城市多源供水系统成本优化方法分析

陕永杰　魏绍康　原卫利等

关键词：水资源;城市供水系统;优化配置;遵义市

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.012

引用格式：陕永杰，魏绍康，原卫利，等.城市多源供水系统成本优化方法分析[J].人民黄河，2022，44（3）：59-62，73.

城市供水系统是工业生产、居民生活、生态发展的重要系统[1]。随着城市规模不断扩大，水资源供需矛盾不断升级，如何实现城市水资源低成本优化配置，是当前研究的热点[2]。张超[3]针对供水系统的边际成本进行了分析，其定价客观反映了水资源消费的真实成本。Zhou等[4]建立了时间序列模型并应用于预测澳大利亚墨尔本市日用水量，取得了很好的效果。Gato等[5]建立了回归模型，将温度和降雨量作为相关因子，分析城市节水量。施银焕等[6]和谭奇峰等[7]针对城市供水管网分区管理方法进行了优化分析，改善了供水系统的管网压力。尹兆龙等[8]对城市水资源优化调度内涵进行探讨，认为水资源优化调度系统可降低城市供水系统的管网压力。乔舒悦等[9]分析对比了城市居民和农村居民的水价机制，为供水成本的优化提供了参考。王志敏[10]针对传统水处理厂加压泵站效率低的问题，提出采用变频控制方法可提高泵站能效、降低城市供水系统的费用支出。唐祎骕等[11]基于城市供水系统的耗能状况模型，得出采用节能措施与科学管理方法能够降低城市供水系统运行成本的结论。刘俊[12]从用户需求、管网、调度模式3个方面，对城市供水系统调度优化方法进行了研究，可有效降低城市供水系统的运行成本。邱华勇[13]对城市给排水规划进行了研究，可提高城市给排水系统的运行效率。樊红辉[14]针对城市生活用水供给过程中各阶段的节能优化方法进行了研究，可有效降低供水成本。周玉琴等[15]采用大数据聚合分析的方法，构建了城市多水库联合供水的优化调度模型，可提高供水系统的配置决策效率。郑贵林等[16]对深井供水系统中的水泵协同控制技术及保护装置进行了研究，可提高供水系统的可靠性并降低供水泵组的运行成本;魏天云[17]针对城市建筑供水的节能方法进行了多角度分析，并结合工程实例，验证了变频控制方法对降低供水系统能源消耗的有效性。郜阔[18]提出了一种基于物联网技术的供水系统优化配置方法，并建立了城市供水系统优化数学模型，为城市供水系统优化配置提供了技术支撑。综上所述，前人对城市供水系统的优化研究多集中于对不同阶段制定优化措施，未对基于多种水源地的供水系统整体分配模式进行研究。

笔者针对城市多源供水系统的优化配置方法进行研究，在保证各类用户对水资源质量、压力及水量需求的基础上，实现成本最低化。首先分析城市供水系统的组成结构，其次建立多源供水系统优化配置数学模型并分析优化算法流程，最后对所提出的多源供水系统优化配置方法进行实例验证，以期为城市水资源优化调度提供参考。

1多源供水系統简介

1.1供水系统

作为城市重要基础设施之一，供水系统包括取水、输送、净化、加压、配给5个环节[19]，各环节从功能上相互独立，但从整个供水体系来看，它们又紧密联系、密不可分，每个环节对保证城市供水都具有重要意义。

1.2多源供水系统

为保证在满足各类用户对水资源质量、压力及水量需求的基础上实现成本最低化，本文提出多源供水方案，即采用不同的水源，经过相应的处理过程，供给不同的用户，以实现对水资源供给的优化配置，节约水资源。多源供水系统中的水源包括地下水、地表水、外调水、回用水、海水等[20]。不同用户对水资源的利用形式以及需求是不同的，例如农业用水（农作物浇灌等）和生态环境用水（城市道路清洗等）对水质的要求不高，各企业因生产工艺需求不同而对水质的需求也不尽相同。若将各类水源的配置过程进行优化，可在满足不同水资源需求的基础上，尽可能节约优质水，这对降低用水成本、提高经济效益都具有十分重要的作用。多源供水系统结构示意见图1。

2多源配置优化模型

相比传统的单一水源供水系统，多源供水系统可实现对各类水源的优化配置，节约水资源并降低供水成本。对多源供水系统进行优化设计，就是计算得出各水厂从各类水源地取水量的最优值，使水源配置的成本最低。在待配置水资源、待供给用户以及供需结构要求一定的前提下，水源配置成本是衡量其优化效果的最主要因素。因此，本文以多源供水系统的核算成本为优化目标、各类水资源的供给规模为优化变量，并考虑一定的边界条件及约束条件，对城市多源供水系统进行优化配置。

2.1成本模型构成

为研究多源供水系统优化配置，将供水成本作为优化目标，建立供水成本数学模型（包括取水成本模型、净化成本模型和输配模型等）。

2.1.1取水成本模型

各类水资源的取用规模影响水资源供给系统的运行成本[21]。取水成本主要由水源类型及取水模式决定，并且受其经济特性影响。国内外学者对供水系统的经济特性有较多研究，并给出了费用函数与供水流量之间的关系。国外学者RobertM.Clark提出了适用于供水系统的成本模型，表达式为

查阅相关技术手册可知，各类水源的取水系统运营成本模型可以拟合成函数形式。结合技术手册中的具体数据，并利用Matlab软件拟合出各类水源的取水成本模型如下：

3优化算法

常用的优化算法有遗传算法、神经网络算法、粒子群算法、蛙跳算法（SFLA）等，其中SFLA具有运算速度快、搜索能力强、容易实现等优点，非常适合水资源分配等优化问题的求解[22-23]。然而，传统的SFLA在优化过程中，若最差青蛙在两次更新策略均告失败后，会随机产生一只青蛙代替最差青蛙，将明显增加计算的盲目性与工作量，降低收敛速度和优化效率。因此，本文引入混沌思想，对传统的SFLA进行改进，其核心是当最差青蛙在更新策略失败后，通过混沌映射产生混沌青蛙，以此代替最差青蛙，从而减少计算的盲目性、提高收敛速度[24]，其工作流程见图2。

4实例应用

4.1规划实例

为验证引入混沌思想的SFLA对多源供水系统的优化效果，以遵义市旅游开发区的供水系统优化设计为例，对该优化方法进行实例计算。遵义市海拔900～1000m，年平均气温18℃，年均降水量1244.5mm。首先，根据该市人口规模，并结合国家颁布的供水系统规范，确定该市人均需水量为0.25m3/d。其次，结合该市城市规划，确定供水方式。一方面，该市旅游开发区度假村、疗养院较多，为节约成本应尽量采用就近供水模式;另一方面，考虑旅游开发区地势高差较大的特点，尽量实行水源地同海拔供水，减少低水高用。此外，鉴于该开发区湖景众多的特色，水库建设应尽量分散，不仅能够提高多水源选择的灵活性，而且有利于提升地区的旅游价值。

4.2供水系统方案

根据遵义市规划资料可知，该市主要用水区有8個，其中在低海拔区和高海拔区各有4个，分别由同一海拔区的A水厂（水源为方竹水库、槽沟水库、上塘水库、下塘水库）和B水厂（水源为凉水函水库、木坪水库）供水。根据水源地、水厂及用户分布情况，建立供水系统方案。

4.3供水系统优化模型及计算

根据该市的水源及水处理厂分布情况，建立对应的优化目标函数。在建立了供水系统目标函数后，需要结合该市的实际状况，并结合相关数据，建立优化计算的约束条件，主要包括取水量约束、各水厂的工作能力约束以及水资源供需方的平衡约束。

基于上述建立的供水系统优化数学模型，用Matlab软件编写SLFA优化程序，并进行计算。采用传统SFLA和引入混沌思想的新型SFLA优化迭代过程曲线见图3。当采用传统SFLA进行优化时，随着迭代次数的增加，遵义市供水系统的最低成本逐渐减小，迭代次数达到14次时总供水成本最低（5032万元），优化时间为43.12s;当采用新型SLFA算法时，只需迭代7次，便可得到最低总供水成本（4931万元），但优化时间为52.37s。由此可见，采用新型SFLA对多源供水系统方案进行优化，可以在较少的迭代次数下得到更理想的输出结果，但优化时间比传统SFLA增加了21%。

进一步得到该市水厂最低成本所对应的各水源地取水比例：方竹水库20.7%、槽沟水库27.0%、上塘水库25.2%、下塘水库27.1%（A水厂），而B水厂由凉水函水库或木坪水库供水。

5结语

为实现多源供水系统成本最小化，提出基于混沌思想的新型SFLA优化方法，建立了多源供水系统的优化数学模型，对多源供水系统优化配置。以遵义市旅游开发区为例，对所提出的基于混沌思想的新型SFLA进行了验证，结果表明：新型SFLA可以在较少的迭代次数下，实现对多源供水系统的优化配置。

【责任编辑 张华兴】