城市市政水利工程中地下排水管道引水調度技術研究

劉玉英

(甘肅省清水縣水務局，甘肅 清水 741400)

0 引 言

市政工程是指城市基礎設施建設項目，包括道路交通、地下管線、供水等工程。這些工程是為控制、利用和保護地表水和地下水資源與環境而建設的。與大多數水利工程相比，城市市政水利工程主要利用地下排水管網，實現城市內外水資源的交換和輸送，保證城市供水與排水的正常運行。

當地區水資源有限時，通過水利工程的建設，可以對空間上的水資源進行再優化配置，有效緩解缺水地區的水資源需求，同時也解決了缺水地區時空分布不均的問題[1]。水利引水調度是指通過管道或渠道將較豐流域的水資源調集到缺水地區，從而緩解該地區水資源短缺的一種方式。

目前，世界各地城市已基本建成調水工程，并配備了相應的調水調度技術。據不完全統計，40多個國家和地區已完成調水工程350多個，年調水量已超過5 000×108m3[2]。結合國內外調水技術的研究現狀，將水利工程引水調度技術分為常規調度技術和優化調度技術兩大類，但傳統的水調度技術在運行過程中存在調度成本高、調度風險大等問題，因此有必要對市政水利工程地下排水管道水調度技術進行進一步優化。

1 地下排水管道引水調度技術

城市市政水利工程地下排水管道引水調度，是根據水源區水庫群的運行調度原則和任務，通過水庫的調蓄運作，有目的地把富集流域的水資源輸送到受水區，從而發揮水庫的調節作用，滿足受水區的用水需求，促進水資源綜合利用[3]。以常規調度技術為基礎，通過優化設計得到一種運行框架，見圖1。

圖1 地下排水管道引水調度框圖

1.1 地下排水管道結構檢測

地下排水管網地下水在運行過程中，管網狀態隨用戶水量的變化是隨機的[4]。將一定數量的測壓點均勻分布于地下排水管網中，在某一引水時段，引水點壓力、流量與測壓點壓力之間存在以下微分關系：

(1)

式中：hi為第i個測壓點上的壓力；Qj和Hj分別為第j個泵站的流量和出水壓力；aij和bij為常數，分別為第i個測壓點對第j個泵站出水壓力和流量的敏感系數；n為流量指數。地下排水管道的基本結構可由測點位置確定[5]。

在地下排水管道的引水調度過程中，采用的調度路線必須保證管道的安全運行，因此在調度開始前必須對地下排水管網進行故障檢測。地下排水管網的故障檢測可分為表面質量檢測、裂縫檢測、承載力檢測和鋼筋腐蝕檢測。管道中每種缺陷按其缺陷程度分為輕微、中等、嚴重、重大4級[6]。相應的故障檢測和評估標準如下：

(2)

如果評價結果為輕度或中度故障時，可將該管道作為調度管道繼續使用，否則需在地下排水管網內標明該管道的狀態，取消其調度權限[7]。在式(2)中，F表示檢測到的故障指數，用式(3)求解。

F=AmFm+AjFj+AgFg

(3)

式中：Ax為不同故障類型對應的最大特征向量；Fx為被檢測排水管道的密封性、結構性及功能性故障檢測指數。

1.2 預測地下引水量

城市地下排水管網的引水量就是城市市政工程所需的水量，它主要是維持城市的正常用水，因此可以結合當地的降水量和城市的涌水量來預測引用水量。一般來講，城市的用水量在一定的周期內呈現出周期性變化的特征，這種周期性變化存在一定的規律，而周期性變化規律會受到城市經濟因素以及社會因素的制約，從而影響地下排水管道引水量的變化[8]。根據城市近一段時間內用水量數據的變化規律，結合社會、經濟等主觀因素和天氣條件等客觀因素的關系，對城鎮用水量進行預測。在引水量的預測工作中，將預測對象隨時間變化情況轉換成序列，可以表示為：

yt=F1yt-1+F2yt-2+…+Fnyt-n+θ1et-1+

…+θmet-m

(4)

式中：{yt}和{et}分別為平穩時間序列和白噪聲序列；Fn和θm為實系數，且均不為零。

對城市市政水利工程歷史引水資料進行了統計和收集，并對式(3)中序列使用的原始資料進行零平均、平穩化處理。然后分別計算自相關函數和偏自相關函數的置信度，得到相應的函數曲線，并判斷序列的階數[9]。將N/10(120/10)設定為上限，綜合這兩個函數的曲線可以得到地下水源的預測曲線，以及地下引水量在未來任意時刻的預測值。

1.3 計算地下排水管道容量

通常情況下，地下排水管道的通量與其管線的長度和截面積有關。假定所有地下排水管道的通量相同且都是圓形管道，則地下排水管道的通量可表示為：

(5)

式中：Cw和d分別為地下排水管道的外圍周長和管壁厚度；L為整個管道的長度。但在實際的地下排水管道引水調度過程中，會存在部分管線故障的情況，因此在計算過程中L的取值為實際可使用管道的長度。

此外，由于水體運動給地下排水管內壁帶來一定的壓力，為了保證排水管道的正常運行，管道的內壓必須小于其承載力的極限壓力[10]。為此需根據管路實際承載能力，計算管路的極限承載壓力值，并最終確定該段的實際承載能力。圖2為水體作用下地下排水管道的受力情況。

圖2 地下排水管道壓力示意圖

地下排水管道引水調度準則是水體荷載下的截面力乘以結構系數不得超過由結構極限破壞分析確定的截面承載力。其表示為：

(6)

其中：γi為排水管道結構重要性程度的結構系數；Sd和Rd分別為水體荷載下產生的截面力和排水管道的極限承載力。

上述兩個系數的表達式為：

(7)

式中：Fp和Fkt分別為持續荷載特征值和主要可變荷載特征值；γa、γf、γap和γfp分別為主要可變荷載結構分析系數、主要可變荷載的荷載系數、持續荷載結構分析系數和持續荷載的荷載系數；fk為地下排水管道材料強度特征值；γm和γb分別為材料系數和構件系數[11]。

將式(7)代入到式(6)中，便可以得出地下排水管道在考慮壓力情況下的最大承載力，計算調度引水量產生的壓力，并與其承載量進行對比，同時根據地下排水管道的最大承載容量，調整排水管道的實際引水量。

1.4 實現地下排水管道引水調度

通過對引水量的預測和實際承載能力的計算結果，確定地下排水管道引水調度的主要思路。第一，設置地下排水管道引水調度規則，并在調度技術應用過程中嚴格遵循設置的規則，盡量保證突發事件對供水系統造成的影響最小。第二，應按照“優先分配用水，優先滿足重要水利工程用水需求”的調度方式，設定工程的分水參數、地下水的開采利用要求、水源轉換參數，通過緊急調水量的每日調節和計算，準確而迅速地解決多水源、多工程水文補償和緊急調水量等一系列問題，使供水系統能及時得到安全供水的緊急調水量方案。圖3為具體的地下排水管道引水調度流程。

圖3 地下排水管道引水調度流程圖

地下排水系統的調水是為了實現水資源的綜合利用，最大限度地發揮水資源的多種功能。排水管道引水調度模型的建立應兼顧防洪、供水等目標[12]。以水利工程用水為例，在引水調度模型中，將其直接轉化為處理的約束條件，對各目標進行標量化處理，再設定特征權重系數，優選出調度方案。

(8)

式中：ωj為各個調度目標的特征權重系數；X(t,i,j)為時段t需水單元i在目標j上的期望值；x(t,i,j)為時段t需水單元i在目標j上的實際值。

在地下排水管道開關和閥門的協同控制下，分別計算各目標的引水調量，并結合地下排水管道能力約束，生成具體的引水調度路線，實現城市市政水利工程地下排水管道的引水調度。

2 性能測試實驗分析

為了測試設計的地下排水管道引水調度技術在城市市政水利工程中的應用效果，設計性能測試實驗，并分別從調度成本和調度風險兩個方面進行具體分析，從而反映出設計調度技術的應用優勢。

2.1 選擇城市市政水利工程項目樣本

選取某一沿海城市的一項城市市政水利工程作為實驗樣本，該工程覆蓋了該城市70%～80%的供水，涉及多個城市水庫。試驗以該工程中某水庫為基礎資料，以2008-2019年的入庫徑流資料為參考，計算時段為旬。鑒于2010年9月新建水庫上游水庫開始運行，為消除新水庫的欄蓄作用影響，對2010年9月以前的目標水庫入庫徑流數據，扣除13.4%，作為扣除新水庫的攔蓄作用影響后的統一的數據序列。經重新復核后，目標水庫的多年平均入庫徑流量為5.20×108m3，水利工程多年平均各旬入庫徑流量見圖4。

圖4 歷年市政水利工程徑流量各旬多年平均值

2.2 配置量化測試環境

為了實現地下排水管道引水調度技術應用效果的量化對比，利用計算機設備對城市市政水利工程進行量化管理，并實現引水調度的可視化，得到便于對比的量化結果。在主測計算機中安裝綜合服務平臺，并采用組件、知識圖技術，搭建地下排水管道引水調度業務服務系統，提供不同時間尺度、不同調度模型、不同調度情景的調度方案。配置的性能測試實驗運行環境見圖5。

圖5 性能測試實驗運行界面

2.3 設置地下排水管道引水調度任務

為了保證性能測試實驗結果的可信度，選擇多次實驗取平均值的方式得出量化對比實驗結果。分別設置多次引水調度任務，每次的引水調度量分別為15×104、20×104、35×104、50×104和60×104m3共5組，多個調度任務以并行的方式執行，并從實驗環境中顯示調度過程。

2.4 實驗測試過程

在實驗開始之前，首先按照設計的調度方法檢測地下排水管道結構故障情況，并輸入調度約束規則，調度規則輸入情況見圖6。

圖6 地下排水管道引水調度規則輸入

分別在3種情況下執行調度技術，并生成具體的調度方案，見圖7。

圖7 地下排水管道引水調度網絡圖

為了形成實驗對比，除設計的地下排水管道引水調度技術外，還設置了傳統調度技術和文獻[6]中提出的水資源聯合優化調度技術作為實驗的兩個對比技術。在實驗環境下，分別設置調度風險和調度成本作為量化對比指標，其中調度風險的評價分為調度路線不合理和調度監控不完善兩個部分，并最終以評分的形式表示，調度風險評分越高證明調度風險越高。

2.5 性能測試對比結果分析

2.5.1 引水調度風險評價

通過風險評價程序的運行，綜合調度路線和調度控制兩個方面，得出引水調度綜合風險評估結果，見表1。

表1 引水調度風險評價量化對比結果

從表1中可以看出，設計的引水調度方法的綜合調度風險值更低。與傳統調度方法相比，綜合調度風險評估值降低約0.32。

2.5.2 調度成本對比分析

同理，在實驗平臺中調取城市市政水利工程中地下排水管道引水調度技術的運行經濟成本，經過對比發現，傳統引水調度技術和文獻[6]提出引水調度技術的平均投入經濟成本分別為52.34和48.62萬元，而設計引水調度技術由于對調度路線進行精密的計算，因此在調度過程中投入的成本更低，僅為35.15萬元。

3 結 語

在未來城市市政水利工程中，地下排水管道引水調度的研究不能僅僅局限于調度模型的建立和優化算法的求解，而是要與實際的調水工程相銜接，以發揮工程效益。此外，在調度方式上可嵌入一個調度修正程序，能調度、配置多業務綜合集成，在適應性上可動態適應不同水利工程地下排水管道引水調度的需求變化。