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《北京工业大学》 2011年
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分区管理模式给水管网的水力分析与模拟技术研究

刁克功  
【摘要】:随着城市化的加剧,给水管网的规模不断扩大,构造复杂度也不断提高,从而增加了运行管理的难度,如用水量计量、漏失控制、实时监控等。为了提高给水管网的管理水平,特别是减少供水产销差,国内外在一些地区进行了分区域管理模式尝试,并在近年来对这种模式的优缺点以及分区方法进行了更深入的研究。虽然大多数研究结果都肯定了分区域管理的有效性,也有越来越多的地区开始采用此种管理模式,但是该模式在实际运行管理中的应用仍存在着很大局限性,其效用尚未充分发挥。产生上述问题的主要原因如下:第一,在实际工程中,分区方案的制定仍然主要依靠工程经验,并辅助以水力模型分析,目前尚无规范且高效的技术和方法流程。第二,分区方案的设计和分区域管理模式下给水管网的水力模拟都需要使用包含管网所有要素的微观模型,此类模型的建立和校核本身就是一项非常复杂的工作,其水力计算效率也相对较低。第三,对按分区理念进行设计和改造的管网在水力特性等方面仍未开展广泛的研究,因此欠缺足够深入的认识。为了能更可靠且快捷的制定分区方案,并使其通过与水力模型更好的结合,更适用于运行管理所需的多方面要求,本文从系统科学的角度进行了相应的研究,取得的主要成果如下: 1)探索了科学的分区方法,提出了一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法。 依据复杂系统分解定理,复杂网络社区分析,以及城市形态学的相关理论,研究出了一种基于拓扑结构演化的给水管网分区方法,并依据实际工程案例验证了其可靠性。与传统的经验方法相比,此方法不但具有科学的理论依据,且实现简便快捷,分区边界的确定由计算机自动完成。 2)研究了分区管理模式下给水管网的校核方法,提出了专门服务于分区模式给水管网且基于动态场景的校核方法。 针对一种特定分区管理模式下给水管网的特性,对传统的模型校核方法进行了改良,提出了专门服务于分区模式给水管网校核的方法。此种方法在基于静态场景校核的基础上,通过全面选取一系列表征管网重要变化过程的动态场景进一步校核,不仅很大程度上提高了校核的精度和效率;更为重要的是,实现了对管网运行过程的校核,而非仅仅局限于校核管网在孤立的特定时刻的状态。此项研究表明,充分利用分区域管理模式的特点,甚至能够简化模型校核过程,提高精度和效率。 3)提出了基于分区结构的给水管网水力模拟并行计算的方法。 借鉴大规模电力网络的分块计算,依据分解协调算法,为三种最为常用的水力计算方法分别构造了在分区域管理模式下的并行计算方案,以进一步提高水力计算的效率。经实际计算验证,并行算法的准确性与收敛性都与原方法一致。此外,这一研究克服了以往单纯用数学方法分析此类问题所产生的局限性。具体表现为:分配至每个处理器的并行计算子单元都具有实际的物理意义,而且每个子单元的求解都最大程度的与所使用的水力计算方法的原有体系保持一致,从而保护了原方法自身的优势和收敛性。 4)提出根据分区模式给水管网各子系统的流量特性,选用不同的峰值流量系数的设计方法。 为了了解分区模式给水管网的水力特性,从基础设计理论与分区模式给水管网的流量特性出发,以描述管网流量特性的峰值流量系数作为线索,结合实际案例,确定了依照传统采用单一峰值流量系数设计的给水管网,在处于分区域管理模式下时,其水力特性和生命周期成本可能发生的变化。据此,为分区模式管网的设计和分区改造方案的评估提出了有意义的建议,即,在设计分区模式的给水管网时,有必要根据不同子系统的流量特性,为其选用特定的峰值流量系数。在对按传统方法设计的给水管网进行分区改造时,需要全面分析分区改造后,管网流量特性可能发生的变化,并依据模型分析确定这些变化会对管网水力特性产生的影响,并针对不同的负面影响制定具体的改善措施。
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