基于管网韧性的城市水系统优化运行研究

基于管网韧性的城市水系统优化运行研究

李佳欣

130821199602101980 邮编：523129

摘要：地震等自然灾害可能对WDS造成严重的人身伤害，从而危及人民的生命和财产安全。复原力通常用于表示系统在此类灾难事件中快速解决潜在问题的能力，这是WDS管理中的一个重要指标。国内外前研究人员的研究主要侧重于在各种情况下制定复原力衡量和分析方法，但很少有学者通过确定灾后恢复方案的最佳顺序来提高供水系统的复原力。本文对基于管网韧性的城市水系统优化进行分析，以供参考。

关键词：供水管网；管网韧性；运行优化

引言

城市复原力是最近学术规划辩论的核心，是在外部冲击危机之后解决的，其特点是高度不确定性、高度随机应变和破坏性影响，现代城市必须能够应对更不确定和可能更严重的危机。北京复原力城市规划框架研究和广州土地空间规划全球(2018-2035年)认为，所有安全和复原力强的城市都是城市未来发展的重要方向。城市基础设施是现代城市正常生产生活的重要支柱之一，在自然灾害等特殊情况下，城市维持着稳定的运作和迅速恢复的生存项目，承担着城市的动脉、静脉、神经和免疫功能。因此，建立具有复原力、安全、稳定、可靠和在任何情况下都能运作的城市系统是城市运作的一个关键要素。

1概述

抗灾能力最初被界定为灾后恢复正常供水能力所需的时间，随后经过几十年的研究，又增加了更多、更科学和更全面的指标和基准。与此同时，研究人员对供水系统在不同运行状态下的复原力进行了大量研究。从对单个管道损害的分析转向对供水系统的大规模损害的分析。然而，上述研究主要侧重于评估和分析供水系统的复原力，但很少研究人员通过优化灾后恢复方案开展相关研究，以提高供水系统的复原力。在2018年举行的水系统分析国际会议上，这一问题被提升到了一个高度紧迫的级别。这个问题有更大的困难和学术技术价值。除了自然灾害对供水系统造成的复杂破坏之外，灾后维修往往非常有限，原因如下:(1)恢复供水服务的资源有限(例如维修队的数目)，需要优化供水系统(2)用户的优先次序不同，例如，当关键基础设施(医院或消防栓)的优先次序高于普通民众时；(3)供水系统的水力条件复杂，修理某些管道可能会对其他管道的水力状况产生重大影响，例如，修理管道可能导致泄漏或压力增大而导致爆炸。为了填补这些研究领域的空白，本文件提出了一个基于遗传算法的动态优化框架，以确定水系统灾后恢复的最佳解决方案，目的是最大限度地提高水系统的快速反应能力和灾后恢复能力。

2供水系统韧性的定义

系统的韧性也就是系统的可靠度，是指在一定时间内、一定的运行条件下系统完成设定功能的能力。对于城市供水系统来说，就是保证用户所需的水量、水压和水质。如果以上某个方面的需求得不到满足，则表明供水系统的可靠性不够，从而带来了城市韧性不足的问题。本文研究供水系统的韧性着重于水量和水压的韧性评估，未考虑水质变化的影响。由于用户的需水量具有非常大的不确定性，供水系统的韧性变得十分重要。针对多个城市的供水系统进行分析，认为城市供水系统韧性不足的主要原因在于：(1)输水系统的破坏，如管道爆管、阀门损坏和水泵跳闸等设施设备的故障；(2)用户端需水量的突增，与用水量预期差距较大，导致系统无法满足用水要求。因此，正是由于存在着供水的不确定性，如何提高供水系统的韧性就成为非常有价值的一个课题。

3抗震韧性评估的基本框架

3.1总体框架

基于城市供水管网的基本运行机制和灾后恢复的阶段性特征，将供水管网抗震韧性分析的基本框架分为供水系统、维修力量、供水需求、地震动场。供水系统和维修力量构成了整个供水系统的内因因素；而一般用户和火场则构成了供水系统需求的外因因素。内因和外因的各因素均承受地震动场的作用。基于上述框架，本文采用的基本数学工具为系统动力学理论，并基于Vensim软件平台基于这一框架实现了供水管网的抗震韧性评估，模型主要参数源于实际工程案例的真实震害调查报告，其计算结果也通过震后供水管网的恢复情况加以验证。此外，出于对震后供水管网恢复特征的考察，本文将供水管网的恢复过程分为应急阶段、抢险阶段、改造阶段和重建阶段。应急阶段和抢险阶段，均是震后比较紧急的阶段，对应于较短时间内的情况，共3天~3个月的情况，即本文对应的特征阶段。而改造阶段和重建阶段，则对应于3个月以后更长时间段的内容。本文的分析一共是90天，对应了前两个阶段。而对于后两个阶段，则需要重新辨析管网、人群的分布特征，建立恰当的分析模型进行计算。

3.2水网供水能力分析和抗震韧性评价

由于地震的作用，整个供水系统不同部分会出现不同程度的地震破坏，例如水源地会出现水质污染、堰塞湖等；水厂则会出现沉淀池、化验室、泵房等不同建构筑物的破坏，或者是变电室、变压器等破坏，或者是水井、水泵的破坏等；水网的主要破坏则是管线的破裂、阀门等连接件的破坏、水表的破坏等；此外，水塔、水池、水箱等特殊构筑物也可能发生破坏，从而影响整个供水系统的功能。本研究框架主要集中于水网的分析而对其他规模较小的部分暂不进行量化分析。依据管网破坏和震后恢复的基本过程。

3.3供水管网韧性评估

影响管网韧性的因素包括管网拓扑、水力特性、系统蓄水、系统需水量等。目前的供水管道韧性评价方法包括分析法、代理指标法等。但是，方法主要集中在管网设计阶段或应对短期风险的能力上，逆向管网、管网布局、低数量等条件基本不变，主要应针对结构变化和非结构变化风险评估管网的韧性。

4管网在结构性变化

供水保证率的管网韧性评价:0.9984；To dini指数:0.168；剩余供水能力:0.7754，供水保证率和剩余供水能力都处于较高水平，剩余供水能力的意义在于，目前供水在最大运输能力中有77.5%的重叠空间，即应对水需求变化危险的能力很强。管道31.44%发生故障后，对总供水保证率(与原来供水保证率相同)没有太大影响。这是因为，如果部分管道失败，可以通过其他替代输水管道从水厂向用户输送自来水，对整体供水保证率没有太大影响，系统韧性高。系统的部分管线故障前后供水保证率发生了很大变化，这些管线大部分位于管网末端，管道直径较大，因此需要重点维护。另外24.26%的管线在故障前后系统供水保证率不变，但节点剩余能量减少可能是管网拓扑结构的短时间变化(例如部分季度故障)对供应量的影响较小，但能量会随着一定损失而增加。还验证了TO-DINI的剩余能量理论。供水系统节点上剩余的能量有助于应对可能出现的危险。管道故障时，目前的供水保证率不变，但剩余能量减少，因此预防风险的能力可能会降低。因此，在进行结构变化情景模拟时，除了计算供水保证率外，还要计算节点能量损失，才能充分反映管线的重要性。系统结构变化的韧性评价得到管线重要性评价结果，为管线维护更新系统提供决策支持。

结束语

综上所述，由于随机性的存在，供水管网系统的功能恢复和韧性恢复亦表现出了显著的随机性特征，地震烈度的增加会显著增加管网功能的恢复时间并降低系统的韧性；而同一地震烈度下管网破坏率的增加，亦会显著降低管网的功能和韧性；紧急救援力量的加入会比较明显的改变管网系统的恢复过程，并在一定程度上提升系统的韧性。

参考文献

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