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基于压力驱动和节点能量冗余差的供水管网DMA分区研究

基于压力驱动和节点能量冗余差的供水管网DMA分区研究

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作者：张国力广东工业大学

学位级别：硕士

立足当前我国的基本国情,为早日实现全面建成小康社会的目标,“十三五”规划期间,水利部对我国自来水的普及率尤其是农村自来水普及率有了更高的目标,这一方面会促进我国供水面积以及管线长度快速上升;另一方面却忽视了供述管网系统的... 详细信息

立足当前我国的基本国情,为早日实现全面建成小康社会的目标,“十三五”规划期间,水利部对我国自来水的普及率尤其是农村自来水普及率有了更高的目标,这一方面会促进我国供水面积以及管线长度快速上升;另一方面却忽视了供述管网系统的科学布局和整体规划。主要表现为管网铺设冗余、二次污染严重、管网漏耗严重等问题。在水力建模方面,传统的水力模型又未能考虑到节点可利用水量与节点压力的动态变化关系,基于该模型下的分析结果不能代表原管网真实的运行状态。鉴于以上存在的问题,本文对传统水力模型进行了校正,结合课题组已有研究成果并改进算法,提出了基于压力驱动（PDA,Pressure-driven analysis）模型和节点能量冗余差的供水管网独立计量分区（DMA,District Metered Area）研究,并通过对两个不同规模的管网案例的研究,结果表明该方法既兼顾了区域计量又能达到有效控制管网漏失的目的。首先,建立基于压力驱动（PDA）供水管网水力计算模型。管网的水力状态模拟是整个管网设计、维护、运行、改扩建和分区管理的基础,因此,水力模型能否真实反应管网实际的运行状态,将直接关系到模拟结果的真实性甚至是正确性。本文建立压力驱动水力模型的方法是利用EPANET中扩散器（EMITTER）,该方法首先将管网中部分不满足需水量与压力关系式的节点筛选出来,并对应改变这些节点的属性,节点不再是普通的用水节点而转变成为了扩散器,扩散器扩散的流量受到该点压力的制约,运用以上节点转换原理建立起PDA模型。该模型认为扩散器扩散出的流量不仅受到该点压力的制约,同时也受到不同用水负荷时段的制约,该方法改进了传统的水力模型计算方法,提高了水压不足时管网的水力分析能力,较传统水力模型而言,该模型运行结果更接近管网的实际运行状态。其次,建立DMA分区模型（包括边界划分模型和进水管选择模型）。（1）在进行DMA边界划分时,是以相邻节点间的能量冗余差作为节点间的相似度,根据相似度的数值对管网各节点进行聚类,形成DMA分区边界。节点能量冗余差是从能量冗余角度和熵的原理出发,由管段能量方程推导而来,是从水力可靠性方面反映管网受到外界扰动后的抗故障能力,且两节点间的能量冗余差越小,其抗故障能力（又叫鲁棒性或者健壮性）越强。对样本集（管网节点）进行聚类时采用的是自适应谱聚类算法,该算法除了具备谱聚类算法可以在任何形状的样本空间上聚类的特点,且具有聚类的结果收敛于全局最优、保证类内相似度最大、类间的相似度最小等的优点外,还有一个最大的优势是在聚类前不需要提前设定类的个数,这有助于分区效率的提高。（2）在进行DMA各分区间进水管选择时,为避免因管网压力分布不均衡形成局部高压或低压区而导致发生爆管事故,在压力驱动水力模型的基础上,本着调控管网各个区内压力均衡的原则,在满足管网水力平衡条件的约束下,以分区内部各节点压力标准差为目标函数,建立DMA进水管选择模型。因各区间进水管限制在两条以内,因此可采用遍历法求解进水管选择模型,得到进水管组合方案。然后,建立基于PDA模型的供水管网DMA分区模型。供水管网基于PDA水力模型运行后,整个管网各节点的压力以及需水量（可利用流量）将会重新分布,从而管段流量也会相应发生变化,进而影响节点能量冗余差,最终影响分区的质量。这也是与传统水力模型的一个很大的区别,因此,将PDA模型合理地嵌入到DMA分区整个过程中,基于此得到的分区方案更具有参考价值。最后,为验证本文提出的DMA分区方法的合理性与实用性,将该方法应用于广东省某实际供水管网（TX镇供水管网）,通过对该镇供水管网DMA分区研究,得到了相对合理的分区方案,并对分区后的方案进行了相关指标评价,结果表明,本文的分区方法对水务企业在DMA分区方面有一定的参考意义。

关键词：压力驱动节点能量冗余差独立计量分区漏损控制自适应谱聚类

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