多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法研究

潘 沁

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都）

引言

隨著城市城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，供水管網(wǎng)已成為城市基礎(chǔ)設(shè)施的主要部分，其規(guī)模和復(fù)雜性也在不斷增長(zhǎng)。為了保證供水管網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問(wèn)題，實(shí)施有效的監(jiān)測(cè)變得越來(lái)越重要[1]。如何在如此大規(guī)模且復(fù)雜的供水管網(wǎng)系統(tǒng)中合理選擇監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法的研究旨在解決這一問(wèn)題。該研究綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)優(yōu)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)和地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科知識(shí)，深入探討監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇問(wèn)題，以提高監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性。在現(xiàn)有的研究中，大多數(shù)關(guān)于供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的方法主要關(guān)注單一目標(biāo)，如減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)、提高監(jiān)測(cè)覆蓋率或降低監(jiān)測(cè)成本等。然而，在實(shí)際操作中，我們需要考慮多個(gè)目標(biāo)，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)的覆蓋性、代表性、可維護(hù)性以及經(jīng)濟(jì)性等。多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法的研究將綜合考慮這些因素，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。結(jié)合實(shí)際供水情況，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)和調(diào)整，以滿(mǎn)足實(shí)際需求。本研究旨在提出一種適用于多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的方法，為城市供水行業(yè)提供科學(xué)、有效的技術(shù)支持和決策依據(jù)，提高供水管網(wǎng)的監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性，優(yōu)化監(jiān)測(cè)資源配置，降低供水成本。這對(duì)于保障城市的供水需求和生活質(zhì)量具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法設(shè)計(jì)

1.1 計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)低負(fù)壓

當(dāng)供水管網(wǎng)在正常工作中，管網(wǎng)水壓均大于最小服務(wù)水頭，較高的正壓具有良好的防護(hù)性。正壓管網(wǎng)出現(xiàn)的負(fù)壓事件一般都是由于水力條件突變所引起的水力變化，停泵和管道閘門(mén)的開(kāi)閉也是水力條件的主要影響因子。在停泵、閉閥的情況下，部分管線信號(hào)將向上游節(jié)點(diǎn)逐步形成靜態(tài)孔隙水壓，此時(shí)在這部分管段中，管網(wǎng)信號(hào)的隆起處更易形成低壓現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重時(shí)引起斷流彌合區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓。如圖1 所示，供水監(jiān)控點(diǎn)和鄰近監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高度相差越大，產(chǎn)生低負(fù)壓力的概率就越高。

圖1 低負(fù)壓產(chǎn)生過(guò)程示意

通過(guò)計(jì)算每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)水壓值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)與上一監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大高程正差即可確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)低負(fù)壓[3]。具體計(jì)算方法如下：

式中：ai表示該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的面積；μi表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)與上一監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大高程正差；S 表示水壓值。

在供水管網(wǎng)設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)需要考慮到監(jiān)測(cè)點(diǎn)低負(fù)壓的影響，合理規(guī)劃管道布局和設(shè)計(jì)，以降低監(jiān)測(cè)點(diǎn)低負(fù)壓對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的影響。

1.2 設(shè)計(jì)供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)適應(yīng)度函數(shù)

首先，我們需要明確供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)，這主要包括：壓力監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)測(cè)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)。每一項(xiàng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)都可以通過(guò)特定的適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行量化評(píng)估。

1.2.1 壓力監(jiān)測(cè)適應(yīng)度函數(shù)

壓力是供水管網(wǎng)運(yùn)行的重要參數(shù)。對(duì)于壓力的監(jiān)測(cè)，適應(yīng)度函數(shù)FP（x）設(shè)計(jì)如下：

式中：Smax表示最大水壓值；v 表示水流速度。

1.2.2 流量監(jiān)測(cè)適應(yīng)度函數(shù)

流量是衡量供水管網(wǎng)性能的另一重要指標(biāo)。對(duì)于流量的監(jiān)測(cè)，適應(yīng)度函數(shù)FQ（x）設(shè)計(jì)如下：

式中：Qa（x）表示實(shí)際流量值；Qt（x）表示目標(biāo)流量值。該函數(shù)以實(shí)際流量與目標(biāo)流量的比值作為評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，比值越接近1，適應(yīng)度函數(shù)的值越高。

1.2.3 水質(zhì)監(jiān)測(cè)適應(yīng)度函數(shù)

水質(zhì)是供水管網(wǎng)服務(wù)的重要保障。對(duì)于水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，適應(yīng)度函數(shù)FW（x）設(shè)計(jì)如下：

式中：hx表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的海拔；h 表示水位高度；d 表示水渾濁程度。

在以上三個(gè)適應(yīng)度函數(shù)的基礎(chǔ)上，我們可以進(jìn)一步構(gòu)建多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的適應(yīng)度函數(shù)F，公式如下：

式中：WP、WQ、WW分別表示壓力、流量和水質(zhì)監(jiān)測(cè)的權(quán)重系數(shù)。

至此成功完成供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)。

1.3 建立供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址模型

布置在供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可通過(guò)部分節(jié)點(diǎn)上的氣壓數(shù)字顯示管路中的區(qū)域氣壓，數(shù)字大小和變化范圍，可以判斷管路內(nèi)各環(huán)節(jié)的水壓變化和工作狀態(tài)[4]。利用管線節(jié)點(diǎn)的水壓相關(guān)性理論，對(duì)節(jié)點(diǎn)水壓作出了定性判斷，2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的通水路徑和二個(gè)節(jié)點(diǎn)之間滿(mǎn)足的最大水壓差[5]，即

式中：Hi、Hj表示節(jié)點(diǎn)i、j 的壓力。

式中：Hj、Hi表示正常工況下j、i 節(jié)點(diǎn)水壓；H'j、H'i表示水量改變后j、i 節(jié)點(diǎn)水壓。

通過(guò)式（7）中的水壓變化率，可得出需水量變化的矩陣。需水量影響矩陣作為對(duì)給水管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)選址建模的約束條件[7]?？蓪⒔o水管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)選址模型表示為：

式中：M 表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量；Bi表示與監(jiān)測(cè)點(diǎn)i 滿(mǎn)足約束條件的節(jié)點(diǎn)的需水量。

至此成功建立供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址模型。

1.4 多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址

為了選取合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，需要綜合考慮以下因素：

（1） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)覆蓋供水管網(wǎng)的各個(gè)部分，包括主管道、分支管道以及連接部件等。

（2） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇要考慮到供水管網(wǎng)的地理分布。不同地區(qū)的地形、地貌、地質(zhì)等因素會(huì)對(duì)供水管網(wǎng)產(chǎn)生影響，因此需要在不同地理環(huán)境下設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便更好地了解供水管網(wǎng)在這些因素影響下的性能。

（3） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇還要考慮當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)狀況。在一些人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，供水管網(wǎng)面臨的壓力較大，需要增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)量和密度。

（4） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇要考慮到供水服務(wù)的要求。供水服務(wù)的對(duì)象不同，對(duì)供水的要求也不同。例如，對(duì)于醫(yī)院、學(xué)校等重要設(shè)施，需要保證供水穩(wěn)定、安全可靠；對(duì)于工業(yè)用水，需要保證供水量和水質(zhì)符合標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要針對(duì)不同的供水服務(wù)要求，設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。不同供水服務(wù)所需時(shí)間，如圖2 所示。

圖2 不同供水服務(wù)所需時(shí)間

在進(jìn)行多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址時(shí)，需要充分考慮以上因素，并運(yùn)用科學(xué)的方法進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。同時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)整，確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的科學(xué)性和實(shí)用性。

2 多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

選取了一個(gè)多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)作為研究對(duì)象，該供水管網(wǎng)位于浙江寧波市溪口鎮(zhèn)，人口密度大，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，四季分明，溫和濕潤(rùn)，年平均氣溫為20 ℃。地勢(shì)西北高、東南低，海拔最高為976 m，平均海拔約325 m。為進(jìn)一步證明本文設(shè)計(jì)的多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法的優(yōu)越性，采用文獻(xiàn)[1]基于爆管監(jiān)測(cè)的供水管網(wǎng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化布置（方法1）、文獻(xiàn)[5]面向大規(guī)模供水管網(wǎng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局優(yōu)化（方法2），作為本文方法的對(duì)比方法。選取6 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為方法1A、方法1B、方法2A、方法2B、本文方法A 和本文方法B，測(cè)量其可視面積，及風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

水質(zhì)分析儀器：包括濁度計(jì)、pH 計(jì)、余氯計(jì)、電導(dǎo)率儀等；壓力監(jiān)測(cè)儀器：包括壓力表、壓力變送器等；水流量計(jì)，水管漏點(diǎn)檢測(cè)儀器：包括聽(tīng)音棒、漏點(diǎn)定位儀等；水管清洗設(shè)備：包括高壓清洗機(jī)等；水質(zhì)取樣設(shè)備：包括采樣器、過(guò)濾器等。

在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器時(shí)，需要注意以下情況：

設(shè)備的選型應(yīng)符合實(shí)驗(yàn)要求，精度和穩(wěn)定性要高。需要選購(gòu)符合水質(zhì)分析要求的水質(zhì)檢測(cè)儀和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)品。需要選購(gòu)精度和穩(wěn)定性好的壓力表、水表、流量計(jì)等設(shè)備。確保所選用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器均符合相關(guān)安全規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)備好必要的輔助設(shè)備和附件，如電源適配器、信號(hào)線、試管、濾膜等。

2.3 應(yīng)用結(jié)果與討論

由表1 和表2 可知，方法1 和方法2 選址可視面積小但風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積大，而本文方法選址可視面積大并且風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積小，即本文方法設(shè)計(jì)的多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法更好，更具有研究?jī)r(jià)值。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)可視情況

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)面積（km2）

結(jié)束語(yǔ)

在多目標(biāo)大規(guī)模供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址方法的研究中，我們提出了綜合考慮多種目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化選址的方法，旨在提高供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。研究結(jié)果表明，該方法能夠有效地確定最優(yōu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，為城市供水行業(yè)提供科學(xué)的技術(shù)支持和決策依據(jù)。同時(shí)，這種方法還可以為其他領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址提供參考和借鑒，將具有更廣泛的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。