给水管网优化设计模型简述
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中图分类号：TU2文献标识码：A
输配水管道系统作为城市给水系统中的重要组成部分，承担着将水资源安全、可靠的输送至各类用户，同时保证输配水管网内输水量、水压的稳定。因此对给水管网系统设计进行深度优化研究，有助于提高城市给水管网系统的供水可靠性，降低供水能耗，节约管网系统的建设和运行成本。
给水管网优化设计模型是进行管网优化设计的基础，给水管网的任务是向用户按质按量供水,因此,给水管网优化设计模型必须能真实地反映管网特征和正常的供水要求。
给水管网的设计必须满足三个条件:
一是水力条件(即节点方程和环方程；
二是可靠性(即用户对流量和水压的要求)；
三是经济性(费用最省)。
由于经济性以外的其他因素较难定量评价,因此优化设计的数学模型常以经济性为目标函数,将其余的作为约束条件,据此建立目标函数和约束条件表达式,以求出最优的管径和水头损失。
给水管网优化设计问题包含了水源、管线和泵站等组成部分。为了充分发挥整个系统的功能,优化设计模型一般以年折算费用值最小为目标函数,在水力与可靠性等约束条件下,求出送水泵站的最优流量分配及扬程、最优管径。这些约束条件可表达为:
l)水力约束:满足节点流量方程和能量方程。
2)节点压力和节点流量必须满足用户的需求。
3)管段流速和管径也要满足约束条件:
Vmin
Dmin
优化模型不但要包括费用因素,而且要能包括管网的水力平衡条件和用户对水质、水量的要求，优化设计模型均与一定的求解方法相应,与当时的数学发展水平是密切相关的最早的管网优化设计模型是莫什宁及罗巴乔夫建立的适用于环状管网的优化模型。该模型以管网建造费及运行费之和作为目标函数,以水力平衡关系为约束条件。对实际管网而言,它显得过于简单,难以应用到实际工程中去,但该模型具有开创性的意义在于它首次在管网设计中引入经济观点,并巧妙地利用“资金偿还期”和“总经营费用”的概念将两种性质不相容、难以比较的费用联系起来,使管网的优化设计成为可能。
自从20 世纪70 年代以来, 大量的管网优化设计技术被相继提出。Walski( 1985) 、Walters( 1988) 以及Goulter( 1992) 在他们的论文中提出了最中肯最有发展前途的建议。Alperovit 和Shamir( 1977) 应用梯度搜索法得出给水系统中满足最小总费用的流量形式Quindryal et al( 1981) 用两阶段法设计给水管网。在优化结构中, 两阶段法在模型中的使用代表了管网优化设计模型研究的一个新阶段。在该阶段, Row ell 和Barnes 用两阶段法来确定管网布置及管道尺寸。之后, Bhave 和Larn对LPG 法中的变量进行了研究。
Morgan 和Goulter对Hardy- Cross 网络解算器和优化布置、新系统的设计及规划系统扩建结合起来。1989 年Lansey 和Mays 将一般降阶法和一个现存的给水模拟模型结合起来优化管网、估计泵站及水箱尺寸, 该法计算集中, 但在优化模型和模拟模型之间需要大量的迭代运算, 而且每一步都要考虑梯度项。1994 年Eig er et al 扩充了该法, 用广义二元论计算普通优化解的下限值。
可靠性是在可能机械损坏情况下满足需水流速的概率。研究给水系统可靠性是必不可少的。Goulter 和Coals 提出了两种定量法来评估管网可靠性。Su. et al 将一个稳定可靠的模拟模型与一个优化模型结合起来阐明基于风险性之上的管网设计。Lansey et al 使用随机约束模型进行设计, 其中包括需水量、水压力以及管道强度系数的不确定性。Bao 和Mays提出使用Monte carlo 来模拟测量系统可靠性。由于计算机的广泛使用, 建立、运行数学表达式或管网模拟型是很廉价的, 然而费用没有减少, 这主要因为在校核模型和收集数据时, 参数估计不准确, 造成模拟模型失真, 基于模拟分析之上的设计和运行决策严重出错。Kevine E. Lansry 和Chuda Basnet 精确地提出了非线性规划法来解决估计管网模型参数。在不同荷载条件下检测给水管网性能时, 估计参数相当重要。P. V.N iranjan Reddy 和K. Sridharan、P. V. Rao 研究出了基于Gauss- New ton 最小化技术的最小平方权重法(WLS) 来估计给水管网的参数, 该项研究的一个行要特点是详细考虑了参数估计中选择不同权重的影响。该法在现实生活的三个管网中得到应用。
在环状给水管网设计系统中选择优化法进行灵活量化是非常必要的。Heekyung Park 和Jon C. Liebman 把个别管道损坏引起的缺水作为测量可靠性的一种方法, 该法与管道损坏频率K、周期及其严重性相结合。在此基础上他们研究出了改变梯度的线性规划模型, 该模型控制管网中每个管网的缺水不大于指定的需水量指标。
通过以上阐述, 我们可知有许多优化模型来设计给水管网, 但是这些模型还不能用于市政水利工程, 主要是缺乏合适的包装。令人满意的模拟和优化技术应该和决策支持系统( DSS) 相结合, 才能处理大量的决策数据, 并且和现实问题结合起来, 以上这些暗示了对高效的空间数据管理及分析工具的需要, 例如地理信息系统( GIS) 。GIS 提供函数来研究开发把准确的空间信息输入到管网优化设计模型中, 并使空间分析及评估结果的输出更趋简单。如果给定参数的空间及时间变量, GIS 就会执行费用分析、管网定线和布置, 并且用有效的彩色图形显示出结果。
参考文献：
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