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供水管网压力监测点布置的实用方法分析

文章探讨了供水管网压力监测点的布置方法，分析了其重要性，并提出了一个结合经验法和灵敏度分析法的实用方法。并以K市供水管网为例，通过分析大流量用户、低压区、压力变化敏感区域和管网分区边界等因素，结合泰森多边形法分析测压点分布密度，最终确定了合理的测压点布置方案，为城市供水管网优化调度、模型校核和规划方案决策提供了参考。

水压不仅是衡量城市供水管网运行状况的重要指标，同时也是能够直接反映城市供水服务质量的标志参量。从系统运行状态的可估性上分析考虑，节点压力是相对于各节点流量变化最为敏感的状态变量。全面掌控城市供水管网的压力信息以及压力分布状态，不仅有助于实现计算机的实时优化调度、保障供水质量、提高管网运行效率、为管网改扩建提供参考依据，而且能够实时监控管网系统的运行状况和变化状态。同时采集管网稳定运行的压力数据信息有助于实现对管网模型的校准、维护，以便于更好地指导城市供水管网的规划建设。

压力监测点依托于压力监测设备，其设置不仅要考虑设备数量，而且要兼顾设备安装位置的选取，增加压力监测点设置数量虽可以提高城市压力监测准确性但无疑会增大数据分析处理的负担，不利于基于测压数据分析处理基础上的应用实施，因此应尽可能少地在具有代表性的位置安装压力监测设备。

一、测压点布设方法

1.1经验法

经验法指依据城市供水公司及管理部门积累的多年成熟的城市供水管网运行管理经验进行测压点布置。经验法具有方便、快捷的优势，依据工作人员积累的经验，在管网低压区位置、最不利点、管网末梢控制点、供水分界线处、管网调度压力变化敏感区、大流量用户、重要国家机关单位等处设置压力监测点，及时监控管网压力监测点控制范围内的压力变化状况，进而为管网调度、模型校核、管网改扩建等提供指导信息。该方法具有不可忽视的缺陷，无法保证布设方案的准确性及合理性，甚至在分析判断上可能会出现偏差，影响整个供水管网压力监测系统运行效果的评价分析。在实际应用操作中，经验法不适合作为主导方法，但可提供一些指导信息辅助方案的设计研究。经验法不具备一定的普适性，仅适合于管网运行时间较长、管网供水规律比较稳定、缺少水力模拟计算条件的供水管网。

1.2理论法

理论法以一定的理论基础为依托，借助数学等其他学科作为辅助处理手段，通过分析计算得出可靠、准确的管网压力监测点布置方案，理论性强，对工作人员的水平要求较高，适用性较强。目前国内外对压力监测点优化布置的研究方法主要集中在模糊聚类分析、灵敏度分析以及遗传算法。

模糊聚类分析法指依据一定的聚类原则和模糊评判标准，将具有相似性质的对象化分为一组，进而确定聚类中心，最终确定测压点所在区域及具体安装位置。该方法较简单、应用广泛，具有一定的理论基础，分析结果准确性较高，可应用于不同的管网水力模型。但聚类方法众多，优选适合于管网压力监测点优化布置的方法显得尤为关键，有待于进一步分析研究，同时该法分析、计算工作量较大，给实际应用带来了一定的限制。

灵敏度分析法则主要根据给水管网构造理论，应用水力学和拓扑学基本原理，建立给水管网节点压力的灵敏度矩阵和方程，通过灵敏度分析完成给水管网压力监测点的布设。该方法计算比较简单，理论性较强，结果直观，通过计算灵敏度大小并排序，选择灵敏度大的节点布设压力监测点，但可能出现在高灵敏度节点相邻近的几个节点处灵敏度均较大的状况，若在这些位置均设置压力监测点，则有可能造成资源浪费，而且此方法并不能明确地给出合理的压力监测点的布设位置。

遗传算法作为一种优化算法，通过建立数学模型，并利用遗传算法进行优化求解，是人工智能领域应用比较成熟的优化算法，同时也是解决复杂组合优化问题的有效工具。给水管网压力监测点的优化布置是一个多目标决策问题，包括确定监测点的数目和位置，供水管网压力监测点布设方案直接影响到监测点监测数据的质量以及给水系统状态评估和推断。遗传算法应用广泛，但在实际应用中，当管网规模较大时，计算结果有可能是发散的，计算量大，计算时间较长，不能保证求解得到的结果为全局最优解，有可能取得局部最优解。同时遗传算法容易出现早熟的现象，需要根据具体的问题调整选择和变异的策略，通用性较差。

考虑到单纯应用经验法或理论法存在的不足以及适用性限制，针对测压点布置方法在实际应用中的不足，将理论方法中的灵敏度分析与经验法中的若干测压点布设原则相结合，通过K市供水管网的实例，提出了测压点布置的实用方法。

二、实例分析

2.1供水现状

K市具有完善的供水管网信息系统和可用以指导实践的管网水力模型，具有良好的管网基础资料信息资源。k市以三座水库为取水水源，储水量为2.3亿立方米，城区供水需求为140万m3/d。依据当前K市供水管网GIS信息系统统计，供水管网总长约5200km，最大管径DN1500，供水管网现有可用压力监测点