城市给水管网优化运行模型的探讨

摘要：给水管网优化运行模型是为配水系统提供水泵、水池和控制阀的优化运行策略。对于我国大部分城市，多采用泵站供水形式，没有调节水池，因此相应的优化运行决策问题，就是为给定的调度时段确定系统内各泵站各定速泵开关策略及各变速泵的转速。本文对优化运行模型进行了简单的探讨，并对优化运行模型的研究方向提出了展望。

关键词：给水管网 优化运行 模型

1、课题研究的意义

城市供水是城市的命脉，随着社会、经济的发展，它面临着以下几个方面的问题[1~2]。

（1）供需矛盾激化。

（2）用户对供水安全可靠性要求的提高。

（3）供水效益亟待提高。

（4）现行管网系统的布局要求优化运行。

（5）计算机及相关技术的发展。

2、优化运行模型的提出

为解决上述给水管网系统中存在的问题，国内外众多学者进行了大量研究，提出了管网优化运行课题，目的在于为管网调度人员提供一套优化的各管网设施的运行方案。

3、国内外研究现状及水平

给水管网优化运行系统主要由三部分组成，如图1[3]所示。

随着科技水平的发展及人类对供水要求的不断提高，建立给水管网系统优化运行系统是供水行业发展的必然趋势。

1、用水量预测模型

用水量预测是优化运行决策的基础和前提，它的准确度直接影响到管网水力模型的精度，一般可分为长期预测和短期预测两大类。

2、给水管网系统水力模型

给水管网系统水力模型是优化运行决策时的水力约束条件，其准确性直接影响到优化决策方案的可靠性与实用性。近年来，国内外众多学者进行了大量研究[4]，从不同角度和不同问题的需要出发，提出了不同的给水管网系统模型。

3、优化运行决策模型

3.1 目标函数与约束条件 管网水力模型可指导城市给水管网系统的优化运行，但建立优化决策模型求解优化运行的决策变量，直接给出管网系统中各供水设施的控制参数和运行状态才是管网优化运行决策的最终目的。优化运行决策中的费用主要指电耗费用，则目标函数可表示为式(1)。

式中

T  划分时段数；

I  水泵种类数；

 第i种水泵第t时段平均出口流量；

 第i种水泵第t时段平均出口压力；

 第i种水泵效率；

 第i种水泵运行决策变量；

 第t时段单位电费。

显然，可通过减小系统水量和压力、提高水泵效率、增加水池调节容积等方式降低能耗。

3.2 寻优方式 根据决策变量的选取，可将寻优方式分为直接寻优和间接寻优。直接寻优以水泵运行策略作为决策变量，即以水泵启闭量（定速泵）或水泵转速（调速泵）作为决策变量，模型的计算结果就是计算周期内（一般为24小时）的水泵运行方式；间接寻优是以泵站出口流量或水池水位作为决策变量，计算结果是周期内各调度时段各泵站的流量分配或调度周期内水池水位的变化轨迹，之后可进行第二级寻优以确定水泵运行策略。

3.3 优化算法的选取 根据所建模型的不同，可采用不同的优化算法，目前主要采用的有动态规划法(DP)，非线性规划法(NLP)和混合离散变量法(MILP)。

在给水管网系统的优化运行问题上，国外已经作了大量研究，针对不同的给水管网系统已经提出了许多方法，各有利弊。

4、传统优化运行模型中存在的问题：

到目前为止，给水管网系统的优化运行决策模型大多建立在宏观模型之上。但是，基于微观模型的给水管网优化运行决策模型的可信性相对更高、适应能力更广，但计算时间过长。

因此，为保证优化决策方案的实用性，在目前计算机技术飞速发展，优化算法不断进步的前提下，应提出基于管网微观模型的优化运行决策模型。

5、优化运行模型的研究方向

(1)基于现代的计算机发展技术，建立运行稳定可靠并实际应用的大型给水系统的全管网优化模型，能够研究管网各个节点和管段的运行工况。

(2)除传统的以电耗、漏耗为目标的大型城市给水系统优化模型外，建立以电耗、漏耗、管网水质、供水系统的服务水平和系统可靠性等为多目标的大型城市给水系统优化模型。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看