationControlandTrainingforComplexUrbanWaterNetwork.-91- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《城市供水管网基于压力驱动节点流量模型漏失控制的研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签字：日期：2009年6月24日哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书《城市供水管网基于压力驱动节点流量模型漏失控制的研究》系本人在哈尔滨工业大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨工业大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨工业大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国知识资源总库》。本人授权哈尔滨工业大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用本授权书不保密■（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：日期：2009年6月24日导师签名：日期：2009年6月24日-92- ChangeVieChangeVieF-XwF-XwDeDerrPPwClicktobuyNOW!wClicktobuyNOW!wmwmwowo.dock.c.dock.cu-tracu-trac哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致谢衷心感谢我的导师高金良副教授。导师渊博的学识、严谨的治学态度、诲人不倦的高尚师德、朴实无华、平易近人的人格魅力对我的影响深远，导师永远是我人生道路上学习的楷模。感谢导师在我攻读硕士学位期间给予的指导、关怀和帮助。从开题报告到硕士论文的撰写辅导，都倾注了导师大量的心血和无微不至的关怀。在硕士学位论文完成之际，谨向导师表达我最诚挚的谢意和最衷心的祝福，祝导师身体健康、工作顺利。感谢李国斌老师在我学业上的帮助，本课题涉及大量程序上的问题，对于初学语言的我，是个难以克服的阻力。李老师渊博的知识和点龙化睛的指点让我受益匪浅，跨跃了一个又一个障碍，语言水平得到质的飞跃。学生的每一点成果都包含着老师们的辛勤付出。感谢于景洋师兄、常魁师兄、张新师兄、方海恩师兄、杨坤师姐等师兄师姐对于课题的指导和建议。感谢史成波、刘保川、周敬敬、杨晶、吴超、冯少凤、刘从胜、王慧等同学在学习及生活上的的热情帮助。感谢和我一起度过这段快乐时光的师兄、师姐和师弟、师妹们。感谢从读研究生开始一直帮助我的各位同学们。感谢父母和家人，感谢他们多年来对我的培养和学业上的鼓励与支持。最后，谨以此文献给所有关心和爱护我的人，感谢他们多年来对我的鼓励与帮助。-93-'