新疆地处中国西北,干旱少雨,水资源分布不均匀。由于三山夹两盆特殊地理原因,多数城市倚靠在雪山脚下,将雪山融水作为城市重要水资源来源,为有效利用重力势能,城市给水厂建立在地势较高的地方向给水管网供水。从山顶到山脚地势起伏不定,高程差大,重力流供水方式受地形约束极大,给水管网下游会时常出现压力过高的现象,导致管网中压力分布不均匀,有爆管风险,产生不利于管网安全运行的因素。新疆的这个问题跟内地是相反的,内地城市面临的是压力不够,靠泵站提升水头,很少有新疆这种情况。新疆城市面临的问题同样在W市存在,很多新疆城市的供水都存在这种问题,W市在新疆具有普遍性和代表性。这种情况之前都没有被人深入研究过,以W市为例探索新疆城市面临的供水问题是十分有必要的。针对上述问题,本研究提出了一种综合使用聚类、分区和优化对给水管网系统(Water Distribution System,WDS)进行分区的方法,进行分析和模拟计算,即:基于黑洞聚类算法(Black Hole Clustering Algorithm,BHCA)的给水管网分区方法。本文在进行给水管网分区时,首先对其进行水力分析,将实际管网地理信息系统(Geographic Information System,GIS)数据进行处理,转换为给水管网模型;其次,基于图论将管网构建立为有权无向图,获得管网节点矩阵和管段矩阵;针对新疆城市高落差重力流给水管网节点压力不均匀,压力变化灵敏的特点,使用黑洞聚类算法以压力差作为权重,通过多阶段迭代过程消除异常值,将给水管网节点聚类,划分管网为不同的区域;优化分区边界管道开闭情况,通过关闭相应管段获得分区方案;最后,根据消防事故指标、节点水龄、节点平均压力及各分区压力标准差指标对分区方案进行评价分析,验证该方法的实用性。本文以W市某片区给水管网为案例,此管网经过宏观等效原则、小误差原则等方法概化之后共包含5930个节点、4938个管段、1054个阀门,管网结构较为复杂。利用本方法对其进行分区管理,节点分区结果与实际高程及管网拓扑属性一致,分区结果较好。分区管网节点水压有一定程度改善,解决了因高程差较大导致的压力分布不均匀,使节点压力降低,能够有效防止爆管事故的发生,对实际管网操作有意义。
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