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导 语
一座特大型城市的供水管网,DN200 以上管道总长约 7056 km,4 座水厂联合供水,最高日用水量 237 万 m³/d。管网经多阶段建设与合并而成,连片统一供水,主干层次不清,多水源之间事故互补能力弱。经验分区依赖专家、耗时低效,现有自动分区方法或耗时长、或对数据要求高,且没有把运行能耗核算纳入分区过程。这篇论文提出以输配分离为核心理念的多目标分区方法:识别主干管并从配水中剥离,用空间聚类快速生成候选分区,再用 NSGA-II 迭代出整条 Pareto 前沿。最值得读的一点是:它不给唯一"最优分区数",而是把压力、水龄、费用三个互相牵制的目标一起摆在桌面上,让管理者按约束挑解。
图片摘要
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01
这篇论文为什么值得读
很多大型供水管网都面临一个朴素但难处理的问题:管网规模越大、建设历史越长,管道功能界限就越模糊——干管在配水,配水管有时也在输水,主干层次理不清,分区管理、漏损控制和水龄管控都无从下手。
现有自动分区方法各有短板:基于图论的路径分析法耗时长,社区发现法对数据要求高,聚类分析法则缺乏对现状供水路径的分析;更关键的是,已有方法都没有把能耗核算纳入分区过程,而分区改造恰恰会长期改变管网运行能耗。
这篇论文把这件事做成了一个显式的多目标优化问题:以输配分离为核心理念,先用空间聚类把大规模管网的节点分组耗时大幅压缩,再用 NSGA-II 求解,输出整条 Pareto 前沿。对正在推进管网分区改造和智慧水务建设的规划、调度人员,这是一套可以直接对照落地的决策框架。
02
输配分离先做减法:主干管只输水,分区只进不出
方法的第一步不是画分区,而是把主干管从配水功能里剥离出来。识别同时看管径和过流量:管径一般不小于 400 mm 的管道作为"管径基础主干管",过流量高于 421 m³/h(相当于 500 mm 管道按 0.9 m/s 经济流速输水)的管道作为"流量基础主干管",两者取并集。若主干管没有串起所有水源,算法用 Dijkstra 最短路径补足 2 条水源间连接路径,让主干管具备多水源互连功能。
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图1 主干管剥离前后管网拓扑结构变化。
图 1 的核心提醒是:分区后主干管与分区处在两个层级,每个分区只通过 1~2 根配水管接入主干管,只进不出,分区之间用阀门截断、互不串联。这个结构直接决定了后面的管理收益——单个分区的压力控制、流量分析和水质管控互不干扰,水量分析也不会因分区串联而产生误差累积。
节点分组用的是空间聚类:以配水管入口为基准,逐轮吸收相邻节点,替代传统最短路径法。对节点和管段数量庞大的管网,这一步把分组耗时大幅降低,是方法能用于超大规模管网的关键。
03
三个目标互相牵制:压力、水龄和费用没有同时的最优
论文设了三个目标函数:分区平均压力标准差比 SDR,衡量分区内压力均匀性,越小越利于控制背景漏损;节点平均水龄比 WAR,衡量水质安全,越低余氯消耗越少;运行能耗与改造折算费用 C,把阀门与 SCADA 设备购置费按 15 a 服务年限折算,与分区后电费合并计算。
在 H 市案例里,预设分区数为 30~100,NSGA-II 最终给出 22 个 Pareto 解:分区数 52~96 个,压力标准差总和比 2.62~3.45,节点平均水龄比 0.68~0.98,运行与改造折算年费用 8722.35 万~9294.77 万元,需截断管段 1213~1684 根。
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图2 案例管网分区 Pareto 解集,按运行与改造费用分为四组。
图2的核心提醒是:三个目标没有免费的组合——同一费用分组内,压力均匀性与水龄近似负相关;而压力均匀且水龄低的解(图中左下角)落在最高费用组。另一个值得注意的现象是,解集的分区数离预设下限 30 很远,论文给出的解释是可能原始管网压力富裕度较低,部分区域降压空间小,只能靠增加分区数来降低水头损失。
04
H 市怎么选:59个分区、水龄降11%、改造费占比不足2.6%
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图3 22 个方案的运行能耗与投资改造费用对比。
图3的核心提醒是:对大型供水管网,分区方案的费用结构以运行能耗为主,投资改造费折年计算仅占总费用的 1.56%~2.59%。这意味着分区改造的经济性评估重心应放在长期电费上,阀门和监测设备的建设费几乎不构成决策障碍。
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图4 推荐方案 s-17 的分区结果,共 59 个分区。
综合三个指标,论文推荐 s-17 方案:59 个分区,分区平均压力标准差比 2.82(各方案中变化较小),节点平均水龄比 0.89,即较分区前平均水龄降低 11%,改造折算与运行能耗费用为 8890.4 万元/a。图 7 的核心提醒是:所有分区只与主干管单向相连,这种只进不出的拓扑是前面全部管理收益的来源。
05
应用边界:换一张管网,这些前提都要重验
论文自己指出的第一个边界是压力富裕度:解集分区数远高于预设下限,说明在压力富裕度低的管网里,方法不能凭空创造降压空间,分区数目上限受现状水力条件约束。
其次是参数的管网特异性。主干管最小识别管径在 H 市设为 800 mm(方法建议一般不小于 400 mm),DMA 用户规模按漏损管理需求取 500~5000 户,节点服务水头 16 m 按当地规范确定,设备费用按市价、服务年限按 15 a 折算——换一座城市,这些取值都要重设,结论不能平移。
第三,分区前后水力状态会变化,多水源连接路径的权重计算用的是管段属性定值而非实时水力结果;方案的三个指标都依赖延时水力模拟的精度,模型质量直接决定 Pareto 前沿的可信度。
06
对供水管网规划与调度读者的启发
这篇论文提供的与其说是一套算法,不如说是一条决策顺序:先识别主干管、检查多水源连通性,再谈分区;先看管网的压力富裕度,再定分区数目的可行区间;最后在 Pareto 前沿上按管理约束挑解,而不是追问"哪个分区数最优"。
两条可迁移的判断规则:其一,分区改造的费用大头在运行能耗而非建设费,方案比选应围绕长期电费结构展开;其二,SDR 和 WAR 都是相对指标(分区前后之比),只在同一管网内可比,跨管网比较没有意义。对建模人员,把能耗核算前置进分区过程、输出整条 Pareto 前沿供管理决策,本身就是值得借鉴的建模立场。
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引用信息
胡世沛,杨坤,鲍月全,等.大型多水源供水管网多目标分区优化方法[J].净水技术,2026,45(9):64-72.
DOI: 10.15890/j.cnki.jsjs.2026.09.007
来源:本文内容为AI改编,原文出自《净水技术》论文《大型多水源供水管网多目标分区优化方法》,作者胡世沛、杨坤、鲍月全、张新、黄旦光、颜合想(同济大学环境科学与工程学院、上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司、上海城投水务(集团)有限公司、宁波水表(集团)股份有限公司)。
编辑:黄智恒
排版:李滨妤
审核:孙丽华
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