城市取水风险理论及优化方法研究

论文摘要

取水可靠性是城市供水安全的重要保障,基于风险分析的取水优化方法不仅能提高供水系统的安全,而且可节省大量的工程投资和日常运行费用,因此具有安全性和经济性双重意义。城市取水工程涉及了市政工程、水利和环境等多学科交叉,包括的内容多、范围广,目前尚没有系统的风险分析理论和优化方法指导工程设计及运行管理,因此有必要对取水的水质、泵站的风险理论及优化方法进行深入系统地研究。在广泛查阅国内外文献的基础上,本文进行了如下几个方面的研究工作:（1）针对河流水质模型参数最小二乘（LS）估计方法关于有色噪声和较高水平白噪声干扰不具鲁棒性,噪声干扰使估计参数“漂离”系统真值,本文提出了一种水质模型参数的鲁棒估计方法——基于M-估计的估计方法,采用信赖域算法对估值模型进行求解。仿真试验表明,M-估计对于有色噪声和白噪声干扰具有鲁棒性,且估值精度、收敛性、抗噪性均优于LS估计。当河流水质监测数据序列较长时,采用小波消噪对监测数据进行预处理,仿真结果表明,小波消噪可消除随机噪声对水质模型参数估计的干扰,并能从监测数据分离出随机噪声,估计其噪声水平,为确定M-估计的阀值提供依据。（2）分析了影响水环境水质风险的不完善性和模糊性因素,提出了河流水质超标的模糊随机风险率计算模型。计算结果表明,将河流水质系统的不确定性归结为随机性,是不合理的,模糊风险率模型的计算结果与实际情况基本吻合。采用二种水质模糊安全状态定义对水质超标模糊风险率进行了计算,结果表明定义形式没有本质区别。引入了模糊事件信息熵评价隶属函数特征值取值的可靠程度,定量描述了隶属函数特征值与风险率的关系,提高了特征值的计算精度。（3）现行取水泵站的设计和调度方法使取水泵站存在很高的电机超载和泵站过流风险率。本文分析了取水泵站的工况特点及其影响因素,根据江河水位的变幅及其概率分布,建立了取水泵站运行过程中机组电机过载和泵站过流模糊随机风险率计算模型,计算结果与实际吻合,可为取水泵站的优化设计、科学调度提供科学的决策依据。（4）本文引入水污染控制总成本概念提出了多目标水质规划优化模型,以河流排放口的污水处理费用最小和水污染经济损失最小为优化目标。采用连续函数模拟退火算法对优化模型求解,提高了运算效率和稳定性。基于水质超标模糊风险率的水污染经济损失计量模型可将水质风险转化为经济损失,既考虑水质系统中的不确定性因素和水质风险性,又兼顾了河流水质规划经济性,使规划方案更

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 取水水质风险理论及优化方法的研究概况
• 1.1.1 河流水质模型的建立
• 1.1.2 水源水质超标风险率计算理论的研究现状
• 1.1.3 水源地水污染控制规划的优化方法
• 1.2 取水泵站风险理论及优化方法的研究概况
• 1.2.1 取水泵站运行的风险理论的研究现状
• 1.2.2 取水泵站优化理论的研究现状
• 1.3 选题背景及意义
• 1.3.1 取水风险理论及优化方法的定义
• 1.3.2 研究背景
• 1.3.3 课题研究的意义
• 1.4 本文的研究目的和主要内容
• 第2章 随机噪声干扰下水质模型参数估计理论与方法
• 2.1 概况
• 2.2 河流水质模型参数的鲁棒估计模型的建立
• 2.2.1 模型参数的 M-估计方法
• 2.2.2 基于 M-估计的水质模型多参数同时估计模型
• 2.2.3 水质模型参数 M-估计的信赖域算法
• 2.2.4 数值仿真
• 2.2.5 参数辨识结果与分析
• 2.3 基于小波消噪的河流水质模型参数估计
• 2.3.1 基于小波多分辨率分析的监测数据信号消噪原理
• 2.3.2 水质监测数据序列的小波消噪实例分析
• 2.3.3 基于小波消噪的水质模型参数估计仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 水源地水质超标的模糊随机风险率计算理论
• 3.1 概况
• 3.2 模糊风险率理论
• 3.2.1 模糊集理论
• 3.2.2 模糊概率理论
• 3.3 基于模糊超标准则的模糊风险率计算理论
• 3.3.1 模糊风险率计算模型
• 3.3.2 模糊失效风险率的计算方法
• 3.3.3 基于模糊熵的隶属函数参数估计方法
• 3.3.4 算例分析
• 3.4 基于模糊负荷的水环境风险率计算方法
• 3.4.1 随机容量模糊负荷时模糊风险率的计算
• 3.4.2 模糊失效事件的隶属函数
• 3.4.3 计算实例及分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于风险分析的多目标水质规划优化方法
• 4.1 概况
• 4.2 多水源地情况下水污染经济损失的计量模型
• 4.2.1 水污染经济损失的影响因素分析
• 4.2.2 水污染经济损失的计量模型分析与比较
• 4.2.3 水质规划的水污染损失的计量模型
• 4.3 城市水污染控制综合成本的计算方法
• 4.3.1 污水处理费用函数的建立
• 4.3.2 基于水质超标风险率的水污染经济损失模型
• 4.3.3 水污染控制综合成本的计算方法
• 4.4 城市水污染控制系统规划的优化方法研究
• 4.4.1 连续函数模拟退火算法（SA）
• 4.4.2 水质超标风险率指标约束下的水质规划优化方法
• 4.4.3 多目标水质规划优化方法
• 4.4.4 仿真计算及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 取水泵站运行的模糊风险分析
• 5.1 概况
• 5.2 取水泵站的工况特点分析
• 5.2.1 取水泵站的管道特性及影响因素
• 5.2.2 机组运行工况的确定与分析
• 5.3 取水泵站电机超载的模糊风险率计算
• 5.3.1 机组超载风险性的随机概率计算模型
• 5.3.2 机组运行的模糊风险率计算模型
• 5.4 取水泵站过流的模糊风险率计算
• 5.4.1 取水泵站过流模糊风险率的计算模型
• 5.4.2 计算实例及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 取水泵站的优化理论及应用
• 6.1 概况
• 6.2 取水泵站设计工况的联合概率方法
• 6.2.1 多变量联合概率
• 6.2.2 多参数谱的编制方法
• 6.3 城市日用水量的非线性组合预测
• 6.3.1 线性组合预测方法
• 6.3.2 非线性组合预测的小波网络模型
• 6.3.3 基于小波网络的城市用水量非线性组合预测
• 6.4 取水泵站优化调度分解-协调模型
• 6.4.1 分解-协调模型简介
• 6.4.2 取水泵站优化调度分解—协调模型
• 6.4.3 计算实例及分析
• 6.5 取水泵站调速改造的最优化模型
• 6.5.1 数学模型
• 6.5.2 计算实例及分析
• 6.6 基于工况谱的取水泵站的优化设计模型
• 6.6.1 数学模型
• 6.6.2 计算实例及分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 1.1 本文工作总结
• 1.2 有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读博士学位期间所参与的研究课题
• 附录 C 符号说明
• 致谢