（环境工程专业论文）天津市中心渔港用水量预测与输水管优化设计研究.pdf

摘要 天津中心渔港是发展新型海洋经济的重要载体，是促进渔区城市化的国家重 点项目。为了做好中心渔港的供水，需要通过用水量预测和供水输水管设计与建 设，实现中心城区与汉沽区的联网供水。 本文通过对研究区域用水量预测，基本掌握了中心渔港规划期的用水量规模 及用水量发展趋势，进而合理计划、开发和利用水资源，做到既能保障规划期内 有合适的用水量，又能最大限度地节约用水；在此基础上，根据选定的供水水源 ( 津滨水厂) 与中心渔港的地理位置，可能的穿越路线及途经的地下、地面工程 的现状，并结合天津市2 0 2 0 年城市道路系统现状与总体规划情况，经过技术经 济比较，确定了津滨水厂一中心渔港输水管道的埋设路线与不同区段的管材；然 后，采用传统的管网经济计算的方法，以输水管工程年费用总和最小为目标，确 定了该压力输水管线的经济管径；最后，根据输水管道优化设计的结果，提出了 一套切合工程实际的施工方案，为中心渔港的建设提供充足、可靠的水源保障。 关键词：中心渔港、用水量预测、输水管、设计优化、管道施工 a b s t r a c t a san a t i o n a lk e yp r o i j e c t ，c e n t r a lf i s h i n gp o r to ft i a n j i ni sa ni m p o r t a n tc a r r i e r 0 fan e w0 c e a n i ce c o n o m yd e v e l o p m e n t ，w h i c hc a np r o m o t eu r b a n i z a t i o no fn s h i n g a r e a i no r d e rt od ow a t e rs u p p i yf o rc e n t r a if i s h i n gp o r tw e l i ，t h ew a t e rs u p p i y n e t w o r ko fu r b a na r e aa n dh a n g ud i s t r i c tb u i l d e db yp r e d i c t i n gw a t e rc o n s u m p t i o n a n dm a k i n gt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fw a t e r s u p p i yp i p e sa n da q u e d u c t t h ep a p e rb a s i c a i l yg r a s p e dt h es c a l ea n dt r e n do fw a t e rc o n s u m p t i o ni n t h e p l a n n i n gp e r o do f c e n t i a lf i s h i n gp o r t w i t hm a k i n gar e a s o n a b l ep l a n ，d e v e l o p m e n t 锄du t i l i z a t i o no fw a t e rr c s o u r c e ， t h ea p p r o p r i a t ew a t e rc o n s u m p t i o nc a nb e s a f - e g u a r d e di nt h ep i a n n i n gp e r o d ，i na d d i t i o n ，w a t e rc a nb em a x i m u m s a v e d o nt h i s b a s i s ，a c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o no ft h es e l e c t e dw a t e rs u p p l ys 0 u r c e ( j i n b i nw a t e r p l a n t ) a n dt h ec e n t r a lf i s h i n gp o r t ，t h ep o s s i b l ec r o s s i n gr o u t e s ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o n o fu n d e r g r o u n da n dg r o u n dc o n s t r u c t i o n sa i o n gt h e1 0 u t e ，a n dc o m b i n e dw i t ht h e p r c s e n ts i t u a t i o na n dt h eo v e r a l lp l a n n i n go ft i a n j i nu r b a nr o a ds y s t e mi n2 0 2 0 ，t h e b u d i n gr o u t e so ft h ew a t e rp i p e i i n ef r o mj i n b i nw a t e rp i a n t t 0c e n t r a if i s h i n gp o r t a n dt h ep i p e so fd i f - f e r e n ts e c t i o n sd e t e 咖i n a t eb ym a k i n gac o m p a r s o ni nt e n no f t e c h n i c a le c o n o m y t h e n ，t a k i n gt h em i n i m u ma n n u “c o s to fw a t e rp i p e se n g i n e e r i n g a sag o a i ，t h ee c o n o m i cd i a m e t e ro fp r e s s u r ea q u e d u c td e t e m i n e du s i n gt h et r a d i t i o n a l c a l c u i a t i o nm e t h o do ft h en e t w o r ke c o n o m y f i n a l l y ，a c c o r d i n gt o t h er e s u l t so f o p t i m a ld e s i g no fa q u e d u as c to fp r a c t i c a lc o n s t r u c t i o np i a np r o p o s e d ，w h i c hc 蛐 p r o v i d et h ea d e q u a t ea n dr e l i a b l ew a t e rg u a r a n t e ef b r t h ec o n s t r u c t i o no fc e n t r a l f i s h i n gp o r t k e yw o r d s ： c e n t r a lf i s h i n gp o r t ，p r e d i c t i n gw a t e rc o n s u m p t i o n ，a q u e d u c t ， d e s i g no p t i mi z a t i o n ，p i p e l n ec o n s t r u c t i o n 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第一章绪论弗一早硒叱 我国水资源总量不算少但由于我国人口众多，故人均水资源占有量很低还不 到世界人均占有量的四分之一，加上水源污染相当严重，可以说我国水资源是相 当紧缺的。因此合理利用各种水资源应当被重视。【l 】 我国城市化正以罕见的速度进行，由于人口持续增长、经济高速发展，城市 的工业和生活需水量也随之增长，使城市水资源的供需难以平衡，缺水问题也成 为城市化进程中不可避免的问题。在城市供水系统的规划与设计中，用水量预测 与输配水管网设计是重要内容之一，其结果的准确性将会直接影响到供水的可靠 性和经济性，也直接关系到城市水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展。 新世纪新阶段天津滨海新区功能定位将成为北方开放门户。推进天津滨海新 区开发开放，是中共中央、国务院从中国经济社会发展全局出发做出的重要战略 部署。滨海新区包括塘沽区、汉沽区、大港区三个行政区和东丽区、津南区的部 分区域。根据滨海新区的地域特点，发展海洋经济是其中重要的产业，天津海 洋渔业发展规划已经国家批准，在天津成立中心渔港，是满足经济快速发展的 需要，渔港业也将成为滨海新区的重要组成部分。 依据全国海洋经济发展规划纲要( 2 0 0 3 年) ，天津滨海新区将海洋产业 及循环经济示范区设置于汉沽城区南部，中心渔港定位在现高家堡渔港。 天津中心渔港是发展新型海洋经济的重要载体，是促进渔区城市化的国家重 点项目，其承担了科学研究、教育培训、现代商贸、信息交流和生态居住等现代 城市功能，通过园区建设、现代物流建设和城市化建设，实现社会经济协调发展。 为了做好中心渔港的供水，支持新区建设的原则，需要通过用水量预测和供 水管网的建设，实现中心城区与汉沽区的联网供水。为中心渔港的建设提供充足、 可靠的水源保障。 水资源的规划和管理日益重要，而需水量的预测作为整个规划的前提和基础 就成为非常重要的工作。因此，深入研究需水量问题，采用合适的方法科学、准 确预测出某一期间的需水量，是一项非常重要的研究课题。通过预测，可以了解 中心渔港规划期的用水量规模及用水量发展趋势，进而合理计划、开发和利用水 资源，做到既能保障规划期内有合适的用水量，又能最大限度地节约用水；准确 地预测能使供水的投资更趋合理，有利于搞好中心渔港给水工程规划及管网的优 化、改造、扩建等，同时也有利于合理地分配不同区域的用水量，并为各个水厂 第一章绪论 产水量提供依据和最大限度地降低供水成本；合理地水量预测可指导中心渔港的 整体规划布局，预防和控制水污染。同时，用水预测也是天津滨海新区供水规划、 多部门配水决策和制订水价的重要基础。 国内外研究现状及进展 1 2 1 用水量预测研究现状及进展 1 2 1 1 国内 2 0 世纪6 0 年代，随着国内农业灌溉的快速发展，即开展了需水量研究工作， 但主要是针对灌溉试验的研究；到7 0 年代末期，由于农业需水大幅增加，工业 和生活需水量也有所增加，需水量预测工作才得以全面开展，这段时期预测方法 较为简单，农业灌溉需水量主要是采用一定的灌溉制度进行预测，工业、生活需 水量则主要是采用年增长率法，线性回归法以及多元线性回归法来预测：进入 8 0 年代，随着改革开放的进行，我国的社会经济各方面都取得了飞速的发展， 工业、生活用水量也急剧增加，这一时期我国开始进行地表水、地下水以及外流 域调水联合调度研究。并随着数理统计和预测理论等新知识、新技术的发展，以 及城市需水量预测要求的提高和各城市供水系统的发展，开始使用线性回归之外 的理论进行需水量的预测；9 0 年代以后，伴随着改革开放的深入，出现了水资 源短缺，水污染严重，以及部分城市的严重缺水等问题，这个时期需水量的预测 研究得到了各部门的重视和深入研究，大量的预测方法及应用研究在这个时期得 到了长足的发展。 1 9 8 0 年，全国水资源调查评价和水资源利用的调查分析工作全面开展。在 全国范围内对水资源进行了数量评价、质量评价、开发利用量评价、供需分析， 并第一次把水文、水资源评价与水的利用和供需展望结合进行：1 9 8 6 年，我国 提出了全国、各流域( 片) 和各省、自治区、直辖市三个层次的研究报告，把水文 评价与水的利用和供需展望结合起来，其中进行了需水量预测研究【2 】；1 9 9 2 年下 半年，中国科学院水问题联合中心开始组织完成了“中国水资源开发利用在国土 整治中的地位与作用”这一重大课题，并参加编制了中国2 l 世纪议程，从如 何解决我国的水资源持续利用出发，开始了新一轮需水量预测研究。 1 9 9 4 年，丁宏达把回归理论与数字滤波理论相结合，提出回归马尔柯夫链 法，这种方法是在传统回归预测法的基础上，考虑数据系列的波动性，把数字滤 波理论和回归理论结合形成的方法；1 9 9 6 年，柳景清考虑在城市需水量预测中 经济发展的影响，提出了动态非线性灰色模型参数估计法；1 9 9 8 年，吕谋、赵 2 第一章绪论 洪宾等利用季节指数平滑法进行需水量预测汇【3 1 ；2 0 0 1 年，曹萍认为城市年用水 量是一个奇次马尔柯夫链，并应用马尔柯夫过程仿真技术进行城市年用水量预测 m 】；单金林、戴雄奇等利用b p 网络建立预测城市用水量模型；徐洪福、袁一星 等，运用灰色理论，认为虽然用水系统的结构，系统因素及各因素之间的关系， 系统的运行机制和状态都不完全清楚，但是系统必然存在某种内在规律，在将已 有t = n 时刻以前的数据处理，使之呈现指数趋势变化后，利用灰色理论建立了常 规g m ( 1 ，1 ) 模型，用于预测城市需水量，并以大连市为例进行了应用，分析得 到的精度可以满足要求【5 】；2 0 0 0 年，中国工程院组织了覆盖地理、地质、气象、 水文、农业、林业、水利、土地、水土保持、生态环境、城市建设、环境工程、 社会经济等有关学科的4 3 位两院院士和近3 0 0 位院外专家，以2 l 世纪中国可 持续发展水资源战略研究为总项目，根据2 0 3 0 年前后我国人口将达到1 6 亿的 总形势，分设7 个课题组进行研究。经过一年多的紧张工作提出了9 个专题报告 在各专题报告的基础上经项目综合组反复研讨和重点考察，提出中国可持续发 展水资源战略研究综合报告，对我国2 l 世纪的需水量进行了全面预测研究【6 1 。 2 0 0 2 ，李晓峰等采用层次分析和自回归模型对城市生活需水量进行预测，并 应用于成都市的生活需水量预测，模型精度较高n 该模型先将原始数据序列加 工成一个白噪声序列处理，因此，可以对任何一个用水过程进行模拟，且预测速 度快，精度较高，但是预测周期短，所采用的数据单一，只能给出下一周期需水 量的预测值，且无法进行合理的误差估计。目前，该模型改进形式有a m a ( p ， d ，q ) 模型和a r m a ( p ，d ，q ) s 模型，用计算机动态建模，预测速度快，适用于 时预测、日预测和年预测，以及对用水过程进行模拟；杜国明利用改进的快速二 阶b p 神经网络方法预测用水量1 8 】；刘洪波等采用三角函数法预测需水量【9 】；2 0 0 3 年，卜义惠，赵洪宾等，应用r b f 网络预测模型预测城市需水量，利用径向基 函数建立了日用水量的动态预测模型，该模型考虑了城市用水量的气温、阴晴状 况以及节假日等的影响1 1o j ；2 0 0 4 年，阮本清，魏传江在首都水资源安全保障 体系建设中，建立了水资源农业生产函数、工业生产函数、及城镇居民生活蓄 水函数j ；王弘宇，马放等针对常规g m ( 1 ，1 ) 模型在中长期城市生活需水量预 测中出现的预测年份越远，预测意义就越弱的不足，建立了灰色新陈代谢g m ( 1 ， 1 ) 模型，该模型一方面继承了常规g m ( 1 ，i ) 模型的优点，另一方面它能够将进入 系统的扰动因素及时考虑进去【lz j ：同时，根据灰色理论原理，还可以建立应用于 增长速度有变化的灰指数模型，应用于处理有季节变化数据或噪声数据的灰色拓 扑模型，以及能包含多个用水量影响因素的g m ( 1 ，n ) 模型等；刘勇键，沈军等， 针对b p 网络收敛速度慢，易陷入局部极小的问题，提出了改进的基于遗传神经 网络的城市需水量预测模型【l 习；2 0 0 5 年，刘俊良等应用系统动力学模型预测城 第一章绪论 市生活需水量，系统动力学模型是按照系统动力学原理建立起来的数学模型，借 助计算机进行模拟，以处理随时间变化的系统问题，它的本质是一种条件预测， 一种反馈，可以在缺乏基础数据、难以建立表达式的情况下进行预测，它通过对 系统反馈机制作用进行分析建立模型，分析过程复杂，工作量极大，对预测者的 专业知识，实践经验、系统的分析建模能力都要求较高，但是该模型系统性较强， 预测精度高，有较高的应用价值1 1 4 】。 1 2 1 2 国外 2 0 世纪5 0 年代以来，随着经济的发展，许多国家用水量急剧上升，甚至出 现了比较严重的水危机，于是需水量预测得到各个国家的广泛和高度的重视。为 此联合国在1 9 7 7 年召开世界水会议，这次会议通过了“马德普拉塔行动计划 ( m a r d e ip i a t aa c t i o np l a n ) ”，号召各国专门进行一次国家级的水资源评价活动， 计划指出：实现对水资源的加速开发并井井有条管理这样的目标，己成为努力改 善人类经济和社会条件的关键因素，特别对于发展中国家更是如此。为了保障人 类高质量的生活，增进人类的庄严和幸福，我们必须采取专门的并协调一致的行 动以谋求答案，并且把这种答案应用于国家和区域的水平上，不然就不能保证 上述要求的实现。1 9 8 8 年世界环境与发展委员会( w c e d ) 提出的一份报告中指 出：“水资源正在取代石油而成为在全世界引起危机的主要问题”【1 5 】。1 9 9 2 年， 在里约热内卢举行的联合国环境和发展大会上通过2 l 。世纪议程，提到：“淡 水是一种有限资源，不仅为维持地球上一切生命所必需，且对一切社会经济部门 都具有生死攸关的重要意义”【1 6 l 。他们使水资源研究开始以面向未来的可持续发 展为中心开展，从而推动了需水量预测研究的深入进行。 美国早在1 9 5 6 年就开始用水量预测工作，1 9 6 8 年美国完成了第一次国家水 资源评价，研究了美国水资源的现状和展望，提出了需水预测成果，预测2 0 0 0 年、2 0 2 0 年总需水量将在1 9 6 5 年用水量的基础上分别增长2 0 0 和4 0 7 ( 即分 别达到1 1 l1 6 亿m 3 和1 8 9 0 0 亿m 3 ，到1 9 7 5 年，由于意识到如此高的用水量无 法实现水资源的可持续利用，于是在第二次评价中综合考虑了水污染、水资源量 等因素以及节水措施，使预测结果与目前美国实际用水量很接近：1 9 7 8 年进行 了第二次全国水资源评价工作，重新对各类用水进行了需求预侧。日本从上世纪 六十年代开始，每隔十年就进行一次全面规划，把用水量预测作为规划的一个重 要依据，于1 9 8 3 年完成了2 l 世纪用水预测工作，1 9 8 4 年完成了全国水资源开 发、利用和保护的现状评价。苏格兰自7 0 年代开始，分别于1 9 7 3 、1 9 8 4 、1 9 9 4 年进行了三次水资源规划，在1 9 9 4 年的规划中，对需水量的预测值和实际值做 了对比，预测结果比较接近实际旧。 4 第一章绪论 1 9 8 1 年d rg a l l a 曲e r 【1 8 l 对澳大利亚的需水量模型进行了研究；1 9 8 9 年，c h a s e 和o m s b e e i l 州提出采用非线性规划求解。并用水力模拟解决优化模型求解中的管 网约束问题，然后采用微分方法求梯度值，而不是采用分析法，每次微分需要几 次的水力模拟，计算较耗时；1 9 9 2 年，m a y l 2 0 】等根据降水量、水价、人口、收 入等影响因子与需水量之间的相关关系，建立了需水量预测的对数和半对数回归 模型，并应用于美国的t e x a s 州进行预测，取得了较好的效果，r i c h a dn p a l m e r 提出了非线性回归模型，将气温和降水量等气候因素考虑进去，充分考虑了用水 量的变化特点；1 9 9 5 年，n o b u y as a r u w a t a r i 掣2 2 】研制a d e a u m i s 仿真平台预 测灌溉用水量；2 0 0 0 年，澳大利亚的s l z h o u a ，t a m c m a h o n ，a w a l t o n ，j l e w i s 等【2 孓2 4 j 人建立了日用水量和时用水量预测的时间序列预测模型，把用水量预测工 作推上新的台阶；2 0 0 2 年，b r e l d ( e ，l e v i 掣2 5 】人对用水量预测进行逐步回归法 预测，j a i n ，a s h u ；o m s b e e ，l i n d e l le 【2 6 】综合介绍和评价了8 种用水量预测模型， 并在短期用水量预测过程中，分别对最高日用水量，最高温度日的日用水量及全 天下雨时的日用水量三种情形进行了测试、检验；2 0 0 3 年，j o s e p ha l c o m o 等姗 人，建立了w a t e 略a p 2 用水模型，分别预测生活、农业、工业需水量，该模型 考虑了国民收入、用水效率及降雨天数等影响因素，生活用水过程用s j g m o i d 曲 线表示，工业用水过程用双曲线表示；2 0 0 4 年，h o s s e i n 等【2 8 】和宋松伯等【2 9 j 对干 早区用水量和腾发量做了研究，提出预测模型。 1 2 2 城市管网与输水管线的设计与优化研究现状及进展 1 2 2 1 国内 在管网定线布置优化研究的初期，设计人员主要是根据自己的实践经验和工 程区地形条件，提出管网布置的一些基本原则，作为确定管线走向和干支管结构 布置形式的依据。后来，一些国内学者对管网布置的基本原则和布置形式、布置 与投资关系、不同管网形式的适宜性等问题进行了探讨。林性粹等【3 0 】人提出一种 简单实用且能同时考虑布置和设计的管网优化设计方法，该方法利用正交试验设 计原理确定若干个管网布置方案，并利用微分法对每个方案进行优化设计，通过 对多个布置方案的优化设计结果进行比较，确定出最优的管网布置形式和优化设 计方案。魏永耀等也提出了一套比较完整的管网系统优化设计方法。主要是利 用图论中的最小生成树法来确定管网总长度最短的管网布置方案，然后采用动态 规划法或微分法计算管网的最优管径，并利用计算机绘制管网布置图。方永忠【3 2 】 用生成树变换法求输配水系统最短供水路线，解决了多水源输配水系统中有一个 以上节点流量为负值的最短供水路线问题。 第一章绪论 已有的管网定线优化布置方法各具特色，为管网优化布置提供了可选择的具 体方法，对管网工程的规划布局具有一定的指导意义，但是在实际应用中还存在 一些局限性。为了使管网定线优化布置过程简单化、实用化，减少设计人员繁重 的计算工作，寻找有效的管网定线优化布置新方法是管网优化研究中有待解决的 问题之一【3 3 1 。 在管网优化研究的发展过程中，由于管网优化设计对整个系统的投资影响较 大，所产生的经济效益也比较显著，因此，研究人员们对管网优化设计研究非常 重视。我国对此方面的研究起步较晚，给水管网改扩建研究起步于七十年代，同 济大学、天津大学、湖南大学等进行了较多的理论研究【3 4 】。进入八十年代后，随 着电子计算机的普及与管网分析理论水平提高，出现了更多的理论研究成果和应 用程序，在管网扩建中也使用了一些成熟的算法，如修正牛顿迭代法、广义简约 梯度法等，但尚未形成完整的给水管网改扩建体系，对规模较大的给水管网系统 而言，尚未达到实用水平。对于管网优化设计中的难点，我国学者也付出了不少 努力。 王彤、赵洪宾等【”。6 1 针对我国城市给水管网改扩建过程中遇到的实际问题， 提出了采用直接优化方法约束非线性混合离散变量规划方法( m d o d 算法) 进行管网优化改扩建模型的计算，从而确定出各改扩建管段的最优管径和各水源 最优水量分配。 邹林1 3 刀等提出了利用遗传算法进行给水管网管径优化设计的方法。特点在于 从多个初始点开始寻优，并采用交迭和变异算子避免过早地收敛到局部最优解， 可获得全局最优解，且不受初始值影响。遗传算法对函数没有专门限制，不必求 导计算，算法及编程均简单，计算过程仅涉及目标函数和约束条件的比较，二进 制数与十进制数转换，约束条件不需要用设计变量的显式表示。它能够获得全局 最优解而不是局部最优解，这是由于它的初始值不是一个点，而是多个初始点。 这种多样性的解一代又一代的被保留，即使有些解收敛到局部最优解，而变异过 程又会随机地产生出截然不同的解，这样，交迭和变异的有机结合会保证遗传算 法收敛到全局最优解。 周云等【强】提出了一种给水管网优化设计方法，该方法分三段进行，先用最小 二乘法分配管段流量，再用无条件极值法计算优化管径，最后对计算管径按市场 规格管径取整，这种方法具有实用、可靠、便于调整、计算快、易收敛等优点。 王荣和和顾国维【3 9 】分析了我国目前给水管网系统设计、运行中存在的问题， 并对标准优化技术没有在实际工作中广泛应用的原因进行分析提出应用优选管 径法( 枚举技术) 进行给水管网系统的优化设计计算，并编写w d o c 软件系统进 行实现。与标准优化技术相比较，有优化结果准确、实用性强、工程性强的特点， 6 第一章绪论 尤其是可以同时进行多种工况优化。 吕谋、赵洪刭4 0 】等根据给水管网的水力特性，构造了以管段压力及管段流量 为求解变量的优化设计目标函数，利用线性约束的特点，采用了优化效率明显的 简约梯度法进行计算，通过目标函数变换，一次性解决了圆整地难题。 王圃【4 h4 2 】等对传统遗传算法存在的问题提出了改进意见，并将改进遗传算 法应用于城市给水管网优化，使之在收敛速度和计算结果方面都优于传统算法。 最近几年，我国在给水管网优化设计研究中取得了很大进展。许多专家和学 者对管网设计中诸如经济流速，加压泵站和水库的选址、容量选择等作了有益的 探讨，并对流量分配进行了研究。王荣和、顾国维等【4 3 】编制h y p n w 和p c a d 软件系统，建立了青岛高科技开发园区给水管网优化设计模型，该模型属地形起 伏大、水源多、分区供水的大型给水管网优化设计数学模型，并对输入、输出数 据进行特殊处理，建立图形菜单和数据库，绘制水力计算成果图、等压线图，并 且在给定平面图的情况下自动生成纵剖面图；哈尔滨工业大学给排水系统研究室 开发的给水管网信息管理和分析系统( w n w ) ，是用于城市给水管网的信息管理、 管网运行工况模拟计算和分析、管网事故分析处理、管网改扩建优化设计的综合 软件包。 在我国，长距离输水工程在供水领域起着相当重要的作用。由于当地水资源 的限制，为了谋求经济发展，造福人类，长距离输水工程就成为解决水资源紧缺 的最有效手段。如江苏省曾经修建江都江水北调工程，广东省修建了东深供水工 程，天津为解决水源问题修建了引滦入津工程，当下，天津又正在修建引黄济津 工程。这些长距离输水工程在缺水地区的水资源配置工作中起到了重要作用。 关于输水管线设计优化的研究工作，早在l9 9 6 年，刘喜光等人就已经建立 了长距离输水管线数学模型对管线进行模糊优化设计，通过对长距离输水管线进 行水力、结构、水力瞬变、管材比选等方面计算对输水管线设计优化进行了分析 与研究。此后，越来越多的研究人员着眼于输水管线的设计优化工作，并且越来 越多的长距离输水工程得到重视，从而成为我国各个地区水资源配置中不可或缺 的重要部分。 1 2 2 2 国外 国外学者对管网定线布置优化的研究起步较早，法国学者c l e m e m t ( 1 9 7 9 ) 等 人提出用单位矢量法改进管网布置形式。8 0 年代开始研究管网最小费用布置和 设计问题的结合。m o 唱a n 和g o u l t e r ( 1 9 8 5 ) m “5 】基于线形规划方法提出了一个两 步式试探步骤：( 1 ) 通过模拟管网中多种用水情况，求出管网的各种水力条件，求 解布置；( 2 ) 搜索新的水力条件使管网投资最少，然后不断优化同样的步骤，确 第一章绪论 定最小费用的元件大小设计。l a n s e y 和m a y s ( 1 9 8 9 ) 【删对两阶段方法进行了改进， 在设计中考虑了泵、蓄水池、阀门以及管径的大小及管线的位置，但该过程计算 强度很大，需要在优化模型和模拟模型之间进行大量迭代，每个步骤需要高维梯 度项。 2 0 世纪6 0 年代，国外学者就开始应用系统分析方法设计给水管网，并将优 化程序应用于其中。最早的给水管网优化模型是针对树状网建立的，如 k a n n e l i ( 1 9 6 8 ) 等人的模型，这些模型能够获得全局最优解，但是模型仅仅但是模 型仅仅适用于树状网，不利于实际工程运用。 自从2 0 世纪7 0 年代以来，大量的管网优化设计技术被相继提出。1 9 7 7 年 和1 9 8 1 年a l p e r o v i t s ，s h a m in 【47 】等人开始使用线形规划法求解管网优化问题，即 使用梯度搜索方法寻找在满足环状网约束条件下，目标函数( 投资) 最小的管网， 此模型能够方便的求解环状网优化设计，引起了当时学术界的极大地重视。但是 线形规划法也存在不足之处，首先，这些模型难于求解变量和用水情况较为复杂 的管网优化问题；第二，管网优化结果往往趋向于树状网。设计结果中管网的环 状形式是由一些较小管径的管段连接较大管径的树状网管段形成的。因而模型的 寻优过程是通过去除系统的某些冗余条件为前提而实现的，这些冗余条件在某些 特定用水情况下是可以不予满足的，但是在管网实际运行过程中的多用水情况 下，这些冗余条件必须满足。 8 0 年代以来，尤其是近几年来一些全新的计算方法相继出现，大大丰富了 最优化技术，也为那些传统最优化技术难以处理的组合优化问题提供了切实可行 的解决方案。一个以模仿自然与生物的计算智能( c o m p u t a t i o n a i i n t e l l i g e n c e ) 时代 悄然兴起。 现代优化算法包括神经网络、遗传算法、模拟退火和拉格朗日松弛等算法。 这些算法涉及神经系统、生物进化、人工智能、数学和物理科学和统计力学等概 念，都是以一定的直观基础而构造的算法，因而又被称之为启发式算法。启发式 算法是相对于最优算法提出的概念，它是一种基于直观或经验构造的算法，在可 接受的花费( 上机计算时间、占用内存) 下给出问题的一个近似最优解。 1 9 8 7 年g o i d b e 曜f 4 8 4 9 】开始应用遗传算法求解管网优化模型，随后s i m p s o n 【5 0 j 等也分别建立遗传模型并取得了良好的效果。遗传算法的应用，引起了学术界对 现代优化算法的极大重视，纷纷进行研究，推动了给水管网优化模型研究的进步。 1 9 9 6 年，d a n d y 等1 5 l 】提出了一种改进的遗传算法，该算法可对适应度函数、灰 色编码、蠕变操作算子放大倍数，并将其应用于纽约市供水管网烈y c t ) 。1 9 9 9 年，d ac o n c e i c a lc u n h a 和s o u s a 【5 2 1 成功的使用模拟退火算法( s a ) 解决了河内管 网和双环管网的问题，他们同时也指出：如要高效的利用模拟退火算法解决供水 第一章绪论 管网设计优化问题，仍须对退火算法的参数做进一步研究。2 0 0 1 年，w u 和 s i m p s o n 【 j 对快速杂乱遗传算法( f m g a ) ( g o i d b e 喀等，1 9 9 3 ) 进行了研究，该算法 不同于传统的方法，采用了变长字符串编码和新的遗传算子，他们将快速杂乱遗 传算法用于2 个实例研究，即纽约市供水管网和一个位于摩洛哥的真实供水管 网，并证实快速杂乱遗传算法的表现优于其他的标准遗传算法，此外，摩洛哥算 例的计算结果还表明了该算法在大规模管网设计优化中的高效率。 2 0 0 3 年，m a i e r 掣5 4 j 利用蚂蚁算法( a c o ) 对此前由s i m p s o n 等人提出的1 4 根管的管网及纽约市供水管网进行了优化计算，计算的结果表明在供水管网优化 中，蚂蚁算法是遗传算法的一种很有效的替代方法；e u s u f j f 和l a n s e v 开发出了 混合蛙跳算法( s f l a ) 并成功应用于三个管网设计中：双环管网，河内和纽约供水 管网。混合蛙跳算法是一种新型的启发式进化算法，能够组合和交换并行全局最 优搜索中的信息，该算法是从粒子群中优化算法中获取的灵感【5 5 1 。2 0 0 4 年， v a i 陀v a m o o 汕y 和s h e n i 拍j 利用粒子群优化算法对河内和纽约供水管网做了实验， 认为该方法得到了最优的结果，与遗传算法相比，粒子群优化算法在纽约供水管 网算例中用较少的迭代次数便获得了最低的费用值。 对于输水管线的优化设计研究，国外的学者也早已开始对其进行研究与探 索。目前，世界上已建、在建和拟建的大型长距离调水工程已达1 6 0 多项，且分 布在2 4 个国家。其中已建的比较大型的有巴基斯坦的西水东调工程，年调水量 达1 4 8 亿m 3 ；距离较长的是美国加利福尼亚的北水南调工程，输水线路长达 9 0 0 k m ，调水总扬程1 1 5 l m ，年调水量5 2 亿m 3 。截止到2 0 0 2 年，加拿大、印 度、巴基斯坦、前苏联和美国这五大调水国家的调水量总和占到世界调水总量的 8 0 以上。可见，输水工程无论在世界上哪个国家，都是解决水资源短缺的最主 要手段。 1 3 本课题主要研究内容及研究目标 1 3 1 研究目标 ( 1 ) 通过对各种不同预测方法的精确度比较，针对研究对象及相邻区域( 中 心渔港) 需水量的历史数据系列特点和变化规律，结合实例尝试解决中长期需水 量预测问题。 ( 2 ) 根据研究对象的用水需求、可能的供水水源及该地区的城市建设规划， 建立输水管设计的优化模型，选择算法并用于制定该区输水管线设计方案等。 9 第一章绪论 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 根据调研资料，对该区( 或相邻区域) 的用水现状和用水结构进行分 析，并对涉及到的水资源、需水量影响因素等相关问题进行研究； ( 2 ) 对不同的需水量预测方法进行研究，选择最优需水量预测方法； ( 3 ) 在规划期内，对该区市的需水量进行预测计算与分析； ( 4 ) 结合该区城市规划图进行输水管定线设计； ( 5 ) 选择优化方法，并对跨区输水管进行优化设计； ( 6 ) 根据优化设计结果，制定该区输水管线设计方案。 1 3 3 研究技术路线 研究区域基础资料收集 土 研究区域现状分析 上 利用不同方法对该区域进行用水量预测， 通过分析比较确定最符合实际的需水量。 上r 确定该区域输水管道定线方案 上 l - j 输水管道优化设计 4 上 。 输水管道施工方案的确定 图1 1 技术路线图 l o 管道走向 工程量 难点工程 第二章研究区域概况及需水量预测方法 第二章研究区域概况及需水量预测方法 2 1 区域概况 天津中心渔港项目位于天津市滨海新区的汉沽区界内，高家堡村附近( 见图 1 1 ) ，中心渔港规划区域内包含两个自然村( 高家堡村、火神庙) ，一个渔港( 高 家堡渔港) 。中心渔港由陆域和海域两部分组成，路域主要发展海洋渔产品加工， 海域由渔港和游乐港组成。陆域部分规划范围为海滨大道以北，李家河泵站以西， 汉蔡路以东，规划津汉快速路以南的地区，用地面积约1 0 平方公里。海域规划 范围为张家新沟以东，李家河子以西海域，海域面积约6 平方公里，航道用海域 约2 1 平方公里，其中港池吹泥填海面积3 2 5 平方公里，总建设用地面积为1 3 2 5 图2 1 中心渔港位置图 天津中心渔港建成后，可容纳1 0 0 0 多艘5 0 0 0 吨级冷藏加工渔船航行、进港， 第二章研究区域概况及需水量预测方法 规模超过目前本市所有渔港总合，是未来本市乃至环渤海地区最大的海产品集 散、加工、渔业制造及技术研发等为一体的现代化渔港。 ( 1 ) 气象气候 港区气候属于暖温带半湿润大陆型季风气候。由于位于渤海岸边带，受季风 环流的影响很大。因而形成气候冬夏长、春秋短，春季干旱多风，夏季高温高湿 雨水多，秋季冷暖适宜，冬季寒冷少雪，四季变化明显的特点。 该地区平均气温1 2 6 ，最高七月平均气温2 6 ，最低一月平均气温4 6 。 年日照时数为2 8 9 8 8 h ，平均日照百分率为6 4 7 。 ( 2 ) 交通条件 中心渔港陆域交通发达，通向塘沽、汉沽和中心城区的主要道路为新建的海 滨大道；渔港规划建设完善的交通网络，有利于的港区的物流。 ( 3 ) 水环境 当地的水环境只限于由内陆堤岸把海水围成的水塘，生长着一些耐盐植物； 海水含沙量很高，水质条件较差：内陆的水塘通过闸门和外海水体产生交换，水 质较好。 目前中心渔港伸入海中的三条防波堤正在建设之中，陆域部分正在围埝填 海，距离港区最近的河流为蓟运河，大约5 公里。 ( 2 ) 水资源 1 ) 降水量 港区年降水量变化较大，近2 0 年平均降水量约为5 1 8 m m ，其中最大降水量 为8 5 7 m m ，发生在1 9 9 8 年；最小降水量为2 9 7 m m ，发生在2 0 0 2 年。此外，雨 水资源还具有年内分配不均的特点，每年的降水量主要集中在六、七、八月份， 约占全年降水量的6 5 左右。 2 ) 地下水 该地区地下水补给主要由垂直运动控制，其补给来源是大气降水、地表水和 灌溉水的渗入；水位埋深l 2 m ，水位随年度和季节略有变化。 整个滨海新区多年开采地下水，地面沉降严重。根据调研结果，在相邻的塘 沽区2 0 0 k m 2 监测范围内，1 9 5 9 2 0 0 2 年最大累计沉降量已达3 2 l m ，建成区低 于平均海平面的有8 k m 2 。以往的研究证实，区内巨厚的砂岩和粘性土具可压缩 性，在砂岩和砂层中赋存的可开采利用的流体资源是塘沽区地面沉降的内在条件 和物质基础。整个区域构造沉降速率约为2 3 m m a ，超量开采地下水( 包括地 热水) 是造成全区地面沉降的主要原因。考虑到政府的控沉措施，严格限制地下 水资源开采，故本文不考虑地下水资源量。 3 ) 自来水与淡化水 第二章研究区域概况及需水量预测方法 港区现状自来水供水的可能的主要来源是津滨水厂、汉沽水厂，其原水为引 滦水。 此外，港区紧邻天津北疆电厂，其生产的淡化水也是可选择的水源。 ( 4 ) 相邻重要区域 和港区最为接近区域主要有位于南部( 相距2 5 公里) 的滨海航母公园，以 及有着1 0 0 0 多年的制盐历史的化学工业园区。 ( 5 ) 港区的地理优势 通过对现场条件的综合分析，我们发现港区有着以下优势： 1 ) 该工程位于汉沽区高家堡沿海，地处滩涂较窄，水深条件相对而言有利 于建港； 2 ) 邻近天津北疆电厂电力供应条件有保障； 3 ) 港区沿海居民较少，滩涂利用率很低，可以减少工程的征地征海投资； 4 ) 港区所占用滩涂经济性海洋生物较少，仅有少量贝类采集，产值很低， 但中心渔港建成后，该滩涂将变成繁荣的渔港经济区，其经济效益将非常显著。 2 2 研究水平年 用水量预测规划年限：2 0 1 1 年2 0 2 0 年。 2 3 用水量预测主要方法 常用的各种预测方法会受到一定的因素制约而具有局限性，需水量预测涉及 社会、经济、人口、城市化等多方面因素的复杂问题，不确定性因素很多，而常 用预测方法通常只能反映一种平稳的几何增长过程，所以预测的结果与实际用水 量有较大差距，许多长期预测的需水量都偏大。分析认为，长期预测结果偏大的 原因是： ( 1 ) 对经济发展和用水需求的客观规律没有认识清楚，误以为随着经济的 发展用水量必然不断增加，实际上随着科技水平的提高、经济结构的变化、防治 污染以及水价的变化，用水定额可能会降低。 ( 2 ) 目前常用的各预测方法具有一定的局限性：由于需水预测涉及社会、 经济、人口、城市化等多方面的复杂问题，不确定性因素很多，而常用预测方法 通常只能反映一种平稳的几何增长过程，所以预测的结果与实际用水量有较大差 距。 ( 3 ) 预测模式中参数选择不当使需水过程难以被准确描述。如工业用水结 第二章研究区域概况及需水量预测方法 构复杂多变，若简单地根据工业总产值预测用水量的长期增长趋势会造成误差较 大。另外，产值的弹性或不确定性很大，难以反映用水效率和水平。 因此无论采用何种方法，需水量的预测都必须以当地经济发展的特征和用水 现状研究作为基础，合理选择指标和参数。 2 3 1 回归分析法 供水系统中用水量与众多因素之间存在一定的关系，这种关系往往无法用精 确的数学表达式来描述，只有通过对大量观察数据的统计处理，才能找到它们之 间的关系和规律。回归分析就是通过对观察数据的统计分析和处理，研究与确定 事物间相关关系和联系形式的方法。运用回归分析法寻找预测对象与影响因素之 间的因果关系，建立回归模型进行预测，即根据历史数据的变化规律寻找自变量 与因变量之间的回归方程式，确定模型参数，据此做出预测【5 7 】。 需水量预测往往受多因素的影响，需建立多个自变量的回归模型。当变量间 的结构关系在未来无大的变动时，通过自变量的预报值来求得预测对象的未来 值，称为多重回归分析法。由于涉及多个自变量，因此也称为多元回归分析法。 在城市需水量预测中常用到这种方法【5 8 j 。 通过回归分析法进行预测，有如下特点： ( 1 ) 自变量的选择要求高。城市用水量预测在抓住系统主要影响因素的基 础上，引入适当的自变量，过多的自变量不仅会使计算量增加、模型稳定性退化， 还容易把不可靠的自变量预测值引入模型，使误差累加到用水量预测结果上，造 成误差； ( 2 ) 历史数据准确性要求高。如果通过影响因素法来进行用水量预测，建 立模型时便需要气象资料实测值； ( 3 ) 预测成本高。由于在多元回归分析中所选择的影响因素对历史数据采 集及预报值的获取需要涉及到众多部门，需投入的人力物力资源比较大； ( 4 ) 外推性能好，对于供水系统历史上为出现过的情况有较好的预测性； ( 5 ) 自身存在着模型综合能力差，气象与用水量间的关系也是用事先假定 的函数关系来描述的，不能完全合理的反映它们之间的关系。 回归分析在系统发生较大变化时，也可以根据相应变化因素修正预测值，同 时对预测值的误差也有一个大体的把握，因此适用于城市日用水量预测；对于城 市时用水量预测，由于影响因素复杂、连续时间段同一时间点的用水量数据波动 不是很大，回归分析没有很好的效果，从减少预测成本来说，不宜采用；对于城 市年用水量预测，从理论上说，是一种比较好的方法，但是由于分析城市年用水 量的影响因素所涉及的单位部门广，由上面的分析