城市市政水利工程中地下排水管道引水调度技术研究

刘玉英

(甘肃省清水县水务局，甘肃 清水 741400)

0 引 言

市政工程是指城市基础设施建设项目，包括道路交通、地下管线、供水等工程。这些工程是为控制、利用和保护地表水和地下水资源与环境而建设的。与大多数水利工程相比，城市市政水利工程主要利用地下排水管网，实现城市内外水资源的交换和输送，保证城市供水与排水的正常运行。

当地区水资源有限时，通过水利工程的建设，可以对空间上的水资源进行再优化配置，有效缓解缺水地区的水资源需求，同时也解决了缺水地区时空分布不均的问题[1]。水利引水调度是指通过管道或渠道将较丰流域的水资源调集到缺水地区，从而缓解该地区水资源短缺的一种方式。

目前，世界各地城市已基本建成调水工程，并配备了相应的调水调度技术。据不完全统计，40多个国家和地区已完成调水工程350多个，年调水量已超过5 000×108m3[2]。结合国内外调水技术的研究现状，将水利工程引水调度技术分为常规调度技术和优化调度技术两大类，但传统的水调度技术在运行过程中存在调度成本高、调度风险大等问题，因此有必要对市政水利工程地下排水管道水调度技术进行进一步优化。

1 地下排水管道引水调度技术

城市市政水利工程地下排水管道引水调度，是根据水源区水库群的运行调度原则和任务，通过水库的调蓄运作，有目的地把富集流域的水资源输送到受水区，从而发挥水库的调节作用，满足受水区的用水需求，促进水资源综合利用[3]。以常规调度技术为基础，通过优化设计得到一种运行框架，见图1。

图1 地下排水管道引水调度框图

1.1 地下排水管道结构检测

地下排水管网地下水在运行过程中，管网状态随用户水量的变化是随机的[4]。将一定数量的测压点均匀分布于地下排水管网中，在某一引水时段，引水点压力、流量与测压点压力之间存在以下微分关系：

(1)

式中：hi为第i个测压点上的压力；Qj和Hj分别为第j个泵站的流量和出水压力；aij和bij为常数，分别为第i个测压点对第j个泵站出水压力和流量的敏感系数；n为流量指数。地下排水管道的基本结构可由测点位置确定[5]。

在地下排水管道的引水调度过程中，采用的调度路线必须保证管道的安全运行，因此在调度开始前必须对地下排水管网进行故障检测。地下排水管网的故障检测可分为表面质量检测、裂缝检测、承载力检测和钢筋腐蚀检测。管道中每种缺陷按其缺陷程度分为轻微、中等、严重、重大4级[6]。相应的故障检测和评估标准如下：

(2)

如果评价结果为轻度或中度故障时，可将该管道作为调度管道继续使用，否则需在地下排水管网内标明该管道的状态，取消其调度权限[7]。在式(2)中，F表示检测到的故障指数，用式(3)求解。

F=AmFm+AjFj+AgFg

(3)

式中：Ax为不同故障类型对应的最大特征向量；Fx为被检测排水管道的密封性、结构性及功能性故障检测指数。

1.2 预测地下引水量

城市地下排水管网的引水量就是城市市政工程所需的水量，它主要是维持城市的正常用水，因此可以结合当地的降水量和城市的涌水量来预测引用水量。一般来讲，城市的用水量在一定的周期内呈现出周期性变化的特征，这种周期性变化存在一定的规律，而周期性变化规律会受到城市经济因素以及社会因素的制约，从而影响地下排水管道引水量的变化[8]。根据城市近一段时间内用水量数据的变化规律，结合社会、经济等主观因素和天气条件等客观因素的关系，对城镇用水量进行预测。在引水量的预测工作中，将预测对象随时间变化情况转换成序列，可以表示为：

yt=F1yt-1+F2yt-2+…+Fnyt-n+θ1et-1+

…+θmet-m

(4)

式中：{yt}和{et}分别为平稳时间序列和白噪声序列；Fn和θm为实系数，且均不为零。

对城市市政水利工程历史引水资料进行了统计和收集，并对式(3)中序列使用的原始资料进行零平均、平稳化处理。然后分别计算自相关函数和偏自相关函数的置信度，得到相应的函数曲线，并判断序列的阶数[9]。将N/10(120/10)设定为上限，综合这两个函数的曲线可以得到地下水源的预测曲线，以及地下引水量在未来任意时刻的预测值。

1.3 计算地下排水管道容量

通常情况下，地下排水管道的通量与其管线的长度和截面积有关。假定所有地下排水管道的通量相同且都是圆形管道，则地下排水管道的通量可表示为：

(5)

式中：Cw和d分别为地下排水管道的外围周长和管壁厚度；L为整个管道的长度。但在实际的地下排水管道引水调度过程中，会存在部分管线故障的情况，因此在计算过程中L的取值为实际可使用管道的长度。

此外，由于水体运动给地下排水管内壁带来一定的压力，为了保证排水管道的正常运行，管道的内压必须小于其承载力的极限压力[10]。为此需根据管路实际承载能力，计算管路的极限承载压力值，并最终确定该段的实际承载能力。图2为水体作用下地下排水管道的受力情况。

图2 地下排水管道压力示意图

地下排水管道引水调度准则是水体荷载下的截面力乘以结构系数不得超过由结构极限破坏分析确定的截面承载力。其表示为：

(6)

其中：γi为排水管道结构重要性程度的结构系数；Sd和Rd分别为水体荷载下产生的截面力和排水管道的极限承载力。

上述两个系数的表达式为：

(7)

式中：Fp和Fkt分别为持续荷载特征值和主要可变荷载特征值；γa、γf、γap和γfp分别为主要可变荷载结构分析系数、主要可变荷载的荷载系数、持续荷载结构分析系数和持续荷载的荷载系数；fk为地下排水管道材料强度特征值；γm和γb分别为材料系数和构件系数[11]。

将式(7)代入到式(6)中，便可以得出地下排水管道在考虑压力情况下的最大承载力，计算调度引水量产生的压力，并与其承载量进行对比，同时根据地下排水管道的最大承载容量，调整排水管道的实际引水量。

1.4 实现地下排水管道引水调度

通过对引水量的预测和实际承载能力的计算结果，确定地下排水管道引水调度的主要思路。第一，设置地下排水管道引水调度规则，并在调度技术应用过程中严格遵循设置的规则，尽量保证突发事件对供水系统造成的影响最小。第二，应按照“优先分配用水，优先满足重要水利工程用水需求”的调度方式，设定工程的分水参数、地下水的开采利用要求、水源转换参数，通过紧急调水量的每日调节和计算，准确而迅速地解决多水源、多工程水文补偿和紧急调水量等一系列问题，使供水系统能及时得到安全供水的紧急调水量方案。图3为具体的地下排水管道引水调度流程。

图3 地下排水管道引水调度流程图

地下排水系统的调水是为了实现水资源的综合利用，最大限度地发挥水资源的多种功能。排水管道引水调度模型的建立应兼顾防洪、供水等目标[12]。以水利工程用水为例，在引水调度模型中，将其直接转化为处理的约束条件，对各目标进行标量化处理，再设定特征权重系数，优选出调度方案。

(8)

式中：ωj为各个调度目标的特征权重系数；X(t,i,j)为时段t需水单元i在目标j上的期望值；x(t,i,j)为时段t需水单元i在目标j上的实际值。

在地下排水管道开关和阀门的协同控制下，分别计算各目标的引水调量，并结合地下排水管道能力约束，生成具体的引水调度路线，实现城市市政水利工程地下排水管道的引水调度。

2 性能测试实验分析

为了测试设计的地下排水管道引水调度技术在城市市政水利工程中的应用效果，设计性能测试实验，并分别从调度成本和调度风险两个方面进行具体分析，从而反映出设计调度技术的应用优势。

2.1 选择城市市政水利工程项目样本

选取某一沿海城市的一项城市市政水利工程作为实验样本，该工程覆盖了该城市70%～80%的供水，涉及多个城市水库。试验以该工程中某水库为基础资料，以2008-2019年的入库径流资料为参考，计算时段为旬。鉴于2010年9月新建水库上游水库开始运行，为消除新水库的栏蓄作用影响，对2010年9月以前的目标水库入库径流数据，扣除13.4%，作为扣除新水库的拦蓄作用影响后的统一的数据序列。经重新复核后，目标水库的多年平均入库径流量为5.20×108m3，水利工程多年平均各旬入库径流量见图4。

图4 历年市政水利工程径流量各旬多年平均值

2.2 配置量化测试环境

为了实现地下排水管道引水调度技术应用效果的量化对比，利用计算机设备对城市市政水利工程进行量化管理，并实现引水调度的可视化，得到便于对比的量化结果。在主测计算机中安装综合服务平台，并采用组件、知识图技术，搭建地下排水管道引水调度业务服务系统，提供不同时间尺度、不同调度模型、不同调度情景的调度方案。配置的性能测试实验运行环境见图5。

图5 性能测试实验运行界面

2.3 设置地下排水管道引水调度任务

为了保证性能测试实验结果的可信度，选择多次实验取平均值的方式得出量化对比实验结果。分别设置多次引水调度任务，每次的引水调度量分别为15×104、20×104、35×104、50×104和60×104m3共5组，多个调度任务以并行的方式执行，并从实验环境中显示调度过程。

2.4 实验测试过程

在实验开始之前，首先按照设计的调度方法检测地下排水管道结构故障情况，并输入调度约束规则，调度规则输入情况见图6。

图6 地下排水管道引水调度规则输入

分别在3种情况下执行调度技术，并生成具体的调度方案，见图7。

图7 地下排水管道引水调度网络图

为了形成实验对比，除设计的地下排水管道引水调度技术外，还设置了传统调度技术和文献[6]中提出的水资源联合优化调度技术作为实验的两个对比技术。在实验环境下，分别设置调度风险和调度成本作为量化对比指标，其中调度风险的评价分为调度路线不合理和调度监控不完善两个部分，并最终以评分的形式表示，调度风险评分越高证明调度风险越高。

2.5 性能测试对比结果分析

2.5.1 引水调度风险评价

通过风险评价程序的运行，综合调度路线和调度控制两个方面，得出引水调度综合风险评估结果，见表1。

表1 引水调度风险评价量化对比结果

从表1中可以看出，设计的引水调度方法的综合调度风险值更低。与传统调度方法相比，综合调度风险评估值降低约0.32。

2.5.2 调度成本对比分析

同理，在实验平台中调取城市市政水利工程中地下排水管道引水调度技术的运行经济成本，经过对比发现，传统引水调度技术和文献[6]提出引水调度技术的平均投入经济成本分别为52.34和48.62万元，而设计引水调度技术由于对调度路线进行精密的计算，因此在调度过程中投入的成本更低，仅为35.15万元。

3 结 语

在未来城市市政水利工程中，地下排水管道引水调度的研究不能仅仅局限于调度模型的建立和优化算法的求解，而是要与实际的调水工程相衔接，以发挥工程效益。此外，在调度方式上可嵌入一个调度修正程序，能调度、配置多业务综合集成，在适应性上可动态适应不同水利工程地下排水管道引水调度的需求变化。