压力瞬变指标的空间插值优化及其在供水管网资产管理中的应用研究

本文创新性地提出利用空间插值技术估算供水管网(WDN)中动态压力(DP)指标的方法，通过分离大振幅压力瞬变(DPhigh)和背景压力波动(DPlow)，结合简化瞬态模型与逆距离加权(IDW)插值算法，实现了基于有限监测点的管网全域压力评估。研究证实该方法可有效支持累积压力诱导应力(CPIS)计算，为管网疲劳断裂预测提供重要数据支撑。

　　

压力瞬变指标的空间插值方法研究

摘要

研究团队针对供水管网(WDN)中压力瞬变导致的管道疲劳问题，开发了累积压力诱导应力(CPIS)指标。该指标整合了来自水力模型的平均压力与更具挑战性的动态压力(DP)数据。由于瞬态建模的计算复杂性和监测点稀疏性，研究创新性地采用空间插值技术结合简化瞬态模拟，实现了管网全域DP估算。

引言

高精度压力记录设备的普及揭示了压力瞬变在WDN中的普遍存在，这些动态压力可能加速管道劣化并影响水质。CPIS指标作为评估压力瞬变影响的重要工具，其动态压力分量(DP)的计算需要高时间分辨率数据来统计压力循环次数。传统全管网瞬态模拟因计算复杂度高而难以实施，促使本研究探索基于有限监测数据的空间插值解决方案。

方法学

研究提出将DP分解为两个组分：大振幅偶发压力循环(^DP_high)和背景小压力波动(^DP_low)。通过设定压力循环范围阈值（本研究确定为5m），分别采用不同方法进行估算：

1. 1.

   对于^DP_high，先通过瞬态源定位确定主要扰动源，再使用经遗传算法校准的简化瞬态模型模拟波传播

2. 2.

   对于^DP_low，采用逆距离加权(IDW)和基于图拉普拉斯(Graph Laplacian)的空间插值方法

3. 3.

   采用留一法交叉验证(LOOCV)评估各方法精度

案例研究

在英国某实际管网DMA中开展两次监测（分别部署7个和10个高速压力记录仪），主要发现：

1. 1.

   工业用户产生10-20m的大幅压力波动，占总DP的60-75%

2. 2.

   背景压力波动(^DP_low)表现出更高的时空稳定性

3. 3.

   传感器密度增加显著提升^DP_low的插值精度（MAPE从48.5%降至28.5%）

结果分析

1. 1.

   瞬态模型指导的^DP_high估算（LOOCV MAE 8,463-10,151）略优于纯空间插值

2. 2.

   IDW插值在^DP_low估算中表现最佳（MAPE 26-48%）

3. 3.

   完整DP的直接插值结果与组分分离法相当，验证了方法可行性

讨论与结论

研究表明空间插值技术可有效估算管网动态压力，特别是当：

1. 1.

   大振幅瞬变来自有限可定位源时

2. 2.

   传感器密度满足基本空间覆盖要求

   该方法为管网资产管理提供了实用工具，通过CPIS量化可支持：

3. 3.

   管道断裂因果关系分析

4. 4.

   水力"镇定"措施效果评估

5. 5.

   预防性维护策略优化

未来研究应关注传感器最优部署方案和统计阈值确定方法，以提升方法在各类WDN中的适用性。本研究建立的框架为理解压力瞬变对管网完整性的影响提供了新视角，有助于实现更精准的管网健康状态评估。