B市多水源供水系统一级分区和泵组优化调度控制漏失

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供水管网系统是保障城镇正常运作的重要基础设施之一,关系到人民生活、企业生产和社会发展,是紧密联系净水厂和用户的重要载体之一,在饮用水的存储、运输和调度上发挥重要作用。管网漏失问题是影响供水服务水平的重要因素,尤其随着城市扩张、水源数量增加、管网不断延伸、老城区管网老化,若水司缺少管理调度规划,会造成多水源间水量分配不协调、管网压力分布不均衡,使得漏失问题更为严重。大量水资源在输配过程中流失,不仅造成浪费,不利于水资源的可持续利用,还增加制水售水成本,制约经济社会长足发展。多水源管网作为现今普遍存在的供水系统,如何通过划分各水源供水区域,协调各水厂二泵站运行,对其进行漏失管理从而提高运行管理水平,成为亟待解决的问题。针对上述问题,本文对多水源管网漏失控制进行深入分析。首先基于管网短期需水量预测改进管网动态水力模型,为优化调度提供指导;通过研究压力驱动漏失理论,准确模拟漏失现象。然后研究一级分区理论和泵组工况多目标优化调度理论,探讨静态与动态调整相结合的方法对漏失控制的作用效果,并在B市管网应用。供水管网运行状态不仅与静态属性(管道属性和拓扑结构)相关,同时也受动态数据的影响,尤其是节点需水量。本研究分析用户实际用水量和漏失水量,从这两个方面调整微观模型,准确模拟节点用水和漏失水量。在实际用水模拟方面,提出DBSCAN-XGBoost组合预测方法,采用对噪声鲁棒空间聚类算法识别和剔除离群分布的异常用水数据,识别效果好,剔除速度快,采用XGBoost算法预测小时需水量决定系数能保持在0.9以上,充分验证组合预测方法的准确性。根据预测结果修改节点需水量,实现微观模型实际用水量的精细调节。在漏失水量方面,针对经典水力模型缺少漏失模拟的问题,本研究采用水平衡分析计算漏失水量,分析压力驱动漏失理论,计算用户节点漏失系数,并校核压力和流量数据。按照上述方法修改用户实际用水量和漏失水量,能准确模拟管网水力状态,为后续一级分区和优化调度的深入研究提供依据。静态拓扑调整立足于管网一级分区。供水管网分区的现有研究集中于自下而上的分区,对一级分区方法研究不足。为此,本文将物质浓度敏感性分析方法应用于供水管网一级分区问题,逐一调整不同水源的物质浓度,挑选节点浓度最敏感的水源。对比最小功率耗散路径分区方法,敏感性分析更能反映实际水力状态效果,各一级分区内实际用水量与设计用水量相近,并预留一定的供水能力,一级分区性能更佳。动态调整通过泵组工况多目标寻优实现。建立漏失水量、泵站电耗、平均水龄为目标函数的多目标优化模型,将约束条件按软硬约束转化为不同形式的惩罚项,用两种多目标进化算法,分别是第二代和第三代非支配排序遗传算法(Nondominated Sorting Genetic Algorithm,NSGA-II、NSGA-III)求解。采用多目标进化评价指标评价解集收敛性、多样性和广泛性,并采用优劣解距离法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)分析解集优劣性。结果显示,NSGA-III算法虽然会降低解集空间分区的多样性和广泛性,但是收敛性强于NSGA-II,寻优能力更强。对比分区前后的优化情况,发现分区后解集的贴合度大于未分区解集,证明物质浓度敏感性分区对管网运行能起到有效的改善。将B市作为上述方法的应用案例,为该市长期以来形成的运营规划不足、多水源之间不协调、漏失率居高不下等问题提供解决措施。在短期需水量预测方面,对比XGBoost和ARIMA两种模型,在一级分区上对比路径搜索和敏感性分析两种方法,在多目标优化上采用分区前后管网的多目标优化模型并分别采用NSGA-II和NSGA-III求解模型,最后评价优化算法解集。结果表明,分区后管网经NSGA-III求解可获得最优泵组运行方案,不仅能降低泵站电耗和平均水龄,节约泵站电耗更关键是获得良好的漏失水量控制效果,漏失率由原有的31.58%降低至29.35%,下降2.23%,漏失水量降低了8100.75立方米,具备指导多水源管网控制漏失的实践价值。
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