阿依努爾·米吉提

（新疆喀什噶爾河流域管理局，新疆 喀什844000）

不同的供水工況下，供水管網(wǎng)中用水量的分布不同，各節(jié)點(diǎn)水流流速不同，引起節(jié)點(diǎn)水齡差異。節(jié)點(diǎn)水齡是反映供水管網(wǎng)水質(zhì)水量的主要指標(biāo)，通常情況下，水流流速與節(jié)點(diǎn)水齡成反比關(guān)系，即流速越大，節(jié)點(diǎn)水齡越小，余氯指標(biāo)濃度越大[1]。為準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)水質(zhì)狀況必須通過(guò)對(duì)余氯等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行反復(fù)監(jiān)測(cè)，而節(jié)點(diǎn)水齡需通過(guò)水力模擬便可求得。所以，為降低供水管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的整體水齡，應(yīng)結(jié)合水源、水泵和供水管網(wǎng)，進(jìn)行各個(gè)水廠、泵站供水量的優(yōu)化配置，從而確定出供水系統(tǒng)可能的最優(yōu)運(yùn)行規(guī)模，并通過(guò)管段水流流速、流量和流向的調(diào)整，確保管段內(nèi)流速最低水平，達(dá)到控制節(jié)點(diǎn)水齡和余氯衰減從而達(dá)到整個(gè)供水管網(wǎng)水質(zhì)優(yōu)化的目的。

1 供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 節(jié)點(diǎn)水齡計(jì)算

節(jié)點(diǎn)水齡體現(xiàn)的是不同管路水齡的匯集，目前國(guó)內(nèi)常用的計(jì)算管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水齡的方法是哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙洪賓教授所提出的方法[2]，先將水源節(jié)點(diǎn)的水齡值設(shè)為零，由于通過(guò)節(jié)點(diǎn)的供水路徑不唯一，不同供水路徑產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)流量也不同，假定不同供水路徑的水流于節(jié)點(diǎn)處按權(quán)重混合，則任何管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的水齡應(yīng)為此節(jié)點(diǎn)處不同供水路徑歷時(shí)的加權(quán)平均數(shù)，用下式表示:

其中:Ti為節(jié)點(diǎn)i的水齡，h；T0i（n）為節(jié)點(diǎn)i的第n條管路從水源到節(jié)點(diǎn)i的歷時(shí)，h；q0i（n）為第n條供水管路水量，L/s；Li為節(jié)點(diǎn)i上游水源供水路徑集合。

1.2 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型

為減小供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水齡，須對(duì)管網(wǎng)水力調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化處理，找到節(jié)點(diǎn)水齡最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的工況，這也是水質(zhì)最佳工況。當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)水齡的絕對(duì)值指標(biāo)以及節(jié)點(diǎn)水齡對(duì)于節(jié)點(diǎn)流量的加權(quán)平均數(shù)指標(biāo)的取值進(jìn)行管網(wǎng)水質(zhì)狀況的判斷。然而，這種做法并不合理，管網(wǎng)末端由于用水量很小其節(jié)點(diǎn)水齡往往較大，如果一味的以權(quán)重法所得水齡為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化[3]，則管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)達(dá)不到優(yōu)化效果，而末端節(jié)點(diǎn)恰恰水齡大、水質(zhì)差，更需要優(yōu)化調(diào)度?；诖耍P者提出通過(guò)以綜合水齡指數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置水齡值的大小將供水管網(wǎng)分為近水源節(jié)點(diǎn)、中段節(jié)點(diǎn)、末梢節(jié)點(diǎn)，并分別計(jì)算各類(lèi)節(jié)點(diǎn)水齡對(duì)流量的加權(quán)平均數(shù)，在進(jìn)行權(quán)重系數(shù)設(shè)定后得到特定工況所對(duì)應(yīng)的綜合水齡指數(shù)，從而更好的基于節(jié)點(diǎn)水齡進(jìn)行不同工況下管網(wǎng)水質(zhì)的評(píng)價(jià)。目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:qi為節(jié)點(diǎn) i對(duì)應(yīng)流量，L/s；λm為系數(shù)，λ1為近水源系數(shù)，λ2為管網(wǎng)中段系數(shù)，λ3為管網(wǎng)末端系數(shù)；Sm為管段區(qū)間監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的集合，S1是近水源區(qū)域，S2是管網(wǎng)中段區(qū)域，S3是官網(wǎng)末端區(qū)域。

所構(gòu)建的優(yōu)化調(diào)度模型還需滿(mǎn)足水壓、水量等約束條件。

（1）水源日供水能力限制:

式中:Qi為水源 i供水量，L/s；Qimax為水源 i供水量最大值，L/s；Qimin為水源i供水量最小值，L/s；Hi為水源節(jié)點(diǎn)i供水壓力值，m；Himax為水源節(jié)點(diǎn)i供水壓力最大值，m，取Himax=45 m～60 m；Himin為水源節(jié)點(diǎn)i供水壓力最小值，取Himin=10 m。

（2）供需水量平衡限制。保證各水源供水量之和與各節(jié)點(diǎn)用水量之和相等，即:

式中:Q為所有水源供水量之和，L/s；qn為節(jié)點(diǎn)n用水量，L/s；N 為節(jié)點(diǎn)數(shù)量；HFj為管段 j起點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)水頭，m；HTj為管段 j終點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)水頭，m；hj為管段j壓降，m；M為管段數(shù)量。

所創(chuàng)建的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型中尋優(yōu)變量是取水源的供水量，計(jì)算不同工況下各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的流量與水齡，并將取值帶入目標(biāo)函數(shù)，便可進(jìn)一步計(jì)算出各工況下綜合水齡指數(shù)，再找到綜合水齡指數(shù)取值所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)工況。所創(chuàng)建的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型屬于全局優(yōu)化模型，運(yùn)用具有全局搜索功能的遺傳算法求解，本研究主要運(yùn)用遺傳算法通過(guò)MATLAB編程[4]進(jìn)行模型求解。

2 實(shí)例分析

2.1 工程概況

新疆阜康市城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)共包括548個(gè)節(jié)點(diǎn)，635根管段，管段總長(zhǎng)度191741.5 m，日供水量68500 m3/d，城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)是阜康市城鄉(xiāng)統(tǒng)籌管網(wǎng)中鄉(xiāng)鎮(zhèn)管網(wǎng)的主要構(gòu)成部分，期主要通過(guò)市區(qū)主管網(wǎng)的準(zhǔn)東路、九運(yùn)街、甘泉堡、三工河等饋水節(jié)點(diǎn)供水。在使用優(yōu)化模型時(shí)，以上述供水節(jié)點(diǎn)為水源節(jié)點(diǎn)，接入水量上下限主要根據(jù)接入點(diǎn)供水能力以及歷史饋水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行布設(shè)，共設(shè)置12個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)水齡難以通過(guò)設(shè)備進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)，此處采用校核的供水管網(wǎng)水力模型，選取2017年5月20日的實(shí)際工況進(jìn)行72 h水力模擬及水齡計(jì)算。

2.2 供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度

針對(duì)具體的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)分析具體工況下阜康市城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)壓力和水齡可以看出，城關(guān)鎮(zhèn)博峰街道辦、天山南街、準(zhǔn)格爾路、111省道等供水管網(wǎng)末端區(qū)域，供水管網(wǎng)水齡較長(zhǎng)。為實(shí)現(xiàn)供水管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)水齡優(yōu)化的目標(biāo)，主要采用所建優(yōu)化模型，通過(guò)MATLAB進(jìn)行水齡改善。城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)優(yōu)化前后水源接入點(diǎn)供水量情況對(duì)比見(jiàn)表1，供水管網(wǎng)優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)水齡壓力情況對(duì)比見(jiàn)表2。

表1 阜康市城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)優(yōu)化前后水源接入點(diǎn)供水量情況對(duì)比 單位:L/s

表2 阜康市城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)優(yōu)化前后監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)水齡壓力情況對(duì)比

由表1、表2可知，優(yōu)化前后城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)綜合水齡指數(shù)由之前的31.3156 h下降為24.6003 h，優(yōu)化程度達(dá)18.29%，改善程度明顯，通過(guò)水力調(diào)度以及各個(gè)供水節(jié)點(diǎn)水量的合理調(diào)配，整個(gè)供水管網(wǎng)綜合水質(zhì)得以大幅度改善，水齡特大區(qū)域明顯減少。此外，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)壓力的增加提升了供水的可靠程度，通過(guò)表2的對(duì)比還可以看出，管網(wǎng)優(yōu)化后壓力合格率提升，四個(gè)接水點(diǎn)水量接入量大幅優(yōu)化。供水管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度后，大部分節(jié)點(diǎn)水齡有所下降，但是下降幅度并不相同，天山南街、準(zhǔn)格爾路和新村南路水齡下降幅度較大；博峰街道辦、城關(guān)鎮(zhèn)阜新街、鐵南村、文化路、博南路和阜康市人民醫(yī)院等區(qū)域水齡下降幅度有限；111省道監(jiān)測(cè)點(diǎn)水齡反而增大。根據(jù)上述監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所處位置和水齡的變化可知，經(jīng)過(guò)水力調(diào)度，非管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)的水齡明顯降低，但是，管網(wǎng)末端個(gè)別節(jié)點(diǎn)單靠水力調(diào)度而進(jìn)行的水齡改善效果十分有限。需要注意的是，城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)供水主要通過(guò)市區(qū)管網(wǎng)接入，水量可調(diào)節(jié)，而對(duì)于水廠數(shù)量較多的多水源管網(wǎng)，則還應(yīng)進(jìn)一步考察水廠生產(chǎn)能力以及供水量上、下限等問(wèn)題。實(shí)踐表明，進(jìn)行供水管網(wǎng)周期性沖洗有利于減少管道內(nèi)雜物沉積，恢復(fù)管道通水能力，提升管道水流流速，有效縮短水流在管段停留的時(shí)間，控制余氯衰減，改善管網(wǎng)水質(zhì)，所以，對(duì)于管網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度效果并不明顯的管網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)應(yīng)考慮加強(qiáng)管段沖洗，以減小節(jié)點(diǎn)水齡，提升水質(zhì)。

3 結(jié)論

進(jìn)行供水管網(wǎng)水齡分析對(duì)于評(píng)價(jià)和改善管網(wǎng)水質(zhì)意義重大，通過(guò)研究供水管網(wǎng)水齡與水量的動(dòng)態(tài)關(guān)系，提出管網(wǎng)水質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的水齡指數(shù)指標(biāo)，并以新疆阜康市城關(guān)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)為例，進(jìn)行管網(wǎng)水源水量水壓優(yōu)化調(diào)度的實(shí)證研究，通過(guò)供水管網(wǎng)綜合水齡優(yōu)化前后情況的對(duì)比，供水管網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方案能有效改善供水管網(wǎng)綜合水齡，達(dá)到管網(wǎng)最佳的運(yùn)行狀態(tài)，尤其對(duì)于水量較大的節(jié)點(diǎn)效果明顯。但是對(duì)于管道末端水量較小的節(jié)點(diǎn)僅憑水力調(diào)度很難達(dá)到節(jié)點(diǎn)水齡改善的目的，應(yīng)考慮通過(guò)沖洗管段以減小節(jié)點(diǎn)水齡、優(yōu)化水質(zhì)。