区域供水及联合调度
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摘要：制定适合的区域供水模型对多水源的供水系统进行模拟将可以最大程度的减少供水成本，提供经济效益。
关键词：区域供水 优化调度 数学模型 新技术
Abstract: Development of the appropriate regional water supply model to simulate multiple water supply system, will be able to the greatest degree of reduction in water supply costs, and provide economic benefits.
Key word：regional water supply; optimal scheduling; mathematical; model; new technology
中图分类号：TV674 文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
1区域供水的基本概念
1.1问题的提出
水是人类生存和发展的重要物质基础，是生态环境的控制性要素，水资源的可持续利用是经济可持续发展的重要保障。我国水资源正面临少、脏、浑和生态失衡的态势，水资源短缺已成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素。
水资源是十分重要、又很特殊的自然资源，为了促进城市发展，提高人民生活水平，保障人民生命财产安全，如何经济合理地开发、利用、保护水资源，如何选择以最低的基建投资和最少的经营管理费用，满足各用户用水要求，避免重复建设，是城市给水工程规划的主要任务。
区域供水是指水源相对集中、供水范围覆盖多个区域、管网连成一片的供水系统。这种供水系统优势在于合理利用水资源，形成规模效益，提高了系统的专业性、合理性、可靠性与经济性。
1.2区域供水的必要性
目前城镇供水供求矛盾日益突出，主要反映在水质、水量和规模经济效应3个方面。
随着工业的发展和居民生活水平的提高，大量排放的污、废水严重污染了地表水，同时，工业用水量和生活用水量也大幅增长，此外，由于近些年人们乱砍乱伐造成的水体流失，用水量的增加和可用水资源的逐年减少，迫使水厂必须从较远的地方取水，大大增加了建设投资。
因此，为了利用净水厂的规模经济效应，应以集中建厂、实施区域供水为宜。
2区域供水研究的内容及方法
2.1区域供水现状
一般市区的供水由市属自来水公司和部分建制镇的自来水厂承担，对此，需要调查各个地区的供水水厂供水能力、水厂取水水源、实际供水量、服务总人口、自来水普及率等。
2.2区域总体规划
现代区域供水规划作为城市整体规划的一部分，应符合城市发展的要求。规范的供水规划产生于最近的50年，最近的相关文献表明区域供水规划更加趋于区域性、综合性。综合的区域供水规划不但要满足一定区域的供水需求，还要考虑到土地利用、人口增长、环境影响等综合因素。同时，供水规划在一定程度上对一个城市或区域的未来发展也具有重大的影响[4-5]。
2.3管网水质保障
在出厂水水质达标的情况下，供水管网水质二次污染控制是水质安全保障的重要内容。管网水质变化的影响因素有水质稳定性、消毒方式、管网中水力条件、管网运行管理、管材等。
2.4分质供水
根据对分质供水对象的研究，潜在的分质供水种类可分为城市污水再生利用、工业原水利用、雨水利用和海水利用等。
（1）污水再生利用方案。污水再生利用主要为河流景观生态用水、绿化用水、工业用水、农业用水等。根据污水处理厂布局，可在各自污水处理厂内相应建设再生水厂，供给水厂附近用水。
（2）工业原水系统方案。工业原水供给必须具备这几个条件：用户有使用原水的需求，且在一定区域内形成需求的规模效应；水源能够满足水质、水量及供水保障率的要求；用水成本较使用净化水低。
（3）雨水利用方案。在多雨地区，可以考虑使用雨水作为中水水源，某些地方可以考虑雨水处理后作为生活饮用水源。
（4）海水利用方案。对于濒海地区，海水的利用可考虑作为临海工业园区企业工业冷却补水，以及海岛利用海水淡化和海水冲厕技术来补充海岛淡水的不足。其中工业冷却补水可结合工业门类，采用海水主流冷却技术或者海水循环冷却技术。
2.5区域供水优化方案
区域供水的供水范围和水量规模一般都较大，全面实施的工程量也很大，不仅需整合现有水厂，新建、扩建区域水厂，还需铺设大量管道和建造增压泵站，投资费用昂贵。因此，区域供水工程设计时，应根据城市总体规划和各乡镇的用水需求，实事求是地对供水范围、近远期用水量标准、管线布置形式等认真分析、深入研究、统筹规划，充分利用现有供水设施，近、远期结合，而首先着眼于近期，既满足于近期用水的需求，又要适应今后远期发展的可能。
由于区域水资源系统结构复杂，影响因素众多，各部门的用水矛盾突出，研究成果以多目标和大系统优化技术为主要研究手段，在可供水量和需水量确定的条件下，建立区域有限的水资源量在各分区和用水部门间的优化配置模型，求解模型得到水量优化配置方案。
对于建立区域供水模型，首先应考虑区域范围内各用水类型的划分。在Messele Z.Ejeta和Larry W.Mays所著论文《区域供水规划及能力扩展模型》中，将用水类型包括市政用水、工业用水、水力发电用水、灌溉用水、畜牧场用水、休闲场所用水、水产业用水、环保用水还有补给水，然而，一般考虑的水资源有径流、地下水、降水、跨地区调水、回流水、排水。模型中用到的各种方程如下：
连续性方程
一个地区被划分为I个区域，划分的依据是该区域是否有至少一个导流或者回流。在每个区域里，有J个考虑因素。这种方法能够逐个区域地模拟整个地区。
为了改进连续性方程，就是通常所说的质量守恒方程，我们随机选取一个区域i ,考虑跟区域i有关的所有可能的水流和有导流或回流的点。方程表示如下：
其中：Qrkji――从区域k中的需求点j到区域i的回流量（k/=i）
Qskji――从区域k中的需求点j到区域i的回流水的渗流损失（k/=i）
Qdij――从区域到需求点j的转向流，j表示需水点（i=1,2,....,I ; j=1,2,....J)
Qdsi――i区域下游末端的流量，也就是在区域i流入引水点的径流，在这里叫做节点
Qusi――区域i上游末端的流量
n―一回流在排入主水道之前流经的最大区域数量
加上地区内上游下游末端的回流的边界条件，方程适用于所有区域。对于每个需求点，可以有如下的连续性方程。
其中：Qsij――区域i内到达节点j的沿途渗流损失
Qpij――区域i供给节点j的水量
Qlij――区域i内节点j的耗水量
同时，在各个区域，有如下连续性方程：
其中：Qbi――向区域i的调水量
Qppti――流入区域i的降雨
Qsi――区域i内的径流渗流损失
水质方程
区域供水中一个典型的水质参数是总溶解性固体（TDS）。我们以此参数作为例子改进水质方程，通常，我们可能会考虑多个参数，但这些水质方程的形式是类似的。
区域i中水的导流点的约束表达如下：
其中：Crkji――在Qrkji中的水质参数
Cdsi――在Qdsi中的水质参数
Cwi――在Qdij中的加权水质参数
假设完全混合条件下，流出节点的水质不变（Yang etal，1999)。那么，下列等式在区域i的导流点也成立。
定义Cwij为区域i内任意需水点j的加权TDS浓度，需水点j的约束条件为：
我们可以得到每个区域的类似的入流方程
假设在区域中TDS的浓度变化为线性的，平均的TDS浓度用来计算渗流损失。
径流调节
每个区域都可能有导流和泵站供水，每个区域也有可能存在到另一区域的回流水。但是，这不是实际情况，因为，一个区域的需求点不可能与另一区域的相等。引入取0或者1的参数，来管理每段管线的流量。当管线中没有流量是，参数取0；否则取1。唯一的例外，入流Qusi和Qdsi不需要这个参数，因为这是参数值总是1。使用这个参数在做敏感性分析时有好处，可以通过开启或者关闭所有不确定的设备来优化模型。
令Kdij为Qdij的参数，Kpij为Qpij，以此类推。那么，以上的连续性方程和水质方程可修改为：
额外的约束条件
除了质量平衡约束，还有考虑自然的和资源的约束。费用支出限制了泵站抽水的量。环境法规要求任何地点的TDS的水平应低于某一值。这些约束条件可以表示为：
其中：A――常数
B――常数或者泵抽水的量
C――常数或者供水中的质量参数
C（KpijQpij）――区域i中需求点j的泵的费用
目标函数
目标函数可以表示为水源在各个需水点的分配所获得的利润、成本以及由每个用户水质差所造成的损失的线性组合。我们定义P（Qdij，Qpij）为供水的利润函数（包括地表水和地下水），C（Qdij，Qpij）为成本函数，D（Cdij，Cpij）=D（Cwij）为损失，目标函数表示为净利润Z的最大值[14]：
随着社会的进步以及城市化的发展，按行政区域划分的供水模式终将不能满足人们的需求，在城市集中的区域发展多城市的协同供水可以极大地节约供水成本和基建费用。
为了实现多城市的协同供水，首先应将一个城市的供水管网与周边乡镇的小规模的供水管网联网，将乡镇小的水厂改为增压泵站。进而将城市边缘的供水管网与其他城市的供水管网联网。多城市协同供水涉及到多个水厂的联合调度，应设计好优化调度的方案，保证各水厂出水水质的统一。
2.6.1不同水库群联结方式及其特点
在水库群之间、水库与用水户之间，由于其水源补给与调剂关系、用水户与水源之间对应关系的不同，可以将水库群联结方式分为：串联方式、并联方式和混联方式[15]。
串联方式：天然入流同步性较好，上游水库的调节作用改变下游水库的入流过程。在供水方面，只有上游水库才能补充下游水库用水户需水要求。
并联方式：天然同步入流同步性较差，水文补偿调节作用明显。在供水方面，当有共同供水目标时才能发挥互相补充的作用。
混联方式：发挥入流组合的多样性，水资源调蓄能力更明显。在供水方面，有共同供水目标时，供水效益明显。
2.6.2水库群优化调度的结构模型
利用大系统分解协调技术和线性规划相结合的方法建立水库群优化调度模型，提出了2层2级结构的递阶模型[16]。
图中Mi为第i个子系统t时段的协调变量；f(Mi)为第i个子系统t时段的协调变量反馈给总体协调层的目标函数。
第1级，根据水库与用户联结关系划分的供需子系统。每个供需子系统包括水库（群）系统、输水系统及用水户系统。本级采用模拟模型将总系统下达的供水量进行模拟计算，并返回相应的目标函数值（弃水量）。
第2级，整个水库群系统。把这一级作为整个系统的平衡协调和决策级。按大系统递阶分析的关联预估原理，协调级预估各子系统的供水量，并将其分配给各子系统，各子系统按第1级模型进行模拟计算，并将求得的解（弃水量）反馈到第2级，按整个系统的优化目标修正各子系统的需水量，直到达到目标最优化（弃水量最小）为止。
2.6.3水库群优化调度的数学模型
（1）子系统数学模型
考虑到系统优化的主要目标是提高供水能力，因此将弃水量最小作为子系统优化调度的目标[17]。由于各子系统的功能（供水为主要目标）较相似，因此采用统一的数学模型，对于第i个子系统建立目标函数。
式中：mi为总系统下达给子系统i的需水量；qs(j,t)为j水库t时段弃水量；n为i子系统中水库个数。
约束条件包括水量平衡约束、水库蓄水量约束、工程供水能力约束、非负约束等。
当子系统内某时段出现多个水库能同时满足某一用水户需水时，从满足水资源需求量的角度来说，无论哪个水库供水至需水户，只要总量满足即可。但是，对于各水库的运行结果，由于不同水库当前蓄水状况及下时段的来水情况不同，则存在优先使用哪个水库的水资源问题。为确定供水优先顺序，可引进控制变量。
式中:vkong(j,t)为j水库t时刻空库容；q(j,t+1)为j水库第t+1时段的来水量。
α越小表明面临时段的产生弃水的可能性越大,应优先取用该水库的水资源。
（2）总系统数学模型
将整个水库群作为系统的第2 层即大系统协调级，这一级主要解决全系统总的需水量在各子系统间的最优分配问题。
大系统总的优化目标与子系统优化目标一致，为全系统弃水量最小，函数表达式为：
式中:mi为子系统i需水量；n为子系统个数。
约束条件有：
1)总需水量约束：各子系统需水量之和等于总系统需水量。
式中: xs为总系统需水量。
2)需水量约束：各子系统需水量不大于子系统供水能力。
3)非负约束。
3优化调度系统中的新技术
给水管网优化设计计算、水力与水质模拟、管网优化调度、信息化和智能化运行管理及信息网络构成了当前给水管网新理论与新技术研究和发展领域，以信息技术和智能化、自动化控制为目标，运用PLC、SCADA和GIS技术，构成了完整的节约能量、节省人工、减少漏损、保护水质等现代科技管理系统，形成了给水管网运行管理和优化调度领域高新技术产业方向。应用计算机技术提高给水系统管理和运行的水平越来越受到国内给水企业的普遍重视。[21]
3.1目前给水调度系统中应用的技术
3.1.1 SCADA系统
SCADA系统对于供水行业来说已遍及各个领域。从泵房、加药间到管网的监测点，甚至可以用于多个水厂的联合调度，在供水系统中具有重要的作用。SCADA 系统的功能和特点包括：
（1）集中管理，分散控制。包括就地手工控制，即通过控制箱的控制按钮进行控制；分站PLC控制，用各地的PLC分站对各站的情况进行控制，在中央控制室有故障时可以进行控制；中央控制室集中控制，对泵站、水厂以及供水管网进行综合控制。
（2）通讯能力强，系统的可扩张性和开放性强，具有丰富的画面显示功能，具有报警和保护安全处理功能，可以自动进行报表处理及远程控制；具有强大的系统组态功能，可以进行数据库的管理，绘出各个监测点的运行曲线，驱动大型模拟屏的显示。
（3）SCADA系统适用于大型系统的管理与调度，在较小的区域应用使得问题复杂化，且实际应用并不现实。所以它与别的调控方法一起使用会得到更好的效果。
SCADA的出现使得网络在供水企业内部以及供水企业之间、供水企业与其他行业之间的网络通信成为现实，在供水行业的运转效率上是个大的突破。
3.1.2 EPANET
EPANET是对城市给水管网进行仿真模拟的软件，用于计算和模拟有压管网中水压和水质变化。该模型可以模拟管道内的流态、节点的压力、水箱的水位，以及管网在不同时间段的余氯浓度。在实际应用中，可以根据已经监测的管段对整个管网进行动态模拟，对水质及水压做出正确的估计，对水厂的加药量做出合理的判断。
3.1.3 GIS
GIS（Geographic Information System，地理信息系统）是20世纪60年代中期开始发展起来的新技术，是集计算机科学、地理学、测绘遥感学、环境科学、城市科学、空间科学和管理科学及相关学科等为一体的新兴边缘学科，它不但成功地应用于测绘、制图、资源和环境等领域，而且已成为城市规划、公共设施管理、工程建设等的重要工具。
3.1.4 遗传算法
遗传算法是基于生物进化机制的全局性概率搜索算法，它抽象于生物体的进化过程，通过全面模拟自然选择和遗传机制，形成具有“ 生成和检验”特征的搜索算法，最初由美国Hollad John H 教授提出。
遗传算法是一种扩展性能极强的算法，可以利用所需解决问题的有关信息，通过对各种选择模式、遗传算子的修正和改进，对特定问题进行求解。将遗传算法应用于城市给水环状管网优化调度，具体步骤为：
（1）利用水力条件来对若干组管径值组合的合理性进行判断，得出问题域。
（2）定义管径优化问题的目标函数，确定求解变量的定义域，选择适当的编码格式，表示优化问题的解。
对于环状给水管网优化设计，以管网的经济性为求解的目标函数，即：
minZ(D) =ΣC(Di)Li
式中，Z(D)――管网费用函数；
C(D)――与管段管径D有关的费用系数；
L――管网管段长度；
i――管段编号。
按照遗传算法的基本实现技术的要求，在应用中可将管网优化的求解变量管段管径值表示成一串数据或数组的形式，即编码。依据标准管径数量的多少，通常可以将管段标准管径值用一个3位或4位的二进制字符串代替（亦可采用其他编码方式），然后根据管网管段数，组成若干位的二进制字符串来表示求解变量，形成优化问题的一个染色体。
3.2 有待发展的技术
3.2.1 ANSYS 技术在给水管网中的应用
有限元分析系统ANSYS（Analysis System）可以对各种物理场量进行分析，是目前世界范围内唯一能够融结构、热、电磁、流体、声学等于一体进行有限元分析的分析软件。
对于供水行业来说，漏损是个最重要的问题，漏损的原因比较多，但是主要的原因是管道的受压导致漏损。所以，要研究管道受压漏损的情况，需要对管流进行层流分析、湍流分析以及外部受压分析，而ANSYS是一种可以全面模拟的软件，它可以进行内流和外流分析，管道结构的动力分析，在管网设计与维护中都将会起到重要的作用。
3.2.2 Kalman 滤波理论在给水管网中的应用
现在，Kalman 滤波理论已经应用于长输管道的漏点定位，在这个基础上经过适当的数学模型加工，可以用于给水管网中漏点的监测。
具体过程是：将管道流动的过渡流模型转化为状态空间模型的描述，以管线沿程流量、压强水头为状态变量，管道进口压力和出口流量视做非线性动态系统的控制输入，进口流量和出口压力观测序列构成系统的测量向量。线性化非线性模型，用扩展的Kalman 滤波器结合双曲偏微分方程特征线数值解法估计泄漏尺寸与位置，并模拟出管道流体的压力流量过程及其沿管道的分布。在长距离输气与输油管道中，这个模型已经实际应用验证是很好的，表明此法模拟的管道流动状态很快收敛到稳定状态，并且泄漏尺寸估计与真实值相当吻合。因此引入扩展的Kalman滤波能够提高过渡流模拟管道非定常流动的准确性和跟踪能力。
3.3先进技术的有机结合
目前，自动化和网络化已经成为各大生产部门的共同特点，对于供水行业来说，不同的技术在应用中起到不同的作用。几种新技术的联合应用可以极大地提升通过图形和系统调度的功能。例如：
（1）ANSYS与AUTOCAD两种软件的结合，使得在设计中可以更好地考虑到管道的受力作用，提高给水管网的可靠性和预见性。
（2）SCADA系统与Kalman理论以及BP 神经网络相结合，可以在总体上把握漏损的情况，在最小的停水区域内对给水管道进行检修和补漏。
（3）GIS与GPS相结合，可以在调度室内外对管道、阀门进行定位、检修，最大限度地减少损失。
4结束语
区域供水是城市化进程中的重要部分，是市政供水行业未来发展的趋势。通过整合区域内的资源、经济，形成多城市协同供水联合调度的局面，使一个区域的供水得到根本性的保障，最终形成区域一体化的发展模式。
4参考文献
[1]李国青. 论区域供水与小城镇供水事业发展趋势. 安徽建筑, 2004 (5).
[2]King County Department of Natural Resources and Parks, Regional Water Supply Planning.
[3]Toby C. Teuter. A template to Enhance regional water supply planning.
[4]Southeastern Wisconsin Regional Planning Commission, Planning Report on Regional Water Supply Plan for Southeastern Wisconsin.
[5]Regional Water Supply Project Office, Clarence Valley & Coffs Harbour regional water supply planning.
[6]贺北方. 区域可供水资源优化分配的大系统优化模型[J]. 武汉水利电力学院学报，1988（5）：109-118.
[7]贺北方. 区域可供水资源优化分配与产业结构调整[J] . 郑州工学院学报，1989 （1） ：11-15.
[8]吴泽宁，蒋水心，贺北方，等. 经济区水资源优化分配的大系统多目标分解协调模型[J ] . 水能技术经济，1989 （1） ：1-6.
[9]卢华友，郭元裕. 沈佩君，等. 义乌市水资源系统分解协调决策模型研究[J ] . 水利学报. 1997 （6） ：40-47.
[10]黄强，王增发，畅建霞，等. 城市供水水源联合优化调度研究[J ] . 水利学报. 1999 （5） ：57-62.
[11]聂相田，丘林，朱普生，等. 水资源可持续利用管理不确定性分析方法及应用[M] . 郑州：黄河水利出版社，1999.
[12]辛玉探，张志君. 长春市城市水资源优化管理模型研究[J ] . 东北水利水电. 2000 （1） ：15-17.
[13]吴险峰，王丽萍. 枣庄城市复杂多水源供水优化配置模型[J ] . 武汉水利电力大学学报，2000 ，（1） ：30-32.
[14]Messele Z .Ejeta ，Larry W.Mays.Regional water supply planning and capacity expansion models
[15]叶秉如. 水利计算及水资源规划[M]. 河海大学，1995 ： 148
[16]周玉琴，王丽萍. 深圳市东部水库群联合供水调度模型探讨[J ] . 水电能源科学，2005 （4） ： 25 -28.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。