基于復雜網絡的長距離輸水系統節點重要性評估

　　摘要：識別長距離輸水系統重要節點并進行監測保護，對于輸水系統的安全可靠運行和防護資源的分配具有重要意義。運用復雜網絡理論，構建了長距離輸水系統拓撲網絡;從節點的局部屬性、全局屬性和位置屬性三個方面，選取節點的局部中心性、接近中心性、介數中心性和網絡中心性4個指標進行了節點重要性評估，并根據節點的重要性程度依次移除節點，得到了輸水網絡綜合效率演變過程。工程案例結果表明：處于輸水網絡中部的輸水節點重要性程度整體較高;34%的節點失效后，輸水網絡綜合效率由0.12降低到0.02，少量重要節點失效即可導致整個輸水網絡的迅速崩潰。

　　關鍵詞：復雜網絡;長距離輸水系統;節點重要性;網絡綜合效率

　　0引言

　　建設長距離輸水系統是解決區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的重要組成部分[3]，對其開展重要性評估，根據其重要程度進行相應的水力設計和防護資源分配，可保障長距離輸水系統的安全可靠運行，有效發揮其輸水效益。目前的相關研究主要是針對流經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，提出了針對重要泵站的聯合防護方案;張焱煒[5]以貴州某管道輸水工程為背景，進行了輸水系統中泵站水擊防護方案的設計和優化。

　　然而，由輸水管線和控配水建筑物構成的長距離輸水系統同時還具有復雜的網絡拓撲結構[6]，目前從復雜網絡的角度進行控配水建筑物重要性評價的研究還較為匱乏。因此，本文以輸水管線為邊，控配水建筑物為節點，構建長距離輸水系統拓撲網絡，從節點的局部屬性、全局屬性和位置屬性三個方面篩選指標，進行節點重要性的綜合評估，可避免復雜的水力計算，并利用節點移除后的輸水網絡綜合效率驗證評估結果，為長距離輸水系統的重要節點識別和監測保護提供理論指導。

　　1節點重要性評估方法

　　1.1輸水系統拓撲網絡構建

　　長距離輸水系統的輸水線路可能橫跨幾個甚至十幾個省市，輸水線路長度可達數百公里，而輸水系統往往受到功能需求以及環境條件的制約，需要設置數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)，形成連通發達的網絡系統[7]。因此，運用復雜網絡理論，將長距離輸水系統輸水設施抽象為邊，控配水設施抽象為節點，以水流流向為方向，構建長距離輸水網絡拓撲結構圖。

　　1.2節點重要度指標確定

　　由于輸水節點所處的位置以及與其連接的輸水設施數量不同，使得節點的重要程度存在一定的差異[8]，可從輸水網絡中節點與鄰居節點的聯系(局部屬性)、與全網節點間的聯系(全局屬性)以及節點所處的位置(位置屬性)3個方面來進行節點重要度指標的選取。

　　1.3節點重要度計算為避免單一指標評價片面性，綜合考慮四種指標，通過熵權法[15]計算各指標權重。熵權法根據各項指標提供的信息熵大小確定權重，可以避免確定權重時的人為主觀影響。

　　1.4輸水網絡綜合效率計算長距離輸水網絡中節點失效后，輸水網絡的結構發生變化，使得水流在輸水網絡中的流動重新分布，本文引入復雜網絡抗毀性測度指標網絡綜合效率[16]，用來表示節點失效后網絡輸水功能的破壞程度以及水流在輸水網絡中流通的難易程度[17]。

　　2案例分析

　　移除23個輸水節點后，輸水網絡綜合效率值從0.12下降到0.02，34%的節點影響了輸水網絡83%的綜合效率值，即少量重要節點失效可導致輸水系統的迅速崩潰，同時，按節點重要度順序單獨移除節點時，輸水網絡綜合效率值的降低程度總體上隨著節點重要度的降低而降低，表明節點的重要度評價結果總體較為準確，能夠有效識別長距離輸水系統中的重要節點。

　　3結論

　　(1)將長距離輸水系統控配水建筑物抽象為節點，基于復雜網絡理論從局部屬性、全局屬性和位置屬性評估了節點的重要性，提出的綜合評估方法可有效識別關鍵節點，為其針對性監測及防護資源分配提供理論指導。

　　(2)長距離輸水網絡中少部分關鍵節點失效即可對長距離輸水系統造成較大的破壞，本案例中34%的節點影響了輸水網絡83%的輸水網絡綜合效率，同時，位于輸水網絡中心的節點重要性往往大于邊緣節點，應對這些節點進行重點監測和防護。 本研究將輸水管線抽象為復雜網絡的邊時未考慮到輸水管線的性質差異(如管道流量大小、有壓無壓等)對節點的重要性影響，如何區分上述差異并將其引入到輸水系統節點重要性評估中來是筆者的下一步研究方向。

　　參考文獻

　　[1]張建云,賀瑞敏,齊晶,等.關于中國北方水資源問題的再認識[J].水科學進展,2013,24(3):303310.

　　[2]周利全,蔣樂英,楊選波,等.西部長距離引調水工程質量管理與對策研究[J].中國農村水利水電,2021(2):148151.

　　[3]裴雙保.長距離輸水系統重力流段水錘防護措施研究[J].人民黃河,2021,43(增刊1):122124.

　　[4]梁圣辰,張健,賀蔚,等.長距離輸水系統串聯多阻抗調壓室的水錘防護效果[J].河海大學學報(自然科學版),2021,49(2):170175.

　　[5]張焱煒.管道輸水工程水擊防護設計及優化研究[D].濟南：山東大學,2020.

　　[6]吳漢美,段國凡,李春娥.洪澇災害后城鎮景觀長距離輸水系統水文風險評估[J].災害學,2021,36(2):4346,78.

　　[7]劉忠華,于華,楊方廷,等.不確定條件下的山西省水資源調度規劃研究[J].水力發電學報,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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