论“城市优化供配水系统”研究与开发―建设节水型城市的工具

论“城市优化供配水系统”研究与开发―建设节水型城市的工具（通用3篇）

篇1：论“城市优化供配水系统”研究与开发―建设节水型城市的工具

论“城市优化供配水系统”研究与开发—建设节水型城市的必备工具

摘要 在人类社会进入二十一世纪之际，如何运用先进的科学方法和现代化的管理手段，来解决城市自来水管网系统优化供配水问题，是摆在每一个城市自来水公司，尤其是缺水地区的自来水公司面前的艰巨任务;本文利用优化建模及系统仿真方法，并结合城市管网GIS，对城市自来水管网供配水系统，进行了优化建模和优化配水，企图从根本上解决城市节约用水的问题，并为建设节水型城市准备了必要的工具。

关键词城市信息化管网供配水系统优化建模

1、概述

随着现代科学技术的进步，在世界范围内，计算机已经进入工业生产的各个环节，并取得了飞速的发展;在我国经济建设飞速发展的今天，以电子信息技术改造传统产业和大力倡导工业自动化，已成为不可逆转的趋势;面对城市建设的快速发展，供水行业已充分认识到：对城市供配水管网系统，必须采用现代化的管理手段，对其进行高效地管理，使管理由经验型管理向科学型管理转变，大力节约水资源，改善面向社会的服务水平;我们已经深刻地认识到，加强城市自来水系统综合自动化建设，是达到这一目标的重要措施;这里所说的“城市自来水系统综合自动化解决方案”，通常包括以下四个方面内容：(1)企业生产过程的SCADA系统;(2)企业现代化管理MIS/DSS;(3)城市供配水管网系统数学模型建立、系统仿真与优化设计;(4)网络自动抄表(AMR)收费等系统等四大部分。

利用计算机及信息技术，以上述四大内容为基础，对城市供水行业进行企业现代化改造，是保证企业实现信息化，并与国际接轨的重要举措;“城市供配水系统综合自动化解决方案”的主体结构如图1所示：

“城市优化供配水系统”的全称应该是：“城市供配水管网系统数学模型、仿真与优化设计”，它以城市供配水管网地理信息系统(GIS)为背景进行开发，其主要任务有：

1.对现行城市供配水管网各功能子系统进行调查研究，并进行系统需求分析;

2.建立“城市优化供配水系统”的建设目标，进一步对新系统(即“城市优化供配水系统”)的功能进行再分析;

3.以地理信息系统(GIS)为工具，建立城市供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，并针对该供配水管网系统数学模型，进行系统仿真与优化设计;

4.建立新系统的日常运行机制，颁布新系统的管理与维护法规;

5.向市场提供“城市优化供配水系统”全套商业软件，并开展优质服务活动。

在人类进入21世纪之际，最需要解决的问题就是水资源短缺问题;解决这一问题的方法就是“开源节流”;“城市供配水优化系统”的研究与开发，是从根本上解决城市用水的“节流”问题;城市自来水公司在向城市工业和居民供配水的过程中，一旦建立了“城市供配水优化系统”后，就从供配水的源头控制了水的流失和浪费问题，保证了城市最大限度的“节约用水”;因此，我们说“城市供配水优化系统”研究与开发，其市场前景是极其广阔的，它所带来的经济与社会效益也是巨大的

2.“城市优化供配水系统”的功能描述

“城市优化供配水系统”的开发，是以城市供配水系统管网GIS为背景，建立起来的一个软件系统，它具有以下功能：城市供配水系统管网GIS功能，高度现代化的生产调度指挥系统功能、完全信息化的在线优化供配水系统功能、应急事故处理的社会服务功能等;下面我们一一予以介绍。

2.1城市供配水系统管网GIS功能

城市供配水系统管网GIS功能，是“城市优化供配水系统”的核心功能，具有以下六大功能子系统，它们分别是基础平台的图库管理子系统、管网编辑子系统、管网管理子系统、管网运行调度子系统、事故处理子系统、管网维护管理子系统等;通常每个子系统均可由数个模块组成，下面将分别叙述各个子系统的功能和其模块的功能。

1.地形图库管理子系统

本子系统除提供了分别对点、线、区三种图元的空间数据和图形属性进行输入和编辑的功能，以从图形表格输出的功能之外，最主要的是实现地形图建库、对图库灵活的管理和方便的数据转换。

2.管网输入编辑子系统管网输入编辑子系统提供丰富有力的网络输入手段，构造网络拓扑关系，建立与管网元素相关的属性数据和提供供水管网的图形属性编辑工具。

3.管网管理子系统

管网管理子系统用于对管网信息进行全面的了解和详细的分析。提供属性与管线的双向查询工具查询检索各种需要的数据和信息。

4.管网运行调度子系统

管网运行调度子系统实际上就是“供配水优化系统”的具体实施，它是在GIS系统的基础上建立起来的，该子系统同时需要查表收费系统和SCADA系统的数据支持;

5.事故处理子系统

事故处理子系统包括爆管事故处理和火灾事故处理两个模块，爆管事故是指管网中突发的爆管等漏水事故。用户只需指定漏水处，系统将能够制定出合理的处理方案，以便及时排除故障。当需检修某个或某些阀门时，则需利用扩大关闸搜索寻找需关哪些阀门，以便进行抢修;火灾事故处理，是指在城市中突发火灾时，用户只需指定失火处，并给定搜索条件，系统将能够根据搜索条件找出可用的消防栓，提供给消防部门。

6.管网维护管理子系统

该子系统主要是对管道完工档案、闸门和管网运行状态进行管理日常业务管理。

2.2高度现代化的生产调度指挥系统功能

任何一个城市自来水企业，为了满足对生产过程的调度指挥，均需设置一个“中央生产调度指挥中心”，以及指挥生产的“生产过程实时监控系统(SCADA)”;该SCADA系统通常由企业生产调度指挥中心、分厂测控站(MCS;Measure&ControlSystem)、管网RTU、有线/无线通信系统等构成;因此，SCADA就构成了“城市供配水综合自动化系统(SyntheticAutomaticSystem，SAS)”的核心系统。

“城市供配水综合自动化系统”之中的SCADA功能，可以概要的描述如下：&n

bsp;

1.数据采集功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，要求系统对自来水管网及各水厂能够数据采集以下信息：合理分布在自来水管网上的测压信号(管网压力)，各水厂泵的运行参数、电源供电情况、耗电量、当前功率因素、水厂进/出水量、原水浊度、出厂水浊度、余氯、PH值等。

2.数据传输功能：将现场采集到的数据，或直接或通过各生产调度分系统，实时地传递到生产调度中心主系统。

3.数据显示及分析功能：生产调度中心主系统将获得的各类信息及数据，经过分析、加工直观地、动画地显示出来;供生产调度指挥人员使用。

4.报警功能：系统可对各水厂机泵运行异常，如电压、电流的不足或过载等，管网压力不足或超限进行及时报警。

5.历史数据的存储、检索、查询及分析功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥，和检索、查询及分析历史数据的需求，系统应具备实现历史数据的存储、检索、查询及分析功能。

6、报表显示及打印功能：系统可自动生成各种生产情况的日月年报表，并可随时打印。

7.遥控功能：根据公司生产调度中心调度生产指挥的需求，系统操作人员可在生产调度中心实现对有关水泵实现开停遥控。

8.网络功能：将现场采集到的数据送到网络服务器上，供其他系统使用。

2.3完全信息化的在线优化供配水系统功能

以供水管网GIS为背景建立起来的城市优化供配水系统数学模型，在城市自来水公司生产调度中心投入使用的时候，通常都具备有“完全信息化的在线优化供配水系统功能”。

2.4应急事故处理的社会服务功能

城市自来水管网系统在实际运行过程中，有可能发生各种各样的.事故(诸如爆管、停水、水压不足等)，城市居民、单位均可通过预先设置的电话通知自来水公司，以便急时得到维修，这就是应急事故处理的社会服务功能。

3、“城市优化供配水系统”的开发方法

3.1城市优化供配水系统数学模型的建立

1、建立“城市优化供配水系统数学模型”意义人类进入21世纪，由于全球性水资源的短缺(我国更为严重)，极大地威胁着人类的生存;因此，科学合理的利用水资源、节约城市工业与生活用水已迫在眉睫，建立“城市优化供配水系统数学模型”，实施城市管网优化供配水，从而达到城市节约用水的目的。

建立了“城市优化供配水系统数学模型”以后，我们就具备了深刻理解城市供水系统地下管网运行的条件，该模型不仅提供城市供水系统中不同泵的供水范围，而且还可明显的反映出城市供水系统地下管网可能发生的瓶颈现象，模型同时还可提供各种供配水方案的直观模拟演示，这就为系统操作者进行实时在线优化供配水提供了有利条件。

在城市供配水管理方面，由于有了“城市优化供配水数学模型”，对城市因其发展而需要进行管网扩展，模型提供了有力的数据支持，从而保证了城市供配水系统的优化管理，用户也得了高质量的服务。

2.“城市优化供配水系统数学模型”建模前的准备

(1)“城市优化供配水系统数学模型”的结构如下：

“城市优化供配水系统数学模型”的建模过程，如图2所示;通常在建立数学模型前，必须进行前期的各种数据的准备工作，如管网数据的确定、需水量数据的确定、测试数据等;这里我们就不一一予以说明了;值得一提的是，用于建模的数据正确性是一定加以测定的。

3.建模与模型计算

城市优化供配水系统数学模型的建立，是以管网GIS系统基础数据，计算机网络收费系统数据处理和现场管网测试数据等为依据;根据城市管网分布结构，筛选出管网干道节点，以这些管网干道节点为核心，形成管网水流环路，然后再利用流体力学基本计算公式进行模拟计算，从而获得管网环路各节点上的压力分布和流量分布;根据系统优化目标，进一步对该系统进行优化;“城市优化供配水系统仿真与优化软件包”的运行，使上述这一切成为可能;有关城市优化供配水系统数学模型的建立，及其仿真计算和系统优化设计，另文予以论述。

4.城市优化供配水系统数学模型的维护

通过对模型周期性的不断更新，以保证模型应用的准确性;对于管网不同程度的变化情况，模型可作如下处理：

#当局部点变化时，应及时调整模型数据

#当管网的变化加大到一定程度时，应对模型进行更新

#当管网中的变化程度无法在原有基础上更新时，应对模型进行重建

对于模型具体维护工作包括：加入新的需水量/删除旧的需水量，加入新的管线/删除旧的管线，加入新的管网设备/删除旧的管网设备，更新管线模型，更新需水量数据，根据局部现场测试数据对模型做相应改动。

3.2城市优化供配水系统的模型数据库的建立

城市优化供配水系统的模型数据库的作用，是将GIS系统数据、网络收费系统数据及管网现场测试数据进行存储和转换，为模型的建立提供数据支持;具体的流程如图3所示。

3.3城市优化供配水系统的数学模型标准及质量分析

1.“城市优化供配水系统数学模型”的建立标准

“城市优化供配水系统数学模型”的建立标准，主要是指模型构造标准、现场测试标准和校核标准等。

模型构造标准：主要包括：所有供水管道信息必须由GIS转换或输入;可以保证对模型进行充分的维护管理;该模型可作为优化供配水的决策工具。

现场测试标准：在数据现场测试过程中，保证有足够的15分钟测试间隔和满7天的数据。

数学模型校核标准：正确设置误差范围，并使模型在校核过程中，控制在允许误差限以内。

2.“城市优化供配水系统数学模型”的质量分析标准

“城市优化供配水系统数学模型”的质量分析标准是：所有数据测试准确、经过验收;系统数学模型结构设计合理。

3.4城市优化供配水系

统的运行环境

“城市优化供配水系统”建成以后，在正式投入运行时，是将该系统并入“城市供配水管网管理信息系统”之中，对于一个城市自来水公司来说，“城市供配水管网管理信息系统”的总体结构可如下图4所示。

4.结束语

“城市优化供配水系统”的研究与开发，对国计民生有着极其重要的意义，尤其对我国北方缺水和严重缺水的干旱地区更是如此;世界上发达国家的城市自来水公司，无一例外的都装备有该系统;这也从另一个角度说明了，“城市优化供配水系统”确实是建设节水型城市的必备工具。(图略)

篇2：论“城市优化供配水系统”研究与开发―建设节水型城市的工具

关键词：轨道交通,地铁,排水系统,污水系统

随着城市化的快速发展, 城市人口越来越多, 这使得城市交通面临着巨大的压力, 而城市轨道交通的建设能够有效减缓城市压力。目前, 我国城市轨道交通项目建设在多个城市投入建设, 并且大部分为地下交通。在地下城市轨道交通建设中, 排水系统的设计是地下轨道交通的主要内容, 排水系统能够保证车辆的正常运行。

1 地铁站排水系统简介

在地铁项目中, 地铁站是极其重要的组成部分, 而地铁站的排水系统设计要求也非常高。因此, 需要不断完善地铁站的排水系统设计, 确保工程项目的合理、安全。当前, 地铁排水系统由废水系统、雨水系统、污水系统共同组成, 采用分流制的形式, 其中, 污水系统包括卫生间污水和生活废水, 雨水系统由风亭和出入口构成, 废水系统包括消防废水、车站冲洗水和结构渗透水等。地铁站排水系统如图1所示。

2 地铁站排水系统的建设

2.1 地铁站废水系统的建设

2.1.1 地铁废水组成及排放量要求

地铁废水主要包括冲洗废水、结构渗入水和事故消防水。

2.1.1. 1 冲洗废水

为了保证车站内部的清洁, 站台层、站厅层等处需经常冲洗, 其产生的废水, 即为冲洗废水。车站冲洗用水量标准为每次31 m3, 每天冲洗一次。

2.1.1. 2 结构渗入水

由于地铁车站是地下构筑物, 所以结构渗人水也是车站废水的一项组成部分, 这部分水量以1 L/m2·d计算。

2.1.1. 3 事故消防水

在废水排放过程中, 消防废水是最大的废水来源, 即在发生火灾救火时所消耗的水。一般情况下, 一次火灾后所消耗的消防水多达几十吨, 如果不及时处理这些废水, 将会影响到地铁的正常运行。因此, 在考虑以上三种类型的废水排放时, 地铁车站废水泵房的设置和选泵应该以事故消防水为标准。

2.1.2 地铁废水的收集和排放流程

地铁站内的废水收集和排出要经过一系列步骤, 进入地铁内的废水会流入排水地漏, 然后从地漏进入排水明沟, 再进入废水泵站, 最后经过压力检查井进入市政污水系统排出。在地铁废水的收集过程中, 站台层、站厅层内的地漏起着重要作用, 它们将废水收集到一起, 然后通过排水立管排进明沟内。应将站厅层排水设在主体内侧排水沟内, 间隔大约为40 m。另外, 涉及用水的地方都要尽可能地设置地漏, 无论是茶水间、卫生间、控制室, 还是车站进出口, 尽量保障污水能够顺利进入排水系统。公共区域冲洗的废水主要通过站台层的地漏进行排放, 与站台相距2.5 m左右。对于经过各种风道进入车站位置的地漏设置, 《地铁设计规范》中并无明确规定, 但是要想让地铁排水系统更加安全有效, 也应该在每个风道处设置排水地漏。

主废水泵站排放的废水主要有生产水、冲洗水、凝结水、消防废水和结构渗漏水等, 要将其设置在线路的最低点。在设计过程中, 首先要确定废水池的容积, 然后确定废水泵的参数。另外, 设置过程中尽量使用两台排水泵, 其中一个备用。对于地下商业聚集区和地铁站重合的部分, 为了避免两者互相影响, 可以在两者之间设置必要的挡水或截水装置, 商业部分也要设置独立的地下排水系统。

2.2 地铁污水系统建设

地铁站的污水主要是车站工作人员日常用水, 一般在车站的站厅层设备区内设有卫生间供工作人员使用, 生活用水量按每班每人50 L计, 排水量按生活用水量的95%考虑。

污水泵站一般要设置在卫生间下方位的站台层内, 污水泵房一般要设在站厅厕所下的站台层上, 以便将污水排出。在污水泵房内一般要设置两个排水泵, 一个作为备用。污水池的容量设计一般要按照6 h的污水流入量确定, 且有效容积不能小于2 m3。在设计污水池的过程中, 还要注意污水池的平面不能过大, 以有效缩短污水在池内停留的时间。在污水池内还要设置排气管道, 排气管道要与车站排气管道相通。

卫生间的污水通过管道进入污水池内, 然后经过污水泵将其抽到地面压力窖内, 将其消毒后排入市政污水管道排出。当前, 我国地铁站内的洗手间主要有两类, 一种是生态厕所, 一种是水冲厕所。对于水冲式的厕所, 其污水排放后, 又有两种提升方式, 分别是污水泵和一体化提升装置, 但两者都存在一定的弊端——利用污水泵提升存在人次限制, 而一体化提升存在浪费水的缺陷。目前, 新型的排水系统已经逐渐被广泛运用, 上海等地已经利用真空式排水系统。这是国际上最为领先的科技成果, 在节水、环保方面具有很大的优势。

2.3 地铁雨水系统建设

地铁区间是地铁运行的重要通道, 封闭性较好, 只有两端与车站相连接, 因此, 区间内排水系统的建设要求非常高, 要求区间内的排水不仅要有独立性, 而且要对地铁的安全运行起到保障作用。

2.3.1 地铁雨水系统的排水特点

地铁区间的长度主要是指相邻两个站点之间的距离, 一般情况下, 地铁站与站之间的距离在1~1.5 km之间。对于岛式站台, 可以将其区间分为上、下行线, 即站与站之间有两个圆形隧道与车站相通。这样能够使相反方向的地铁同时通过。区间总部面的设计一般为“V”型, 这是根据区间的距离和深度要求而设计的, 即出站向下, 经过最低点后向上, 直到最后一站。

根据“V”型地铁的设计, 可以将排水泵设置在最低处, 在最低处按照要求设置有紧急逃生时的联络通道, 可以将排水系统设置在此处。地铁下面集水池内的废水在经过废水泵抽取后进入隧道一侧的出水管, 由出水管输送到相邻的车站废水泵房, 然后由车站内的废水泵出水管排到地面压力井, 最后进入市政雨水管道排出。由于出水管相对较长, 所以每隔45 m要安装一个筒式管道伸缩器, 以解决因温度变化造成管道变形这一问题。

2.3.2 地铁雨水泵站设计

雨水泵一般设计在车站敞开式的出入口扶梯下方, 设置雨水泵时要按照暴雨时的排水量进行, 一般情况下要按50年一遇的暴雨排水量计算。对于出水口处的雨水泵选取, 要按照出入口消防水量排放为主。对处于非敞开式的出入口排水泵站, 可以归入到局部废水泵站, 水泵的选取要参考消防排水量。如果风亭设置有顶盖, 那么可以不设雨水泵站, 风亭内部的结构性渗漏水可以通过风道排入车站内, 然后由地漏排放到废水池。

另外, 要在地铁控制室内设置全天监控系统, 对排水系统进行全方位监控, 确保排水系统的正常运行。通过人工监控和自动监控两种方式对其进行严格的监控, 及时处理监控中出现的信息。一旦出现警报, 就要及时进行处理。要对废水池、污水池和集水池内的危险水位进行自动监控, 定期检测排水泵, 并提供检修报告。可以通过排水泵房内的控制箱实现对水位的手动控制和自动控制, 且控制箱可以采用一空二的方式。水位控制可以采用浮球开关, 浮球开关和水位控制可采取一对一的设置方式。

3 结束语

地铁建设的快速发展为新技术的广泛应用创造了有利的条件, 随着排水新技术的日益完善和成熟, 相信在不久的将来, 这些新技术将会广泛应用于地铁排水工程建设中。

参考文献

[1]洪青春, 刘新宇.真空排水系统在地铁中的应用[J].城市轨道交通, 2011 (3) :31-33.

篇3：论“城市优化供配水系统”研究与开发―建设节水型城市的工具

【关键词】熵理论；城市配水系统；风险熵；评价模型

【中图分类号】TU991.33

【文献标识码】A

【Abstract】According to the uncertainty of the water supply system when it damaged by threats， the entropy function which was the indicators of uncertainty and quantitative in physics was used to analyze and assessment the risk of water supply system， and a new risk entropy assessment model for water supply system was proposed. Firstly， through the analysis of the relationship among the water risk， threats and vulnerability of the water supply system， the qualitative expression for the risk of water supply system was obtained. Secondly， based on the characteristics of the entropy was a measure of the uncertainty of the overall system， the entropy and risk assessment of water supply system was combined effectively， and the risk entropy assessment model for water supply system was proposed. At last， the earthquake disaster was taken as an example， and the risk entropy of the water supply system in the north district was computed. Through the case studies， the assessment results can be identified the main cause of water risk directly， which could be provide the basis for the decision-making and risk management of water supply system.

【Key words】Entropy theory；Water supply system；Risk entropy；Assessment model

1. 前言

配水系统作为城市供水安全的关键设施，其正常运行对于保障人民生活及经济发展有着重要的地位和作用，故被称为“城市生命线工程”。但是，配水系统作为一套复杂的大型工程体系，其自身结构复杂、所处外部环境开放，极易受到自然灾害、人为破坏等威胁的影响而导致供水中断，另一方面，许多老城区配水管网由于埋设时间长、材质不好等原因而导致管网老化漏水、爆管，使得城市的供水安全面临很大风险。如2014年4月11日，兰州市由于自流沟超期服役、地下含油污水渗入双重因素导致自来水苯超标的供水安全事件；2008年汶川“5.12”地震导致灾区城市供水系统遭到毁灭性破坏等。而美国“9.11”事件以后，欧美等发达国家开始重视恐怖袭击给城市供水安全带来的威胁，也陆续报道了一些试图破坏城市供水安全的恐怖事件，如2001年1月，美国各州主要水厂都接到美国FBI的通知，要求加大警惕并做好水厂供水安全的相应保证措施[1]。尽管迄今为止还没有发生针对城市供水安全的恐怖袭击事件，但考虑到城市供水安全的重要性地位，很多国家都将供水安全问题作为国家安全和防灾、减灾系统的一个重要组成部分。而配水系统风险的准确定量评价是进行供水安全管理的前提和基础，本文正是针对配水系统风险的不确定性和难以定量化问题，将熵理论与配水系统风险有效結合，以提出一套新的城市配水系统风险熵评价模型。

2. 城市配水系统风险评价相关理论基础

风险“Risk”一词已在环境、土木、电力等工程领域得到广泛应用，其用来描述某个系统在特定威胁作用下，由于自身结构存在的脆弱性导致关键设施失效而造成系统正常功能受损的现象，即风险是衡量系统在面临某种威胁作用时危险性大小的指标，由威胁发生的概率及其严重程度、系统脆弱性三者共同决定[2]。同理，城市配水系统供水风险的大小一方面取决于其面临威胁的发生概率、严重程度，另一方面取决于配水系统的脆弱性（包括系统自身结构脆弱性、城市抗灾救援能力两个方面）[3]。即当配水系统非常脆弱时，即使其面临威胁的强度比较低，给配水系统带来的风险也会特别大，相反，当配水系统脆弱性很低时，即使面临威胁的强度很大，给配水系统带来的风险也有可能很低。因此，本文在上述分析基础上，结合美国水司Sandia National Laboratories推荐的风险计算公式[4]，将威胁发生概率、严重程度以及配水系统脆弱性三个因素同时考虑进去，得到下列城市配水系统风险的定性表达式：

R=P× C× V （1）

其中： R表示风险； P和C 分别表示威胁发生的概率、严重程度； V表示配水系统的脆弱性程度。

因此，配水系统在某种威胁作用时所面临风险的定性关系可由图1简要表示。同时，根据上述分析可知，对于城市供水管理部门来说，配水系统所面临某种威胁发生的概率及严重性水平是人为无法控制的，但是管理部门可以通过降低配水系统自身的脆弱性来达到控制其供水风险的目的。

3. 基于熵理论的城市配水系统风险评价新模型

3.1熵理论基础。

德国科学家R. Clausius于1865年最早利用熵的概念来分析和描述热力学第二定律，他指出孤立系统的热力学过程总是朝着熵增的方向演变的，即 dS0，这便是有名的熵增原理[5]。熵增原理说明孤立系统在没有外界信息输入时，总是由有序状态向无序状态发展演变的。即当系统处于有序状态时其熵值较小，而当系统向无序状态演变时其熵值变大，故熵可作为系统无序状态的一種有效度量。1877年，玻耳兹曼将熵引入到统计力学研究中，推导出了熵与系统的状态分布概率之间的玻耳兹曼关系式，即 S=KinW。在上述基础上，信息论的创始人Shannon于1948年提出了信息量的概念，并用信息熵来定量表示信息源系统因为概率分布而带来的不确定性，信息熵的计算公式为[6]：

H=-c∑ n i=1 PiInPi （2）

信息熵作为系统整体不确定性的有效度量，其在自然科学、社会科学等各个领域都得到了广泛的应用。而城市配水系统作为一个复杂的开放性系统，其面临着各种不同层次和类型的威胁，这些威胁都是随机性事件，其发生概率具有很大的不确定性（无序度），因此，本文利用熵理论研究城市配水系统风险的定量化问题具有理论上的可行性和客观基础。

3.2城市配水系统风险熵评价模型。

假设配水系统可能面临威胁的集合为[Xj ，j=1，2，…，t ] ，其中第 j个威胁 Xj发生的概率为 Pj，则：

0Pj 1 ∑ t j=1 Pj =1 （3）

根据前述分析可知，对于供水管理者来说，供水风险的根源是由于配水系统面临威胁发生概率的不确定性，因此，可以用威胁发生概率的不确定性程度来度量该威胁给配水系统所带来风险的大小，并将这部分风险称之为概率风险。根据信息熵函数的形式，可得到影响配水系统供水安全的威胁Xj 的概率风险熵函数为：

H（Xj ） =-InPj （4）

因此，以概率Pj ，j=1，2，…，t 出现的威胁Xj ，j=1，2，…，t 对配水系统供水功能造成影响的不确定性程度可用下列概率风险熵函数表示：

H（P）=- ∑ t j=1 Pj In Pj （5）

但是，根据前述配水系统风险与威胁、脆弱性之间的关系分析可知，风险并不等于不确定性，本文关于配水系统风险的界定既包含了威胁发生概率不确定性的本质，又体现了威胁的严重程度以及系统脆弱性所导致的危害后果这种价值的关系。由式（1）可知配水系统的风险由威胁发生的概率P 、严重程度 C和配水系统脆弱性 V三者共同决定。而式（5）给出的配水系统概率风险熵函数只考虑了威胁发生概率所带来的风险，没有把威胁的严重程度 C和配水系统脆弱性V 对于供水功能这个价值的影响考虑进去。因此，为了准确表达配水系统的供水风险，还需将威胁的严重程度 C这一价值因素引入到配水系统的风险熵函数中。

设配水系统的供水功能在威胁Xj ，j=1，2，…，t 作用下受到的损失为Cj ，j=1，2，…，t ，则可定义威胁Xj 的严重性系数Ej 为：

Ej= Cj ∑ t j=1 Cj （6）

则有：

0Ej1∑Ej=1 （7）

同时，将严重性系数Ej 与其发生概率Pj 乘积的归一化值定义为威胁 Xj对配水系统的作用系数qj ：

qj =Ej×Pj ∑ t j=1 Ej ×Pj （8）

则有：

0qj1 ∑ t j=1 qj=1 （9）

综上分析可知，作用系数qj 仍具有随机事件概率分布的特征，由此可得到配水系统所面临威胁 Xj ，j=1，2，…，t 的作用系数空间Q{q1，q2，…，qt} 。则作用系数空间Q {q1，q2，…，qt} 的不确定性测度便是配水系统的风险熵：

H（R） =- ∑ t j=1 qj In pj （10）

但是，式（10）用于衡量配水系统供水风险还具有一定的缺陷性，其缺少了系统自身结构脆弱性 对供水风险影响的考虑。为此，本文将式（10）修正为：

H（R） =- ∑ t j=1 V qj In pj （11）

综上分析可知，式（11）作为配水系统面临风险不确定性的总测度函数，既反映了风险的来源是威胁发生的不确定性，又体现了威胁的严重程度和系统脆弱性结构这个价值效用，这与本文关于配水系统风险的定性表达式（1）是完全一致的，表明熵理论用于配水系统风险的计算具有理论可行性，这样便得到了一种新的基于熵理论的城市配水系统风险熵计算模型。

4. 算例分析

4.1研究对象介绍。

本文以华北某区配水系统在面临地震威胁时的风险熵计算为例进行实证研究，根据历史统计数据资料分析可知，该区的基本地震烈度为VII度，不同地震烈度发生概率见表1。

4.2配水系统风险熵计算和评价。

（1）地震严重性水平等级划分。

地震作用在配水系统上的严重性水平可从强度和频率两个方面表征，考虑到我国关于地震作用下配水系统的破坏性资料的数据记载多以烈度的形式表示，故本文采用地震的烈度对其严重性水平进行度量。

历史数据资料表明，地震烈度达到VI时才会对配水系统的供水功能造成一定的影響，因此，本文只研究分析烈度在VI-XII度的地震对该区配水系统的风险熵贡献。根据何维华[7]对汶川“5.12”地震后周边14个城镇配水系统破坏情况的统计数据分析表明，当地震烈度超过X度时，配水系统的供水功能完全丧失，而地震烈度在IX度时，配水系统供水功能受到的破坏相对少一些，导致的停水时间为100小时，而地震烈度在VII度时停水时间只有7小时，地震烈度在VI度及以下时对供水功能的影响基本可以忽略。而美国生命线工程联合会在对不同国家的供水系统在地震中的震害数据分析也表明，地震所造成的危害与地震的动有效峰值速度成正相关关系。为此，本文综合考虑上述实际统计数据分析结果，将不同烈度地震的峰值速度作为其严重性水平，具体结果如表2所示：

（2）计算结果及分析。

根据以往的研究成果[8]，该研究对象的脆弱性值的计算结果为 =0.1637，然后结合表1和表2中的数据，便可根据式（6）计算不同烈度地震所对应的严重性系数 （计算结果见表3）；进而根据式（8）可确定不同烈度地震所对应的作用系数 （计算结果见表3）；最后，根据式（11）便可计算得到该区配水系统的风险熵大小为 0.3871，其中不同地震烈度对于该区配水系统供水风险的贡献率计算结果见表3。由表3可知，VII度和VIII度地震对于华北某区配水系统的供水风险影响最大，约占总地震风险的60%，该计算结果对于该区配水系统管理部门在面临地震风险时的管理具有重要的指导意义。

5. 结论

本文针对城市配水系统面临威胁发生概率的不确定性而危害后果难以定量化等问题，在以往研究成果的基础上，首先，通过对城市配水系统供水风险与所面临威胁的发生概率、严重程度以及系统脆弱性三者之间的关系分析，得到了城市配水系统风险计算的定性表达式；然后，基于信息熵作为系统无序状态的一种有效度量，将信息熵理论引入到城市配水系统风险评价研究中，推导得到了城市配水系统风险熵评价新模型。最后，以华北某区配水系统作为研究对象，以地震灾害这种具体威胁为例，利用上述风险熵评价模型对其风险进行了计算和评价，实例应用表明，该模型具有理论与实际可行性，同时，其计算结果可直接确定引起供水风险的主要原因及其贡献率，研究结果对于该配水系统的安全设计和风险管理具有重要的指导意义。

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