基于复杂网络的长距离输水系统节点重要性评估

　　摘要：识别长距离输水系统重要节点并进行监测保护，对于输水系统的安全可靠运行和防护资源的分配具有重要意义。运用复杂网络理论，构建了长距离输水系统拓扑网络;从节点的局部属性、全局属性和位置属性三个方面，选取节点的局部中心性、接近中心性、介数中心性和网络中心性4个指标进行了节点重要性评估，并根据节点的重要性程度依次移除节点，得到了输水网络综合效率演变过程。工程案例结果表明：处于输水网络中部的输水节点重要性程度整体较高;34%的节点失效后，输水网络综合效率由0.12降低到0.02，少量重要节点失效即可导致整个输水网络的迅速崩溃。

　　关键词：复杂网络;长距离输水系统;节点重要性;网络综合效率

　　0引言

　　建设长距离输水系统是解决区域水资源紧缺问题的重要工程措施[12]，而闸阀、泵站等控配水建筑物作为长距离输水系统的重要组成部分[3]，对其开展重要性评估，根据其重要程度进行相应的水力设计和防护资源分配，可保障长距离输水系统的安全可靠运行，有效发挥其输水效益。目前的相关研究主要是针对流经控配水建筑物的水流特性对其破坏程度的大小来确定其重要性，梁圣辰等[4]模拟了粤东三江引水工程泵站的水锤效应，提出了针对重要泵站的联合防护方案;张焱炜[5]以贵州某管道输水工程为背景，进行了输水系统中泵站水击防护方案的设计和优化。

　　然而，由输水管线和控配水建筑物构成的长距离输水系统同时还具有复杂的网络拓扑结构[6]，目前从复杂网络的角度进行控配水建筑物重要性评价的研究还较为匮乏。因此，本文以输水管线为边，控配水建筑物为节点，构建长距离输水系统拓扑网络，从节点的局部属性、全局属性和位置属性三个方面筛选指标，进行节点重要性的综合评估，可避免复杂的水力计算，并利用节点移除后的输水网络综合效率验证评估结果，为长距离输水系统的重要节点识别和监测保护提供理论指导。

　　1节点重要性评估方法

　　1.1输水系统拓扑网络构建

　　长距离输水系统的输水线路可能横跨几个甚至十几个省市，输水线路长度可达数百公里，而输水系统往往受到功能需求以及环境条件的制约，需要设置数量众多的输水建筑物(渠道、管道等)和控配水建筑物(泵站、闸阀等)，形成连通发达的网络系统[7]。因此，运用复杂网络理论，将长距离输水系统输水设施抽象为边，控配水设施抽象为节点，以水流流向为方向，构建长距离输水网络拓扑结构图。

　　1.2节点重要度指标确定

　　由于输水节点所处的位置以及与其连接的输水设施数量不同，使得节点的重要程度存在一定的差异[8]，可从输水网络中节点与邻居节点的联系(局部属性)、与全网节点间的联系(全局属性)以及节点所处的位置(位置属性)3个方面来进行节点重要度指标的选取。

　　1.3节点重要度计算为避免单一指标评价片面性，综合考虑四种指标，通过熵权法[15]计算各指标权重。熵权法根据各项指标提供的信息熵大小确定权重，可以避免确定权重时的人为主观影响。

　　1.4输水网络综合效率计算长距离输水网络中节点失效后，输水网络的结构发生变化，使得水流在输水网络中的流动重新分布，本文引入复杂网络抗毁性测度指标网络综合效率[16]，用来表示节点失效后网络输水功能的破坏程度以及水流在输水网络中流通的难易程度[17]。

　　2案例分析

　　移除23个输水节点后，输水网络综合效率值从0.12下降到0.02，34%的节点影响了输水网络83%的综合效率值，即少量重要节点失效可导致输水系统的迅速崩溃，同时，按节点重要度顺序单独移除节点时，输水网络综合效率值的降低程度总体上随着节点重要度的降低而降低，表明节点的重要度评价结果总体较为准确，能够有效识别长距离输水系统中的重要节点。

　　3结论

　　(1)将长距离输水系统控配水建筑物抽象为节点，基于复杂网络理论从局部属性、全局属性和位置属性评估了节点的重要性，提出的综合评估方法可有效识别关键节点，为其针对性监测及防护资源分配提供理论指导。

　　(2)长距离输水网络中少部分关键节点失效即可对长距离输水系统造成较大的破坏，本案例中34%的节点影响了输水网络83%的输水网络综合效率，同时，位于输水网络中心的节点重要性往往大于边缘节点，应对这些节点进行重点监测和防护。 本研究将输水管线抽象为复杂网络的边时未考虑到输水管线的性质差异(如管道流量大小、有压无压等)对节点的重要性影响，如何区分上述差异并将其引入到输水系统节点重要性评估中来是笔者的下一步研究方向。

　　参考文献

　　[1]张建云,贺瑞敏,齐晶,等.关于中国北方水资源问题的再认识[J].水科学进展,2013,24(3):303310.

　　[2]周利全,蒋乐英,杨选波,等.西部长距离引调水工程质量管理与对策研究[J].中国农村水利水电,2021(2):148151.

　　[3]裴双保.长距离输水系统重力流段水锤防护措施研究[J].人民黄河,2021,43(增刊1):122124.

　　[4]梁圣辰,张健,贺蔚,等.长距离输水系统串联多阻抗调压室的水锤防护效果[J].河海大学学报(自然科学版),2021,49(2):170175.

　　[5]张焱炜.管道输水工程水击防护设计及优化研究[D].济南：山东大学,2020.

　　[6]吴汉美,段国凡,李春娥.洪涝灾害后城镇景观长距离输水系统水文风险评估[J].灾害学,2021,36(2):4346,78.

　　[7]刘忠华,于华,杨方廷,等.不确定条件下的山西省水资源调度规划研究[J].水力发电学报,2016,35(3):3646.

　　作者：杨元媛1，朱昊彧2，杜云彬3，李港1

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jjlw/29155.html