基于供水安全的中小工业城市供水管网优化调度 96页

'南昌大学硕士学位论文基于供水安全的中小工业城市供水管网优化调度姓名：欧阳小琴申请学位级别：硕士专业：水利水电工程指导教师：傅春20060601 摘要我国有数以万计的中小工业城市，其中有很多象江西萍乡这样的老工业基地，产业结构不合理，环境污染严重，水资源短缺。随着工业发展和城市化进程的加快，城市生活和工业用水挤占农业用水，农业用水又挤占生态用水现象非常严重，造成生态环境日趋恶化，进而严重影响了城市供水安全。根据中小工业城市的产业布局特点和自然生态状况，合理配置水资源，协调生活、生产和环境的生态用水，保证城市发展和居民的供水安全，是城市水资源管理的重要内容。本文主要进行了以下几方面的工作：1．本文以江西萍乡为研究案例，研究了中小工业城市供水安全的保证条件。根据萍乡市水量型缺水的实际情况，综合实施开源和节流等措施，合理配置水资源，协调生活、生产和环境的生态用水，满足城市发展和居民生活用水需要，确保城市的供水安全，是实现城市供水管网优化调度，满足城市供水保质、保量、安全、可靠的前提条件。2．本文构建了以宏观模型为基础的二级优化调度模式。一级优化是针对管网而言，目的在于确定各水厂最佳的出水量、出水压力。二级优化是根据一级优化所得的各水厂出水流量、出水压力来调度供水泵站。本文根据萍乡城市供水特点，建立时段“比例负荷”宏观模型。以宏观模型为基础的供水系统二级优化调度具体包括。(1)对萍乡市某一时段管网总用水量采用灰色预测法进行预测(2)以历史数据为基础，利用逐步回归分析方法建立管网某时段的宏观模型。在此基础上，解非线性目标规划问题，确定各水厂最优出水量和出厂压力。f3)针对各泵站目标工况点，确定合理的开泵方案。3．根据萍乡市枯水期缺水的实际情况，采用层次分析法，以加权缺水量最小为目标，对城市用水量进行重新分配。根据各用水用户的权重，优先保证城市居民生活用水，确保城市供水安全，并对城市供水管网进行了基于供水安全的优化调度，以实现最大的社会效益和经济效益。同时计算出城市在缺水情况下，各用水用户的节水系数，指导城市供水系统进行定量供水，企业进行节水，促进企业进行节水技术改革。关键词：供水管网用水量预测宏观模型优化调度节水供水安全 ABSTRACTTherearethousandsofmediumandsmallindustrialcitiesinChina．Pingxiang，acityinJiangxiProvince，isoneofthebasicoldindustrialcities．SimilartootherindustriNcities，itencountersaseriesofproblemssuchasunreasonableindustrialstructure，seriousenvironmentpollutionandlackofwaterresource．Withthedevelopmentoflocalindustryandaccelerationofurbanization，thephenomenonthatthewaterresourceofagricultureisrobbedbyurbanlivingandindustry，andthenagriculturerobsofecologicalwaterbecomesworsethanbefore．Itresultsindeteriorationoftheecologicalenvironmentandbadlyinfluencesthesecurityofwatersupplementinacity，Accordingtothecharacteristicsofindustrystructureinmediumandsmallindustrialcities，itisvitaltoarrangethewaterresourcereasonably，coordinatethewaterresourceofecology，living，industryandagricultureaswellasguaranteethesecurityofwatersupplementfordevelopmentofcitiesandbasicliving．Inthisarticle，theauthormainlyfocusesonseveralfactorsasbelow：1．TakingcityofPingxianginJiangxiprovinceasacase，guaranteedmeasuresofwatersafetysupplyisstudied．AccordingtOthepresentwater-qualityandwater-quantityshortagesituation，somesyntheticmeasuresaretakensuchasfindingsourcesorwater·saving，eachtypeofwatersupplysuchas，everydaylifewater,productionwaterandenvironmentwaterareallocatedlegitimatelySOthatwaterusingofcitiesdevelopmentandeverydaylifearesatisfiedandthesafetyofwatersupplyareundertaken．Allthemeasuresmentionedarethecriticalconditionstorealizecitywatersupplypipenetoptimizedcontr01．2，Twogradeoptimalcontrolmodelisconstructedbasingonmacroscopicone．Thefirstoneismainlyascertainingthebestwaterdischargeandpressureofwaterfactoryaimingforpipenet．Thesecondoneisusedforregulatingwatersupplypumpsapplyingtheresultofthefirstone．Duringthecourseofstudying，macroscopicmodelisconstructed，whichissuitedfor“loadingbypercentage’’atdifferenttimesaccordingtothecharactersofwatersupplyinPingxiangcity．Thestepsofthetwo-gradewatersupplyoptimizedregulationsystemarefollowing：(1)Applyinggraypredictiontheory，totaldischargeofPingxiangcityataperiodiscomputed．(2)Withthebasisofactualdata，constructingmacroscopicmodelofthepipenet ataperiodbyusingstepwiseregressionanalysis，andsolvenone—linearobjectprogrammingproblem，atlast，theoptimizeddischargeandpressureofwatersupplyoutoffactoryaregotten．(3)Accordingthesituationofeachpumppoints，properplanofoperatingpumpsisdecided．3．AccordingtotheactuallackofwaterinPingxiangcity,thisarticleusestheanalytichierarchyprocess，aimsminimizingweightedwatershortage，andcarriesontheredistributionofcity’susedwater．Accordingtovarioususedwaterweight，guaranteedthedomesticwaterofthecity’speoplefirstly,andassurethesecurityofcity’swatersupply．Lastly,thisarticlecarriesontheoptimalcontrolofwatersupplypipebasedonthesecurityofwatersupply．Asaresultwecouldrealizethemaximumsocialandutilityeconomy．Watersavingfactorscorrespondingdifferentsituationofeachuseriscomputed．Itcanconductandlimitwatersupplyofthecitybyamount，itCanconductandpromoteenterprisestakingtechnicalreformstokeepwatersupplyasameasurementindexyet．0uyangxiaoqinDirectedbyprofFuchun(HydranlicEngineering)Keywords：Watersupplynetwork：Predictionofwaterconsumption；Macroscopicmodel；Optimalcontrol；Watersaving；Thesecurityofwatersupply 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另IJ／jH以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：球印b烩签字日期：沙p6年6月(2日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解壹墨圭鲎有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌文学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：导师签名：‘警姜签字日期：年月日签字日期：≯衫年∥月，峒学位论文作者毕业后去向 南昌大学硕士论文第一章绪论我国有数以万计的中小工业城市，其中有很多象江西萍乡这样的老工业基地，产业结构不合理，环境污染严重，水资源短缺。随着工业发展和城市化进程的加快，城市生活和工业用水挤占农业用水，农业用水又挤占生态用水现象非常严重，造成生态环境13趋恶化，进而严重影响了城市供水安全。根据中小工业城市的产业布局特点和自然生态状况，合理配置水资源，协调生活、生产和环境的生态用水，保证城市发展和居民的供水安全，是城市水资源管理的重要内容。同时，城市供水系统是城市的命脉，是保障城市人民生活生产不可缺少的物质基础，是城市开发建设的中心问题和经济发展的制约因素之一，在国民经济和人民生活中占重要的地位，对城市供水管网进行优化调度，以期实现最大的社会效益和经济效益，是城市建设和管理的重要工作。1．1课题的提出我国水资源严重缺乏，我国河川多年的平均流量为2．62x10nm3，相当于全球年径流量的5．6％，居世界第6位；但人均占有量仅占2．392x103ITl3，相当世界人均占有量10．800x103m3的22％，居世界第110位。同时，我国南北方水资源分布不均匀，造成北方和西部多数城市严重缺水。目前，我国600多座城市有400多座缺水，有110多座城市严重缺水，供水矛盾相当突出。据报道，因为供水量的不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元⋯。缺水还给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市和社会的一种隐患。同时，水体污染13益严重，目前，我国80％的水域、45％的地下水受到污染，其中相当多的城市水源已达到严重污染【21。我国城市供水管理水平落后，我国供水行业的运行管理水平同发达国家相比较，存在较大的差距，主要体现在管理体制、管理机构、政法法规、管理技术手段、设备条件、基础性工作等方面差距很大。因为城市供水管理水平落后，造成供水出现水质、水量和水压不能满足城市用户要求，安全可靠性差。特别是在我国中小工业城市，水量型缺水严重，城市供水安全保证率低。由于缺乏科学的依据和优化决策计算。必然会造成以下后果：1、由于供水方案的不妥而使管网供水压力分布不合理，不能满足所有用户的正常要求。 南昌大学硕士论文2、因为需要满足城市用水的需要，而盲目的增大水厂的出水压力，从而使管网的漏损问题增加，严重时还会发生管网爆裂，从而更加加重了水资源和能源的浪费。笔者作过这样一个计算，对于总供水量为5000m3纠、时的供水系统，假如水泵机组的工作效率为75％，若水压浪费1m，则整个系统一年要浪费17万度电。因此，在保证中小工业城市的供水安全的基础上对城市管网进行优化调度，有很大的经济效益和社会效益。因此，本研究以江西省萍乡市作为典型的中小工业城市研究案例，根据城市的产业结构和水资源特点，在保证城市水量和水压的前提下，对城市管网进行优化调度，使城市供水系统经济合理运行，发挥最大的效益。1．2中小工业城市供水安全及优化调度的目标中小工业城市供水安全的目标是：根据城市供水、需水、排水、污染、降雨径流以及河流水质信息，对城市水资源进行统一管理。在城市水资源规划中，充分考虑水资源的承载能力。在满足城市发展用水的同时，要确保河流的生态用水，以使生态环境不受破坏。把水资源的保护、开发、利用的各个环节协调统一起来，统筹考虑城市供水、节水、治理水污染和水环境各种问题。保障城市供水安全。供水优化调度，建立某一时刻的管网宏观模型，推求出在新的调度方案下的管网中各测压点的压力，合理分配各水厂的出水量，并给出各水厂的供水压力，决定各泵站内水泵的运行状态。本文根据中小工业城市的水资源和供水管网特点，在优化调度模型中增加了供水安全的约束条件，对中小工业城市供水管网进行了基于供水安全的优化调度，在保证供水安全的前提下，使使供水系统的社会效益和经济效益最大。1．3城市供水系统优化调度的研究现状城市供水系统的主要任务是安全可靠地供应人们生活，生产和消防等方面的用水，满足消费者对水量，水质和水压的要求。所谓城市供水系统优化调度是指利用现代技术如计算机和遥测，遥控技术，实时监测供水系统运行状况的信息，确定系统中各种调节装置的状况(如各供水泵站投入运行的恒速泵的型号和台数、调速泵的转速等)，在保证配水管网中各节点的流量，压力需求的前提下，使供水费用尽可能的低。城市供水管网是一个复杂的大系统，具有时变性，随机性和不确定性，要模拟出系统的工作状况，求出表征系统工作状况的一些特征参， 南昌大学硕士论文数，如管网中各节点的流量，压力等，则必须建立管网的数学模型，通过求解模型来确定管网工作状态。管网的数学模型基本可分为两大类：微观模型和宏观模型。1．3．1微观模型上世纪七十年代以来，随着计算机及相应技术的发展，国内外学者开始了优化节能技术的研究。工程上急需掌握给水管网的运行工况，了解管网变量的动态信息。以手工计算为基础的传统计算方法，不能适应大型复杂的城市配水系统，由于管网模型不准确，导致模拟计算结果与实测值难以吻合。产生计算结果偏差的因素甚多，主要表现在节点流量难以跟踪实测，管段阻力系数、实际管径、阀门开启度等难以确定。为此，很多学者开始了消除这种偏差的研究，有参数调节、状态估计、阻力系数辨识、模型复核等多种方法。灵敏度分析法：1973年，Gilman唧提出用逆解的方法重新分配计算节点流量以达到计算压力与实测压力的接近。该方法是建立在管网平差的基础上，将管网分成几个区，计算每个区的测点水压关于该区流量增量的灵敏度系数，通过求解一线性方程组来确定每个区的节点流量的调整量。但所采用的灵敏度计算公式求得的灵敏度系数受增量值的影响。国内杨钦、陈庆霖教授【4】对这一问题进行了研究，提出了新的灵敏度系数计算公式，获得了最大的消除计算值与实测值之间的偏差的效果。解析法：Walski㈨¨3提出了消火栓开通法的模型校正方法，并得到实际工程的验证。他提出的模型校正包含两个方面的内容：(1)己知条件下的模型计算值与现场实测值进行比较。(2)调整相关的输入参数，以改善模型的应用结果。其操作过程可以简单描述为：a)测量消火栓开通前后测点的节点流量和节点水压h。、h2；b)测量相应流量下某己知节点的水压H，、H：；c)计算相应流量下该测量节点的计算水压h。h；，将水厂点与测量点之问的管线视为一当量管线，得出影响节点流量和摩阻系数的计算公式为：以一塑’b(Q+q，)一aQ 南昌大学硕士论文B：墨订-(等h厂LHI一3J。=H-h2h厂／式中：A一节点流量校正值日一摩阻系数校正值日一影响消防试验的节点流量之和够一消防流量节点流量q羽摩阻系数C。校正后的值为：o=Aq?q=BC?式中：q?一节点初始流量c?一一一摩阻系数初值以上方法的应用条件是，在高流量和低流量下，计算压力和实测压力存在类似的误差，调整C值：若在低流量下准确，但在高流量下存在误差，则调整C和q值；若在高流量下准确，但在低流量下存在误差，则调整q值。但该方法的局限性是：影响消火栓开通法的节点流量之和难以确定；所有流量变化的模式及管道的拓扑结构不变；只能调整一组管段的C值和一组管段的q值，不能区分它们的异同。最优化法：此方法是以目标函数为控制的管网模型校核方法。韩德宏"1提出以计算压力与实测压力的差值的平方和为目标函数，用最速下降法来求解节点流量。韩德宏"3又从测点的布置、管网状态估计方法研究及验证等方面论述，提出基于最小二乘法的管网状态估计问题的数学模型，并用广义简约梯度法进行求解，获得了较满意的效果。日本学者岩木龙一提出在类似的目标函数下对管段的摩阻系数进行辨识，但未考虑节点流量的影响。Ormsbee以不同负荷条件下的监测点的测量值与计算值的相对偏差的绝对值的和为目标函数，在水力约束及变量取值范围约束下，用非线性规划的复合单纯形法进行寻优计算来调整节点流量 南昌大学硕士论文及管段摩阻。解非线性方程组法：Bhave¨3提出一个同时调整节点流量和管段摩阻的算法，即将管网分成几个区，每个区上有一个压力已知节点，包括水厂，列出从参考点至测点的某一路线的能量方程，并将这一能量方程泰勒级数展开至一次项，并对这一线性方程组进行求解。Ormsbee、Wood”1提出，在有测流数据的条件下，对管网的流量方程中添加连续性方程；而在有测压数据的条件下，对管网的稳定流方程组中添加能量方程；用全局阻耗调整因子来代替单一管段阻耗系数的调整：当存在多个已知条件时，则将管网分成几个区，每个区有一个调整因子。Gofman¨”提出一个在原管网方程中添加虚环方程(每一个己知压力节点对应一个虚环方程)的方法，将需要调整的管段摩阻视为未知数，用牛顿法求解非线性方程组，以解决管道摩阻系数的调整问题。以上所有方法均考虑了管网的微观结构，这类状态估计方法被称为微观模型方法。此外，在微观模型方面，法国的Cohen⋯3采用大系统的分解协调方法，把复杂的管网系统分解成子系统，各子系统由边界条件进行协调，但是收敛性并不理想。英国剑桥大学的Fallside¨明对微观模型采用了递阶优化算法。英国的Bargiela¨”¨”采用状态估计的办法对用户节点用水量的随机变化对状态变量的影响进行了估计。微观模型是在较详尽地考虑整个管网元素间的水力关系的基础上，通过管网水力计算，建立起的配水管网仿真模拟模型。微观模型的最大优点是描绘出了整个管网内部运行工作状态，具有直观性，便于指导配水管网的管理。然而，如果采用微观模型，计算中多以节点流量为基础变量。由于节点流量难以跟踪实测，管段阻力系数多为未知，若根据经验取值则会导致较大误差。此外因测量数据少，管网反馈信息不完善，根据少量监测数据对管网模型进行校核和调节只能在一定程度上逼近，而且限于管网复杂性和约束的存在，采用微观模型有很多问题尚需解决。1’3．2管网的宏观模型管网的宏观模型，是抓住供水调度中的几个主要变量，如各水厂供水压力，供水量以及压力监测点的压力等，在运行的历史记录的基础上利用统计分析的方法，建立各变量间的经验性的数学表达式。根据这种经验性的数学表达式，只要 南昌大学硕士论文确定了各水厂的供水流量，即可迅速得出各水厂的供水压力及监测点的压力等。宏观模型忽略管网中各节点，各管段的具体工作状况，从系统方法的角度出发，直接描述出涉及管网优化调度决策方案所必需的参数间的函数关系。其最大优点是应用“黑箱理论”的基本思想，避开对给水系统复杂结构的研究，从而抛开繁杂的管网水力计算，缺点在于不能反映管网内部的实际工作状态，这种模型主要用于优化调度。RobertDemoyer¨纠等首先提出基于“比例负荷”假定的“宏观模型”，只需要过去的运行数据就可以借助统计回归分析离线建模。韩德宏¨3认为，采用渐消记忆算法也可以实现在线建模。吴学伟、赵洪宾等n6¨”¨“’也对城市配水系统的宏观建模和优化调度进行了大量的研究，不仅在理论上进行了分析，验证宏观建模理论的正确性，探讨模型的算法，而且还将其应用于工程实践，取得了一定的成果。王训俭等’1钉¨叫从80年代开始，就对城市配水系统的宏观模型和优化调度的系统理论方面开始了研究，他对统一的非比例负荷宏观模型进行了研究，指出了给水系统优化调度与管理的研究和发展方向，并结合沈阳市供水系统的宏观模型进行了分析。管网中一般都布置了测压点，均匀分布在供水服务区域内，测压点数目大约占管网总节点数的10％左右，这些测压点的压力，加上水厂及加压站的出水流量和压力大致反映了管网的用水状况。宏观模型的建模和计算相对于微观模型要简便得多：宏观模型不需要繁琐地划分节点流量，也不需要估算管道阻力系数：对于管网结构的变化、用户用水量的变化，也能很快地适应，不需要象微观模型又要花费人力、物力进行重建。宏观模型的主要问题在于“比例负荷”这一假定：此外，其回归系数无确定的物理意义，不能反映管网中测压点以外的其他用户节点的情况。至于测压点压力与水厂流量和压力之间的关系也只是一种统计关系，如果供水系统工作不稳定，也会存在相当的误差。本课题采用的是宏观模型方法。1_33城市供水系统优化调度理论进入了八十年代，随着遥控，遥测和遥传设备成本的下降，国外又开始了在线优化控制研究。目前，国外许多城市¨¨如美国的ChicagoDallas，Houston，瑞士Sankt—Gallen，英国的EastWorcestershire，和法国的Chambery，Marseill巴黎的西南地区，给水系统的自动化程度己经相当高，控制设备，生产流程及全线运转情况都可以反映到中心调度室采用计算机控制生产过程，信息传递通迅系统比较有 南昌大学硕士论文效、可靠，生产运行记录数据系统、完整。生产运行除了由中心调度室集中控制调度外，其调度方案由计算机根据采集到的系统工作状态的信息进行优化计算，确定出最优调度方案，使供水系统在最佳状态下工作。基于自动化程度高及其供水特点。采用的模型基本都是微观模型。事实证明，采用计算机进行在线优化调度，通常要考虑每天中电价的变化规律，所研究的管网中设置了多个调节水池，泵站中既有恒速泵，又有调速泵，这与我国的情况有所不同。因此直接照搬国外的研究成果来进行我国给水系统的优化调度是不可取的。国内给水管网优化调度研究起步于七十年代。同济大学，湖南大学，哈尔滨建筑工程大学，天津大学完成了很多理论研究工作”“。陈跃春在1986年提出了建立时段宏观模型的方法。姜乃昌，韩德宏在1986年研究了泵站内变速调节的优化调度问题。王训俭在1988年对统一的非负荷宏观模型进行了研究。姜及昌，韩德宏在1990年提出了用于优化调度的解析宏观模型。孙伟、赵洪宾在1993年提出寻求“满意解”的优化调度方法。国内俞国平教授采用广义简约梯度法对拥有2个水库的微观管网模型进行调度计算，在得到泵站出水流量和压力的同时，给出了24小时的水库水位最优的变化曲线，且耗时仅几分钟。以上研究对推动我国供水技术的发展起着积极的作用。但由于种种原因，在实际应用中尚难奏效。目前，我国多数自来水公司己设置了动态的压力和流量监测系统，计量问题基本解决，管网图文信息系统也开始在微机上实现。初步具备了实篪优化调度的基础条件。国内有些城市引进国外的技术，投资是庞大的，很难在国内普及；而且由于调度问题的复杂性，优化调度软件通用性很差，一般是根据特定的具体情况来研制相应的调度软件，不宜直接拿来使用。需要指出的是，我国供水企业的管理水平较落后，硬件条件也不完善，全部照搬国外的技术在短期内是行不通的，为此应探索适合我国国情的优化调度理论和计算方法。多年来，各自来水公司从运行实践中总结摸索出很多有益的经验，并取得一些效益，但由于种种原因，尚未得到很好的运用。绝大多数的自来水公司，仍处于经验调度阶段。因此，如何将优化技术与经验调度相结合，是今后的发展方向。1．4本文的主要研究内容1．本文以江西萍乡为研究案例，研究了中小工业城市的供水安全保证条件。根据萍乡水量型缺水的实际情况，综合实施开源和节流等措施，合理配置水资源， 南昌大学硕士论文协调生活、生产和环境的生态用水，满足城市发展和居民生活用水需要，确保城市的供水安全，是实现城市供水管网优化调度，满足城市供水保质、保量、安全、可靠的前提条件。2．本文构建了以宏观模型为基础的二级优化调度模式。所N-级优化调度是相对直接优化调度模型而言。直接优化调度模型是将整个给水系统结合在一起建模，直接寻求最优的水泵组合方案，在保证供水需求的前提下，使系统的运行费用最低。这种方法由于模型庞大，导致求解很困难。为此，提出将整个给水系统分为管网和泵站两个子系统，采用二级优化的方法：一级优化是针对管网而言，目的在于确定各水厂最佳的出水流量、出水压力。二级优化是根据一级优化所得的各水厂出水量、出水压力来调度供水泵站。本文根据萍乡城市供水特点，建立时段“比例负荷”宏观模型，即管网的总用水量与各节点用水量的比例常数是不变的。然而，城市管网节点用水量与全网总用水量在一天内比例关系不固定，在一天内用同一套宏观模型是不可行的。但是，如将一天分成若干个时段，因为在较短的时段内的节点流量变化不大，使每一个时段内的比例关系基本不变，可以认为在该时段内基本满足“比例负荷”的条件，据此分别建立各时段内的宏观模型，这一假设己为国内许多同行研究证实。以宏观模型为基础的供水系统二级优化调度具体包括。(1)对萍乡市某一时段管网总用水量采用灰色预测法进行预测(2)以历史数据为基础，利用逐步回归分析方法建立管网某时段的宏观模型。在此基础上，解非线性目标规划问题，确定各水厂最优出水量和出厂压力。此即一级调度。(3)针对各泵站目标工况点，确定合理开泵方案，即二级调度。本文根据萍乡市水厂泵房的实际情况，对只存在恒速泵的情况下局部优化调度方案。3．根据萍乡市枯水期缺水的实际情况，采用层次分析法，以加权缺水量最小为目标，对城市用水量进行重新分配。根据各用水用户的权重，优先保证城市居民生活用水，确保城市供水安全，并对城市供水管网进行了基于供水安全的优化调度，以实现最大的社会效益和经济效益。同时计算出城市在缺水情况下，各用水用户的节水系数，指导城市供水系统进行定量供水，企业进行节水，促进企业进行节水技术改革。 南昌大学硕士论文第二章城市供水系统用水量负荷预测优化调度决策需要阶段性地预测未来时段城市供水管网的用水量，进而通过优化调度程序进行求解，最后根据优化结果进行调度。因此，城市用永量的预测属于优化调度的前期工作，也是进行供水系统优化调度的前提和基础，其预测结果是城市供水系统调度决策的重要依据，用水量的预测方法和结果直接影响城市供水系统优化调度的可靠性和实用性。城市供水系统用水量预测分为两大类：短期预测和长期预测。短期预测包括时负荷预测、日负荷预测，是根据过去一段时间的用水量和水压等历史数据，从而对未来一个小时或最近几天的用水量进行预测。长期预测包括月负荷预测和年负荷预测，是根据城市经济发展、人口增长规模、工农业生产总值等各种因素，对未来几年，十几年的用水量进行预测。因此，在优化调度中用到的用水量预测方法一般为短期预测中的时负荷预测。供水系统的优化调度是确定系统今后一个调度周期内的调度方案，因此，用水量的短期预测，是提高供水系统管理水平和实现优化调度的前提和保证。目前预测方法有很多，比如时间序列分析法、灰色系统、神经网络方法等。本文将根据萍乡自来水公司提供的供水管网的数据，采用预测效果良好的灰色预测方法，对萍乡市各个时段的城市用水量进行预测。2．1灰色预测灰色系统理论是按颜色来命名的，它是我国著名教授邓聚龙田心】】982年创立的。该理论中把信息很不确定，数据很少称为黑，把信息完整，数据完整的称为白，灰介于黑与白之间，指信息部分不确定，部分确定；部分不完全，部分完全；部分已知，部分未知的。对应灰的系统称为灰色系统。研究灰色系统的建摸、决策、预测、优化等问题的理论，称为灰色系统理论。灰色预测是通过原始数据的处理和灰色模型的建立、发现、掌握系统发展规律，对系统的未来状态做出科学的定量预测。灰色预测方法的类型口3】㈣有以下几种。‘1．数列预测 南昌大学硕士论文数列预测是对系统变量的未来行为进行预测，常用的数列预测模型是GM(1，1)。根据实际情况，也可以考虑采用其它灰色模型。在定性分析的基础上，定义适当的序列算子，对算子作用后的序列建立GM模型，通过精度检验之后，即可用来作预测。2．区间预测对于原始数据非常离乱，用什么模型模拟都难以通过精度检验的序列，我们无法给出其确切的预测值。这时，可以考虑给出其未来变化的范围，预测出它的取值区间。3．灰色灾变预测灰色灾变预测实质上是异常值预测。什么样的值算作异常值，往往是人们凭经验主观确定的。灰色灾变预测的任务是给出下一个或几个异常值出现的时刻，以便人们提前准备，采取对策。4．波形预测当原始数据频波动且摆动幅度较大时，往往难以找到适当的模拟模型，这时，可以考虑根据原始数据的波形预测未来行为数据发展变化的波形，这种预测称为波形预测。5．系统预测对于含有多个相互关联因素与多个自主控制变量的复杂系统，任何单个模型都不能反映系统的发展变化，必须考虑建立系统模型才能有效地预测。2．2基于灰色系统理论的城市供水系统预测城市供水系统是个很复杂的庞大系统，系统中存在很多不确定的因素和参数，比如天气情况和管网状态等，很难确切的描述各种因素对给水系统的影响。而有些信息比如管网流量和压力是己知的。因此给水系统中有“白”信息，又有“黑”信息，是一个灰色系统。因此可以应用灰色预测对城市供水系统短时用水量进行预测。2．3灰色系统理论预测原理研究一个系统，无论系统内部怎样复杂，离散的数据表面上杂乱无章。但系统内部各因素是有序的，互相关联的，且具有整体性。首先建立系统的数学模型，lO 南昌大学硕士论文通过对已有的原始数据处理，把各因素间的关系进行具体的量化，生成灰色模块体现系统内部各因素的综合作用效应，进行灰色预测，消弱随机因素的影响，体现系统内部的规律性。我们利用城市用水量等离散数据序列建立近似的微分方程模型。在进行短时用水量预测时，采用GM(1，1)灰色模型，这是一个包含用水量的一阶微分方程模型。符号GM(1，1)的含义如下：GM(1，1)灰色模型1阶方程1个变量定义2．1设微分方程为：坐+戤(1)：b，——+戤”’2出其中：拿为x的导数；x为冬背景值；a,b为待定参数，a为发展系数，b为灰色讲df作用量。定义2．2设Ⅳ∞’为非负序列：X‘o’=(x‘01(1)，XCo)(2)．⋯，X‘o’("))其中：J(o’(t)≥0，k=1,2，⋯n，定义X‘1’为Ⅳ‘o’的1．GAO序列X‘‘’=(x0)(1)，x0)(2)，⋯，x‘1’(n))々其中：X娜(露)=∑x‘o’∽k=l，2，⋯，"定义2．3设x(o’为非负序列，x‘1’为Ⅳ‘01的1-GAO序列，z(1’为Ⅳ‘1’的紧邻均值生成序列，[d，b]=(B7B)B7Y，则称坐+般(1)：6——十龇、2D砒为灰色微分方程X‘o’(k)+∞‘1’(k)=b的白化方程。定义2．4设【d，b]-(B7B)B’Y，则㈩白化方程芸+∥，=6的解也称时间响应函数为 南昌大学硕士论文x㈣(．i})：(。㈣(o)一鱼)e一“+鱼口d(2)GM(1，1)灰色微分方程x‘o’(女)+az‘1’(t)=b的时间序列为“‘”(+1)：((o)一鱼)P一女+bXkxO)，k：1,2，．．．”(+1)=((O)一二)P一缺+，=，·-·胛a(3)取X‘1’(O)=x‘o’(1)(4)还原值；‘”(|i}+1)：(，(。’(1)一鱼)P一“+鱼，k：1,2，．．．。x(|i}+)=(x‘o’(1)一兰)P一威+兰，=，．．．胛an(0)nx(女+1)=X(k+1)一x(k)nlo)定义2．5设原始数据为z‘o’(七)，预测模拟值为X(七)，当GM(1，1)模型一(1)的精度不符合要求时，可用残差序列s‘‘’=x‘o’(七)一X(k)，建立GM(1，1)模型对原来的模型进行修正，提高精度。定义2．6GM(1，1)参数包有级包P．为：二级包P2为：P，=(盯，b)CD一(rl一1)￡口2—————————————1(月一1)F—C。DF—CEb=———————————_rn一1)F—C‘P2=(C，D，E，F)C=∑z。1(t)D=∑x∞’(t)，E=∑z‘”(七)x‘。’(女)F=∑z‘1’(≈)212 南昌大学硕士论文定义2．7令x(01(k)为实际值，x(k)为模型值，则1、称P(∞(曲为相对残差。(。’c七，=箐×，。。％2、称P‘o’(avg)为平均残差∥’(嘴)=去舻0)(七)|3、称精度P。为精度P。=(100一e‘o’(Ⅱvg))％2．4灰色预测模型的精度坐+ax(1)：6——+⋯2D衍式中：口——发展系数，b——灰作用量该灰色模型预测模型用于城市供水管网预测，需要考虑模拟精度的要求，本文以发展系数口值大小作为参考。根据灰色系统理论，在GM(1，1)的灰色模型中，随着发展系数的增加，模拟误差也迅速增大，当一a≤0．3，模拟精度达到98％以上；当一a≤0．5，模拟精度可达到95％以上；当一Ⅱ≥1．0，模拟精度降低到70％以下；当一d≥1．5，模拟精度在50％以下。由此得到关于预测模型的使用范围：当一日≤0．3时，GM(1，1)模型可用于中长期预测。当0．3≤一d蔓0．5时，GM(1，1)模型可用于短期预测，中长期预测慎用。当O．5≤一口≤0，8，GM(1，1)模型作短期预测应该谨慎。当0．8≤一Ⅱ≤1，作短期预测应该用残缺修正GM(1，1)模型。当一Ⅱ≥1，GM(1，1)模型不应该被采用。2．5基于灰色预测模型的城市供水量预测1、对城市供水量的原始数据进行生成处理，即将城市供水量数据的随机性 南昌大学硕士论文进行弱化，对供水量Q的X‘∞(其中x‘o’(女)≥0，k=1,2，⋯")系列作累加生成I-GAO系列。X‘1’=(x叶1)，X0)(2)，⋯，X0)(H))其中：J‘‘’(1)=X‘。’(1)Ⅳ‘1’(1)=X‘o’(1)+彳‘o’(2)x‘1’(_j})=∑Ⅳ‘01(女)，．i}=1“2··nk=l假如经过一次累加生成的数列随机性还很强时，则应该进行二次、三次等累加生成，其计算公式如下：二次累加生成：一。’(女)=∑X‘1’(女)，k=1,2，⋯行k=l三次累加生成：x‘31(七)=∑X‘2’(t)，≈=1,2，⋯”k=l”次累加生成：x‘“’(女)=∑x‘”1’(露)，k=1,2，⋯”k=l城市供水量均为非负序列，累加生成的次数越多，原始供水量数据随机性的弱化就越明显。对城市供水量累加生成序列建立GM(1，1)模型。2、确定参数包，对累加生成的序列用指数曲线拟合逼近构造一阶线性灰色微分方程：坐+ax(1)：6——+”7=D衍由最小二乘法，可得：P=(d，6)7=(B7B)“B7Y。，P为一级参数包式中：B=一z‘1’(2)一Z‘o’(3)其中：H——数据个数YN3X‘o’(2)x‘o’(3)14 南昌大学硕士论文z(1’(2)=o．5[x‘’’(2)+Ⅳ‘1’(1)】zo)(3)=o．5[x‘1’(3)+x‘1’(2)】z‘11(t)=0．5X‘1’+0．5X‘1’(七一1)，k=2,3，··-"，n≥4一级包P，为：P，=∞，b)CD一(”一1)E”i■1FF■C丁(月一)一‘D二级包P2为：DF—CE(n一1)F—C‘P2=(C，D，E，F)C=∑zo’(t)D=∑x徊’(t)，E=∑zo’(七)x旧’(女)F=∑z0)(≈)2k=23、求出预测供水量求出参数包P后，得到GM(1，1)白化模型响应方程。“‘”(+1)：(‘1’(O)一。一“+一b，kXkXZ)ek：1,2，．．．"(+1)=(‘1’(O)一一靠+一，=，．··肝Ⅱd此即为城市供水量预测模型，经过累加生成后，其已经失去了原来的物理意义。因此，在利用该模型进行城市供水量预测时，应该对一次累加生成序列进行还原，做一次累减运算。n(0)n(1)一(1)五(≈+1)=X(k+1)一X(k)上式计算出来的结果即为斛，时刻的城市供水量预测值。4、模型检验及修正预测模型GM(1，1)模型的精度通常用后验差方法检验，其具体方法及步骤为： 南昌大学硕士论文(1)求残差：s(t)=X‘o’(．】})一X(七)(2)求相对残差：∥’(七)=兰豁×1。。％(3)求平均残差：一’(口喈)=吉砉P’(女)|由预测模型求出原始水量的预测值，然后与原始数据比较做残缺检验。Ne(o’(七)≤A，则精度满足预测模型要求，预测效果良好。若e0)(≈)≥A，则精度不满足预测模型需要，应按下列模型进行残缺修正a△为模型允许的相对残差，一般△=5％生成残差序列：5(豇)=X‘。’(≈)一X(七)，≈=1．2⋯"对s”’(七)中的残差序列建模，其建模过程与原始数据序列建模相同，其GM(1，1)模型为：∥(女+1)：(s㈣(o)一生)。训+笠，k：1。2州aea。因此．残差修正后的模型为：△X(女+1)=X(七+1)+F(女+1)最后用修正后的模型对预测供水量进行还原，得到城市供水量的预测值。AX(t+1)=AX(t+1)一AX(I)2．6灰色预测模型在城市供水量预测中的程序实现对城市供水量的预测，本文采用灰色预测模型，通过该时段前段时间供水管网的流量数据，生成灰色模型，从而预测出当天该时段城市用水量，为城市供水管网优化调度服务。笔者利用FORTRAN语言编制了计算预测城市供水量模型的程序。其流程图见(图2—1)6 南昌大学硕士论文读取该时段前段时间流量数据l计算口，b，C，D，E，Fn(1)生成预测模型x(七)(图2一1)GM(1，1)灰色预测模型对城市供水量预测流程图 南昌大学硕士论文第三章城市供水管网的宏观模型及程序编制城市供水系统是由相互联系的一系列构筑物和输配水管网组成的大型复杂网络系统。管网运行时，管网状态随用户用水量的变化而随机变化，很多状态变量及参数不容易确定。主要有：(1)管网节点流量为管网简化计算时的虚拟量，具有明显的随机性，只能近似估算。(2)管网中未预见的水量难以估算(主要为城市管网漏水量)。(3)节点压力和管段流量随管网的输入输出随机变化，是难以预知的未知变量。(4)供水管网中的管径和比阻受管段铺设年代、管内腐蚀，管内沉积物及管材等因素影响发生了变化，因此很难精确计算。(5)由于实际管网复杂性，对城市供水管网参数进行全面开展测试并不实际，一般只能设置部分监测点，在线测量的数据少，因此管网反馈的信息并不完善，只能一定程度的逼近。由此可见，给水管网是动态、大规模、非线性系统。管网正常运行时，任一用户水量的变化会影响整个管网状态，不同特性用户对管网状态的影响也各不相同，启闭阀门瞬间，管网内水流急剧变化，水流变化遵循波动方程而产生水击。供水管网系统的约束条件复杂，各因素综合作用叠加后造成水流状况极为复杂。这类非平稳随机性加大了管网状态估计的难度，有时甚至不能用解析式进行表达。城市供水管网调度都是在线调度，要对其实施优化调度，必须首先确定优化调度方案。优化调度方案必须建立在科学的优化计算基础上。为了使优化计算结果真正符合城市供水管网优化调度的实际情况，使其在保证城市供水安全的前提下最经济，就必须在优化计算过程中准确、快速求解出城市供水管网各个时刻的供水流量和供水压力等参数。因此，准确的模拟城市管网的复杂工作状况是求解优化模型的前提和关键。模拟城市供水管网复杂工作状态的方法主要有两种：微观模型(即管网平差计算方法)与宏观模型。 南昌大学硕士论文3．1城市供水管网的微观模型管网的微观模型模拟方法就是管网平差方法，当管网的拓扑关系清楚，各工况参数容易获得时，可以满足计算的要求，因此其主要应用在给水管网新建和改造的设计上。管网的微观数学模型是在较详尽地考虑整个管网元素间水力关系的基础上，通过管网水力计算，建立城市供水管网仿真模拟模型。其最大的优点是描述出了整个管网的内部运行工作状态，具有直观性，便于指导配水管网的管理。而对于复杂的城市供水系统，由于技术的限制，管网各个时刻各个节点的水量和水压无法准确获知，对管网管段的粗糙系数和管径等主要计算参数都无法准确获知，因此在城市供水管网的优化调度中，很难建立起较为理想的管网微观模型，因此微观模型的研究和应用较少。3．2城市供水管网的宏观模型3．2．1宏观模型建模的一般方法所谓宏观模型(MacroscopicModel)，就是在供水系统大量运行的历史数据基础上，利用统计分析方法建立各种关于供水系统参数经验数学表达式。它是从系统角度出发，考虑配水调度中有关管网的主要参数变量，如各水厂的供水量和水压以及监控点的水量和水压，从而直接描述出与调度决策有关的主要参数之间的经验数学表达式。该模型是通过运行大量历史数据的基础上建立的宏观变量之间的回归方程。因此，计算出来的出水压力和流量能真正反应管网的实际工作工况，其最大优点是避免了求解复杂的管网平差，大大提高了计算效率。本文通过大量的城市供水管网的历史数据，在“比例负荷”的情况下建立城市供水管网各时间段的宏观模型。美国的Robert等人1975年开始研究管网的宏观模型，他们分析研究了供水泵站压力、供水流量、控制点压力、水塔的出水量之间的关系，建立了以下宏观模型：(1)城市供水泵站的宏观模型』Ⅳ口(f)=Cp,(f，1)+c∥(f，2)饼+∑C∥(f，m+2)Qp：(。)，”=l式中：H。(i)——泵站的出水水压 南昌大学硕士论文c。。——回归常数Q。——城市供水管网的供水总量Q∥(。)——泵站的出水流量f——泵站总数a——指数，a=1．85～2．0(2)城市供水管网控制点的水压的宏观模型，J只(^)=Co(h，1)+c。(^，2)饼+∑e(矗，i+2)H。(f)+∑巴(^，i+j+2)E(，)i=lj=l式中：只(^)——监控点h处的压力H。(i)——第i泵站出水压力(3)城市管网中水塔的供水量宏观模型，Q(／)=cr(／，1)+cf(／，2)饼+∑c(工m+2)q沏)“5+∑C(J，，+，+2)9；(j)Ⅲ=l，=l式中：Q(-，)——水池的供水量c+——回归常数数列日，(Ⅲ)——水池水位上面三式基本构成了城市供水系统宏观模型框架，但其使用范围仅限于管网工况在“比例负荷”的前提下，也就是管网中各节点的流量，管网各供水泵站及总用水量的比例在各个供东时刻均为一个不变常数。3．2-2时段比例负荷宏观模型我国供水系统和国外相比存在着显著差别，我国城市中居民生活用水以及工业生产用水等分区不严格，工业区、住宅区混合在一块，致使节点用水量与全网总用水量在一天内比例关系不固定，一天内总用水量和节点流量很难维持一个常数，因此城市供水管网使用同一套宏观模型是不可行的。如将一天分成若干个时段，在较短的时段内节点流量变化不大，使每一个时段内的比例关系基本不变，可以认为在该时段内基本满足“比例负荷”的条件，据此可分别建立各时段的宏观模型．本文研究萍乡市城市供水管网的优化调度，根据萍乡市供水管网的特点，利用Robert提出的宏观模型，建立各个时段的宏观模型。即“时段宏观模型”。并 南昌大学硕士论文进行了改进和简化。其具体模型如下：(1)城市二级供水泵站的宏观模型尸(f)=c(f，1)+c(f，2)Q二+∑c(f，j+2)Q“(，)+∑c(i，．，+2+竹)Q(，)×Q(f)』=】J=】式中：p(i1——第i个水厂的出水压力Q⋯——城市供水管网的总供水量Q(j)——第f水厂的出水流量Q(』)——第J水厂的出水流量一——城市管网中水厂数量a——系数(1．85～2．0)c(i，J)——回归系数(2)压力控制点的宏观模型日(m)=b(m，o)+6(m，1)f≥二+∑b(m，f)Q。(f)i=2式中：H(m)——第m个压力控制点的自由压力(压力为相对压力)Q(f)——第i水厂的出厂流量”——管网内部压力控制点数量b(m，O)、b(m，1)、b(m，j)——回归系数本文采用时段宏观模型和Robert的宏观模型相比，并没有考虑水塔的作用，但是水塔可以当作一个普通的压力控制点，同样适合于压力控制点的宏观模型。在时段宏观模型中，除了考虑城市管网总供水量和出厂出水量对水压的作用外，而且还考虑了各个水厂在不同的供水区域之间的相互交叉作用。国内很多学者对这个模型也进行了研究，且效果被证实。故本文采用了“时段比例负荷宏观模型”，建立了城市供水管网模型。该模型基本能反映城市供水管网的实际情况。3．2．3模型计算过程城市供水系统的水力计算可由一组非线性方程实现，将水泵站的出水压力也当作管网的一个节点，利用刚刚建立的分时段宏观模型，即可建立每一时刻的水 南昌大学硕士论文泵站出口压力与泵站出水流量及管网监测点压力与泵站出水流量之间的关系模型。本文对该模型的求解采用逐步回归方法，并用计算机语言编制了相应计算程序。3．2．3．1逐步回归的方法原理逐步回归方法126】[2711281是以多元回归为基础的一种回归方法中，它的特点是对自变量进行逐步选取，每步只选一个自变量，要求这个自变量是所有供选择自变量中对因变量方差贡献最大一个，并对这一自变量作一次F检验，给定显著水平a，当该变量的检验值F>F。时认为该自变量重要，则通过此检验，引进此变量，否则不予引进，这样就可避免不重要的自变量被选进回归方程。一般情况下，自变量之间是相互相关的，新自变量的引入可能会使得原先认为是重要的自变量变得不重要，因此为了保证每一步得到的回归方程中的自变量都是重要的，必须在每步选入自变量以后，对当步回归方程中的所有变量再作一次显著性检验，以便把回归方程中可能存在不重要的自变量及时剔除。3．2．3．2逐步回归方法说明设”个自变量蜀，∥=1，2⋯一砂，因变量yJ有k个观测点为：(x“，X12．⋯⋯X⋯Y1)，i一1，2⋯一k根据最小二乘法原理，】，的估计值为：Y=bo+b{x{+b2X?+⋯⋯+b嚣|其中涎”．且各X(i=1，2，⋯⋯f)是从n个工中按一定显著性水平筛选出的统计检验为显著的因子，筛选过程如下：(1)首先作出(”+1)×(n+1)阶规范化的系数初始相关阵式中对应Y_l，】2■J■2，l。‘v心月，2rl。■，，rmr口。2去^^z。⋯⋯州 南昌大学硕士论文其中：女一d。=∑(x。一X，)(J口一xⅡ)，=l★一女一d，=∑(x厂X。)2，d，=∑(玛一X∥f=l，=l玷妻缸，序∽。⋯～州(2)计算偏回归平方和矿：盟，f-l，2。⋯，n0(3)若nO，则对应的Ⅸ为尚待选入的因子。从所有巧>O的■中选出‰。=max(圪)，其对应的因子为‰。。且检验因子‰ax的显著性，若堡华≥f，则剔除因子％。，并对系数相关R进行该rw—Pml因子的消元变换，转(2)，上述过程一直进行到无因子可剔选为止。在上述步骤中，妒为相应的残差平方和之自由度；Fl，足均是Py分布值，它们取决于观测点数、已选入的因子数及选定的取舍显著性水平。一般一>乃，且观测点较多时可取常数。当要剔除或选入某个因子Xl时，均需要对系数相关阵R进行消元变换，其算法如下：。2。一詈。。’f，产l’2。⋯，m时1．“．，≠f。2等，^2。⋯～朋州；川。：一卫，i=1，2。⋯一-，H，n+』：f≠，r}|23 南昌大学硕士论文‰2一rlf当筛选结束时，就可得出规格化回归方程的各回归系数bo,b∥⋯b。。其中值为O的系数表示对应的自变量可剔除。回归模型的各有关值由下列各式计算：⋯一一一触”辱u回归方程的常数项；％=y-∑0J-各因子的偏回归平方和估计的标准偏差：各回归系数的标准偏差F—Y检验值残差平方和因变量条件期望估计值残差“：—Flyr—yio刚，J等S：s怪-7-1『d。，一鲤二鱼!(女一妒一1)～g—dyoyYEl=bo+∑biXgYRi=y。一YE(5)给出一批数据拟合一个线性模型之后，要对拟合的合适程度作出评价。最经常采用的测定指标是复相关系数月。月的定义为：并且将它解释为由回归方程所解释的总变差比例。R介于0与1之间：当模型对数据拟合得好的时候，R显然接近于l。对于一种好的拟合。观测值与预测值彼此间是很接近的，枞而∑(”一只)2将很小，R接近于1。另～方面，如果自变量与因变量之间不存在线性关系，线性模型将给出一种很差的拟台。对于观测 南昌大学硕士论文值Y．来说，最好的预测是Y，即在没有线性关系的时候，最好的估计是样本均值，对于这中情形，样本均值将离差平方和减少到最低的限度。于是在没有任何线性关系的时候，R接近于0，因此R的值，被用来作为判断线性回归模型对所给的一批数据拟合程度的综合测定指标。本文运用该方法，运用FORTRAN语言编制了逐步回归计算程序，很好的求解了水厂泵房压力及测压点压力与水厂泵房出水流量的回归方程。 南昌大学硕士论文第四章城市供水管网优化调度模型的建立及程序编制供水系统优化调度是对供水泵站及整个管网进行优化调度，在保证用水安全的前提下，以城市供水费用最小为目标，确定水厂供水流量及水压，从而确定开启水泵的台数及型号。对于城市供水系统，一般都有两个或者两个以上的系统，而且各个水厂供水能力及供水水压也不相同，且水泵的型号和台数也不太一致，因此，在确定给水管网总用水量的情况下，必然存在不同组合的水泵开启方案。各种不同的调度方案所需运行费用也不一致，这就涉及到“城市供水管网的优化调度”问题，本文在保证城市供水安全的情况下，即满足管网用户水量和水压的前提下，以供水系统总的供水费用最小为目标，建立优化调度模型，确定各个水厂供水量及水泵机组，使整个城市供水系统应用一套经济理的调度方案。城市供水管网系统优化调度计算，由于其约束条件非常复杂，本文采用二级调度方法，即将模型求解问题分成两级：一级优化调度是针对城市供水管网而言，目的在于确定各水厂最佳出水量，出水压力。优化调度模型采用宏观模型，并且假定在某一时段，管网系统适用于“比例负荷”条件。二级优化调度是根据一级优化调度所得结果，从而调度二泵房。4．1城市供水管网优化调度模型城市供水系统优化调度的目的是在保证城市供水安全的前提下，使城市供水系统的运行费用最少。城市供水费用主要包括三方面：1、水资源费用』；2、制水的成本费用五；3、泵站提升水压的电费石。因此城市供水费用可用以下方程表达：F={、+{l+{、"rF=∑∑Q．(厂)(q+6，+qH．(厂)+P，)f_1，=1式中：Q，(／)——第f水厂在，时段的供水量(m3／h)日，(厂)——第i水厂在，时段二泵站出水扬程(Mpa)”——水厂数r——每天建模控制的周期数口．——每m3水资源的费用，6 南昌大学硕士论文bi——提升一m3水到清水池的费用c，——第f水厂二泵站提升一米水压的费用e——每m3制水成本41．1多水源供水系统基于供水安全的一级优化调度模型对于同一个城市来说，其向国家上缴的水资源费用一般相同，且不同水厂的制水工艺也基本一致，水质相差不大，故其制水成本相差不大，而电费占整个供水成本的30％-40％，对于多水源供水系统，由于各水厂的供水能力不同，因而对于给定的全网总用水量，就存在一个怎样合理分配各水厂供水量问题，目标是既满足管网中用户用水量和压力的要求，又能使总的供电耗费最小。因此本文主要考虑水泵站提升水压所需的电费，同时由于本文采用分时段比例负荷方法模拟管网水压，且根据中小工业城市缺水的实际情况，增加了供水安全约束条件，在城市用水正常年份，城市水资源基本满足城市用水需要，城市供水安全可以得到保证，则优化调度模型Q⋯(f)(厂时刻城市用水用户需水量)采用预测的用水量；在枯水期，城市水资源不能完全满足城市用水量需要，此时灰色预测模型预测的水量预测的水量需要可供水资源量进行修正，在优先满足城市居民生活用水的条件下，优化调度模型中Q⋯(，)取枯水期的可供水量。在厂时刻多水源供水系统一级优化调度模型如下：minF=∑cfQ(似HⅣ)+幽(川i=I式中：当g。。(，)≤Q一，取Qs。。r厂J=厂(Q】，Q：⋯⋯级)当Q⋯(，)2Qm*，取Qsumff)=Q女≮口。。r厂户∑Q，(厂)i=lHj(nif(Q．h)Qimi．sQl(f)三Qlm。Hml矗H?0n§{m“CH(m)型z，砌jw”g。。f厂，——厂时刻城市用水用户需水量Q承谭一城市水源可供水量 南昌大学硕士论文Q(，)——第i水厂在／时段的供水量(聊3腩)；Hr，J——第f水厂在，时段二泵站出水扬程(聊)，n——水厂数；△^(厂)——二泵站出口压力监测点与吸水池的标高差(聊)：c．一第仃时刻二泵站效率有关的计算徽c尸訾元f(Q，^)——关于二泵站出水压力与水厂出水量的关系的宏观模型；，(Q】，Q：⋯．．瓯)——关于管网供水量的GM(1，1)灰色预测模型；Qimm，Qi。。——各水厂出水量的最小、最大允许值：f‰。上‰。——各水厂二泵站出水扬程的最小、最大允许值；C‰。。——保证供水安全的各监测点最小的压力值；将宏观模型代入以上各式，得到一个关于各水厂供水量Q“j的一个非线性规划。目标函数：F-∑e(i)Q何Ⅱc(i，1)十c(f，2)Q2⋯+ZC(i，j+2)Q2(J)+i=1f。L』。J窆c(f，，+2q-l"1)Q(，)Q(j)]+△^(f))』=】J2J式中：当g。r厂J≤Qm*，取(kmr厂，2厂(Q】，Qz⋯⋯瓯)当QsWm(f)2Qm《，"淡Q。m《})2Qm*Q。(，)=∑Q，(，)Q(i)。§QmSQ(i)m。爿Im<-c(i，1)+c(i，2)Q2础。+宝c(，，，+2)92(J)+兰c(f，，+2+Ⅳ)Q(，)Q(j)兰‰j菩。?篙(保证二泵站水泵在高效区运行时水泵的出水压力)6函印+6积砂以。。+∑6(，，f硷2(j)!虫—圳mrn根据该目标函数，在总供水量一定，且保证城市管网用水量和水压的要求，求出使整个城市供水系统运行最优化时的电费，即F为最小值，从而求出各水厂的出水流量和出水压力。 南昌大学硕士论文4．1-2多水源供水系统二级优化调度模型一级优化调度确定了各水厂最优供水量及相应出水压力，二级调度的任务就是确定给水泵房水泵的开启型号、台数等。以满足要求的供水量及相应出水压力。泵站调节的理想方案是变速调节，但目前国内较多水泵站的调节是通过泵的组合进行的，也有部分水厂同时并用变速调节与台数组合方式。本文根据萍乡市自来水公司供水泵房的实际情况，采用了定速泵的组合运行，确定开启水泵的型号与台数。1、定速泵的调度方法调速泵可以使水厂的出水压力和流量刚好与优化调度结果完全相等。但对于定速泵，很难找出一组或者几组出水流量及出水压力与优化调度结果完全相等的水泵组合。将各定速泵进行组合，找出一组或者几组组合，其流量和出水压力都与优化调度的出水流量和出水压力接近，这样的组合我们称之为“可行泵”，判断“可行泵”的原则是以出水压力为要求压力，出水流量应大于O．95QrQ为要求出厂流量)，小于1．5Q。因为如果输出流量过大，则显然不必考虑，而输出流量略小于要求流量也应考虑，当然，具体分界可根据实际情况来确定。对于初步选入的几组“可行泵”，还存在着一组耗电最省的“可行泵”。应该指出的是，如果孤立的寻求耗电最省的“可行泵”，也有可能产生问题：一是可能会造成机泵的频繁启闭，在技术上是不允许的，而且机泵的起动电流也很大，增加耗电，二是其优化结果只是局部最优。所以宣将某天一连续时段的调配机泵联系起来综合考虑，求出连续时段累计电耗最小的调泵方案，这里采用动态规划方法来解决这一问题。动态规划H21是1951年由美国数学家R．Bellman等人研制出来的一种数学规划它用来研究多阶段决策过程的最优策略。在最优化问题的研究中，有一类问题是一种随着时间而变化的活动过程。它可以按照时间过程划分为若干个相互联系的阶段，每个阶段都需要作一定的决策。但是每个阶段最优决策的选择不能只是孤立地考虑本阶段所得的效果如何，必须把整个过程中的各阶段联系起来考虑，要求所选择的各个阶段决策的集合一策略，能使整个过程的效果达到最优。这类问题叫做多阶段决策问题。由于它是在时间过程中，依次分阶段地选取一些决策，来解决整个动态过程的最优化问题，所以称之为“动态规划”。2、优化决策模型一对于某一阶段，选定了一组水泵进行运行、就是作出了一次决策，其决策 南昌大学硕士论文费用用下面公式计算：F=HX(ZQf×口。／11．)∥式中：肛～一水泵的实际扬程Qr一第冶水泵的流量(m‰)口，——系数(若上次开启，取1，未开启取1．1，多出的0，1为水泵机组频繁开启增加的电耗和机泵损耗费用)仇——水泵的功率∥——功的转换系数4。2优化调度模型的求解过程本文所研究的优化调度模型是含有等于约束和不等式约束的非线性规划问题，因此采用了求解优化效果好，且对解决实际问题很有效的混合惩罚函数法。使用该方法，可将等式约束和不等式约束分别构成惩罚项，然后把惩罚项加到目标函数中去，构成一个新的无约束的目标函数，从而将非线性规划问题的极小值求解，转化为求惩罚函数的无约束极小值问题。其原理和求解过程如下：MinP(X(i))i=1，2．----n满足约束：尸旷Qsum-∑Q(f)20玮=岛≤O式中：gj(Q(i)。i。)=Q(f)一Q(f)。。gJ(Q(i)max)2Q(f)m“一Q(i)gj(H(i)min)2驯一—H(f)。。。gj(H(i)min)=皿i)。。一．日(j)以的”))2CH(i)一h(mi)4．2．1构造惩罚函数考虑非线性规划问题，为求其最优解，首先构造一个单位跳跃函数“，国，)：’喇=置尝’掣糍束30 南昌大学硕士论文再构造惩罚函数：在搜索最优解的过程中，如果违背等式约束，则有Po≠0，如果违反不等式约束，则有PR<0，同时“，㈤等于1，则把惩罚项加上目标函数中去。P(咒Mx)=F+坛【巧2+∑e(i)g知捌]I=l式中：P(墨Mx)——惩罚函数Mx——惩罚因子^鲥露+∑e(i)g2,u玛)】——惩罚项PD=9W一∑Q(i)即等式约束f_l罚函数法实际上是将原目标函数尺．的增广为一个新函数，称为P(卫Mx)，^如是一个很大的正数，称为惩罚因子，当Po≠0，PR<0，即不满足约束等式，罚函数的值尸(置Mr)将很大，只有当PD=O，尸意0时，罚函数P(Ⅳ，Mx)才等于F。因此，惩罚因子的引入是对不遵守等式、不等式约束的某种惩罚。P(■，A奴)的最优点与MK有关，每一步迭代，选择一个惩罚因子，A缸表示第世步迭代时所取的惩罚因子，显见Mk+』应大于Mx，即随着迭代过程的进程，惩罚因子越取越大，迫使PD=O，PR．兰0，才能使P(ZMx)为极小，最后收敛于目标函数的最优解，这一定满足Po=0，n之O条件。求惩罚函数的迭代步骤如下：1．取Mx>O，允许误差s>O，并令Ⅳ：=l。2．求无约束极值问题的最优解：MinP(儿Mx)=P(坝f)’Mx)式中：P(卫MK)=F+％[露+∑e(i)g?“，㈤]i=l3．若对某一个，(1匀≤，)有一岛(砸f))兰5则称M。+。>^靠(本文中取M。+，=5Mz)，令K：=五+』，并转向第2步。否则，停止迭代，得：X—ax(i) 南昌大学硕士论文4．2．2求解无约束函数的极值求解无约束函数的极值，本文采用最速梯度法。它是应用目标函数负梯度方向作为每步迭代的搜索方向。由Cauchy在1847年提出的。应用最速下降法迭代计算时，每步都是沿负梯度方向取最优步长，因而这种方法也叫最优梯度法。1、最优梯度法的基本原理假定无约束问题中的目标函数f(X)有一阶连续偏导数，具有极小点X‘，以X哺’表示极小点的第K次近似，为了求其第K+I近似点X‘K⋯1，我们在Xc胁点沿方向∥叼作射线爿三X‘世’+^一曲(A三O)现将f(X)在X呲’点处展成泰勒级数f(X)=f(X‘。’+卯‘5’)=，(—Y‘‘’+五1叮(Ⅳ‘。’P似’)+D(五)式中：lim业：0，呻”Z对于充分小的Z，只要耵(Z‘‘’P“1占，求步长厶，并计算z“’=X⋯一九可(x‘o’)求步长用一维搜索法。(3)一般地，若Ij耵(Ⅳ‘。’)『≤s，则X‘‘’即为所求的的近似解；若Jl职x‘∞)』2>占，则求步长磊，并确定下一个近似点。X‘㈤=X‘蛐一^vf(x(∞)如此继续，直至达到要求的精度为止。(4)用计算机语言求解最速下降法的问题时，其关键是搜索方向P。的确定和步长以的确定。(一)搜索方向淼的确定搜索方向第i分量为：(只)㈣：墅鲨竺∑[夥(x‘‘’)．12J=l热v／(x㈨)i=巡挚(5X．)。——差分步长(AX，)d一[(Ⅳ，)～一(x，)。】口Ⅱ——取105一为了计算，(x)。矛V(工)。一的值，必须首先确定从正向靠近墨的值(墨)抖 南昌大学硕士论文以及从负向靠近石的值(Ⅸ)小。(石)水制r+(蚪，)d(x)小2澎-(醚．)d由(五)冉和Ⅸ)小值就可计算出厂(Ⅳ)。+平口，(x)。一的函数值。(二)最优步长因子也的确定求解无约束极值问题的关键在于步长因子九的选择，若以值过小，收敛速度太慢，而以值过大，又会使函数值不下降，导致算法不收敛。^是一个沿负梯度方向的步长因子，在每一次迭代中如何确定一个最优步长以，使其误差下降最快，则是典型的一维搜索问题。即f(X‘”+以p‘‘’)2巧紫f(X‘‘1+勿‘‘’)，令西(五)=厂(z‘‘’+印‘。’)，则巾’(五)=vf(x‘‘’+AP‘。’)7P‘“。若以为(丑)的极小值点，则巾7(五)20。确定以的算法步骤如下：l。给定五o=0，h=O．01，eo=O．00001；2。计算西’(五o)，若庐7(zo)=O，则令丑^=^0，停止计算；3。令h=2h，五l=五o+^；4。计算m’(五1)，若西’(z1)=O，则令五k=2l，停止计算；若西’(五1)>0，则令Ⅱ=Zo，b=2l；若垂’(^1)<0，则令五o=2l，转3。；5。计算0’(口)，若垂’(口)=0，则AFd，停止计算；6。计算中’(6)，若0’(6)=0，则丑k=b，停止计算；7。计算西’(a+b／2)，若西’(口+b／2)=O，则五k=a+b／2，停止计算；若∥(a+b／2)O，则令6=口+6／28。若Id—bl飞gt骂盔跻：．每．Z毒l234567891011L2131415161718192021222324时间(h)49^巴专弋邕 南昌大学硕士论文^0·4鲁0-。5督。篡0．20，30．280．26024022O20．50．450．40．350，30．250．2图5—19、公交公司2005—4—19日压力实测值和优化值变化曲线F二／—"‘过一～，L／＼伊一飞～一。Z＼影t1234567891011时间12131415161718192021222324(h)圈5—20、市政府2005—4—19日压力实测值和优化值变化曲线下＼r八矿＼。{＼．>≮；∥VVNL∥。心删V11121314l5l6171819202l222324图521、开发区2005—4一19日压力实测值和优化值变化曲线一实测值—·一优化值r广k、．．j＼．。／弋，占气；_尹砥．^．∥-7＼．广—’心々飞．／／斗Y、[[’显123456789101112131415161718192021222324时间(h)图5—22、安源新区2005—4—19日压力实测值和优化值变化曲线『二～实丽石1I+优化值f声尹弋蕊。∥心一：|，冬／／蕊。石产4”飞r／一。——1一一1-c=1234516789101112131415161718192021222324时问(h)翻三^盛弓天出盯孙船扎坞"¨0O0^＆弓i埘^＆吾R邕 南昌大学硕士论文0．22，、0．2量o．18V0．16长0．14q0．120．I图5—23、秋收广场2005—4一19压力实测值和优化值变化曲线r==孺—·一优化值I，‘育＼／＼五天乞月==：j，’℃夕—。—’、r’。‘吣．酽‘＼Po’Vl23456789101112131415161718192021222324时间(h)图5—24、麻山水厂2005—4—19日出水流量实测值和优化值2000，、I700∈星1400倒ii00堪80050012345678910IIi2131415161718192021222324时间(h)图5—25、五坡下水厂2005—4-19日出水流量实测值和优化值!一实测值!=!=垡丝鱼{广一，．，石b厂一一、吣厂一一一一弋／＼乡＼～／37”一’谭12345678910l】12131415161718192021222324时间(h)图526，八号井水厂2005-419日出水流量实测值和优化值一实测值l—·～优化值l12345—678910111213141516171819202l222324时间(h)51^{笔√=匿蜒^q／∞5蚓壤 ^1R小旺∞摹Nu旺In赧NV—o旺积卜褂一∞积聪篁寸蠹。。曲△盘林基N扭一癌、o。、∞o乱卜oIn寸∞Noc-IN卜N∞卜∞岫一∞一n一心∞寸on卜n∞Naon寸oN∞寸o心∞—一口一o一nN∞呐N—目ott＼o△＼。卜non一rqn”∞寸r-Inr、∞甘卜f,lN一∞mnrq__-．∞均一∞o∞oN。一n目口nNIn一口∞一N一寸一∞N一o∞oN∞’寸N∞N一卜寸o卜N口noNo凸oN。nN卜∞NH一p-．、。onon、。卜"to寸o一o、。fq目A目∞讥N—n一＼。N—∞oh¨oN寸∞一o、t∞N∞N—一。oorq—帆oN寸∞o∞n口In卜、。口nc-It}∞寸一n—一寸目一oNn’十o-nno寸西∞oo∞寸a一∞Nn寸一—⑦寸∞。∞oo、。目hn一@一t"l∞NV、o∞n一∞寸No一∞一∞N一遥酒迥酒遥理趔监章监S蝮翌监S{水基林g林S袜g重一营L蚓塞型薹爨1R*烬u司L莲丑蓄刍!；旺{双^∈fⅢv掣井嘲蟋掣晕S娶遥磊林嘲臻*丑L*谁皿AH暖t，廿s0。N悟吣钕9--s琳蛸凸o1t∞小oH∞。、口寸f-Io卜o。、"中∞N卜∞o、o。00甘·寸一o一卜N一、。寸。N—N∞寸nNo卜∞、t凸—nIna∞N"中∞一h卜H一N△a卜∞目口。、卜、o卜∞卜Non一∞h卜N一∞no∞一∞o∞。Int"q∞oo一o。In00mt"Nn∞一h卜N一h口∞oN卜Nonl，、∞"十∞DoNfq一卜ao∞卜目∞o∞o∞。。卜N—1一。。Inrq寸一hN∞o∞a-nNoa∞n口卜一n卜。N寸H∞卜、N一N口oa一寸。tro口。寸目N一∞o。。寸西卜一N∞oN寸卜口小寸ontt00h口∞NoaP、卜一∞h一Nno昏oD寸oN寸HoN●no∞h卜。。00—o卜一rq—寸N00ho"十Nn⑦"}一NoN一r、寸△∞"中hI九nht"qN“卜ov、寸∞寸otnNoN。。’寸卜△＼。o一∞一卜NoOmo卜v、nNnmorqo口P、00∞oln∞N一。。o∞—H卜一N—酒j璺趔j聋靼蝤理遛蝮8噬基监S监S林S林g袜8冰g厘旺曾L删塞爨’囊零积一*煺酃1R司L曾。雀羽磐暑!刍婀谢础^二，￡宣v迥辞删潺坦晕S足增孱冰卿爆繁丑L*婶皿6I叹寸廿mooN怪沁铣峙_s惴戗秘书巨磐弋叩怔 n、十o目H卜、口a∞No—目U、oa凸目∞卜口寸o’十寸In、。一o寸tno。o一t"lP、oh∞寸t"qI九寸LnV、寸o寸oU、o。oNot"-∞寸卜In寸lno目ov、o。or、、。小＼Dv、寸卜目No目帆o卜∞凸N、t卜寸o寸o。o∞N卜∞寸∞o寸o。口r、NIn卜h寸I"-N寸ln‘，、o’寸olno。o目o崎N目v、寸oNI九o帅o。o寸卜寸p-．小HNLnJ,g--o卜o’十o。。∞o一∞寸∞Ino目oI^o凸o凸、十寸oI九目”o。o趔蚓趔监S鹾芒睦S林g椿8林g厘茁LR杀奋、墓*日弓*妄长盛珥蓄珥^墨窆v犁井避晕8娶蚓磊林R出长丑L*婶皿A1【皿t，廿mooN仨心钕，m摧蝼。o、。hN口目、。寸口Ino呐ov1o△v、△^西∞In∞o。寸∞tno寸oIno西ot"qN口N目otnIn∞o"tov、oa凸N寸∞⑦△寸oln一Inu’o’卡o们o心。、一mo∞口寸∞、。o目o@o凸u、@寸∞v1o寸oIn寸卜∞、o卜、、十日‘寸一o日。In。oIn、十口’卡∞N∞—h寸∞t十o—o’十∽o。o00卜r、口一、。th寸tt—o寸帆o。o乱∞、。o卜一卜寸o一o寸o。o西‘na∞卜小寸—h寸"十寸o—。寸oIno。o∞⑦v、卜、寸v1卜寸tr寸一o口oV、o。o蚓趔蚓趔垣睾监基鹾基冰基林g壬j‘g厘誓LR嚣茁、*氆曰*莲弓了^墨窆v迥井姆晕$罢趔磊林R日*丑L*谁皿6I皿t，醑∞o。N怛心钕，m僻议秘书酷扑≮姐怔 @to寸口o。∞’寸卜、t寸目f-qhN∞“"十，1甘t"qoNt"qNn(-qo00∞口∞hotnor、to小∞N目NnN∞nN一onoNo一onoNo∞卜、。。ot"-I卜一∞一Nano卜n卜、t"lnN——、’中N△NnNrqn一oln’寸∞。o一In∞m寸甘∞nN目No—、n一c,lnNf"-InoNo卜∞Nxr”NohnInNInN—n寸rq口oNono一NnoNoNo寸△。、∞NoIno。一InNf,qn目小not"xlon一oh’寸寸△o口nNt十N一onoNo。o寸o—1o口nNn“——1—一Nnoo。nInnonohN寸Nno—oooNoNono—oNo。oaN∞fq口N—∞oN、o一ntr一noNon。om∞U、寸∞"十n∞hN口N一nNIn一00寸h口orqo一on一o口n^卜onN一∞No∞寸m卜No寸Ln—卜。nt"loNo寸o一o。趔测趔j型理测理酒趔理噬S蝮辜监芒鹾罩监基林g林圭i壬j(基林S泳S亘曾旧偻凶蠕匈督划糕{烈氍擎匈担束怅嚣^墨苫v迥斟靼晕S娶培嚣林R嶝《坦嚣谁皿§_【皿t，廿mo。N8-m琳蝼NF1。on。。。onh一m—"中寸卜∞n∞N卜Ho’寸In一r、一not"lN寸一o。oP、I"-Iao∞o目寸口卜∞—、∞t"ltn一。。’寸寸崞onoNoHo寸一o口o。。oo、⑦∞。oN卜I^口凸naNI>-No寸n卜—nN、十一o。oInNnmU、’十∞__∞。。o寸N卜o寸n一hN寸__oNo。∞o∽o一n一口寸N∞小’中∞一。noN一o甘o一o。on∞目InN∞NP、N寸’十n一、。noNo口o一o∞u、、。卜、n寸∞一NInt"l寸N。、一hNc-I—oD∞N∞ho△nrq∞N寸N口r、N一o卜lnmo∞N—寸N∞rq寸n一no卜rqNrqNon一o∞tt寸∞m∞一o—o卜NInN寸N一nmrq∞N一oE}呐In∞N∞口rq∞nfqrq∞N寸N一n口卜o“oNoNoN一o。o∞o卜m∞、十nN∞口NInNInNm一卜oNoNrqo。-_o蚓j型趔：四删蚓趔坦趔鹾S监S睦鼍匿S监基林S林g袜g林S林g星●蓉曙崔凶蜜盘擦J权餐越嫩擎枉焦匈悄蕃^＆暑v晕斟蝈甚8娶趔磊冰R旧《龃嚣婶叮6I叹t，廿呐ooN∞而秣仪鞋牛巨*，<姐崆 南昌大学硕士论文由以上各图及表5—6、表5—7可以看出，优化调度后，萍乡市各水厂出水流量经过重新分配，得到水厂出水流量和出水压力的优化值。同时，由表5—8可以看出，各监测点压力也发生了变化，大部分监测点压力都有小幅度下降。当不计一泵站药耗和水处理费用，只考虑二泵站电耗，经过一级优化调度后，2005年4月19日的电耗可节约841．28元，节约6．1012％。而且，各测压点压力也相对减小，相对减少了城市供水管网漏损率及爆管现象，节约了水资源。因此，对中小工业城市供水管网进行优化调度，可以节约能源及水资源，产生良好的经济效益和社会效益。5．4．2萍乡市各水厂水泵最优开启方案确定二级优化调度是确定各水厂水泵开启台数和型号，本文结合萍乡市各水厂水泵的具体情况(详见表5—9)，采用动态规划的方法，使全天累计费用最少，从而确定各永厂水泵开启方案。表5__9萍乡市各水厂水泵台数和型号麻山水厂五坡下水厂八号井水厂型号台数型号台数型号台数350S一44A(2用1备)300S．58A(2用1备)12JDx92用1备300S．58B(2用1备)350S一44(2用1各)300S．19A(2用1各)以麻山水厂为例，确定2005年4月19日水泵开启的优化方案。其有6台水泵，均为定速泵。根据麻山水厂一级优化调度后各时段出水流量和出水压力，经过二级优化调度，确定水泵开启方案。详见表s—lO。 南昌大学硕士论文g毙5-10麻山水厂经过一级优化调度后的出水流量和水压及麻山水厂的开启方案泵流量泵扬程时段开泵方案fm3／h)(m)0．11159．2817．93开两台300s一】9A型水泵，单泵流量为720ITl3m1．21165．4717．60开两台300S一19A型水泵，单泵流量为720m3／h2．3998．2117．50开两台300S--19A型水泵，单泵流量为720m3／h3—41080．0117．70开两厶300S--19A型水泵，单泵流量为720m3／h4．5986．0217．45开两台300S一19A型水泵，单泵流量为720in3／h5．6964．0917．55开两台300S一19A型水泵，单泵流量为720m3／h开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，6—72436．5639．00开两台300S--58B，单泵流量为684in3／h开一台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，7．82458．4339．10开两台300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，8．92403．0740"30开两台300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116ITl3／h，9．102385．1840．20开两台300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，lO．1l2379．7238．70开两台300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，11—122457．2639，70开两台300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，12．132477．1940．00开两m6300S--58B，单泵流量为684m3／h开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，13—142169．6938．87开一台300S一58B，单泵流量为6841113／h开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3m，14．151880．4025．50开一台300S--58B，单泵流量为684m3／h15—161336．8324．30开一台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h16．172146．7832．59开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h17．182240．6035-20开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h18一192185．0235．60开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／It，19．202275．0135．60开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，20．212164．6535．00开两台350s—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，21．222275．6135．OO开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，22．232080．8633．89开两台350S—44A型水泵，单泵流量为为1116m3／h，23—241626．3919．15开两台350S—44A型水泵，单泵流量为720m3／h 南昌大学硕士论文经过一级优化调度，萍乡市供水系统2005年4月19日的电耗可节约841．28元，节约6，1012％。但一级优化调度是一种理想状态，二泵站的水泵实际工作时并非完全在该状态下运行。所以，通过二级优化调度后，萍乡市三水厂在2005年4月19号的优化运行费用有所提高，为13172．49元，与经验调度相比，费用节约了616，38元，节约费用4，47％，实现良好的经济效益和社会效益。5．5枯水期萍乡市基于供水安全的城市供水管网优化调度5．5．1枯水期萍乡市水资源现状萍乡市中心城区供水水源取自湘江水系萍水河上游的南坑支流和麻山支流，各水厂取水口以上面积为783km2(按萍水河上游硖石断面、南坑支流和麻山支流水厂取水口断面以上流域面积计)，平常年份的天然日平均流量约为4m3／s，考虑河道生态环境用水后，按2．4m3／s用于城市水厂取水，则天然河道水源可保证日供水量约为20x104m3。同时，萍水河上游建有黄土开水库、南坑支流上建有坪村水库、麻山支流上建有河江水库，该三座水库合计总库容为O．4×108m3，现状向萍乡市城区年供水量为O．4198x108m3，平均日供水量为lOx104m3。平常年份，萍乡市平均日可供水量为30x104m3。在枯水期，天然日平均流量低于4m3／s，以2005年9月为例，天然日平均流量为3．4m3／s，考虑河道生态需水量1．6m3／s，每天为城市供水提供1．8m3／s，合计水量15．5x104m3，加上黄土开水库、坪村水库、河江水库三个水库的工程调节，每天能供应用水量10×104m3，再加上八号井日供应地下水0．5×104m3，每天能为中心城区提供用水量26x104m3。萍乡市日用水量约为30．3×104m3，缺水4．3×104m3，远远不能满足城市用水量的需求。应采用基于供水安全的城市供水管网优化调度，充分利用水资源，实现最大的社会效益和经济效益。在开源和节流并重的前提下，如何在城市各水源之间，各水厂之间，各管网之间进行协调运作，使得缺水对城市的影响降到最低限度。本文从系统工程的角度，根据水源、水厂处理能力、管网输水和用户需水量进行统一调度，以城市的加权缺水量最小为目标，对城市用水量进行重新分配，根据各用水用户的权重，优先保证城市居民生活用水，确保城市供水安全，并对城市供水管网进行了优化调度，实现最大的社会效益和经济效益，并确定各用户的节水系数。 南昌大学硕士论文1、模型的建立在枯水期，供水系统的优化调度目的是在现有供水设备和水源的情况下，使得供水系统尽可能的满足用户需求，以减少缺水对整个城市的影响。本文根据工业城市各用水用户的特点及需水重要程度，确定各用水用户的权重(详见表5一11)。再把城市各用水用户的权重与其缺水量进行乘积。使整个缺水期加权缺水量最小，实现最大的社会效益和经济效益。同时，根据加权缺水量最小，得出各用水用户的缺水量，在实现最大社会效益和经济效益的情况下，求出各用水用户节水率。指导城市节约用水。表5—11根据城市用水用户重要性的判断矩阵及权重生活重要一般行政商业环境用水用户权重用水工业事业用水生活用水l2340．307重要工业用水1，2l23O．217一般工业用水1／3l／21l20．144行政事业1，3l／2120．144商业用水1／41／31，21／210．094环境用水1／41／31／2l10．094加权缺水量最小的目标函数：MinZ=∑q(Q』一g．)f-1∑Q水几≤Q术源j=l∑q，茎Q《一∑Q水JIJq，sQq，≥口基本式中：Qj——城市用水用户f的日需水量g，——城市各用水用户i的日供水量58 南昌大学硕士论文Q水几——_城市第，水厂的日供水量Q水源——城市日可供水资源量5．5．2枯水期萍乡市基于供水安全的城市供水管网优化调度萍乡市是一个资源性缺水城市，水资源缺乏严重，特别是在枯水期，河流径流量减少，水资源不能满足城市用水量的需求，确定一套合理的供水调度方案，充分利用水资源，使其发挥最大的社会效益和经济效益尤为重要。l、现有的调度方案萍乡市城市供水分为以麻山水厂、五坡下水厂、八号井的萍乡市自来水公司供水、日供水约为“．5×104m3；还有各种单位自各水厂多座，合计日供水量约为18．8×104m3，水源也是萍水河及部分地下水。各水厂和单位自备水厂分散的取水，由于水资源年内分配不均匀，且水资源没有统一的调配，造成城市供水保证率低，特别是在枯水季节，水资源没有进行合理的调配，造成水资源的极大浪费，各水厂各自为政，抢占水资源，挤占河流的生态用水。且自来水公司现行的调度方案只是采用定时和限量供水方法。2、基于供水安全的的供水管网优化调度方案一、建立枯水期保证萍乡市供水安全组织机构萍乡市城市缺水，在枯水期缺水更加严重，而城市供水由自来水公司和各单位自备水厂组成，水资源不能得到合理的利用，各方矛盾严重。因此，对枯水期城市供水工作，建立枯水期保证萍乡市供水安全领导小组，办公地点设在萍乡市水务局。供水安全工作具有很强的政治性、政策性和整体协调性。因此该项工作必须由市政府集中统一领导并组织实施。二、基于供水安全的调度原则及对策1．调度原则枯水季节，在水资源出现短缺、供水紧张的情况下，首先，确保城市人民生活需要，维护社会安定为基本原则，保障人民生活供水；其次，保证城市支柱产业的重点工业用水；第三，一般工业用水和行政事业用水；第四，商业用水和环境用水。2．调度对策1、相对降低城市居民生活用水定额，由220L／d降低到200L／d． 南昌大学硕士论文2、暂停洗车、洗浴、基建用水，加大控制商业、服务业及市政建设用水。3、相应压减造纸、化工原料、医药、饮料等轻工制造业用水计划指标。4、稍微减少钢铁、烤瓷、煤炭等支柱产业的用水指标，从而提高以上企业的节水意思，促进企业节水技术改革。5、由于枯水季节河道稀释功能较弱，取水口水质变差，加大三水库向河流放水，使水质符合生活饮用水标准。6、对于自建设施供水单位，水资源分配由供水安全办公室统一调配。7、深入开展节水工作，大力推广节水器具和节水项目工程。8、启动浮动水资源价格，用经济手段控制用水量。对各用水用户，采用水价阶梯价格，控制各用户的用水量，提高城市节水量。3．基于供水安全的城市水资源分配在枯水期，城市水资源不能满足城市用水需要，以2005年9月为例，萍乡市日需水量约为30．3×104m3，而城市水资源每天只能为中心城区提供用水量26×104m3，缺水4．3×104m3，根据加权缺水量最小为目标及城市用水用户权重，对城市水资源进行分配，优先保证城市居民生活用水。(城市各用户实际需水量和通过以上措施后的供水量详见表5—12)表5—12城市各用户实际需水量和基于供水安全的分配用水量单位(104m3)生活重要一般行政事商业基建环境用水量合计用水工业业用水用水需水量7．374．9414．051．720．9580．5621．1l30．3可供水量6．704．4512．1351．3760．76600．55526减少百分9．11013．5201005014．2率(％)4．基于供水安全的城市供水管网优化调度萍乡市城区水厂多座，本文只研究自来水公司三水厂，以2005年9月23日为例，此时正是萍乡市枯水期，河流径流量少，为3．4m3／s，且为用水高峰期，符合普通枯水年份缺水情况。因此，以该日作为案例，对萍乡市进行基于供水安全的城市供水管网优化调度。该三水厂主要供应中心城区28万人口的生活用水，部分工业用水(因为萍乡市大部分企业用水都是使用自备水厂，并未使用城市供60 南昌大学硕士论文水管网供水。因此，在表5—13工业需水量很少，为1．88×104m3)、大部分行政事业用水、商业用水和大部分城市环境用水。根据表5—12，萍乡市自来水公司用水用户需水量和分配的水资源量详见表5—13。表5—13萍乡市自来水公司用水用户需水量和分配的水资源量单位(104m3)生活工业行政事商业基建环境用水量合计用水业用水用水需水量6．161．881．440．9580．5620．9211．92可供水量5．5991，62621．1520．7664O0．469．6036l、萍乡市供水管网各时段供水量分配萍乡市供水管网各时段供水量重新分配的前提条件：(1)：萍乡市现有的城市供水不能完全满足城市用水用户的需要。(2)根据表5—12，对城市水资源进行统一调配，在枯水期间，相对减少单位自各水厂的水资源供应量，增加城市供水管网的水资源供应量。本文对2005年9月2313城市各用水用户的用水量进行了重新分配。根据城市缺水状况下各水厂前段时间的运行数据，采用灰色预测模型，对城市缺水状况下各用水用户各时段的用水量进行预测。并根据缺水情况下，各时段预测用水量总数与基于供水安全的可供水量差值，对各时段用水量进行修正。萍乡市供水安全保证条件下的修正供水量详见表5一14。表014、萍乡市在供水安全保证条件下的修正供水量单位(m3／h)缺水情缺水情况供水安全保缺水情缺水情况供水安全保时间况下的下的预测证前提下的时间况下的F的预测证前提下的供水量修正值供水量修正值122742287．5042383．9251348504822．2545025．517220982238．0452332．38114430342945744475．595321142126．9822216．6361534563465．6883611．77422052252．6742347．6261636603600．0083753．044521722126．4592216．0911744564412．9734598．984621042110．0432198．9831848104620．0704814．8ll74850482I．6375024．87419491l482I．51650247488487l4901．1995107．7892045294485．2】54674．271945424721．6844920．70821447l4476，5554665．2461047394766．7344967．657224“94600．1264794．0261l474l4769，5514970．5922342094290，262447】．1011247184777．4804978，8562424832360．3842460．7242、利用枯水期水厂运行数据，根据萍乡市城市用水特点，运用编制的程序，建立24“，7～14，15～16，17～23四个时段各水厂出水压力与测压点的宏观模型。 南昌大学硕士论文各个时段宏观模型详见附录1枯水期宏观模型3、利用修正后的城市用水量、各时段宏观模型、各水厂的相关参数、代入到优化调度模型。从而得出基于供水安全的城市供水管网优化调度的各水厂各时段最优出水流量和出水压力。4、基于供水安全的城市供水管网优化调度结果分析根据中小工业城市枯水期水资源现状及城市用水用户权重，优先满足城市居民生活用水，对城市水资源进行重新分配。图5—27～图5—_29是经过优化调度前后，各水厂24小时出水压力变化盐线。图5—30～图5～34是经过优化调度程序前后，公交公司、市政府等5监测点24小时压力变化曲线。图5—35～图5—37是经过优化调度前后，各水厂24小时出水流量变化曲线。∞羔一-R崮O·52O·510·5营o·49暑0．48主0．47O·460·450．44图527麻山水厂2005—9—23日出水压力实测值和优化值12345678910ll1213141516171819202l222324时间(h)[蛩5-28,五坡下水厂。oo}。-z。日出水压力实测值和优化值『：：：；j||离刁．／＼X一一≥A5圹影影卜≯哿＼／V12345‘6789101112131415161718192021222324时间(h)铊弛舛■拍盟埔O0O 南昌大学硕士论文O·60．56，、量o，52V奋0-480·440．40·45—0．4盛三0-35蚕啪0·250．20．34O．32O．3呈0．28R0．26叫0．240．220，2图5—29、八号井2005—9—23日出水压力实测值和优化值f——实冽值{l+优化值●，，●、—●～．一．‘●／、之天二∑≮><又2p仪12345678910ll12131415161718192021222324时问(h)图5—30、公交公司2005-9—23日压力实测值和优化值——实测值+优化值|产舻#bdS；一．Z臀／曰≮兰≮△0一羔12345678910111213141516171819202l222324时间(h)图5—31、市政府2005—9—23日出水压力实测值和优化值1——实测值1；±垡垡鱼I▲人∥Y{一＼^∥、．，文√_’＼L1／、．／’>氐一．—上V髟V≮12345—6789101112131415161718192021222324时间(h) 南昌大学硕士论文0．270．25^0．23暑0．21皑0．19O．170．150．50·45：0-4弓O．35S兰0．30·250．20．240．22O．2星O．18R0．16出0．14O．120．1图5—32、开发区2005—9-23日压力实测值和优化值1——实浸4值lI+优化值l、＼入一．．，—_冬．，J、，K夥V＼／＼．^∥、／、‘／＼辽l2345678910111213141516171819202I222324时间(h)图5—33、安源新区2005—9—23日压力实测值和优化值’一实测值|+优化值—岁==铽9／L一．：；；。一一k心．√一、l23456789101l1213141516171819202l222324时间(h)一实测值图6-34、秋收广场2005—9—23日压力实测值和优化值+优化值f乡—二弋■广忒／＼n一．s＼．∥、一一V一、j：∑型l2345—6789iO1l12i31415161718i92021222324时问(h) 南昌大学硕士论文3500300022500V2000删避150010005002j002000一＼5l500蚓遥10005础煺500250220190160图5—35、麻山水厂2005-9-23日出水流量实测值和优化值l——实测值j—·一优化值i产￡==≥孓。严冬卜八Ⅳ、j。f三=．～．二_Ll234567891011121314l516171819202l222324时间(h)图5—36、五坡下水厂2005—9—23日出水流量实测值和压力值I——实测值—·一优化值产—飞心／V＼I_‘123456789101l1213141516171819202L222324时间(h)图5—37、八号井2005—9—23出水流量的实测值和优化值一实测值—·一优化值12345．678910111213141516171819202l222324时间(h) 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南昌大学硕士论文ENDlFENDIF100CONTINUEA0_)(P(M+1)DO110I=1．M110A0=A0一A(I)*XP(I)F=ABS(PMIN)*K0／RXY(M+I，M十1)IF(F<=F1)THENKl=NMINK0=K0+1ELSEF=PMAx+(K0一Df(RXYOa+I，M+1)一PMAX)IF(F<=F1+F2)THENGOTO200ELSEKI=NMAXK0=K0．1ENDlFENDIFDo120I=1．M+】DO120J=1．M+1120RX(I，J)=RXY(I，J)DO130I=I．M+1DO130J=1．M+IIF(I==K1．AND．J—KnTHENRXY(I，J)=VRX(K1，KI)GOT0130ENDIF【F(I—K1)T旺NRXY(I，J)=RX(K1，J)／RX(K1，K】)GOT0130ENDIFIF(J—K11THENRXY(I，J)一RX(I，K1)／RX(1(1，K1)GOT0130ENDIFRxY(I，J户P,X(1，J)-RX(I,-K1)+RX(K1，j)m,x晖1，K1)130CONTlNUE 南昌大学硕士论文GO。ID70200S=ODO220K=I．QNQ(K)=A0DO210J=1．M210Q(K)2A(j)+XY(K，J)+Q(K)QC(K)=(QQL(K)一Q(K))／QQL(K、+100s2s—}Qc(K)’QC(K)220CONTINUEPP=I—RXY(M+l，M+1)PP2SQRT(PP)OPEN(20，FILE=’计算结果．TXT)D01=1．MWRITE(20，+1¨第”：i，”个自变量的系数_．A(I)ENDDO!write(20，+)“”WRITE(20,*)H常数项=”，A0WRITE(20,*r复相关系数=”，PPRETLfRNENDSImROUTINEENDMODULEPRoGRAMMAINUSEDA‘rA7n甲EUSERELATIONIMPLICI丁NONEF1=0．1F2=O．1OPEN(10，FILE=’样本观测值．txt’)read(10,*)M，QNDO121．QNREAD(IO,*)(xY(I．J)，J21，M+I)ENDDOCALLZUPUEND9'