供水管网脆弱性评价及承灾能力优化研究

【摘要】：随着我国现代化进程的日益发展,城市聚集了大量人口、财富和基础设施,当遭受地震、海啸等极端破坏的情形下,会造成巨大的人员伤亡和财产损失。供水管网系统是城市生命线工程的重要组成部分,当其遭受破坏丧失供水功能时,不仅影响居民的基本生活需求,而且对于灾后重建及社会生产也会产生负面影响。因此,供水管网的安全性和可靠性是城市灾害防御能力的重要反映,评估供水管网的脆弱性,发现脆弱部分,进而对脆弱部分进行改造,对于城市的防灾减灾工作具有重要的指导意义。本文在国内外相关领域研究成果的基础上,综合应用了供水管网水力学计算方法、突变理论、复杂网络理论、聚类算法以及优化算法等,对地震作用下供水管网脆弱性分析及优化两方面的问题进行了深入的研究。主要研究内容如下:首先,脆弱性是指系统及组成要素易受到损坏或暴露的状态,脆弱性由不同层面的因素共同决定。本文从功能和结构两个角度分析了供水管网脆弱性的来源,前者选取了管网水力性能指标、组件(节点和管段)在地震作用下破坏程度指标;后者选取了组件发生相继故障的阈值、供水级数。水力性能指标以水力学基本方程为基础,应用EPANET为计算引擎求解节点水压、管段流量;组件破坏程度指标应用图论理论计算节点不连通概率,应用突变理论计算管段破坏指数;应用复杂网络理论点和边的相继故障模型计算节点和管段的阈值;应用广度优先搜索算法根据组件在管网中的影响能力求节点和管段的供水级数。其次,针对脆弱性来源因素众多且形成机理复杂的特点,应用聚类算法,以相似性为基础从脆弱性的多个维度进行剖析,将管网中的组件进行分类,然后根据聚类中心的数据特征,对各类别进行脆弱性排序。以浙江某市供水管网为例,应用了模糊c均值聚类算法对管网中的节点及管段进行分类并排序,为后续的管网抗震优化工作提供了基础,并且将模糊c均值聚类的成果与系统聚类法、K均值聚类法进行了对比计算,验证了结果的准确性。再次,在发现管网薄弱环节的基础上,进行管网优化设计。优化模型以管网管径为待优化参数;成本最小化以及管网脆弱性改善值最大化为目标函数。在两个层面上对比了优化方法的优劣:其一,遗传算法优于以正交试验法为代表的传统优化方法,后者可以看作是前者经过简化的一种特例:其二,基于Pareto最优思想的快速非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)优于基本遗传算法,后者设置适应度函数时,通常是将多个目标函数转化为单个目标函数,结果单一且易出现偏差。最后,针对遗传算法易陷入早熟收敛的缺点,利用正交表“均衡分散、整齐可比”的特点,对初始种群的生成方法进行改进,使初始种群均匀分布,尽可能覆盖解空间区域。通过随机初始种群与基于正交设计初始种群的对比,发现后者的算法性能要明显优于前者。