一种面向未来期的供水管网水力可靠性测算方法与流程

本发明涉及城市供水
技术领域：
，具体涉及一种供水管网水力可靠性的计算方法，可为供水管网规划、建设、管理以及改造提供技术支撑。
背景技术：
：除了以节点连通性、管壁厚度为特征的机械可靠性研究外，城市供水管网水力可靠性日益得到关注。水力可靠性面向管网用户需求可以体现管段发生故障时对用水户的服务水平状况。城市供水管网水力可靠性是指在规定的时间内和规定的使用状态下，管网能满足用户用水要求能力的大小。当前研究者对于供水管网水力可靠性内涵、如何定量评价、如何进行量测缺乏统一。传统的可靠性方法如解析法、蒙克卡罗随机模拟法、最小割集法法等来计算可靠性，随着供水管网规模的增大，计算量通常呈现指数增加，由于实践中通常缺少足够的数据信息支撑，或者需要大量繁琐耗时的计算过程，而且这种可靠性度计算也通常没有和维护决策进行关联，在实际供水管网规划与管理中采用此方法有较大的难度。因此，采用间接的可靠性指标已成为水力可靠性研究与实践应用的重要内容。总体上，简化、操作性强的可靠性指标的选取与应用是当前研究的难点和主要趋势。技术实现要素：为克服现有的技术问题，本发明采用概率论与水力学分析结合的技术，提出了一种供水管网水力可靠性测算方法。该计算方法按照“数据收集-失效率计算-水力学模拟-可靠性分析”的技术路线给出城市供水管网水力可靠性的量化方法，具体实施包括四个步骤。步骤i：供水管网基础数据的收集：包括四类数据：管网自身属性信息；管网外部环境信息；管网运行工况信息；管段失效、修复、更换、维护信息；步骤ii：计算各供水管管段失效概率；步骤iii：供水管网水力学指标量化计算采用压力驱动进行供水管网水力学计算，依次计算各管段(j＝1,2,3…j)失效后的供水管网每个节点的供水量，具体计算公式如式(2)，继而计算供水管网供需损失量，即各节点的需水量与供水量的差值；式中，pin,tt,prn,tt,pmn,tt,pn,tt分别为供水管网第n个用水节点第tt时刻的最小水头、服务水头、最大水头以及实际水头；tt＝1,2,3……t，t为水力学计算时间；n＝1,2,3,……n，n为节点的数量，个；j＝1,2,3……j；j为供水管网中管段的数量，条；sj,n,tt为第j个管段失效后第n个节点第tt小时的管网实际供水量，m3/h；rn,tt为第n个节点第tt小时的用水需求量，m3/h；步骤iv，面向未来期的供水管网可靠性动态分析：面向未来期的供水管网水力可靠性的具体计算方法如下列公式所示：式中，rej,t为第j个管段第t年的可靠性指数；prj,t为第j个管段第t年的失效概率；relt为第t年供水管网系统的可靠性；u为管段的维修时间，h。进一步的，管段失效概率的计算方法包括：1)结构测定方法，将管段的强度和应力的分布进行随机化处理求解失效概率；2)历史供水管段失效数据统计法，收集完整的管段基本信息数据、影响因素数据以及每次失效记录的信息，在此基础上，根据特定供水企业历史数据进行回归确定；3)采用主观评价法，根据供水管段失效的影响因子，进行专家评分，确定每个因子的权重以及评分值，计算供水管段失效概率。该方法与传统的可靠性测算方法不同，主要特征如下，1)该方法面向未来的一定规划期；2)该方法可体现供水管段更换过程对系统可靠性的影响；3)该方法体现了管段失效所导致的节点流量损失率。4)该方法面向单个管段的故障状况，每个管段所处状态相互独立；5)该方法体现了管段维修时间对供水管网可靠性的影响程度，6)该方法考虑每个年份单个管段的独立失效，未考虑供水系统中多个管段的同时失效，通常在供水管网实践中同时失效发生的概率较低。本发明的有益效果是：本发明提供了一种面向未来规划期的供水管网水力可靠性的测算方法，该方法能够面向未来规划期，操作简便，可量化给出供水管网各管段以及整体系统水力可靠性的动态变化情况。同时，利用该发明所提出的方法，能对供水管网采取的维护措施的效果进行评估，特别是措施采取后供水管网系统的可靠性水平状况，从而为供水管网管理者决定更换哪些管段、什么时候更换等维护决策提供指导和参考，有利于促进供水与自来水企业供水安全运行与动态管理水平的提升。附图说明图1为本发明技术路线流程图；图2为未来时期各供水管段水力可靠性变化(浙江县城典型案例)；图3为未来时期各供水管段水力可靠性年均值(浙江县城典型案例)；图4为未来时期供水管网水力可靠性变化(浙江县城典型案例)；图5未来时期供水管网采取维护措施前后平均管龄变化比较(浙江县城典型案例)。具体实施方式：本发明提供了一种面向未来期的供水管网水力可靠性测算方法。该计算方法按照“数据收集-失效率计算-水力学模拟-可靠性分析”的技术路线给出城市供水管网水力可靠性的量化方法，具体实施包括如下四个步骤：步骤i：供水管网基础数据的收集供水管网基础数据主要包括如下四类，一是管网自身属性信息，具体包括如管长、管径、管材、铺设时间、用水户、管网拓扑结构，二是管网外部环境信息，如覆土厚度、土壤类型、交通状况等；三是管网运行工况信息，如水质、水量和水压指标等，这些数据通常来自压力计或流量仪的监测结果，四是管段失效的次数、时间以及原因，管段修复与更换时间以及方法，维护时间。通常，供水管段的维修时间(u)为每次管段失效所需的维护时间，通常为1-72小时，如表1所示。对于管径较小、管段较小、埋深较小的管段，抢修时间通常取小值，反之取较大值。通常根据特定供水企业的人力与技术特征，根据历史数据进行统计分析确定。表1供水管段的维修时间管径(cm)维修时间(h)<3001-24300-40016-48>40024-72步骤ii：各供水管段失效概率计算管段失效概率确定通常受到诸多因素的影响，如管龄、管径、管长等。主要采用的方法包括：一是结构测定方法，将管段的强度和应力的分布进行随机化处理求解失效概率，这种方法通常需要可靠的检测仪器，或采用管段破坏等实验数据进行经验推算获得。二是历史供水管段失效数据统计法，利用这种方法计算的失效概率，需要有较为完整的管段基本信息数据、影响因素数据以及每次失效记录的信息。在此基础上，可根据特定供水企业历史数据进行回归确定，通常可对每一类管材进行分类统计分析。管段失效概率通常采用幂函数、指数函数、线性函数以及非线性函数等形式进行表达，例如可采用如下形式：其中，agj,t为第j个管段第t时间的管龄，年dij为第j个管段的管径，cm；通常，管龄越长，管径越小，供水管网的失效率越高；k1，k2为经验系数，需要根据特定供水企业的基础数据进行回归确定。三是采用主观评价法。根据供水管段失效的影响因子，进行专家评分，确定每个因子的权重以及评分值，计算供水管段失效概率。该方法比较有代表性的有层次分析法、模糊综合评价方法、风险指数法等。通常这种方法具有主观性，表征了管段失效概率的相对大小。无论采用哪种方法进行的供水管网失效概率的计算，应和实际的历史失效率进行校准比较，使得两者基本保持一致。通常，在实践中应优先使用第二种方法。步骤iii：供水管网水力学指标量化计算管段的失效将导致系统中一些节点的供水量发生变化。采用压力驱动进行供水管网水力学计算，得到管段失效后的供水管网每个节点的供水量(sj,n,tt)，具体计算公式如下。继而计算供水管网供需损失量，即各节点的需水量与供水量的差值。在实现方式方面，可通过压力驱动的水力学公式进行数值求解计算，或者借助epanet或mikeurban等通用软件完成计算。其中，最小水头(pin,tt)参考范围为为15-20m，最大水头(pmn,tt)参考范围为35-40m。式中，pin,tt,prn,tt,pmn,tt,pn,tt分为供水管网第n个用水节点第tt时刻的最小水头、服务水头、最大水头以及实际水头；tt＝1,2,3……t(t为水力学计算时间，如果以日进行计算则t＝24)；n＝1,2,3,……n，n为节点的数量，个；j＝1,2,3……j；j为供水管网中管段的数量，条；sj,n,tt为第j个管段失效后第n个节点第tt小时的管网实际供水量，m3/h；rn,tt为第n个节点第tt小时的用水需求量，m3/h。通常，随着时间的演变，供水管段通常不断老化且劣化，管段的粗糙系数实际也将发生变化。实践经验表明，如果管段施工良好、水质稳定而正常，该系数的变化可以忽略，在本发明中可假定为稳定常数。进一步地，供水管网的供需水损失量与管网结构有着密切关系，在管段失效的情况下，环装管网系统通常比枝状管网系统的供需损失量小。管网中管段冗余程度的提高，也有利于降低管段失效条件下的供需损失量。此外，在供水管网不同位置的管段发生故障，对整个管网系统各节点供需水损失量的影响不同。例如，距离水源较近的管段发生故障比距离水源较远的管段发生故障的影响大，主干管发生故障比次干管发生故障对节点供需水满足程度的影响大。步骤iv，面向未来期的供水管网可靠性动态分析面向未来期的供水管网水力可靠性的具体方法如下列公式所示：式中，rej,t为第j个管段第t年的可靠性指数；prj,t为第j个管段第t年的失效概率；relt为第t年供水管网系统的可靠性，j为管段编号；u为管段的维修时间，h。具体说明如下：1)tn为未来规划期的时间，根据供水管网通常5-50年；2)管段失效所导致的失效损失量，可按照年最大日用水量计算。一般情况下，可根据供水企业的不同特点，利用时变化系数反应每个小时的用水量变化特征，计算一天中24小时损失量取平均值；3)通常，若供水管网中供水管网单个管段的可靠性低于0.7(rej)，应尽快采取措施进行优化维护，从而提高管网整体可靠性，维护供水系统的安全和稳定运行。下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。图1是本发明技术方法实施的技术路线，主要包括i-iv四个步骤，即步骤i为供水管网基础数据的收集，步骤ii为各供水管段失效概率计算，步骤iii为供水管网水力学指标量化计算，步骤vi为面向未来期的供水管网可靠性动态分析。案例区位于浙江省西南部，县城总面积为984km2，日供水能力为5万t/d，供水人口8万人左右。供水管网管网共有1个水厂，68个用水节点，主要供水管段有94条，总长约37.5km。采用本技术发明步骤如下：1)进行供水管网基础数据的收集，数据序列为2017-2018年逐日数据；2)计算各供水管段的失效概率，采用历史供水管段失效数据统计法，采用公式(1)计算，根据案例区历史数据进行计量经济回归，得到系数为k1＝0.2，k2＝2550；3)进行供水管网水力学量化计算采用epanet模拟软件进行计算，得到节点的压力和流量数据；4)计算面向未来期的供水管网可靠性，根据上述公式(2)、公式(3)和公式(4)进行计算，根据供水厂的运行管理情况设定节点的最小水压为20m，最大水压为40m，服务水压为30m，管段维修时间u取值为2小时,规划期tn取值为10年。图2给出了本发明所提出的技术方法在浙江省县城典型案例的应用，得到未来时期各供水管段可靠性的逐年变化。可以看出，随着未来时间t＝1,2,3…tn演变，管段劣化现象明显，如果不采取维护措施到第8年部分管段的可靠性为零，管段失效风险很大。未来时期更新维护前后供水管网可靠性变化计算结果如图3所示。可以看出，供水管网中管段72和管段71的可靠性最低，仅为0.23，需要优先进行维护更新。图4给出了未来时期采取一定维护措施前后供水管网可靠性变化。可以看出，随着逐年管段的更新维护，供水管网的整体可靠性在未来10年的均值从0.82提升到0.99，更新维护措施的采取促进了供水系统的安全水平的提升。图5给出了未来时期采取一定维护措施所导致的供水管网平均管龄变化。可以看出，随着时间的演变，原有供水管网平均管龄不断增加，十年后管网的管龄从16.28年降低到6.58年，从而为各管段更新维护措施选取的最优时间提供了技术支撑。当前第1页12