多目标大规模供水管网监测点选址方法研究

潘 沁

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川 成都）

引言

随着城市城镇化进程的加快，供水管网已成为城市基础设施的主要部分，其规模和复杂性也在不断增长。为了保证供水管网的稳定运行，及时发现和解决潜在的问题，实施有效的监测变得越来越重要[1]。如何在如此大规模且复杂的供水管网系统中合理选择监测点，以实现全面、准确的监测，是一个具有挑战性的问题。多目标大规模供水管网监测点选址方法的研究旨在解决这一问题。该研究综合运用数学优化、计算机技术和地理信息系统等多学科知识，深入探讨监测点的选择问题，以提高监测效率和准确性。在现有的研究中，大多数关于供水管网监测点选址的方法主要关注单一目标，如减少监测盲区、提高监测覆盖率或降低监测成本等。然而，在实际操作中，我们需要考虑多个目标，如监测点的覆盖性、代表性、可维护性以及经济性等。多目标大规模供水管网监测点选址方法的研究将综合考虑这些因素，以实现监测点选择的科学性和经济性。结合实际供水情况，对优化结果进行检验和调整，以满足实际需求。本研究旨在提出一种适用于多目标大规模供水管网监测点选址的方法，为城市供水行业提供科学、有效的技术支持和决策依据，提高供水管网的监测效率和准确性，优化监测资源配置，降低供水成本。这对于保障城市的供水需求和生活质量具有重要的理论和实践意义。

1 多目标大规模供水管网监测点选址方法设计

1.1 计算监测点低负压

当供水管网在正常工作中，管网水压均大于最小服务水头，较高的正压具有良好的防护性。正压管网出现的负压事件一般都是由于水力条件突变所引起的水力变化，停泵和管道闸门的开闭也是水力条件的主要影响因子。在停泵、闭阀的情况下，部分管线信号将向上游节点逐步形成静态孔隙水压，此时在这部分管段中，管网信号的隆起处更易形成低压现象[2]，严重时引起断流弥合区域产生负压。如图1 所示，供水监控点和邻近监测点的高度相差越大，产生低负压力的概率就越高。

图1 低负压产生过程示意

通过计算每一监测点水压值和监测点与上一监测点最大高程正差即可确定监测点低负压[3]。具体计算方法如下：

式中：ai表示该监测点的面积；μi表示监测点与上一监测点最大高程正差；S 表示水压值。

在供水管网设计和规划时需要考虑到监测点低负压的影响，合理规划管道布局和设计，以降低监测点低负压对整个管网的影响。

1.2 设计供水管网监测点适应度函数

首先，我们需要明确供水管网监测的目标，这主要包括：压力监测、流量监测和水质监测。每一项监测目标都可以通过特定的适应度函数进行量化评估。

1.2.1 压力监测适应度函数

压力是供水管网运行的重要参数。对于压力的监测，适应度函数FP（x）设计如下：

式中：Smax表示最大水压值；v 表示水流速度。

1.2.2 流量监测适应度函数

流量是衡量供水管网性能的另一重要指标。对于流量的监测，适应度函数FQ（x）设计如下：

式中：Qa（x）表示实际流量值；Qt（x）表示目标流量值。该函数以实际流量与目标流量的比值作为评估标准，比值越接近1，适应度函数的值越高。

1.2.3 水质监测适应度函数

水质是供水管网服务的重要保障。对于水质的监测，适应度函数FW（x）设计如下：

式中：hx表示监测点的海拔；h 表示水位高度；d 表示水浑浊程度。

在以上三个适应度函数的基础上，我们可以进一步构建多目标大规模供水管网监测点选址的适应度函数F，公式如下：

式中：WP、WQ、WW分别表示压力、流量和水质监测的权重系数。

至此成功完成供水管网监测点适应度函数的设计。

1.3 建立供水管网监测点选址模型

布置在供水管网监测点，可通过部分节点上的气压数字显示管路中的区域气压，数字大小和变化范围，可以判断管路内各环节的水压变化和工作状态[4]。利用管线节点的水压相关性理论，对节点水压作出了定性判断，2个节点间的通水路径和二个节点之间满足的最大水压差[5]，即

式中：Hi、Hj表示节点i、j 的压力。

式中：Hj、Hi表示正常工况下j、i 节点水压；H'j、H'i表示水量改变后j、i 节点水压。

通过式（7）中的水压变化率，可得出需水量变化的矩阵。需水量影响矩阵作为对给水管网监控点选址建模的约束条件[7]。可将给水管网监控点选址模型表示为：

式中：M 表示监测点数量；Bi表示与监测点i 满足约束条件的节点的需水量。

至此成功建立供水管网监测点选址模型。

1.4 多目标大规模供水管网监测点选址

为了选取合适的监测点，需要综合考虑以下因素：

（1） 监测点应覆盖供水管网的各个部分，包括主管道、分支管道以及连接部件等。

（2） 监测点的选择要考虑到供水管网的地理分布。不同地区的地形、地貌、地质等因素会对供水管网产生影响，因此需要在不同地理环境下设置监测点，以便更好地了解供水管网在这些因素影响下的性能。

（3） 监测点的选择还要考虑当地的社会经济状况。在一些人口密集、工业发达的地区，供水管网面临的压力较大，需要增加监测点的数量和密度。

（4） 监测点的选择要考虑到供水服务的要求。供水服务的对象不同，对供水的要求也不同。例如，对于医院、学校等重要设施，需要保证供水稳定、安全可靠；对于工业用水，需要保证供水量和水质符合标准。因此，需要针对不同的供水服务要求，设置相应的监测点。不同供水服务所需时间，如图2 所示。

图2 不同供水服务所需时间

在进行多目标大规模供水管网监测点选址时，需要充分考虑以上因素，并运用科学的方法进行评估和优化。同时，还需要根据实际情况进行灵活调整，确保监测点选址的科学性和实用性。

2 多目标大规模供水管网监测点选址实验

2.1 实验说明

选取了一个多目标大规模供水管网作为研究对象，该供水管网位于浙江宁波市溪口镇，人口密度大，属亚热带季风气候，四季分明，温和湿润，年平均气温为20 ℃。地势西北高、东南低，海拔最高为976 m，平均海拔约325 m。为进一步证明本文设计的多目标大规模供水管网监测点选址方法的优越性，采用文献[1]基于爆管监测的供水管网压力监测点优化布置（方法1）、文献[5]面向大规模供水管网的水质监测点布局优化（方法2），作为本文方法的对比方法。选取6 个监测点，分别为方法1A、方法1B、方法2A、方法2B、本文方法A 和本文方法B，测量其可视面积，及风险地区面积。

2.2 实验准备

水质分析仪器：包括浊度计、pH 计、余氯计、电导率仪等；压力监测仪器：包括压力表、压力变送器等；水流量计，水管漏点检测仪器：包括听音棒、漏点定位仪等；水管清洗设备：包括高压清洗机等；水质取样设备：包括采样器、过滤器等。

在准备实验设备和仪器时，需要注意以下情况：

设备的选型应符合实验要求，精度和稳定性要高。需要选购符合水质分析要求的水质检测仪和水质标准品。需要选购精度和稳定性好的压力表、水表、流量计等设备。确保所选用的实验设备和仪器均符合相关安全规范和标准。准备好必要的辅助设备和附件，如电源适配器、信号线、试管、滤膜等。

2.3 应用结果与讨论

由表1 和表2 可知，方法1 和方法2 选址可视面积小但风险地区面积大，而本文方法选址可视面积大并且风险地区面积小，即本文方法设计的多目标大规模供水管网监测点选址方法更好，更具有研究价值。

表1 监测点可视情况

表2 监测点风险地区面积（km2）

结束语

在多目标大规模供水管网监测点选址方法的研究中，我们提出了综合考虑多种目标进行优化选址的方法，旨在提高供水管网监测的效率和准确性。研究结果表明，该方法能够有效地确定最优监测点位，为城市供水行业提供科学的技术支持和决策依据。同时，这种方法还可以为其他领域的监测点选址提供参考和借鉴，将具有更广泛的应用前景和推广价值。