基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的長距離輸水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)重要性評估

　　摘要：識(shí)別長距離輸水系統(tǒng)重要節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行監(jiān)測保護(hù)，對于輸水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和防護(hù)資源的分配具有重要意義。運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，構(gòu)建了長距離輸水系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò);從節(jié)點(diǎn)的局部屬性、全局屬性和位置屬性三個(gè)方面，選取節(jié)點(diǎn)的局部中心性、接近中心性、介數(shù)中心性和網(wǎng)絡(luò)中心性4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)重要性評估，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要性程度依次移除節(jié)點(diǎn)，得到了輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率演變過程。工程案例結(jié)果表明：處于輸水網(wǎng)絡(luò)中部的輸水節(jié)點(diǎn)重要性程度整體較高;34%的節(jié)點(diǎn)失效后，輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率由0.12降低到0.02，少量重要節(jié)點(diǎn)失效即可導(dǎo)致整個(gè)輸水網(wǎng)絡(luò)的迅速崩潰。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò);長距離輸水系統(tǒng);節(jié)點(diǎn)重要性;網(wǎng)絡(luò)綜合效率

　　0引言

　　建設(shè)長距離輸水系統(tǒng)是解決區(qū)域水資源緊缺問題的重要工程措施[12]，而閘閥、泵站等控配水建筑物作為長距離輸水系統(tǒng)的重要組成部分[3]，對其開展重要性評估，根據(jù)其重要程度進(jìn)行相應(yīng)的水力設(shè)計(jì)和防護(hù)資源分配，可保障長距離輸水系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，有效發(fā)揮其輸水效益。目前的相關(guān)研究主要是針對流經(jīng)控配水建筑物的水流特性對其破壞程度的大小來確定其重要性，梁圣辰等[4]模擬了粵東三江引水工程泵站的水錘效應(yīng)，提出了針對重要泵站的聯(lián)合防護(hù)方案;張焱煒[5]以貴州某管道輸水工程為背景，進(jìn)行了輸水系統(tǒng)中泵站水擊防護(hù)方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

　　然而，由輸水管線和控配水建筑物構(gòu)成的長距離輸水系統(tǒng)同時(shí)還具有復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6]，目前從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的角度進(jìn)行控配水建筑物重要性評價(jià)的研究還較為匱乏。因此，本文以輸水管線為邊，控配水建筑物為節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建長距離輸水系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，從節(jié)點(diǎn)的局部屬性、全局屬性和位置屬性三個(gè)方面篩選指標(biāo)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要性的綜合評估，可避免復(fù)雜的水力計(jì)算，并利用節(jié)點(diǎn)移除后的輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率驗(yàn)證評估結(jié)果，為長距離輸水系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)識(shí)別和監(jiān)測保護(hù)提供理論指導(dǎo)。

　　1節(jié)點(diǎn)重要性評估方法

　　1.1輸水系統(tǒng)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

　　長距離輸水系統(tǒng)的輸水線路可能橫跨幾個(gè)甚至十幾個(gè)省市，輸水線路長度可達(dá)數(shù)百公里，而輸水系統(tǒng)往往受到功能需求以及環(huán)境條件的制約，需要設(shè)置數(shù)量眾多的輸水建筑物(渠道、管道等)和控配水建筑物(泵站、閘閥等)，形成連通發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。因此，運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，將長距離輸水系統(tǒng)輸水設(shè)施抽象為邊，控配水設(shè)施抽象為節(jié)點(diǎn)，以水流流向?yàn)榉较�，�?gòu)建長距離輸水網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

　　1.2節(jié)點(diǎn)重要度指標(biāo)確定

　　由于輸水節(jié)點(diǎn)所處的位置以及與其連接的輸水設(shè)施數(shù)量不同，使得節(jié)點(diǎn)的重要程度存在一定的差異[8]，可從輸水網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系(局部屬性)、與全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系(全局屬性)以及節(jié)點(diǎn)所處的位置(位置屬性)3個(gè)方面來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)重要度指標(biāo)的選取。

　　1.3節(jié)點(diǎn)重要度計(jì)算為避免單一指標(biāo)評價(jià)片面性，綜合考慮四種指標(biāo)，通過熵權(quán)法[15]計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)提供的信息熵大小確定權(quán)重，可以避免確定權(quán)重時(shí)的人為主觀影響。

　　1.4輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率計(jì)算長距離輸水網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)失效后，輸水網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得水流在輸水網(wǎng)絡(luò)中的流動(dòng)重新分布，本文引入復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)抗毀性測度指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)綜合效率[16]，用來表示節(jié)點(diǎn)失效后網(wǎng)絡(luò)輸水功能的破壞程度以及水流在輸水網(wǎng)絡(luò)中流通的難易程度[17]。

　　2案例分析

　　移除23個(gè)輸水節(jié)點(diǎn)后，輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率值從0.12下降到0.02，34%的節(jié)點(diǎn)影響了輸水網(wǎng)絡(luò)83%的綜合效率值，即少量重要節(jié)點(diǎn)失效可導(dǎo)致輸水系統(tǒng)的迅速崩潰，同時(shí)，按節(jié)點(diǎn)重要度順序單獨(dú)移除節(jié)點(diǎn)時(shí)，輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率值的降低程度總體上隨著節(jié)點(diǎn)重要度的降低而降低，表明節(jié)點(diǎn)的重要度評價(jià)結(jié)果總體較為準(zhǔn)確，能夠有效識(shí)別長距離輸水系統(tǒng)中的重要節(jié)點(diǎn)。

　　3結(jié)論

　　(1)將長距離輸水系統(tǒng)控配水建筑物抽象為節(jié)點(diǎn)，基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論從局部屬性、全局屬性和位置屬性評估了節(jié)點(diǎn)的重要性，提出的綜合評估方法可有效識(shí)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，為其針對性監(jiān)測及防護(hù)資源分配提供理論指導(dǎo)。

　　(2)長距離輸水網(wǎng)絡(luò)中少部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)失效即可對長距離輸水系統(tǒng)造成較大的破壞，本案例中34%的節(jié)點(diǎn)影響了輸水網(wǎng)絡(luò)83%的輸水網(wǎng)絡(luò)綜合效率，同時(shí)，位于輸水網(wǎng)絡(luò)中心的節(jié)點(diǎn)重要性往往大于邊緣節(jié)點(diǎn)，應(yīng)對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測和防護(hù)。 本研究將輸水管線抽象為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的邊時(shí)未考慮到輸水管線的性質(zhì)差異(如管道流量大小、有壓無壓等)對節(jié)點(diǎn)的重要性影響，如何區(qū)分上述差異并將其引入到輸水系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)重要性評估中來是筆者的下一步研究方向。

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　　[4]梁圣辰,張健,賀蔚,等.長距離輸水系統(tǒng)串聯(lián)多阻抗調(diào)壓室的水錘防護(hù)效果[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,49(2):170175.

　　[5]張焱煒.管道輸水工程水擊防護(hù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué),2020.

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　　[7]劉忠華,于華,楊方廷,等.不確定條件下的山西省水資源調(diào)度規(guī)劃研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2016,35(3):3646.

　　作者：楊元媛1，朱昊彧2，杜云彬3，李港1

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