顧正華,周 統(tǒng),翁曉丹,申屠華斌

(1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058; 2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

原水作為保障生活生產(chǎn)的主要水源,其供水安全不僅直接影響社會(huì)穩(wěn)定,還與城市的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)。隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長(zhǎng),城市需水量持續(xù)增加,分布不均的水資源已不能滿足城市供水的需求,修建原水工程以合理調(diào)配區(qū)域內(nèi)的原水資源就成了城市發(fā)展的必經(jīng)之路,城市原水系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。城市原水系統(tǒng)指城市范圍內(nèi)未經(jīng)過(guò)工藝處理的包含多種形式的天然水資源系統(tǒng)[1],一般由4個(gè)子系統(tǒng)組成[2]:①水源子系統(tǒng),主要包括水庫(kù)、江河、湖泊、海洋等地表水源,潛水、泉水等地下水源;②取水子系統(tǒng),即原水取水泵站;③輸水子系統(tǒng),主要包括輸水管渠、輸水河道、提升泵站、調(diào)節(jié)池、調(diào)控閥門(mén)等構(gòu)件;④需水子系統(tǒng),包括水廠、工農(nóng)業(yè)、生活、城市公用事業(yè)等原水用戶。為了滿足時(shí)代發(fā)展下的供水需求,城市原水系統(tǒng)逐步形成了由多水源、多類型、多輸配水工程、多級(jí)提升設(shè)備構(gòu)成的開(kāi)放復(fù)雜系統(tǒng)[3],與以水廠為源頭的配水系統(tǒng)相互獨(dú)立,具有隨機(jī)性和周期性的特點(diǎn)[4]。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于城市原水系統(tǒng)調(diào)度的研究較為豐富,已具備相對(duì)成熟的原水系統(tǒng)模擬軟件,各類優(yōu)化算法也廣泛應(yīng)用于解決大型城市原水系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題,但準(zhǔn)確地描述城市原水系統(tǒng)調(diào)度與傳統(tǒng)水資源配置之間區(qū)別的文獻(xiàn)卻很少,也缺乏對(duì)近年來(lái)城市原水系統(tǒng)調(diào)度理論研究與實(shí)踐發(fā)展的系統(tǒng)性總結(jié)。本文從城市原水系統(tǒng)調(diào)度的理論研究、軟件開(kāi)發(fā)和工程實(shí)踐三方面對(duì)已有研究成果進(jìn)行分析、歸納和總結(jié),并指出今后的發(fā)展趨勢(shì)。

1 城市原水系統(tǒng)調(diào)度的理論研究

城市原水系統(tǒng)是城市水資源系統(tǒng)的一部分,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)于城市原水系統(tǒng)調(diào)度的含義,不同階段有不同的解釋,但現(xiàn)在一般認(rèn)為,城市原水系統(tǒng)調(diào)度是指根據(jù)城市居民生活、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境等調(diào)度需求,對(duì)城市原水系統(tǒng)中的各項(xiàng)工程設(shè)施和原水資源進(jìn)行協(xié)調(diào)、優(yōu)化和管理的過(guò)程。在城市原水系統(tǒng)調(diào)度的研究中常常出現(xiàn)與水資源配置和水庫(kù)群調(diào)度概念區(qū)分不清的問(wèn)題,但實(shí)際上城市原水系統(tǒng)調(diào)度在研究對(duì)象和研究目的上與這兩者有著較大差別。水資源配置一般是指合理分配不同區(qū)域和用水戶之間的水資源,以達(dá)到水資源可持續(xù)利用的目標(biāo)[5],廣義上來(lái)說(shuō)城市原水系統(tǒng)調(diào)度是水資源配置的一個(gè)重要組成部分。但在研究對(duì)象上,水資源配置主要以流域系統(tǒng)為對(duì)象,以流域水循環(huán)的物理過(guò)程為科學(xué)基礎(chǔ)進(jìn)行水資源總體規(guī)劃[6];城市原水系統(tǒng)調(diào)度則是在考慮流域水文特性的基礎(chǔ)上,對(duì)水源單元(河流、湖泊、地下水等)、取水單元(取水泵站、引水工程等)、輸水單元(管渠、河道等)做系統(tǒng)性分析,且就物理過(guò)程來(lái)說(shuō)城市原水系統(tǒng)中各單元間不存在循環(huán)流[3]。在研究目的上,水資源配置是在水資源天然循環(huán)基礎(chǔ)上,結(jié)合供用耗排人工側(cè)支循環(huán)來(lái)展開(kāi)滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境要求的配置工作;城市原水系統(tǒng)調(diào)度則是以城市內(nèi)的供水水質(zhì)水量保障、節(jié)水節(jié)能減耗以及緊急事件處理和應(yīng)對(duì)為目標(biāo)展開(kāi)原水調(diào)度工作。另一方面,水庫(kù)群調(diào)度一般是指對(duì)多個(gè)水庫(kù)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理,以最大限度地提高水資源利用效益的過(guò)程[7]。在研究對(duì)象上,水庫(kù)群調(diào)度是以區(qū)域內(nèi)多個(gè)水庫(kù)及之間的水利工程為對(duì)象,研究其相互關(guān)系和影響,聚焦防洪、興利和綜合利用來(lái)研究上下游水庫(kù)徑流的水力聯(lián)系和水庫(kù)庫(kù)容差異引起的防洪補(bǔ)償[8];城市原水系統(tǒng)調(diào)度則是將水庫(kù)作為原水系統(tǒng)中的一個(gè)水力單元,弱化水庫(kù)本身的防洪興利功能。在研究目的上,水庫(kù)群調(diào)度以水庫(kù)群系統(tǒng)中的防洪、發(fā)電、灌溉、供水和生態(tài)等要素為具體目標(biāo);城市原水系統(tǒng)調(diào)度則是以需水子系統(tǒng)(用戶)為主體提供滿足供水保證、節(jié)能減耗、生態(tài)環(huán)保等要求的調(diào)度方案,并不考慮防洪、航運(yùn)、輸沙等目標(biāo)。

圖1 城市原水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

城市原水系統(tǒng)調(diào)度的研究在國(guó)外始于20世紀(jì)70年代,而國(guó)內(nèi)在21世紀(jì)初才將其從水資源配置的研究中獨(dú)立出來(lái)。早期的原水調(diào)度以規(guī)則調(diào)度為主[9],通過(guò)水務(wù)管理者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定調(diào)度方案,雖能解決相對(duì)簡(jiǎn)單的原水系統(tǒng)缺水問(wèn)題,但無(wú)法勝任復(fù)雜原水系統(tǒng)的調(diào)度需要,存在發(fā)展瓶頸。此外,規(guī)則調(diào)度的調(diào)度過(guò)程對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)依賴程度高,調(diào)度決策的可靠性較差,不易于推廣應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外對(duì)城市原水系統(tǒng)調(diào)度的研究過(guò)渡到以模擬調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度為主的科學(xué)調(diào)度階段。其中模擬調(diào)度側(cè)重于運(yùn)用數(shù)理方法模擬物理化學(xué)過(guò)程,而優(yōu)化調(diào)度則是在模擬調(diào)度的基礎(chǔ)上,通過(guò)目標(biāo)函數(shù)、約束條件、決策變量等實(shí)現(xiàn)大型城市原水系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題的優(yōu)化求解。城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的決策可靠性較強(qiáng),優(yōu)化調(diào)度方法能夠推廣應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的原水系統(tǒng),但近年來(lái)城市原水系統(tǒng)越來(lái)越趨于復(fù)雜,單純基于需水預(yù)測(cè)的調(diào)度方案已不能滿足調(diào)度運(yùn)行的實(shí)際要求,因此能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和管理、定制化生成有時(shí)效性的調(diào)度方案的智能調(diào)度成了學(xué)者和水務(wù)公司廣泛研究的對(duì)象。下面對(duì)城市原水系統(tǒng)的模擬調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度和智能調(diào)度的研究進(jìn)程和研究方法做深入探討,這3種調(diào)度理論在時(shí)間軸上有所交織,充分反映了具有時(shí)代特征的原水調(diào)度實(shí)踐需求與科技發(fā)展趨勢(shì)。

1.1 城市原水系統(tǒng)模擬調(diào)度

城市原水系統(tǒng)模擬調(diào)度從水動(dòng)力學(xué)模型和水質(zhì)模型出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)建模,通過(guò)數(shù)理方法求解模型,并根據(jù)有限數(shù)目的調(diào)度運(yùn)行方式給出調(diào)度策略。例如:Eker等[10-11]在考慮泵站揚(yáng)程、管道摩擦損失和局部損失等因素的情況下對(duì)包含梯級(jí)水庫(kù)和提升泵站的供水系統(tǒng)建立模擬控制模型,對(duì)泵站流量、水庫(kù)水頭等進(jìn)行非線性耦合,采用改進(jìn)的二分法求解非線性摩擦系數(shù)方程,并通過(guò)設(shè)置液位控制器和H∞魯棒優(yōu)化來(lái)提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和魯棒性;趙璧奎等[1,12-13]采用大系統(tǒng)分散控制方法將原水系統(tǒng)分解為多個(gè)獨(dú)立控制單元,把水庫(kù)、泵站等單元概化為水源節(jié)點(diǎn),將定性控制技術(shù)引入基于水質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化基本方程的水質(zhì)水量耦合建模中,利用有向圖遍歷技術(shù)在時(shí)間和空間兩個(gè)維度上求解模型,并運(yùn)用決策樹(shù)對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行分析;王如琦等[14]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù),由達(dá)西公式和柯列勃洛克-魏特公式對(duì)原水系統(tǒng)建模,結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)事故分析提出多水源條件下原水調(diào)配方案,并根據(jù)模擬結(jié)果給出調(diào)度策略。該研究在參數(shù)校核過(guò)程中發(fā)現(xiàn)原水輸水管線中綜合當(dāng)量粗糙度不但與管道流量、流速相關(guān),還與化學(xué)藥劑濃度及溫度等因素相關(guān)。模擬調(diào)度適用于探究城市原水系統(tǒng)特定的物理化學(xué)過(guò)程,還具備能在較小時(shí)間尺度上描述調(diào)度過(guò)程的優(yōu)點(diǎn)。然而,當(dāng)應(yīng)對(duì)大型城市原水系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題時(shí),單純通過(guò)模擬調(diào)度無(wú)法針對(duì)多樣化的調(diào)度目標(biāo)給出較優(yōu)的調(diào)度策略,也難以處理隨機(jī)性較強(qiáng)的原水調(diào)度問(wèn)題,因此以科學(xué)的模擬調(diào)度為基礎(chǔ),優(yōu)化城市原水系統(tǒng)調(diào)度決策逐漸成為研究的重點(diǎn)。

1.2 城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度

針對(duì)城市原水系統(tǒng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性,國(guó)內(nèi)外大部分城市原水系統(tǒng)調(diào)度研究均采用優(yōu)化方法,其發(fā)展趨勢(shì)為由小規(guī)模原水系統(tǒng)的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題到大規(guī)模原水系統(tǒng)的多目標(biāo)決策分析。早年學(xué)者們多針對(duì)由高地水庫(kù)重力輸水和低地水源泵站輸水所組成的原水系統(tǒng)進(jìn)行研究,例如:Joeres等[15-16]假設(shè)水庫(kù)泄水量在某時(shí)段內(nèi)是庫(kù)存量的線性函數(shù),構(gòu)建了原水系統(tǒng)線性規(guī)劃模型,利用機(jī)會(huì)約束線性決策規(guī)則選擇出合適的操作策略,并通過(guò)仿真程序?qū)ζ溟L(zhǎng)期性能進(jìn)行測(cè)試;Wu[17]在運(yùn)籌學(xué)基礎(chǔ)上分別建立了確定型和隨機(jī)型線性規(guī)劃模型來(lái)評(píng)估原水系統(tǒng)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性和可靠性,運(yùn)用機(jī)會(huì)約束規(guī)劃將約束條件與概率對(duì)應(yīng)以研究調(diào)度運(yùn)行的隨機(jī)性,其主要優(yōu)點(diǎn)是在給定概率分布函數(shù)的情況下,可將隨機(jī)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等價(jià)的確定問(wèn)題;Vieira等[18-19]從環(huán)保節(jié)能角度出發(fā),在原水系統(tǒng)中引入包含風(fēng)電能源的水電機(jī)組,從日尺度分析系統(tǒng)的最佳運(yùn)行方式,以系統(tǒng)能源費(fèi)用最低為目標(biāo),對(duì)常規(guī)泵站、水庫(kù)構(gòu)成的原水系統(tǒng)進(jìn)行線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃分析,對(duì)包含風(fēng)電能源的供水系統(tǒng)分夏季和冬季進(jìn)行非線性規(guī)劃分析。

21世紀(jì)以來(lái),由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和啟發(fā)式算法不斷完善,使用遺傳算法、粒子群算法等啟發(fā)式算法解決城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題變得十分廣泛,其中尤以遺傳算法使用最多。例如:郭思元[3]采用系統(tǒng)分析方法對(duì)廈門(mén)市供水原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行研究,從空間和時(shí)間兩個(gè)維度對(duì)原水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并提出原水系統(tǒng)中長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度控制策略;鄭飛飛等[2,20]將原水系統(tǒng)調(diào)度分為豐水期和枯水期,以總費(fèi)用最小且水庫(kù)補(bǔ)水量最大為目標(biāo),從時(shí)間序列上優(yōu)化了原水系統(tǒng)補(bǔ)水過(guò)程;陳衛(wèi)等[21-22]從多水源原水系統(tǒng)一級(jí)優(yōu)化調(diào)度入手,研究了城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度模型的建立和求解問(wèn)題;陳衛(wèi)等[21]選取供需壓差、泵站電耗、制水成本和供需水量差等作為子目標(biāo)函數(shù),將多目標(biāo)決策問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)決策問(wèn)題;陶濤等[22]針對(duì)珠海市分散復(fù)雜多水源原水系統(tǒng)河庫(kù)并存、庫(kù)庫(kù)連通和汛期多雨水的特點(diǎn),通過(guò)遺傳算法求解以取水泵站能耗最小、水庫(kù)運(yùn)行末水位偏離水庫(kù)控制水位最小為目標(biāo)的一級(jí)優(yōu)化調(diào)度模型。近年來(lái),Luna等[23]考慮泵站狀態(tài)、操作成本以及二氧化碳排放,利用遺傳算法對(duì)日尺度泵站調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,并在算法種群中引入已知可行解和選擇性突變機(jī)制等知識(shí)機(jī)制來(lái)提高算法的收斂性。除了采用遺傳算法外,還有部分學(xué)者將粒子群算法應(yīng)用于城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度研究中。例如:Montalvo等[24]提出了一種自適應(yīng)框架來(lái)提高粒子群優(yōu)化算法的魯棒性,算法的參數(shù)與粒子共同進(jìn)化從而使參數(shù)的調(diào)整變得不再煩瑣。需要指出的是,城市原水系統(tǒng)調(diào)度的復(fù)雜性往往伴隨著優(yōu)化目標(biāo)的多樣性,因此多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題的研究也十分重要。Carpitella等[25]提出了一種基于多準(zhǔn)則的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題研究方法,采用模糊優(yōu)劣解距離法(fuzzy technique for order of preference by similarity to ideal solution,FTOPSIS)對(duì)非劣排序遺傳算法Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ,NSGA-Ⅱ)找到的帕累托解進(jìn)行排序,考慮了城市原水系統(tǒng)中泄漏問(wèn)題的不確定性,得到不同情景下帕累托前沿的模糊解以確定水泵控制的最優(yōu)決策方案。該方法不僅適用于解決城市原水系統(tǒng)的不確定性問(wèn)題,也為解決城市原水系統(tǒng)的多目標(biāo)問(wèn)題提供思路。

在研究?jī)?yōu)化調(diào)度問(wèn)題時(shí),目標(biāo)函數(shù)與約束條件的設(shè)立是優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵步驟,決策變量則是提出調(diào)度決策的基礎(chǔ)。表1總結(jié)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和決策變量。由表1可知,城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)多以原水系統(tǒng)運(yùn)行成本最小或部分子系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用最小來(lái)建立。水量平衡、水位約束、庫(kù)容約束是最基本的約束條件,但特定原水系統(tǒng)會(huì)根據(jù)具體情況由水務(wù)公司建立更為細(xì)化的約束要求。決策變量以水庫(kù)泄水量和泵站開(kāi)關(guān)最常見(jiàn),需在具體問(wèn)題中進(jìn)行設(shè)立。

表1 城市原水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度中的目標(biāo)函數(shù)、約束條件和決策變量發(fā)展變化

1.3 城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度

近年來(lái),隨著城市原水需水量預(yù)測(cè)方法趨于科學(xué)[32]和城市原水系統(tǒng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大,傳統(tǒng)的單一模擬調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度已無(wú)法滿足原水調(diào)度的需求,因此,以大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的智能調(diào)度技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能調(diào)度是利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、決策支持系統(tǒng)、決策指揮系統(tǒng)所組成的技術(shù)框架[22],輔以數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition,SCADA)、地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)、動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)、專家系統(tǒng)和模糊理論等對(duì)城市原水系統(tǒng)從預(yù)測(cè)到監(jiān)測(cè)到控制進(jìn)行全方位調(diào)控,其中涵蓋了城市用水預(yù)測(cè)、原水需水量預(yù)測(cè)、泵站和管線的監(jiān)控及優(yōu)化等多方面調(diào)度過(guò)程。張曄明[33]以青草沙、陳行和黃浦江這3個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水源地所形成的多水源原水系統(tǒng)為對(duì)象,從調(diào)度多級(jí)控制框架、調(diào)度系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、調(diào)度功能設(shè)計(jì)、信息安全設(shè)計(jì)等層面探討了城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度的技術(shù)要點(diǎn),提供了建立原水智能調(diào)度綜合管理平臺(tái)的思路。Pei等[34]利用界殼理論和模糊集的相似性,探討了成都城市原水安全應(yīng)急救援方法,從壓力和支撐兩個(gè)維度構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,提出了城市原水安全應(yīng)急救援控制因素的確定原則,為城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度技術(shù)中應(yīng)急調(diào)度研究提供幫助。Zhang等[35]采用BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量回歸技術(shù)(support vector regression,SVR)和長(zhǎng)短期記憶模型(long short-term memory,LSTM)3種人工智能模型,利用1982—2015年的水庫(kù)運(yùn)行歷史記錄,在月、日、小時(shí)3個(gè)時(shí)間尺度上模擬水庫(kù)運(yùn)行,給城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度提供了算法支持,改善了調(diào)度準(zhǔn)確性。

受經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)動(dòng),原水智能調(diào)度技術(shù)與原水公司關(guān)系緊密,大量應(yīng)用情景和前沿信息來(lái)源于原水公司的原水工程建設(shè),如上海城投原水有限公司提出了水量預(yù)測(cè)、原水預(yù)警、泵組尋優(yōu)、機(jī)泵控制的原水智能調(diào)度框架[36]。自2020年全球疫情爆發(fā)后,原水調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)在線檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展迅速,以青草沙原水廠為代表的原水公司采用在線監(jiān)測(cè)為主、輔以人工比對(duì)的方式,對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)化驗(yàn),并根據(jù)上游來(lái)水特點(diǎn)對(duì)水庫(kù)的藻類、嗅味等指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),定期將各項(xiàng)水質(zhì)情況上報(bào)至供水管理部門(mén)和生態(tài)環(huán)境部門(mén),確?？偮取⒓S大腸菌、生物毒性等各項(xiàng)常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)。此外,一些原水公司利用城市原水智能調(diào)度技術(shù)建立了流域協(xié)同保障工作機(jī)制,第一時(shí)間接收水文水情預(yù)警以及閘泵運(yùn)行工況信息,第一時(shí)間告知下游水廠濁度、藻類、pH值、有機(jī)物含量、加藥調(diào)整等水質(zhì)信息,及時(shí)有效地互通各水源地的水量水質(zhì)監(jiān)測(cè)及管理情況。

2 城市原水系統(tǒng)調(diào)度軟件開(kāi)發(fā)

城市原水調(diào)度的理論研究與調(diào)度軟件開(kāi)發(fā)息息相關(guān),仿真軟件、機(jī)器學(xué)習(xí)是模擬調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度和智能調(diào)度最有效的計(jì)算工具,城市原水調(diào)度研究中常用的仿真軟件有EPANET、Infoworks WS Pro、Infoworks ICM等,其計(jì)算機(jī)制和特點(diǎn)各不相同。此外,城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度需要科學(xué)統(tǒng)籌全局的取用水,云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展,為原水的智慧化運(yùn)營(yíng)提供了理論和技術(shù)支撐,現(xiàn)階段原水供應(yīng)的調(diào)度方式以人工經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)度管理,導(dǎo)致運(yùn)行效率低,運(yùn)營(yíng)成本高,預(yù)警監(jiān)測(cè)大多由人工完成,對(duì)異常情況反應(yīng)力極低,極大影響生產(chǎn),因此開(kāi)發(fā)以決策支持系統(tǒng)為主的城市原水系統(tǒng)調(diào)度軟件就顯得十分重要。

2.1 城市原水系統(tǒng)的仿真軟件

城市原水系統(tǒng)調(diào)度研究中的仿真軟件以美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的開(kāi)源供水管網(wǎng)模擬軟件EPANET最為常見(jiàn)。EPANET應(yīng)用廣泛,且適用于線性規(guī)劃和非線性規(guī)劃問(wèn)題的求解。Vieira等[18]將優(yōu)化模型中的優(yōu)化規(guī)則直接在EPANET軟件中實(shí)現(xiàn),并以EPANET為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一個(gè)集成的軟件工具以評(píng)估優(yōu)化結(jié)果。紀(jì)昌明等[37]在Visual Studio 2008環(huán)境下將MapX控件與SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫(kù)相整合,開(kāi)發(fā)了深圳市原水調(diào)度系統(tǒng)的GIS實(shí)時(shí)監(jiān)視圖功能模塊,該模塊可實(shí)現(xiàn)鷹眼導(dǎo)航、專題地圖、交互查詢和無(wú)級(jí)漫游等可視化功能,使原水系統(tǒng)調(diào)度仿真更加直觀,也增強(qiáng)了仿真軟件的數(shù)據(jù)更新和空間分析能力。趙璧奎等[38]通過(guò)對(duì)原水系統(tǒng)進(jìn)行概念化分析提出由點(diǎn)、線、面基本元素構(gòu)成的原水系統(tǒng)概念化模型,針對(duì)原水系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、拓?fù)潢P(guān)系還原、優(yōu)化模擬和接口函數(shù)擴(kuò)展設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問(wèn)題,運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了深圳市原水系統(tǒng)調(diào)度管理系統(tǒng)仿真模型庫(kù)及用戶交互界面。王如琦等[14,39]將Infoworks WS Pro和Infoworks ICM這兩種軟件引入城市原水系統(tǒng)的研究中,用于模擬上海城市原水系統(tǒng),比較這兩種軟件在模擬大型城市原水系統(tǒng)的優(yōu)劣;通過(guò)采用兩種軟件的不同糙率模型,對(duì)不同坡度及管底標(biāo)高的微觀模型進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明對(duì)于無(wú)精細(xì)管道數(shù)據(jù)的原水系統(tǒng),推薦采用WS Pro模型的CW糙率模型,對(duì)于有詳細(xì)管網(wǎng)數(shù)據(jù)的原水系統(tǒng),推薦采用ICM的N糙率模型。綜上所述,雖然城市原水系統(tǒng)調(diào)度研究中以EPANET居多,但水力仿真軟件并不局限于此。

2.2 城市原水調(diào)度的決策支持系統(tǒng)

隨著城市原水系統(tǒng)的仿真軟件逐漸完善,原水調(diào)度領(lǐng)域內(nèi)決策支持系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。Palmer等[40]開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于協(xié)助干旱決策的決策支持系統(tǒng),集成了專家系統(tǒng)、線性規(guī)劃模型、數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等多種編程技術(shù),并根據(jù)西雅圖水務(wù)局管理人員的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建專家系統(tǒng)的規(guī)則庫(kù);該決策支持系統(tǒng)的線性規(guī)劃模型可以確定1987年西雅圖旱災(zāi)條件下原水系統(tǒng)的水量情況和最優(yōu)調(diào)度策略,但無(wú)法為未來(lái)發(fā)生的干旱事件提供決策。Wang等[41]設(shè)計(jì)了基于水力模型的應(yīng)急調(diào)度決策支持系統(tǒng),用以消除多水源原水系統(tǒng)上游突發(fā)污染事件的影響;該決策支持系統(tǒng)包括水質(zhì)預(yù)測(cè)、系統(tǒng)安全評(píng)估、應(yīng)急策略推理和調(diào)度優(yōu)化4個(gè)功能模塊;其工作流程是先在給定污染信息的條件下,計(jì)算特定截面上的水質(zhì)變化,然后利用第一個(gè)模塊的輸出對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的安全性進(jìn)行綜合評(píng)估,同時(shí)考慮到污染的影響和系統(tǒng)容量,當(dāng)污染嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性時(shí),采用基于模糊邏輯的推理模塊生成包括技術(shù)措施在內(nèi)的合理策略。原水調(diào)度決策支持系統(tǒng)的研究為原水智能調(diào)度提供了軟件支撐,而想要進(jìn)一步豐富城市原水系統(tǒng)調(diào)度軟件的功能模塊,則離不開(kāi)仿真軟件、決策支持系統(tǒng)、SCADA、GIS的集成應(yīng)用[33]。

3 城市原水系統(tǒng)調(diào)度工程實(shí)踐案例

3.1 上海市原水系統(tǒng)調(diào)度工程

上海城市原水系統(tǒng)規(guī)模龐大,共有四大子原水系統(tǒng)[42]:黃浦江上游金澤原水系統(tǒng)、長(zhǎng)江青草沙原水系統(tǒng)、長(zhǎng)江陳行原水系統(tǒng)以及長(zhǎng)江東風(fēng)西沙原水系統(tǒng)。朱雪明等[43]以科學(xué)調(diào)度、安全輸水為基本點(diǎn),系統(tǒng)地考慮了青草沙水源地原水工程的特點(diǎn)以及調(diào)度所涉及的各類因素,建立了由SCADA、GIS、動(dòng)態(tài)仿真和水力學(xué)模型系統(tǒng)、決策支持與專家調(diào)度系統(tǒng)、調(diào)度運(yùn)行管理系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度視頻系統(tǒng)、語(yǔ)音調(diào)度系統(tǒng)、全球廣域網(wǎng)等組成的一體化信息管理平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)調(diào)度的科學(xué)性、預(yù)測(cè)性和時(shí)效性,達(dá)到在滿足社會(huì)需求前提下,合理利用水資源、減少能耗、降低輸水成本的目的。張曄明[33]所介紹的上海市中心城區(qū)原水供應(yīng)調(diào)度系統(tǒng)在通過(guò)了調(diào)試切換、調(diào)度運(yùn)行、保高峰、抗咸潮等工況的考驗(yàn)后形成了“兩江并舉、多源互補(bǔ)”的供應(yīng)格局,青草沙、黃浦江、陳行三大子原水系統(tǒng)的服務(wù)壓力合格率可達(dá)99.53%,其中嚴(yán)橋支線、凌橋支線的電基數(shù)較原計(jì)算運(yùn)行電基數(shù)大幅下降。Huang等[44]針對(duì)上海金山-黃浦江原水工程,基于流體力學(xué)建立了泵站優(yōu)化運(yùn)行的計(jì)算模型,模型中考慮了泵站運(yùn)行方式和初始水位下的清水箱對(duì)泵站耗電量的影響,利用該優(yōu)化計(jì)算模型,可以保證在泵機(jī)組能量充能大大降低的情況下,滿足泵送能力相同的運(yùn)行需求,達(dá)到節(jié)能的目的;同時(shí)使用變速泵可以降低水泵機(jī)組的用電消耗,較大提高抽水站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 珠海市原水系統(tǒng)調(diào)度工程

夏禹等[45]以珠海市原水系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過(guò)EPANET建立珠海原水系統(tǒng)水力微觀模型,分析原水系統(tǒng)中水庫(kù)的實(shí)際應(yīng)急能力和不同工況下主力取水泵站的最大取水能力,并對(duì)可能的突發(fā)情況進(jìn)行分類,然后從調(diào)度的角度針對(duì)不同的突發(fā)事件制定了應(yīng)急預(yù)案,提高了調(diào)度預(yù)案的可操作性和準(zhǔn)確性,同時(shí)也能幫助調(diào)度人員及時(shí)了解應(yīng)急狀態(tài)下整個(gè)原水系統(tǒng)現(xiàn)狀,為調(diào)度者的決策提供理論依據(jù)。Wang等[41]設(shè)計(jì)了基于水力模型的應(yīng)急調(diào)度決策支持系統(tǒng),以珠海市這一南方沿海城市的咸潮期為例,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性;通過(guò)情景分析,證明了該決策支持系統(tǒng)工具有助于水務(wù)公司快速有效地應(yīng)對(duì)突發(fā)污染事件的應(yīng)急調(diào)度。綜上,對(duì)于以珠海原水系統(tǒng)為代表的城市原水系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)度問(wèn)題,構(gòu)建應(yīng)急調(diào)度預(yù)案庫(kù)是最常見(jiàn)的解決途徑,決策支持系統(tǒng)在應(yīng)急調(diào)度中的應(yīng)用前景十分廣闊,將會(huì)成為未來(lái)研究的熱點(diǎn)。

3.3 國(guó)外城市原水系統(tǒng)調(diào)度工程

以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于城市原水系統(tǒng)調(diào)度的研究起步較早,在20世紀(jì)末便有了相對(duì)成熟的原水調(diào)度理論,建設(shè)了大量的原水調(diào)度工程,但其工程規(guī)模并不龐大。如美國(guó)馬里蘭州的巴爾的摩原水系統(tǒng)[15-16]和華盛頓州的西雅圖原水系統(tǒng)[40],均是由若干不同高程的水庫(kù)和流域水源構(gòu)成的原水系統(tǒng),其調(diào)度工程規(guī)模小且受流域水文因素影響較大,其調(diào)度成效也受氣候和魚(yú)類活動(dòng)限制。由于20世紀(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用并不廣泛,調(diào)度工程中決策規(guī)劃是暫時(shí)制定的,所有機(jī)構(gòu)只能獲得數(shù)量有限的數(shù)據(jù);此外,發(fā)達(dá)國(guó)家的資本主義制度特點(diǎn)導(dǎo)致水務(wù)領(lǐng)域各機(jī)構(gòu)相互制衡的現(xiàn)象比較嚴(yán)重,決策的確切影響往往不為人知。而近10年美國(guó)逐漸將城市飲用水保護(hù)工作的重點(diǎn)由水廠擴(kuò)展至水源地[42],如美國(guó)紐約市已發(fā)展為一個(gè)多水源地城市,紐約原水調(diào)度工程規(guī)模相對(duì)較大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng),這不僅依托于智能調(diào)度技術(shù),也得益于其長(zhǎng)期建造的完整備用供水設(shè)施。國(guó)際上一些中小國(guó)家的城市原水系統(tǒng)調(diào)度工程側(cè)重于對(duì)水泵或水庫(kù)的單一控制優(yōu)化,其原因可能是城市規(guī)模小,原水系統(tǒng)復(fù)雜程度低,針對(duì)單一水力要素作優(yōu)化的效益也較為顯著。如Eker等[10]對(duì)土耳其加濟(jì)安泰普原水調(diào)度工程水泵機(jī)組采用最優(yōu)魯棒控制法對(duì)輸水進(jìn)行控制,有效改善了供水運(yùn)行。Oh等[46]在韓國(guó)城鎮(zhèn)原水調(diào)度工程中,利用水溫傳感器和實(shí)時(shí)水泵效率監(jiān)測(cè)優(yōu)化水泵調(diào)度,來(lái)減少碳排放和能源消耗。Kowalik等[47]在波蘭城鎮(zhèn)原水調(diào)度工程中,將二元線性規(guī)劃應(yīng)用在水泵調(diào)度上,基本達(dá)到了電力成本最小化目標(biāo)。

4 研究展望

原水系統(tǒng)人工調(diào)度這一傳統(tǒng)調(diào)度方式雖能一定程度上滿足小型城市的供水需求,但在原水系統(tǒng)趨于復(fù)雜的今天已難以在保證水質(zhì)水量的前提下控制供水成本并評(píng)估運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。以目前城市原水系統(tǒng)調(diào)度理論研究、軟件開(kāi)發(fā)為基礎(chǔ),對(duì)工程案例作出具體分析,可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)的研究方向主要有4個(gè)方面:

a.加強(qiáng)城市原水系統(tǒng)智能調(diào)度理論研究,構(gòu)建適用面廣、可操作性強(qiáng)的城市原水智能調(diào)度系統(tǒng)。開(kāi)展城市原水系統(tǒng)一體化智能調(diào)度模型研究,整合SCADA、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等監(jiān)測(cè)技術(shù)構(gòu)建智能監(jiān)測(cè)模塊,整合仿真軟件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)、拓?fù)潢P(guān)系還原、水力水質(zhì)耦合計(jì)算等仿真技術(shù)構(gòu)建動(dòng)態(tài)仿真模塊,整合機(jī)器學(xué)習(xí)、優(yōu)化算法、專家系統(tǒng)等調(diào)度方法構(gòu)建實(shí)時(shí)調(diào)度模塊。建立集成式的城市原水智能調(diào)度系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)原水供應(yīng)的全面監(jiān)控和管理,降低供水成本與風(fēng)險(xiǎn)。

b.提高城市原水系統(tǒng)調(diào)度目標(biāo)的預(yù)測(cè)精度與時(shí)效性。采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)獲取多維數(shù)據(jù),自動(dòng)化識(shí)別數(shù)據(jù)異常和系統(tǒng)故障維護(hù),提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。采用改進(jìn)的人工智能算法優(yōu)化預(yù)測(cè)模型,提高預(yù)測(cè)精度和魯棒性。利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)處理原水系統(tǒng)數(shù)據(jù)并應(yīng)用于調(diào)度決策,以確保時(shí)效性。

c.建立科學(xué)的城市原水系統(tǒng)應(yīng)急調(diào)度預(yù)案庫(kù)。利用系統(tǒng)建模和仿真技術(shù),模擬城市原水系統(tǒng)可能遇到的事故情景,評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)能力,并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化應(yīng)急預(yù)案,同時(shí)也需考慮研究法律和社會(huì)因素。在原水調(diào)度工程實(shí)踐環(huán)節(jié)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)、數(shù)字孿生技術(shù)提高應(yīng)急人員培訓(xùn)效果。

d.形成滿足生態(tài)與發(fā)展需求的城市原水系統(tǒng)調(diào)度評(píng)價(jià)體系。研究不同調(diào)度方式對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的影響,開(kāi)發(fā)評(píng)價(jià)模型量化經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)保護(hù)的權(quán)重,研究生態(tài)環(huán)境的潛在風(fēng)險(xiǎn),并形成可持續(xù)性調(diào)度指標(biāo),建立城市原水系統(tǒng)調(diào)度綜合評(píng)價(jià)體系。