水力模型校核研究进展_于丰源.pdf

产业与科技论坛2023年第22卷 第1期Industrial&Science Tribune2023（22）1水力模型校核研究进展于丰源 雷晓辉 龙 岩 孙广垠【内容摘要】水力模型已成为供水管网设计、运行、维护等方面的重要工具。模型校核是建立精准水力模型过程中必不可少的一步。本文系统地总结了水力模型校核的类型，包括稳态水力模型与瞬态水力模型，并介绍了模型校核的方法。指出，供水管网水力模型校核在理论研究上有较大进展，但在实际的工程应用中较少，今后应加强实用研究。【关键词】管网校核；稳态水力模型；瞬态水力模型；校核方法【作者简介】于丰源，河北工程大学能源与环境工程学院硕士研究生；研究方向：供水管网系统模拟与优化雷晓辉，河北工程大学水利水电学院教授；研究方向：水文预报、水量水质联合调度、水力调控、智慧水务龙岩，河北工程大学水利水电学院讲师；研究方向：水资源优化配置、水生态与水环境评价、智慧水务孙广垠，河北工程大学能源与环境工程学院副教授；研究方向：水及废水处理理论与技术 供水管网的水力模型具有实时估计管网水力状态、优化水资源分配、模拟和分析管网事故等功能。目前，已成为供水管网设计、运行和管理的重要工具。不过随着供水管网运行时间的增加，许多模型参数会发生改变，水力模型将无法精确地反映管网实际的运行状况，此时需要对水力模型进行校核，重新使其具有实际的应用价值。因此，供水管网的模型校核是构建精准水力模型过程中一个重要且需要定期执行的步骤。以往的许多研究已证明，管网中的一些未知参数会影响水力模型的精度，例如管道的粗糙度系数（，）、节点需水量（，）等。一、水力模型校核供水管网校核需要确定模型中的各种参数，通过动态调整未知参数使供水管网的实测值与模拟压力值和流量值间达到合理的匹配，从而确定模型参数的“最佳值”，其主要目的是使水力模型尽可能地还原真实管网的运行状态。首先提出水力模型校核的七个步骤：确定模型用途；估计未知参数初始值；实测数据收集；评估初始模型；预校核（宏观层面）；敏感度分析；精确校核（微观层面）。随后给出水力模型七种可能的目的：规划管道设置的尺寸、供水管网的长期规划、分区布局、修复研究、能耗分析研究、水质模拟。目前，国内外学者针对供水管网水力模型的校核问题已经进行了大量的研究并提出多种校核方法。根据监测数据的来源可以分为稳态水力模型校核和瞬态水力模型校核。（一）稳态水力模型校核。自 世纪 年代以来，国内外学者已提出多种供水管网的校核方法。可以将校核方法分为试错法（经验法）、显式校核法和隐式校核法。试错法是指基于质量守恒与能量守恒定律，在每次迭代时不断更新未知参数来达到模型校核的目的。此类方法适用于校核参数较少的问题，在处理大型供水管网的校核问题时，需要极大程度上简化水力模型，进而缩小问题的维度。关于试错法的研究大多数是基于理论层面，研究人员在发展试错法校核水力模型的同时建立了许多校核的基本原则和指导方针，这些原则为后续开发显式和隐式校核模型提供了方向。显式校核法是指根据节点水压和管道流量的监测值，联立质量守恒与能量守恒方程对校核参数进行显式求解，最常使用的方法是牛顿 拉夫逊方法。显式校核模型中，校核未知参数的数量会受到测量数量的限制，当未知参数的数量多于测量的数量，需对校核参数进行分组计算。相较于试错法，显式校核法具有更高的校核效率，但依旧存在一些局限性：校核问题需要为正定问题，即校核的参数数量必须等于测量的数量；不考虑监测误差，即假设其监测值为无误差值；无法量化估计校核参数的不确定性。此外，该方法需要用到很多数学领域的专业知识和复杂的求解工具，对当前水力模型校核的研究影响较小。隐式校核法是指使用优化方法和优化工具联合求解。该方法在优化工具中设置和更新参数而后传递到仿真模型中进行模拟计算，仿真模型中获取的模拟参数（如水压、流量、水池水位）重新传递回优化工具中，直至获取到理想的最优解。目标函数通常为水力模型的模拟值与实测值的差值最小化，其一般形式为：()（）式中，为目标函数最小化，为校核参数向量，为监测数量，为权重系数，为实测值。提出了第一个隐式校核模型，通过计算目标函数对模型参数的梯度实现稳态水力模型的校核。针对校核参数的边界约束问题，给出罚函数或变量轮换两种方法。目前，针对供水管网的隐式校核模型已进行了大量研究，并对隐式校核方法加以改进和应用。随着供水管网校核研究的深入，校核参数从仅校核 到校核供水管网中的各种参数，校核方法也在不断完善，从局部搜索方法到全局搜索方法或全局搜索与局部搜索相结合的方法。无论使用何种校核方法和校核参数，都需要有大量且准确的监测数据，才能得到可信的水力模型。从以往的研究中可以发现，许多研究人员都对校核问题具有浓厚的兴趣，并提出许多成熟的校核方法，但是使用者对这一问题关注度较低。可能是因为大多数使用者并不具备校核水力模型的专业知识与经验。针对这一现象，等为商业软件 与 开发了基于遗传算法的校核程序。2023年第22卷 第1期产业与科技论坛2023（22）1Industrial&Science Tribune随后，和 又进一步开发了商业软件中的自动校核模块。（二）瞬态水力模型校核。瞬态水力模型的校核多用于供水管网泄漏检测方面。和 指出，由于监测数据的不足，校核稳态水力模型对供水管网进行泄漏检测很可能导致结果不准确。和 采用瞬态水力模型的监测数据进行供水管网泄漏检测。该方法被称为逆瞬态分析法（，），利用瞬态水力模型与瞬变流监测值估算供水管网中各种系统参数。逆瞬态分析法自提出后，受到研究人员的广泛关注，并提出多种用于供水管网泄漏检测的模型校核方法。瞬态水力模型的研究更多的基于理论层面，在实践的过程中应用较少，其主要原因为：使用高频率压力监测装置进行现场测量的成本较高；缺少自动校核的商用软件；缺乏足够熟练的操作人员；操作时产生的水锤很可能造成安全隐患。二、水力模型校核方法（一）非进化算法。在早期的供水管网校核研究领域中，非进化算法占据主导地位。采用简约梯度法校核首个隐式水力模型。等采用高斯 牛顿算法对 进行校核，并研究了不同权重类型对校核参数估计的影响。采用加权最小二乘法调整水头损失实现 的校核。该方法在节点用水量需求或水压测量不准确的情况下依旧可以估计。等运用直接反演算法对 进行校核。该方法针对测量误差、节点需求的不确定性和模型简化误差造成参数估值的不确定性分别进行了量化分析。和 采用奇异值分解（，）算法校核管网的，通过分析灵敏度矩阵的奇异值分解结果对 进行校核。等利用矩阵分解方法，将供水管网中的已知数据（已测量的节点水压和流量）和未知数据（未测量的节点水压和流量）分离后，重建质量守恒与能量守恒方程，实现 的校核。上述方法主要用于校核单一的模型参数，例如 和，这是为了保证校核的效率和简易性。不过，这两种参数都会显著影响供水管网的运行状态，因此想要更高精度的水力模型，可以同时校核 和。和 利用加权最小二乘法实现 和 的双重校核。和 认为，他们所使用的两步顺序法相比于同时校核 和 更具优势。等指出，研究人员还需开发一种更有效的校核方法用来同时校核 和。为解决这一问题，等提出一种数值方法同时校核 和，将目标函数表示为最小二乘方程，通过分析局部灵敏度来推导迭代公式。等提出一种基于卡尔曼滤波算法的在线（实时）自适应校核方法，利用长期的监测数据对节点流量和 进行双重校核。该方法适用于各种工况，有助于检测管道爆管或流动异常等情况。（二）进化算法。水力模型参数校核过程中需要频繁求解非线性水力方程，提出的优化问题也非常复杂，因此，传统的优化方法很难实现该过程。为了解决这个难题，进化算法被引入水力模型校核研究中，该方法可以灵活且高效地连接仿真工具（例如.）。进化算法将供水管网的参数校核问题转化为最优化问题，它使用结构化、随机性的元素在解空间内不断地进行搜索，通过不断调整决策变量使水力模型的模拟值与现场实测值的差异最小化。和 最早将遗传算法（，）应用于管网校核研究领域，对管道的 进行校核，并提出了新的交叉算子 平均交叉算子。等利用遗传算法对欠定条件（监测数量小于参数变量）下的需水乘子进行校核，并通过三个实际案例对所用方法进行验证。结果表明，遗传算法相较于奇异值分解算法更具有优势，同时证实了遗传算法对监测点位置具有敏感性。等采用粒子群算法校核，针对供水管网监测数据不足的问题，利用人工神经网络（，）的元模型设计了一种估计管网所有节点压力的方法。并指出，相较于标准的粒子群算法，混合方法更适合校核管网模型。等为进一步提高管网水力模型的精度，提出一种在线（近实时）估计管网水力模型需水乘子的方法。该方法将遗传算法融入采样过程，有效防止粒子的退化、贫化。虽然进化算法在校核水力模型问题上具有一定可行性，但在实际应用中还是会受到一定的限制。运行进化算法校核模型时需要进行大量的计算，特别是在处理大型供水管网系统时，计算量可能会过于巨大。为提高优化效率，节点和管道的决策变量通常根据其物理特性（管道材料和管道使用年限）进行分组，以减小校核问题的维度，但计算量依旧巨大。这是因为利用进化算法校核时需要频繁地调用供水管网的水力模型。三、结语供水管网水力模型校核自提出以来受到了学者们的广泛关注，并提出许多成熟的校核方法，但在实际应用中依旧不够成熟。其原因可能是：缺少熟练校核的技术人员；管网校核会增加额外的成本；缺乏切实可行的校核标准；商业工具的校核模块不够完善。要想实现工程上的普遍应用，还需要在提高校核效率、选择合理的约束条件、改进目标函数等方面加强研究，且商业工具也需要尽可能地推出一些方便且实用的校核程序。【参考文献】，（）：，？，（）：，（）：，（）：，（）：