基于綜合水齡指數評價的供水管網優(yōu)化調度研究

阿依努爾·米吉提

（新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什844000）

不同的供水工況下，供水管網中用水量的分布不同，各節(jié)點水流流速不同，引起節(jié)點水齡差異。節(jié)點水齡是反映供水管網水質水量的主要指標，通常情況下，水流流速與節(jié)點水齡成反比關系，即流速越大，節(jié)點水齡越小，余氯指標濃度越大[1]。為準確反映節(jié)點水質狀況必須通過對余氯等水質指標進行反復監(jiān)測，而節(jié)點水齡需通過水力模擬便可求得。所以，為降低供水管網各節(jié)點的整體水齡，應結合水源、水泵和供水管網，進行各個水廠、泵站供水量的優(yōu)化配置，從而確定出供水系統(tǒng)可能的最優(yōu)運行規(guī)模，并通過管段水流流速、流量和流向的調整，確保管段內流速最低水平，達到控制節(jié)點水齡和余氯衰減從而達到整個供水管網水質優(yōu)化的目的。

1 供水管網優(yōu)化調度模型

1.1 節(jié)點水齡計算

節(jié)點水齡體現的是不同管路水齡的匯集，目前國內常用的計算管網節(jié)點水齡的方法是哈爾濱工業(yè)大學趙洪賓教授所提出的方法[2]，先將水源節(jié)點的水齡值設為零，由于通過節(jié)點的供水路徑不唯一，不同供水路徑產生的節(jié)點流量也不同，假定不同供水路徑的水流于節(jié)點處按權重混合，則任何管網節(jié)點的水齡應為此節(jié)點處不同供水路徑歷時的加權平均數，用下式表示:

其中:Ti為節(jié)點i的水齡，h；T0i（n）為節(jié)點i的第n條管路從水源到節(jié)點i的歷時，h；q0i（n）為第n條供水管路水量，L/s；Li為節(jié)點i上游水源供水路徑集合。

1.2 多目標優(yōu)化調度模型

為減小供水管網節(jié)點水齡，須對管網水力調度進行優(yōu)化處理，找到節(jié)點水齡最小時所對應的工況，這也是水質最佳工況。當前學術界主要根據節(jié)點水齡的絕對值指標以及節(jié)點水齡對于節(jié)點流量的加權平均數指標的取值進行管網水質狀況的判斷。然而，這種做法并不合理，管網末端由于用水量很小其節(jié)點水齡往往較大，如果一味的以權重法所得水齡為目標函數進行管網優(yōu)化[3]，則管網末端節(jié)點達不到優(yōu)化效果，而末端節(jié)點恰恰水齡大、水質差，更需要優(yōu)化調度。基于此，筆者提出通過以綜合水齡指數為目標函數，根據管網節(jié)點位置水齡值的大小將供水管網分為近水源節(jié)點、中段節(jié)點、末梢節(jié)點，并分別計算各類節(jié)點水齡對流量的加權平均數，在進行權重系數設定后得到特定工況所對應的綜合水齡指數，從而更好的基于節(jié)點水齡進行不同工況下管網水質的評價。目標函數如下:

式中:qi為節(jié)點 i對應流量，L/s；λm為系數，λ1為近水源系數，λ2為管網中段系數，λ3為管網末端系數；Sm為管段區(qū)間監(jiān)測節(jié)點的集合，S1是近水源區(qū)域，S2是管網中段區(qū)域，S3是官網末端區(qū)域。

所構建的優(yōu)化調度模型還需滿足水壓、水量等約束條件。

（1）水源日供水能力限制:

式中:Qi為水源 i供水量，L/s；Qimax為水源 i供水量最大值，L/s；Qimin為水源i供水量最小值，L/s；Hi為水源節(jié)點i供水壓力值，m；Himax為水源節(jié)點i供水壓力最大值，m，取Himax=45 m～60 m；Himin為水源節(jié)點i供水壓力最小值，取Himin=10 m。

（2）供需水量平衡限制。保證各水源供水量之和與各節(jié)點用水量之和相等，即:

式中:Q為所有水源供水量之和，L/s；qn為節(jié)點n用水量，L/s；N 為節(jié)點數量；HFj為管段 j起點的節(jié)點水頭，m；HTj為管段 j終點的節(jié)點水頭，m；hj為管段j壓降，m；M為管段數量。

所創(chuàng)建的多目標優(yōu)化調度模型中尋優(yōu)變量是取水源的供水量，計算不同工況下各個監(jiān)測節(jié)點的流量與水齡，并將取值帶入目標函數，便可進一步計算出各工況下綜合水齡指數，再找到綜合水齡指數取值所對應的最優(yōu)工況。所創(chuàng)建的多目標優(yōu)化調度模型屬于全局優(yōu)化模型，運用具有全局搜索功能的遺傳算法求解，本研究主要運用遺傳算法通過MATLAB編程[4]進行模型求解。

2 實例分析

2.1 工程概況

新疆阜康市城關鎮(zhèn)供水管網共包括548個節(jié)點，635根管段，管段總長度191741.5 m，日供水量68500 m3/d，城關鎮(zhèn)供水管網是阜康市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌管網中鄉(xiāng)鎮(zhèn)管網的主要構成部分，期主要通過市區(qū)主管網的準東路、九運街、甘泉堡、三工河等饋水節(jié)點供水。在使用優(yōu)化模型時，以上述供水節(jié)點為水源節(jié)點，接入水量上下限主要根據接入點供水能力以及歷史饋水數據進行布設，共設置12個水質監(jiān)測點。管網節(jié)點水齡難以通過設備進行直接監(jiān)測，此處采用校核的供水管網水力模型，選取2017年5月20日的實際工況進行72 h水力模擬及水齡計算。

2.2 供水管網優(yōu)化調度

針對具體的水質監(jiān)測點，通過分析具體工況下阜康市城關鎮(zhèn)供水管網壓力和水齡可以看出，城關鎮(zhèn)博峰街道辦、天山南街、準格爾路、111省道等供水管網末端區(qū)域，供水管網水齡較長。為實現供水管網末端節(jié)點水齡優(yōu)化的目標，主要采用所建優(yōu)化模型，通過MATLAB進行水齡改善。城關鎮(zhèn)供水管網優(yōu)化前后水源接入點供水量情況對比見表1，供水管網優(yōu)化前后監(jiān)測節(jié)點水齡壓力情況對比見表2。

表1 阜康市城關鎮(zhèn)供水管網優(yōu)化前后水源接入點供水量情況對比 單位:L/s

表2 阜康市城關鎮(zhèn)供水管網優(yōu)化前后監(jiān)測節(jié)點水齡壓力情況對比

由表1、表2可知，優(yōu)化前后城關鎮(zhèn)供水管網綜合水齡指數由之前的31.3156 h下降為24.6003 h，優(yōu)化程度達18.29%，改善程度明顯，通過水力調度以及各個供水節(jié)點水量的合理調配，整個供水管網綜合水質得以大幅度改善，水齡特大區(qū)域明顯減少。此外，監(jiān)測節(jié)點壓力的增加提升了供水的可靠程度，通過表2的對比還可以看出，管網優(yōu)化后壓力合格率提升，四個接水點水量接入量大幅優(yōu)化。供水管網優(yōu)化調度后，大部分節(jié)點水齡有所下降，但是下降幅度并不相同，天山南街、準格爾路和新村南路水齡下降幅度較大；博峰街道辦、城關鎮(zhèn)阜新街、鐵南村、文化路、博南路和阜康市人民醫(yī)院等區(qū)域水齡下降幅度有限；111省道監(jiān)測點水齡反而增大。根據上述監(jiān)測節(jié)點所處位置和水齡的變化可知，經過水力調度，非管網末端節(jié)點的水齡明顯降低，但是，管網末端個別節(jié)點單靠水力調度而進行的水齡改善效果十分有限。需要注意的是，城關鎮(zhèn)供水管網供水主要通過市區(qū)管網接入，水量可調節(jié)，而對于水廠數量較多的多水源管網，則還應進一步考察水廠生產能力以及供水量上、下限等問題。實踐表明，進行供水管網周期性沖洗有利于減少管道內雜物沉積，恢復管道通水能力，提升管道水流流速，有效縮短水流在管段停留的時間，控制余氯衰減，改善管網水質，所以，對于管網優(yōu)化調度效果并不明顯的管網末端節(jié)點應考慮加強管段沖洗，以減小節(jié)點水齡，提升水質。

3 結論

進行供水管網水齡分析對于評價和改善管網水質意義重大，通過研究供水管網水齡與水量的動態(tài)關系，提出管網水質綜合評價的水齡指數指標，并以新疆阜康市城關鎮(zhèn)供水管網為例，進行管網水源水量水壓優(yōu)化調度的實證研究，通過供水管網綜合水齡優(yōu)化前后情況的對比，供水管網多目標優(yōu)化調度方案能有效改善供水管網綜合水齡，達到管網最佳的運行狀態(tài)，尤其對于水量較大的節(jié)點效果明顯。但是對于管道末端水量較小的節(jié)點僅憑水力調度很難達到節(jié)點水齡改善的目的，應考慮通過沖洗管段以減小節(jié)點水齡、優(yōu)化水質。