基于慢变流理论的给水管网漏失模拟研究

论文摘要

城市供水管网的漏损不仅造成资源的浪费、经济损失,还影响城市的正常运行,因此越来越受到人们的重视。由于供水管网具有复杂的拓扑结构,且多埋于地下,其漏损位置的检测十分困难。本文基于慢变流理论,采用系统辨识方法建立了管网漏失模型,对其进行了理论研究。复杂的大型管网可利用图论工具以简单直观的“网络图”来表示,以简化其水力计算。根据非恒定流伯努利方程,建立的基于图论的多水源慢变流管网水力计算模型,可以提供更多的慢变流情况下的水力要素信息。当模拟管网的漏损事故工况时,假定泄漏发生在节点或者节点附近,把泄漏量看作该节点流量的一部分,泄漏程度用漏损面积来表示,通过孔口出流公式来计算泄漏量。在建立基于慢变流的泄漏模型基础上,本文利用矩阵论导出了以泄漏为因变量的解析表达式,并进行了离散求解,通过简单的算例完成了该模型的水力模拟计算。管网的泄漏必然引起管网运行状态的变化,即它们之间存在着密切的相互联系。本文依据这种相互关系,通过系统辨识理论分别建立了基于最小二乘原理的漏失模拟模型和基于Bayes理论的漏失模拟模型,推导了关于慢变状态参量的目标函数,确定出相应的约束条件,将给水管网慢变流的泄漏模拟问题转化为可用数学方法进行求解的非线性函数优化问题。对于实际管网,我们希望利用尽可能少、代表性强的监测点以便最大可能地反映管网的实际运行状态,这就需要对测点进行优化布置。根据模糊聚类分析理论中的FCM算法,提出基于反映管网泄漏情况的给水管网流量监测点和压力监测点优化布置方法。通过对算例管网的分析给出了流量测点和压力测点的优化布置方法的具体过程。最后,根据上述方法编写了基于慢变流的管网泄漏模拟程序,对三种不同方案下的泄漏工况一一进行求解,并比较分析基于两种模型的泄漏检测结果。模拟结果表明,将不同方案下流量和压力模拟结果的偏差值和概率值大小与其在给定的阈值下进行比较,就可大致确定泄漏区域,并进一步确定泄漏点的位置,且可达到较高的检测精度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 我国的水资源现状
• 1.1.3 我国的城市供水漏损状况
• 1.2 管网泄漏检测及定位技术综述
• 1.2.1 直接检漏
• 1.2.2 间接检漏
• 1.3 国内外给水管网泄漏检测综述
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 基于图论的管网慢变流水力分析
• 2.1 多水源管网慢变流模型
• 2.1.1 基于图论的单水源管网慢变流数学模型
• 2.1.2 基于图论的多水源管网慢变流数学模型
• 2.2 多水源管网慢变流模型算例分析
• 2.2.1 算例管网基本参数
• 2.2.2 模拟方案布置
• 2.2.3 模拟结果分析
• 2.2.4 慢变流终了时刻的模拟结果分析
• 2.3 给水管网慢变流泄漏模型与求解方法
• 2.3.1 模型的建立
• 2.3.2 模型的离散关系式
• 2.3.3 模型的迭代求解步骤
• 2.4 给水管网泄漏工况下的慢变流模拟
• 2.4.1 算例管网的基本参数
• 2.4.2 泄漏管网慢变流方案布置
• 2.4.3 模拟结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 给水管网漏失模拟模型的建立
• 3.1 系统辨识理论
• 3.1.1 试验设计
• 3.1.2 模型的类型和结构
• 3.1.3 参数的估计方法
• 3.2 基于最小二乘原理辨识模型的建立
• 3.2.1 目标函数的确定
• 3.2.2 约束条件
• 3.3 基于 Bayes 理论辨识模型的建立
• 3.3.1 目标函数
• 3.3.2 步骤
• 3.4 本章小结
• 第4章 给水管网监测点的优化布置
• 4.1 流量监测点优化布置
• 4.1.1 聚类分析的基本理论
• 4.1.2 FCM 聚类算法
• 4.1.3 泄漏对管段流量的影响系数
• 4.1.4 影响系数的标准化
• 4.1.5 具体步骤
• 4.2 压力监测点优化布置
• 4.3 算例
• 4.3.1 算例管网的基本参数
• 4.3.2 流量监测点的优化布置
• 4.3.3 压力监测点的优化布置
• 4.4 本章小结
• 第5章 给水管网泄漏模型的算例分析
• 5.1 泄漏模型的基本参数
• 5.2 给水管网泄漏模拟的方案布置
• 5.3 不同方案实施时的模拟监测结果
• 5.4 不同方案的模拟结果及其分析
• 5.4.1 方案一
• 5.4.2 方案二与方案三
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢