城市供水管网运行状态研究

论文摘要

本课题以城市供水管网的运行状态为研究内容,为便于研究,建立了供水管网物理模型;基于该物理模型,进行供水管网的常规运行和漏损模拟实验;建立管网状态估计数学模型,并进行漏损状态分析;在此基础上开展了压力分布研究和管网水质模型研究,为实际供水管网的模拟和控制提供科学的方法和依据。首先,基于管流的变态相似理论,推导供水管网原型和实验模型之间的各种相似关系,分析并确定了承压管网符合欧拉相似定律;依据管网的简化原则,对所研究区域复杂的管网进行简化,得到适合建立实验模型的管网简化结构;提出构建供水管网实验模型的具体方法和步骤,确定实验模型的变态率和具体参数;应用美国国家环境保护总局开发的管网模拟软件EPANET 2.0软件模拟管网运行情况,对比管网实验模型和原型的运行检测数据,证明模型的管道流量、流速指标能够与原型很好地满足相似关系,此模拟方法有效可靠。其次,针对城市供水管网压力监测点设置较少,且采集的状态变量有限,不能全面有效地反映管网的运行状态这一实际情况,建立了基于粒子群优化算法（PSO）的BP神经网络状态估计模型。PSO是基于群体智能技术的全局优化技术,通过粒子间的相互作用,对解空间进行智能搜索,从而发现最优解。应用PSO对神经网络权值进行优化,建立PSO-BP神经网络。结果证明,PSO-BP方法具有满意的收敛速度和精度。再次,采用多种方法进行管网模型的渗漏和爆管实验,在实验数据的基础上进行漏损的相关性分析。从供水管网的压力分布特性出发,提出了运用趋势分析法建立供水管网压力分布曲线和三维趋势面模型,讨论了模型求解的步骤。结果表明,该模型能够实现管网压力的连续性模拟,为解决城市供水管理和调度系统中管网压力模拟问题提供了一个新方法,增强了决策的科学性和准确性。最后,介绍了余氯衰减数学模型。本文采用一级动力学方程对余氯在主流体和管壁中的衰减进行描述,建立余氯动态模型;模型考虑了管网中余氯沿管道水流的反应过程、余氯与管壁上微生物的反应过程、余氯在管壁腐蚀过程中的消耗以及余氯在主流和管壁之间的质量传输过程;利用EPANET 2.0模拟求解,并在物理模型的构架中,使用Matlab软件进行余氯分布模拟分析。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.1.1 课题的研究背景
• 1.1.2 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 管网漏损问题研究
• 1.2.2 管网水力模型研究
• 1.2.3 管网水质模型研究
• 1.3 论文的主要研究目标和研究内容
• 1.3.1 论文主要研究目标
• 1.3.2 论文主要研究内容
• 第二章 供水管网物理模型的建立与应用研究
• 2.1 管网物理模型构建理论
• 2.1.1 模型构建基本方程
• 2.1.2 相似准则
• 2.1.3 变态水力模拟
• 2.2 管网物理模型建立的过程
• 2.2.1 管网的管网简化和抽象
• 2.2.2 物理模型的建立和验证
• 2.3 实验模型的水力学特性的研究方案
• 2.3.1 实验设施基本描述
• 2.3.2 管网物理模型研究实验方案
• 2.3.3 管网模型可靠性检验
• 2.4 本章小结
• 第三章 供水管网宏观运行状态模拟研究
• 3.1 管网运行参数估计的方法
• 3.1.1 微观模型
• 3.1.2 宏观模型
• 3.2 基于物理模型的管网运行状态估计
• 3.2.1 现有管网宏观模型存在问题和本章拟采用的解决方式
• 3.2.2 粒子群优化算法在管网状态估计中的应用
• 3.2.3 计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 供水管网物理模型漏损状态分析
• 4.1 供水管网漏损理论研究概述
• 4.1.1 管网渗漏探测技术和分析方法
• 4.1.2 存在的问题及难点
• 4.2 模拟管网漏损的实验方法和步骤
• 4.3 漏损发生时管网压力变化分析
• 4.3.1 渗漏
• 4.3.2 爆管
• 4.4 漏损发生时管网流速和流量变化分析
• 4.4.1 渗漏
• 4.4.2 爆管
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于物理模型的供水管网压力控制研究
• 5.1 供水管网压力控制研究现状
• 5.1.1 供水管网的压力模拟研究
• 5.1.2 压力与漏损控制研究
• 5.1.3 管网压力特征及趋势分析
• 5.2 应用等水压线对供水管网进行压力控制
• 5.2.1 Matlab 的GUI 开发环境及算法介绍
• 5.2.2 所涉及的Matlab 绘图函数
• 5.2.3 管网等水压线的绘制步骤
• 5.2.4 物理模型等水压线
• 5.3 供水管网压力的三维水压面
• 5.3.1 所涉及的Matlab 绘图函数
• 5.3.2 管网三维水压面的绘制步骤
• 5.3.3 物理模型三维水压面
• 5.4 本章小结
• 第六章 城市供水管网余氯动态模拟
• 6.1 氯消毒原理
• 6.1.1 水中氯的化学反应
• 6.1.2 影响余氯衰减的因素
• 6.2 余氯的衰减模型
• 6.2.1 主水体衰减模型
• 6.2.2 管壁衰减模型
• 6.2.3 管段衰减模型
• 6.3 余氯的动态模拟
• 6.3.1 EPANET 余氯衰减模型的功能和参数应用
• 6.3.2 动态水质模拟过程
• 6.3.3 余氯动态模拟结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 研究成果及结论
• 7.2 建议及展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢