利用水力模型优化布置供水管网压力监测点

利用水力模型优化布置供水管网压力监测点

陈峰1，张蕊2，赵明3

(1. 济南水务集团有限公司，山东济南2500122. 天津三博水科技有限公司，天津300051，3. 哈尔滨工业大学市政环境工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

摘要供水管网水力模型在供水企业日益得到重视和应用。某市为提高供水安全可靠性和服务质量，同时全面掌握管网运行状态，利用水力模型优化布置压力监测点。该文利用压差相似系数法和聚类分析的方法确定压力监测点的位置。

关键词供水管网水压监测优化布置水力模型压差相似系数聚类分析

中图分类号：TU991文献标识码： B

[收稿日期]2015-06-05

[作者简介]陈峰(1975—)，男，工程师，硕士，研究方向为给水排水工程系统及优化技术。电话： 18205317785；E-mail： chenfengjn@163.com。

[通讯作者]张蕊，电话： 13998807086；E-mail： ruoshui87@126.com。

Layout Optimization of Monitoring Points for Water Supply Pressure of Distribution Network System in Application of Hydraulic Model

Chen Feng1, Zhang Rui2, Zhao Ming3

(1.Ji’nanWaterGroupCo.,Ltd.,Ji’nan250012,China;

2.TianjinSamboWaterTechnologyCo.,Ltd.,Tianjin300051,China;

3.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China)

AbstractHydraulic model for water supply pipeline network in water supply enterprise was applied increasingly. In order to improve the safety and reliability of water supply and quality of service, comprehensive monitoring points for water supply pressure of distribution network system were established by hydraulic model. Similar pressure coefficient method and cluster analysis method were used to determine position of the pressure monitoring points in this paper.

Keywordswater supply networkwater pressure monitoringlayout optimizationhydraulic modelpressure similarity coefficientclustering analysis

随着城市的发展，用水量逐年增加，合理布置供水管网压力监测点可为第一时间准确了解管网的运行状态，为优化调度、维护管理及为管网的改扩建提供分析数据，同时也可提高供水服务质量。

某市供水管网DN200以上管道铺设长度为891 km，供水面积为127.3 km2。地势变化较大，北低南高，西低东高，全市最低高程为8 m，最高高程为185.83 m，地势复杂。全市有2个水厂，9个加压泵站。加压泵站均为独立供水区域，对供水的安全性和服务性要求较高。供水管网水力模型DN200以上管道有3万根管道，现有监测管网的压力监测点35个。

1优化布置原则

布置压力监测点既要全面地反映管网的运行状态，又要考虑投资不致过多。仅凭借经验布置压力监测点，往往造成布置位置不够科学，不能完全覆盖管网的运行状态。在这种情况下，可利用水力模型制定管网压力监测点优化布置方案。根据该市的地理、管网复杂度及供水调度运行情况制定压力监测点布置方案。

目前，该市管网已布置部分的管网压力监测点，但是这些压力监测点没有完全覆盖管网的监测，不能满足管网管理的要求。所以经过调研后，制定该市的优化布置方案，布置原则从供水的管理角度和安全角度考虑。同时，考虑模型校核过程中分析出的问题，布置压力监测点。

1.1管理的角度

根据管网正常工作时的压力分布设置压力监测点，监测点要与其所代表的一群节点具有相关性、相似性。周围节点水压的变化由监测点的水压反映，同时监测点的布置要覆盖全管网。监测点获得的管网工况监测量，作为供水管网状态估计，用于供水管网的优化调度。布置压力监测点原则： 根据管网正常工作时压力分布区域布置监测点；在供水分界线处布置压力监测点。

1.2安全的角度

压力监测点的监测数据变化异常是发生管网事故的征兆。通过观察和分析监测的数据，可以判断事故的发生情况和分析事故的严重程度。布置压力监测点原则： 统计和分析历史事故检修记录数据，对经常发生事故的区域布置压力监测点；地势起伏较大处布置压力监测点。

2优化布置方案

2.1从管理的角度优化布置

调研结果显示原有的压力监测点已在主干管道、大用户、最不利点及敏感地区等布置测压点，但是仍没有完全起到对全管网监控的作用。利用水力模型分析供水管网正常工作时压力分布情况，如图1所示。图中用不同颜色表示管网中压力相近的区域，将没有覆盖压力监测点的区域用粉色方块圈中表示，并在这些区域布置压力监测点。图中深绿色菱形表示现有管网压力监测点位置，浅绿色表示厂站出厂压力监测点位置。

图1　新增压力监测点的布置区域 Fig.1　Layout of New Water Pressure Points

由图1可知选中了15个区域，选择这些区域从如下几个方面考虑：

(1) 压力相似地区周围没有压力监测点，如1、4、6、5、7、11、12、13、14、15区块。

(2) 管网最不利点，如7区块。

(3) 水力模型分析出管网压力比较低或较高，而现状管网没有压力监测点反馈给水司的管理者监控。如2区块模拟分析的压力为18 m，需要布置压力监测点监控。3区块模拟分析平均压力为57 m，该区域压力过高，若发生水源调整，压力达到60 m以上，并且经常发生爆管事故，需要布置压力监测点。

(4) 用水量新增地区是敏感区域，如9、10区块，该区块小区用水量较2014年增长14%，人口数量激增，经常发生热线投诉事件，需要布置压力监测点监控。

(5) 供水分界线处布置压力监测点，如4、6、11、12区块。4区块是P加压泵站与J加压泵站供水分界线，6区块是F加压泵站与S加压泵站供水分界线，11区块是Q水厂与B加压泵站供水分界线，12区块是Q水厂与Y水厂供水分界线。

综上所述，从管理的角度看，有15个区域需要布置压力监测点。

2.2从安全的角度优化布置

利用水力模型分析全市高程的分布情况，如图2所示，图中深绿色菱形表示现有管网压力监测点位置，浅绿色表示厂站出厂压力监测点位置。

图2　全市供水管网高程分布 Fig.2　Distribution of Elevation in City Network

全市事故位置历史统计，如图3所示。

图3　全市事故位置历史统计 Fig.3　Historical Statistics of City Accident Position

图2中不同颜色的节点表示不同的高程范围，全市最低高程为8 m，最高高程为185.83 m，地势起伏较大。

图3中红点代表全市事故位置。利用水力模型计算全市管网发生爆管率，如表1所示。

表1　管道综合爆管率

在地势变化较大的区域布置压力监测点，如图4中1-1区块、4区块和3-1区块、5-1区块、5-2区块、5-3区块和5-4区块。由表1水力模型分析可知在管道爆管率较大的管道区域布置压力监测点，如图4中2-1区块、5-1区块、5-2区块、5-3区块和5-4区块。图4中粉色方块圈中5个的区域，需要布置压力监测点。

图4　新增压力监测点的布置区域 Fig.4　Layout of New Water Pressure Points

综上所述，从安全的角度看，有8个区域需要布置压力监测点。

2.3确定压力监测点位置

2.3.1压力相似系数

为了反映管网的压力分布特点，利用两两节点的压差相似系数进行衡量，其定义如下[1]。

(1)

其中Hi、Hj—正常状态下，节点i、j的水压值；

Hmax、Hmin—正常状态下，管网中最大、最小的节点水压值；

n为节点数。

计算时，在几种典型的工况下进行管网平差，求出每一工况下的节点水压，再以其平均值或加权平均值为基础，利用上式求出所有的xij，用矩阵表示为Xn×n。

2.3.2聚类分析及压力监测点的选择

聚类原则通过比较两两节点的压差相似系数xij，将具有相似性质的若干个节点划分为一组。共包括以下四步。

(1)X的标准化

标准化就按照模糊矩阵的要求，将矩阵X的数据压缩到区间[0,1]上。需要作两种变换，首先进行X的标准差变换，对第k列元素。

(2)

再对X′进行极差变换，对第k列元素。

(3)

其余各列算法相同，最后得到由所有x″ik组成的X的标准化矩阵X″，显然0≤x″ik≤1。

(2) 建立模糊相似矩阵R

利用已标准化的压差相似系数矩阵X″，计算两两节点的相似程度系数rij，进而得到由所有rij组成的模糊相似矩阵Rn×n，采用欧氏距离法进行计算，具体如下式所示。

(i, k=1, 2, …, n)

(4)

(3) 聚类

将R元素的变化范围设为λ的取值范围，并从中选取不同的λ的取值，以编网法进行聚类分组，从而得到一系列的分组结果。用F-统计量确定λ的最佳值，并确定相应水平下的分组结果。F-统计量的计算公式如下。

(5)

(4) 压力监测点的选择

在最佳阈值λ水平下的分组结果中，从每组选取与其余各节点平均欧式距离最小的节点作为压力监测点。

2.2.3分析安装压力监测的位置

利用上述原理，确定压力监测点的位置。首先，将该区域单独建立模型，要求计算的结果与在全管网的分析结果一致，如图5所示。然后，通过计算机程序分析安装压力监测点的位置，如图6所示，图中蓝色圆点表示有5个合适的安装位置，选择其中一个位置安装压力监测点就可以满足需求。最后，根据现场的施工环境妥善安装。

图5　区域子模型 Fig.5　Regional Sub Model

图6　监测点位置计算结果 Fig.6　Results of Monitoring Point Position

3结论

(1) 按照适合该城市的优化布置原则和优化布置的方案，并根据施工条件许可，可以得出如下成果： 从管理的角度需要布置15个压力监测点，从安全的角度需要布置8个压力监测点，从兼顾管理和安全角度需要布置7个压力监测点。水司管理者可先安装这7个压力监测点。表2为从管理和安全的角度考虑需要布置压力监测点。

(2) 应用压差相似系数法解决压力监测点优化布置的方案是合理可行的。

(3) 从管理和安全的角度看，布置压力监测点能够全面监管该市管网压力运行情况。

表2　安装新增压力监测点位置

参考文献

[1] 黄廷林,丛海兵.给水管网测压点优化布置的模糊聚类法[J].中国给水排水,2001,27(11)： 50-52.