城市多源供水系統(tǒng)成本優(yōu)化方法分析

陜永杰　魏紹康　原衛(wèi)利等

關(guān)鍵詞：水資源;城市供水系統(tǒng);優(yōu)化配置;遵義市

中圖分類號：TV213.9 文獻標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.012

引用格式：陜永杰，魏紹康，原衛(wèi)利，等.城市多源供水系統(tǒng)成本優(yōu)化方法分析[J].人民黃河，2022，44（3）：59-62，73.

城市供水系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)、居民生活、生態(tài)發(fā)展的重要系統(tǒng)[1]。隨著城市規(guī)模不斷擴大，水資源供需矛盾不斷升級，如何實現(xiàn)城市水資源低成本優(yōu)化配置，是當(dāng)前研究的熱點[2]。張超[3]針對供水系統(tǒng)的邊際成本進行了分析，其定價客觀反映了水資源消費的真實成本。Zhou等[4]建立了時間序列模型并應(yīng)用于預(yù)測澳大利亞墨爾本市日用水量，取得了很好的效果。Gato等[5]建立了回歸模型，將溫度和降雨量作為相關(guān)因子，分析城市節(jié)水量。施銀煥等[6]和譚奇峰等[7]針對城市供水管網(wǎng)分區(qū)管理方法進行了優(yōu)化分析，改善了供水系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力。尹兆龍等[8]對城市水資源優(yōu)化調(diào)度內(nèi)涵進行探討，認(rèn)為水資源優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)可降低城市供水系統(tǒng)的管網(wǎng)壓力。喬舒悅等[9]分析對比了城市居民和農(nóng)村居民的水價機制，為供水成本的優(yōu)化提供了參考。王志敏[10]針對傳統(tǒng)水處理廠加壓泵站效率低的問題，提出采用變頻控制方法可提高泵站能效、降低城市供水系統(tǒng)的費用支出。唐祎骕等[11]基于城市供水系統(tǒng)的耗能狀況模型，得出采用節(jié)能措施與科學(xué)管理方法能夠降低城市供水系統(tǒng)運行成本的結(jié)論。劉俊[12]從用戶需求、管網(wǎng)、調(diào)度模式3個方面，對城市供水系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化方法進行了研究，可有效降低城市供水系統(tǒng)的運行成本。邱華勇[13]對城市給排水規(guī)劃進行了研究，可提高城市給排水系統(tǒng)的運行效率。樊紅輝[14]針對城市生活用水供給過程中各階段的節(jié)能優(yōu)化方法進行了研究，可有效降低供水成本。周玉琴等[15]采用大數(shù)據(jù)聚合分析的方法，構(gòu)建了城市多水庫聯(lián)合供水的優(yōu)化調(diào)度模型，可提高供水系統(tǒng)的配置決策效率。鄭貴林等[16]對深井供水系統(tǒng)中的水泵協(xié)同控制技術(shù)及保護裝置進行了研究，可提高供水系統(tǒng)的可靠性并降低供水泵組的運行成本;魏天云[17]針對城市建筑供水的節(jié)能方法進行了多角度分析，并結(jié)合工程實例，驗證了變頻控制方法對降低供水系統(tǒng)能源消耗的有效性。郜闊[18]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的供水系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，并建立了城市供水系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，為城市供水系統(tǒng)優(yōu)化配置提供了技術(shù)支撐。綜上所述，前人對城市供水系統(tǒng)的優(yōu)化研究多集中于對不同階段制定優(yōu)化措施，未對基于多種水源地的供水系統(tǒng)整體分配模式進行研究。

筆者針對城市多源供水系統(tǒng)的優(yōu)化配置方法進行研究，在保證各類用戶對水資源質(zhì)量、壓力及水量需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)成本最低化。首先分析城市供水系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，其次建立多源供水系統(tǒng)優(yōu)化配置數(shù)學(xué)模型并分析優(yōu)化算法流程，最后對所提出的多源供水系統(tǒng)優(yōu)化配置方法進行實例驗證，以期為城市水資源優(yōu)化調(diào)度提供參考。

1多源供水系統(tǒng)簡介

1.1供水系統(tǒng)

作為城市重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，供水系統(tǒng)包括取水、輸送、凈化、加壓、配給5個環(huán)節(jié)[19]，各環(huán)節(jié)從功能上相互獨立，但從整個供水體系來看，它們又緊密聯(lián)系、密不可分，每個環(huán)節(jié)對保證城市供水都具有重要意義。

1.2多源供水系統(tǒng)

為保證在滿足各類用戶對水資源質(zhì)量、壓力及水量需求的基礎(chǔ)上實現(xiàn)成本最低化，本文提出多源供水方案，即采用不同的水源，經(jīng)過相應(yīng)的處理過程，供給不同的用戶，以實現(xiàn)對水資源供給的優(yōu)化配置，節(jié)約水資源。多源供水系統(tǒng)中的水源包括地下水、地表水、外調(diào)水、回用水、海水等[20]。不同用戶對水資源的利用形式以及需求是不同的，例如農(nóng)業(yè)用水（農(nóng)作物澆灌等）和生態(tài)環(huán)境用水（城市道路清洗等）對水質(zhì)的要求不高，各企業(yè)因生產(chǎn)工藝需求不同而對水質(zhì)的需求也不盡相同。若將各類水源的配置過程進行優(yōu)化，可在滿足不同水資源需求的基礎(chǔ)上，盡可能節(jié)約優(yōu)質(zhì)水，這對降低用水成本、提高經(jīng)濟效益都具有十分重要的作用。多源供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見圖1。

2多源配置優(yōu)化模型

相比傳統(tǒng)的單一水源供水系統(tǒng)，多源供水系統(tǒng)可實現(xiàn)對各類水源的優(yōu)化配置，節(jié)約水資源并降低供水成本。對多源供水系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，就是計算得出各水廠從各類水源地取水量的最優(yōu)值，使水源配置的成本最低。在待配置水資源、待供給用戶以及供需結(jié)構(gòu)要求一定的前提下，水源配置成本是衡量其優(yōu)化效果的最主要因素。因此，本文以多源供水系統(tǒng)的核算成本為優(yōu)化目標(biāo)、各類水資源的供給規(guī)模為優(yōu)化變量，并考慮一定的邊界條件及約束條件，對城市多源供水系統(tǒng)進行優(yōu)化配置。

2.1成本模型構(gòu)成

為研究多源供水系統(tǒng)優(yōu)化配置，將供水成本作為優(yōu)化目標(biāo)，建立供水成本數(shù)學(xué)模型（包括取水成本模型、凈化成本模型和輸配模型等）。

2.1.1取水成本模型

各類水資源的取用規(guī)模影響水資源供給系統(tǒng)的運行成本[21]。取水成本主要由水源類型及取水模式?jīng)Q定，并且受其經(jīng)濟特性影響。國內(nèi)外學(xué)者對供水系統(tǒng)的經(jīng)濟特性有較多研究，并給出了費用函數(shù)與供水流量之間的關(guān)系。國外學(xué)者RobertM.Clark提出了適用于供水系統(tǒng)的成本模型，表達式為

查閱相關(guān)技術(shù)手冊可知，各類水源的取水系統(tǒng)運營成本模型可以擬合成函數(shù)形式。結(jié)合技術(shù)手冊中的具體數(shù)據(jù)，并利用Matlab軟件擬合出各類水源的取水成本模型如下：

3優(yōu)化算法

常用的優(yōu)化算法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、粒子群算法、蛙跳算法（SFLA）等，其中SFLA具有運算速度快、搜索能力強、容易實現(xiàn)等優(yōu)點，非常適合水資源分配等優(yōu)化問題的求解[22-23]。然而，傳統(tǒng)的SFLA在優(yōu)化過程中，若最差青蛙在兩次更新策略均告失敗后，會隨機產(chǎn)生一只青蛙代替最差青蛙，將明顯增加計算的盲目性與工作量，降低收斂速度和優(yōu)化效率。因此，本文引入混沌思想，對傳統(tǒng)的SFLA進行改進，其核心是當(dāng)最差青蛙在更新策略失敗后，通過混沌映射產(chǎn)生混沌青蛙，以此代替最差青蛙，從而減少計算的盲目性、提高收斂速度[24]，其工作流程見圖2。

4實例應(yīng)用

4.1規(guī)劃實例

為驗證引入混沌思想的SFLA對多源供水系統(tǒng)的優(yōu)化效果，以遵義市旅游開發(fā)區(qū)的供水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計為例，對該優(yōu)化方法進行實例計算。遵義市海拔900～1000m，年平均氣溫18℃，年均降水量1244.5mm。首先，根據(jù)該市人口規(guī)模，并結(jié)合國家頒布的供水系統(tǒng)規(guī)范，確定該市人均需水量為0.25m3/d。其次，結(jié)合該市城市規(guī)劃，確定供水方式。一方面，該市旅游開發(fā)區(qū)度假村、療養(yǎng)院較多，為節(jié)約成本應(yīng)盡量采用就近供水模式;另一方面，考慮旅游開發(fā)區(qū)地勢高差較大的特點，盡量實行水源地同海拔供水，減少低水高用。此外，鑒于該開發(fā)區(qū)湖景眾多的特色，水庫建設(shè)應(yīng)盡量分散，不僅能夠提高多水源選擇的靈活性，而且有利于提升地區(qū)的旅游價值。

4.2供水系統(tǒng)方案

根據(jù)遵義市規(guī)劃資料可知，該市主要用水區(qū)有8個，其中在低海拔區(qū)和高海拔區(qū)各有4個，分別由同一海拔區(qū)的A水廠（水源為方竹水庫、槽溝水庫、上塘水庫、下塘水庫）和B水廠（水源為涼水函水庫、木坪水庫）供水。根據(jù)水源地、水廠及用戶分布情況，建立供水系統(tǒng)方案。

4.3供水系統(tǒng)優(yōu)化模型及計算

根據(jù)該市的水源及水處理廠分布情況，建立對應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在建立了供水系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)后，需要結(jié)合該市的實際狀況，并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，建立優(yōu)化計算的約束條件，主要包括取水量約束、各水廠的工作能力約束以及水資源供需方的平衡約束。

基于上述建立的供水系統(tǒng)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，用Matlab軟件編寫SLFA優(yōu)化程序，并進行計算。采用傳統(tǒng)SFLA和引入混沌思想的新型SFLA優(yōu)化迭代過程曲線見圖3。當(dāng)采用傳統(tǒng)SFLA進行優(yōu)化時，隨著迭代次數(shù)的增加，遵義市供水系統(tǒng)的最低成本逐漸減小，迭代次數(shù)達到14次時總供水成本最低（5032萬元），優(yōu)化時間為43.12s;當(dāng)采用新型SLFA算法時，只需迭代7次，便可得到最低總供水成本（4931萬元），但優(yōu)化時間為52.37s。由此可見，采用新型SFLA對多源供水系統(tǒng)方案進行優(yōu)化，可以在較少的迭代次數(shù)下得到更理想的輸出結(jié)果，但優(yōu)化時間比傳統(tǒng)SFLA增加了21%。

進一步得到該市水廠最低成本所對應(yīng)的各水源地取水比例：方竹水庫20.7%、槽溝水庫27.0%、上塘水庫25.2%、下塘水庫27.1%（A水廠），而B水廠由涼水函水庫或木坪水庫供水。

5結(jié)語

為實現(xiàn)多源供水系統(tǒng)成本最小化，提出基于混沌思想的新型SFLA優(yōu)化方法，建立了多源供水系統(tǒng)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，對多源供水系統(tǒng)優(yōu)化配置。以遵義市旅游開發(fā)區(qū)為例，對所提出的基于混沌思想的新型SFLA進行了驗證，結(jié)果表明：新型SFLA可以在較少的迭代次數(shù)下，實現(xiàn)對多源供水系統(tǒng)的優(yōu)化配置。

【責(zé)任編輯 張華興】