好文推荐 | 7056公里管网怎么分区：输配分离+NSGA-II，59个分区水龄降11%

导 语

一座特大型城市的供水管网，DN200 以上管道总长约 7056 km，4 座水厂联合供水，最高日用水量 237 万 m³/d。管网经多阶段建设与合并而成，连片统一供水，主干层次不清，多水源之间事故互补能力弱。经验分区依赖专家、耗时低效，现有自动分区方法或耗时长、或对数据要求高，且没有把运行能耗核算纳入分区过程。这篇论文提出以输配分离为核心理念的多目标分区方法：识别主干管并从配水中剥离，用空间聚类快速生成候选分区，再用 NSGA-II 迭代出整条 Pareto 前沿。最值得读的一点是：它不给唯一"最优分区数"，而是把压力、水龄、费用三个互相牵制的目标一起摆在桌面上，让管理者按约束挑解。

图片摘要

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这篇论文为什么值得读

很多大型供水管网都面临一个朴素但难处理的问题：管网规模越大、建设历史越长，管道功能界限就越模糊——干管在配水，配水管有时也在输水，主干层次理不清，分区管理、漏损控制和水龄管控都无从下手。

现有自动分区方法各有短板：基于图论的路径分析法耗时长，社区发现法对数据要求高，聚类分析法则缺乏对现状供水路径的分析；更关键的是，已有方法都没有把能耗核算纳入分区过程，而分区改造恰恰会长期改变管网运行能耗。

这篇论文把这件事做成了一个显式的多目标优化问题：以输配分离为核心理念，先用空间聚类把大规模管网的节点分组耗时大幅压缩，再用 NSGA-II 求解，输出整条 Pareto 前沿。对正在推进管网分区改造和智慧水务建设的规划、调度人员，这是一套可以直接对照落地的决策框架。

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输配分离先做减法：主干管只输水，分区只进不出

方法的第一步不是画分区，而是把主干管从配水功能里剥离出来。识别同时看管径和过流量：管径一般不小于 400 mm 的管道作为"管径基础主干管"，过流量高于 421 m³/h（相当于 500 mm 管道按 0.9 m/s 经济流速输水）的管道作为"流量基础主干管"，两者取并集。若主干管没有串起所有水源，算法用 Dijkstra 最短路径补足 2 条水源间连接路径，让主干管具备多水源互连功能。

图1 主干管剥离前后管网拓扑结构变化。

图 1 的核心提醒是：分区后主干管与分区处在两个层级，每个分区只通过 1~2 根配水管接入主干管，只进不出，分区之间用阀门截断、互不串联。这个结构直接决定了后面的管理收益——单个分区的压力控制、流量分析和水质管控互不干扰，水量分析也不会因分区串联而产生误差累积。

节点分组用的是空间聚类：以配水管入口为基准，逐轮吸收相邻节点，替代传统最短路径法。对节点和管段数量庞大的管网，这一步把分组耗时大幅降低，是方法能用于超大规模管网的关键。

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三个目标互相牵制：压力、水龄和费用没有同时的最优

论文设了三个目标函数：分区平均压力标准差比 SDR，衡量分区内压力均匀性，越小越利于控制背景漏损；节点平均水龄比 WAR，衡量水质安全，越低余氯消耗越少；运行能耗与改造折算费用 C，把阀门与 SCADA 设备购置费按 15 a 服务年限折算，与分区后电费合并计算。

在 H 市案例里，预设分区数为 30~100，NSGA-II 最终给出 22 个 Pareto 解：分区数 52~96 个，压力标准差总和比 2.62~3.45，节点平均水龄比 0.68~0.98，运行与改造折算年费用 8722.35 万~9294.77 万元，需截断管段 1213~1684 根。

图2 案例管网分区 Pareto 解集，按运行与改造费用分为四组。

图2的核心提醒是：三个目标没有免费的组合——同一费用分组内，压力均匀性与水龄近似负相关；而压力均匀且水龄低的解（图中左下角）落在最高费用组。另一个值得注意的现象是，解集的分区数离预设下限 30 很远，论文给出的解释是可能原始管网压力富裕度较低，部分区域降压空间小，只能靠增加分区数来降低水头损失。

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H 市怎么选：59个分区、水龄降11%、改造费占比不足2.6%

图3 22 个方案的运行能耗与投资改造费用对比。

图3的核心提醒是：对大型供水管网，分区方案的费用结构以运行能耗为主，投资改造费折年计算仅占总费用的 1.56%~2.59%。这意味着分区改造的经济性评估重心应放在长期电费上，阀门和监测设备的建设费几乎不构成决策障碍。

图4 推荐方案 s-17 的分区结果，共 59 个分区。

综合三个指标，论文推荐 s-17 方案：59 个分区，分区平均压力标准差比 2.82（各方案中变化较小），节点平均水龄比 0.89，即较分区前平均水龄降低 11%，改造折算与运行能耗费用为 8890.4 万元/a。图 7 的核心提醒是：所有分区只与主干管单向相连，这种只进不出的拓扑是前面全部管理收益的来源。

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应用边界：换一张管网，这些前提都要重验

论文自己指出的第一个边界是压力富裕度：解集分区数远高于预设下限，说明在压力富裕度低的管网里，方法不能凭空创造降压空间，分区数目上限受现状水力条件约束。

其次是参数的管网特异性。主干管最小识别管径在 H 市设为 800 mm（方法建议一般不小于 400 mm），DMA 用户规模按漏损管理需求取 500~5000 户，节点服务水头 16 m 按当地规范确定，设备费用按市价、服务年限按 15 a 折算——换一座城市，这些取值都要重设，结论不能平移。

第三，分区前后水力状态会变化，多水源连接路径的权重计算用的是管段属性定值而非实时水力结果；方案的三个指标都依赖延时水力模拟的精度，模型质量直接决定 Pareto 前沿的可信度。

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对供水管网规划与调度读者的启发

这篇论文提供的与其说是一套算法，不如说是一条决策顺序：先识别主干管、检查多水源连通性，再谈分区；先看管网的压力富裕度，再定分区数目的可行区间；最后在 Pareto 前沿上按管理约束挑解，而不是追问"哪个分区数最优"。

两条可迁移的判断规则：其一，分区改造的费用大头在运行能耗而非建设费，方案比选应围绕长期电费结构展开；其二，SDR 和 WAR 都是相对指标（分区前后之比），只在同一管网内可比，跨管网比较没有意义。对建模人员，把能耗核算前置进分区过程、输出整条 Pareto 前沿供管理决策，本身就是值得借鉴的建模立场。

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引用信息

胡世沛,杨坤,鲍月全,等.大型多水源供水管网多目标分区优化方法[J].净水技术,2026,45(9):64-72.

DOI: 10.15890/j.cnki.jsjs.2026.09.007

来源：本文内容为AI改编，原文出自《净水技术》论文《大型多水源供水管网多目标分区优化方法》，作者胡世沛、杨坤、鲍月全、张新、黄旦光、颜合想（同济大学环境科学与工程学院、上海城市水资源开发利用国家工程中心有限公司、上海城投水务（集团）有限公司、宁波水表（集团）股份有限公司）。

编辑：黄智恒

排版：李滨妤

审核：孙丽华

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