基于覆盖水量的监测点优化选址法的缺陷与改进

研究了给水管网水质监测点选址的方法,分析了覆盖水量法存在的缺陷,针对这一缺陷,提出了一种基于覆盖水量指数的改进方法,在评价节点的代表性时,该方法同时考虑了总覆盖水量和覆盖水量时间分布对节点代表性的影响,提高了管网水质监测点优化选择的准确度和监测数据的代表性.为了提高优化问题求解的速度,采用了遗传算法求解水质监测点优化选址问题,并将此两类方法应用于2个案例管网.对于案例中的管网,采用布设7个监测点,可有效监控所有95个节点中85%以上的管网水量.同时,实际案例管网的应用表明,与覆盖水量法相比,覆盖水量指数法的计算结果具有更好的代表性,基于此建立的给水管网在线监测网络能够更好地代表管网的水质情况.     

一种基于虚拟压力分区的供水管网漏损区域识别方法

针对供水管网的漏损识别问题,提出了一种基于虚拟压力分区的漏损区域识别方法。通过虚拟压力分区降低漏损识别问题的维度,利用遗传算法优化真实漏损流量在管网空间中的分布,建立了各区域的漏损水量与漏损率的识别方法。该方法分为虚拟压力分区与漏损区域识别2个步骤：前者基于改进的K均值聚类算法,将管网节点划分为空间位置邻近、平均自由水头相似、拓扑结构连通的不同区域;后者以区域比例系数为决策变量,以最小化测压点处压力的模拟值与实测值差异为优化目标,实现各区域真实漏损情况识别。基于Z市L镇供水管网8号分区设计小型算例,验证了该方法对不同漏损工况识别的准确性。随后利用Z市L镇供水管网进行实际工程应用,结果表明,该方法对管网节点划分合理,管网中漏损严重区域的识别结果与实际情况相吻合,可以辅助大型供水管网的漏损检测工作。     

基于动态剪枝的城市供水管网优化调度算法

城市供水管网的优化调度模型,需要反复调度水力学模型来计算目标函数和约束条件,从而产生巨大的计算和时间成本。在优化迭代过程中,为了获得更优秀的优化结果,通常在搜索空间中约束条件的边界进行搜索,产生了大量不满足约束的样本和较低的优化效率。为解决这一问题,提出了一种高效的基于约束条件的动态剪枝方法,在运行水力学模型前,利用优化计算过程中积累的数据来判断样本是否符合约束条件,从而剔除不满足约束的样本,提高优化效率。模型分别在1个案例管网和1个真实管网上进行测试,结果表明:使用朴素贝叶斯、决策树和支持向量机作为动态剪枝算法,在获得和原始优化模型几乎相同结果的同时,分别减少56.4%、58.5%和56.8%的计算次数。     

不确定节点水量下水质监测点优化选址方法

针对供水管网水质监测点的优化选址问题,提出污染源位置识别准确度的概念,以水质监测点探测到的不同污染事件的时段区间冗余度最小化,和污染事件探测概率最大化为优化目标,结合一个案例管网,采用非支配排序遗传算法计算节点用水量变化条件下的监测点优化选址方案,算例结果显示节点用水量的不确定性不显著影响监测点的污染事件探测能力和可能性节点识别能力,但使监测点的污染源位置识别准确度降低.     

无负压变频恒压供水系统在供水改造中的应用

在当今社会,随着科技的不断发展,供水模式也随之不断发生改变,逐步朝着节能化、自动化方向发展,本文介绍了无负压变频恒压供水系统的实际应用,文中穿插工程案例,从系统的设计、计算、设备选型、安装调试等方面进行探讨。     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

蓝藻胞外聚合物对供水管网水质的影响

针对游离态蓝藻胞外聚合物（EPS）在常规水处理工艺中不易去除、残留蓝藻EPS极易进入供水管网的特性,研究了蓝藻EPS对供水管网水质变化及生物稳定性的影响.针对管道使用时限分析了不同管道内部产生附膜条件下,蓝藻EPS对供水管网中余氯、浑浊度、生物稳定性、有机组分等主要水质指标变化规律的影响.结果表明,蓝藻EPS加快了管网余氯衰减速度,导致管网水质浑浊度在12~24h后即超出生活饮用水卫生标准上限,并使管网水质生物稳定性降低,BDOC在72h内增加37.2~39.5%,AOC增加365~393%,总活菌数升高18~20倍.阐明了蓝藻水华爆发时期净水厂出厂水残留蓝藻EPS在管网余氯存在前提下,仍然能够作为微生物营养基质和代谢能量,而促进管道内细菌生长繁殖,增加微生物代谢活性,刺激微生物胞外有机组分分泌释放,导致管网水质二次污染.     

基于图深度学习的供水管网短期需水量预测研究

供水系统短期需水量预测是供水管网优化调度的基础,预测的准确性对供水调度有重要影响。图神经网络是一种新型神经网络架构,通过学习对象的拓扑特征优化学习效果。利用供水管网的拓扑特征搭建了图波网络(Graph Wavenet)模型,用于学习供水管网各监测点的空间拓扑关系及其需水量时间序列关系,实现了更准确的供水管网短期需水量预测。使用真实管网历史数据训练Graph Wave Net模型,未来5 min预测的最小百分比误差达到1.28%,平均百分比误差达到1.34%。实验成功地将给水管网拓扑结构用于优化深度学习模型效果,使用图卷积网络模型有效提升了供水管网短期需水量预测精度。并对图神经网络在供水管网领域的应用前景进行了简要探讨。     

现代化大都市供水管网水质监测及评价——以国内某大城市为例

供水管网是影响供水水质的重要因素,特别是在拥有复杂供水管网的现代化大都市。以国内某现代化大都市供水管网为研究对象,该市拥有普通自来水供水系统和饮用净水供水系统,分别建立了水质监测系统,并根据提出的供水管网水质监测点布置原则确定了水质监测点的位置、数量及监测频率、指标;通过从2009年6月至2010年1月为期8个月的水质监测,共采集了560份水样数据,据其对该大都市的供水管网水质进行了分析评价。结果显示:供水管网对普通自来水及饮用净水水质都会产生不良影响;普通饮用水经过管网传输,细菌总数升高甚至超标,特别是在供水管网末梢及两水厂供水交界处;饮用净水的不合格项目为细菌总数和浑浊度,其在距离水厂越近的区域水质越好。     

紫外线-茶多酚联用对供水管网的消毒效果

针对传统消毒技术的安全风险问题,以维护供水管网水质安全为目标,引入茶多酚作为辅助消毒剂和紫外线消毒联用,模拟供水管网系统探究不同管材和水力停留时间下紫外线-茶多酚联合消毒的消毒效果,分析管壁生物膜形貌和菌落分布的变化.结果表明,75mg/L是紫外线-茶多酚联合消毒时茶多酚的较优投加量,可保持48h消毒效果.模拟管网运行过程中整体水质较好,但管材对管网消毒效果的影响较大,30d内球墨铸铁和UPVC管网中细菌量超过100CFU/mL的频率分别为80%和0%,紫外线-茶多酚联合消毒在UPVC管网中消毒持续性较强.与紫外线消毒相比,紫外线-茶多酚联合消毒对管壁生物膜的破坏效果更明显,且对生物膜中的蓝藻菌和肠道致病菌杀灭效果更强,有利于保障管网水质的安全性.     

基于多目标遗传算法的层级生态节点识别与优化——以常州市金坛区为例

有效生态网络构建可保障区域生态安全,是实现区域可持续发展的重要路径。基于生态节点的内涵解析,建立了"资源型战略点—结构型战略点—结构型薄弱点"的多层级生态节点识别体系,利用金坛区2015年的遥感影像、土地利用数据、POI数据等,通过多目标遗传算法、最小阻力模型等方法,构建了金坛区层级生态网络,并采用表征网络拓扑结构和节点效用性等指标,定量评价生态节点优化前后的生态网络性能,取得以下主要研究结论:(1)多层级生态网络在节点效用、网络整体性能上显著优于一般网络,且在复杂生态水网区域具有较强适用性;(2)金坛区现状生态网络分布不均匀,生态节点布局亟待优化,经优化节点覆盖率提升了17.70%,节点分布均匀度降低45.45%,平均聚类系数提升了87.36%;(3)多层级生态节点体系具有实践应用性,应针对不同类型生态节点采取差别化管理策略。     

基于源-汇理论和最小累积阻力模型的城市生态安全格局构建——以安徽省宁国市为例

根据景观生态学相关理论,选取高程、坡度、土地利用类型、植被覆盖度、土壤侵蚀、距风景名胜区距离、距水体距离、距道路距离、距居民点距离、距工业用地距离、距矿点距离等11个生态安全评价因子,应用GIS空间分析技术对安徽省宁国市生态安全等级进行划分,并采用基于源汇理论的最小累积阻力(MCR)模型构建宁国市生态廊道和生态节点,优化生态网络布局.模拟结果表明,宁国市总体生态安全水平较高,高度安全的区域面积为1174.38 km2,占区域总面积的48.41%;低度安全的区域面积为232.07 km2,占区域总面积的9.57%;在生态安全评价的基础上,提取了宁国市88条潜在生态廊道,总长度约1426.99 km,生态节点57个.与现有生态廊道相比较,宁国市需进一步补充11条主要生态廊道,总长度约241.37 km,这对城市生态安全保护具有重要的意义.     

基于生态系统服务供需的厦漳泉地区生态网络空间优化

耦合生态系统服务供需和景观生态安全格局,解构城市群地区生态空间结构,是优化农业—城镇—生态网络空间布局的基础。基于生态系统服务供需理论,以福建东南沿海厦漳泉城市群为例,综合生态系统服务最重要区域和生态红线边界确定供给源地,结合自然、经济多要素构建消费格局,应用最小累积阻力模型建立景观生态安全格局,识别需求分区、生态流网络、关键节点等组分,采用分层叠加分析重构厦漳泉地区生态网络空间。结果显示：（1）供给源地占研究区总面积的41.64%,生态缓冲区、生态敏感区和生产生活区分别占22.67%、31.58%和4.11%;（2）供给源地集中于中西部丘陵山区,耗费低值区与供给源地分布一致,而高值区呈“井”字形分布特征,集中于沿海一带;（3）生态流通道网状化程度较高,中西部主要由森林构成,东部沿海区域主要由城镇水系和绿地系统、周边农田构成,驱动因素类型和强度均呈现显著的空间异质性;（4）提出构建厦漳泉地区“九区四组团一带九廊道多中心”的生态网络空间优化布局,协调区域间生产生活生态功能组合,促进经济—生态空间协同发展。     

基于生态系统服务与生态环境敏感性评价的生态安全格局构建研究

生态安全是国家安全的重要组成部分,构建生态安全格局对保障区域生态安全和实现可持续发展具有重要意义. 生态系统服务与生态环境敏感性评价能够揭示区域生态系统质量和生态产品供给能力,为生态安全格局构建提供科学基础. 本文以宁夏回族自治区为研究对象,基于生态系统服务与生态环境敏感性评价识别重要生态源地,并采用最小累积阻力(minimal cumulative resistance, MCR)模型识别重要生态廊道与关键生态节点,进而构建了宁夏的生态安全格局. 结果表明:①宁夏生态系统服务极重要性区域面积为14 280.05 km2,主要分布于西北部贺兰山、东部哈巴河、中部罗山及南部六盘山地区. 生态系统极敏感区域面积为7 340.58 km2,主要分布于宁夏南部水土流失治理区和沙坡头区沙漠化防治区. ②将评价结果与自然保护地空间分布相结合,综合确定全区生态源地面积为16 300 km2,主要包括西北、东部、南部山地以及黄河沿线区域. 生态安全缓冲区按照高、中、低水平分别占研究区总面积的67.93%、22.92%和9.15%. ③识别生态廊道为64条,生态节点12个,均呈现中部密集、南北稀疏的空间分布特征,与生态源地分布及其破碎程度相符. ④以研究区现有生态安全格局为基础,提出“一廊三屏四区多节点”生态安全格局优化策略. 研究显示,基于生态系统服务与生态环境敏感性评价的生态源地选择方法是在现有研究范式下对生态格局构建研究的补充,同时研究结果将为宁夏生态安全格局优化以及国土空间修复提供重要参考.      

基于MCR模型的大别山核心区生态安全格局异质性及优化

以大别山核心区精准扶贫对象岳西县为研究单元,选择10个生态阻力因子建立生态安全评价指标体系,利用ArcGIS构建生态阻力面,应用空间数据探索分析方法（Exploratory Spatial Data Analysis,ESDA）、最小累积阻力模型（Minimum Cumulative Resistance,MCR）和重力模型对生态安全进行诊断和潜在生态廊道识别提取。研究表明：（1）岳西县生态安全较高及高等级区域占县域总面积37.79%,而较低及低等级区域占51.89%,整体呈现北低南高的空间特征,生态安全水平总体偏低。（2）ESDA分析显示,生态安全空间分布全局Moran's I指数为0.6374,LISA图显示岳西县生态安全等级主要以高高（HH）、低低（LL）两种聚集类型为主,在空间上呈明显的片状集聚分布特征。在此基础上,选择生境良好的自然保护区及大型风景区斑块为生态源,生成累积耗费阻力面,基于MCR最小累积阻力模型构建生态源之间的最小累积耗费路径,提取潜在生态廊道90条,生态节点103个,利用重力模型识别出21条重要潜在生态廊道,其中,一级和二级潜在生态廊道分别为13条和8条。（3）结合岳西县旅游产业空间发展规划,提出了“一环三带”生态网络框架空间布局模式及优化对策,该模式可作为岳西县生态经济产业发展格局的有效补充。     

基于Elman神经网络的流体管道泄漏点检测定位

目的通过Elman神经网络预测对泄漏点进行过检测定位。方法基于流体压力波的负压波法及反馈型Elman神经网络方法,开展水力输运管道的泄漏定位研究。利用Flowmaster仿真软件中的水力输运模型建立长度为1100 m的一维管路系统,针对此系统开展不同管路状态参数下的数值仿真计算。结果通过小波变换技术实现了数据降噪与奇异点捕捉,完成了泄漏点位置的估算。同时,借助反馈型Elman神经网络,开展了不同泄漏工况下的网络训练和预测,利用经过训练的神经网络对所选取的5组泄漏点完成了定位预测,最大测试误差为1.83%。结论通过Elman神经网络预测得到的结果与实际泄漏位置进行对比,验证了反馈型神经网络方法在管路泄漏智能定位问题中的准确性与有效性。     

水足迹视角下黄土高原经济林果扩张的水安全风险分析——以苹果种植为例

以苹果为主的黄土高原经济林果种植规模持续扩张,耗水量不断增多,潜在的水安全风险增大。量化苹果生产水足迹,讨论苹果生产扩张带来的水安全风险,对科学指导未来黄土高原苹果健康发展具有重要意义。本文基于ArcGIS和CROPWAT软件,选取2000—2019年黄土高原44个市（州）,探究了苹果水足迹的时空分布规律及水安全风险。结果表明：2000—2019年,黄土高原苹果种植面积增长了1.3倍,产量增长了3.1倍,呈“北移西扩”的发展趋势;苹果绿水足迹占比的空间分布与降雨量基本一致,从东南向西北递减,蓝水足迹空间分布正好相反;苹果水足迹总量从74.42亿m³增长到108.04亿m³,占农业耗水量的比例由42.78%提升至65.63%,灰水足迹占比高达13.88%,黄土高原苹果生产面临严峻的水安全风险。因此,应适度控制黄土高原苹果种植规模的进一步扩张。本文可为评价黄土高原苹果种植规模扩张背后的水安全风险提供依据。     

Hydraulic model for multi-sources reclaimed water pipe network based on EPANET and its applications in Beijing, China

Water shortage is one of the major water related problems for many cities in the world. The planning for utilization of reclaimed water has been or would be drafted in these cities. For using the reclaimed water soundly, Beijing planned to build a large scale reclaimed water pipe networks with multi-sources. In order to support the plan, the integrated hydraulic model of planning pipe network was developed based on EPANET supported by geographic information system (GIS). The complicated pipe network was divided into four weak conjunction subzones according to the distribution of reclaimed water plants and the elevation. It could provide a better solution for the problem of overhigh pressure in several regions of the network. Through the scenarios analysis in different subzones, some of the initial diameter of pipes in the network was adjusted. At last the pipe network planning scheme of reclaimed water was proposed. The proposed planning scheme could reach the balances between reclaimed water requirements and reclaimed water supplies, and provided a scientific basis for the reclaimed water utilization in Beijing. Now the scheme had been adopted by Beijing municipal government.     

全球农产品贸易网络及其演化分析

论文基于复杂网络视角,选择谷物、油料、纤维、糖料、果蔬、肉类6大类57种农产品,用1986—2013年间的贸易数据,构建全球农产品贸易网络,定量分析了这个复杂网络的特征和演化趋势。结果表明：1）1986—2013年,全球农产品贸易总量增加了2.26倍,其中油料作物增加幅度最大,增加了4.97倍。参与到全球农产品贸易网络中的国家（地区）逐年增多。2）拟合节点累积度分布的幂函数曲线,表明全球农产品贸易节点度分布具有不均匀性,节点度小的节点数量多,节点度大的节点数量少,满足幂律分布。“枢纽”节点不断成长。3）全球农产品贸易网络密度上升、平均路径长度下降、多元化趋势加强、网络结构复杂化等特征日益突出。4）我国农产品进口来源国（地区）集中程度较高,农产品进口潜在风险较大。一方面要进一步扩大开放,拓展进口来源国（地区）的数量,更好地利用国际资源;另一方面强化农业基础,提高农业综合生产能力,防范风险,保障粮食安全。