突發(fā)外源污染入侵的非穩(wěn)態(tài)管網水質監(jiān)測點優(yōu)化選址研究.pdf

1、供水管網外源性突發(fā)污染入侵下，水質安全問題是一個多目標復雜問題。管網具有拓撲結構復雜、水流慣性、水力瞬變等特征，而目前的水質監(jiān)測點優(yōu)化選址多以穩(wěn)態(tài)、準穩(wěn)態(tài)水力模擬為基礎進行，與實際管網的運行工況存在較大差異。本文在準穩(wěn)態(tài)工況的基礎上，在時間步長的銜接點對管網水流微元所攜帶的水力信息進行了微觀研究，并將其定義為本文的非穩(wěn)態(tài)水力工況。為解決非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況下的水質監(jiān)測點優(yōu)化問題，本文以廣東省TX鎮(zhèn)的實際管網為研究對象，開展了基于非穩(wěn)態(tài)水力

2、工況的水質監(jiān)測點選址模型的構建及其求解模式的研究。通過收集該鎮(zhèn)供水管網系統(tǒng)的管網靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據搭建管網水力模型，對非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況數(shù)據進行計算分析，建立基于非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況的選址通用模型，利用自適應粒子群k-medoids聚類算法確定了求解模式，對水質監(jiān)測點的優(yōu)化選址提供方案決策輔助及提高供水管網的管理有較好的現(xiàn)實意義。
　　首先，改進水力流通的計算方法以求解非穩(wěn)態(tài)水力工況，包括:水力流通路徑、水力流通時間、節(jié)點監(jiān)測到污染物時

3、管網對外供出的受污染水的體積、污染物物質的量與污染物的濃度。通過計算過程和計算結果的對比發(fā)現(xiàn)，非穩(wěn)態(tài)水力工況下管網水流運動更為復雜，表現(xiàn)為:(1)兩兩節(jié)點間的水力流通可行性因時刻的不同而改變，水力流通可行與否除受到拓撲結構的影響外，還受到各管段水流方向的影響，即各水源供水狀況的影響;(2)在水力流通可行的兩節(jié)點中，上述五個方面的數(shù)據均因時刻的改變而產生變化;(3)兩兩節(jié)點間的水力流通可行總數(shù)隨時刻的變化而變化，并且變化幅度較大。因此，用

4、穩(wěn)態(tài)工況代替非穩(wěn)態(tài)工況的誤差不可忽視。經過改進水力流通的計算方法，能夠有效的求得非穩(wěn)態(tài)水力工況下數(shù)據，更貼近實際管網運行工況。
　　其次，結合非穩(wěn)態(tài)水力工況的特點，通過對不同優(yōu)化目標的水質監(jiān)測點選址模型進行數(shù)學建模并總結共同性，可構建供水管網兩兩節(jié)點間一一對應的監(jiān)測數(shù)據標準化三維存儲矩陣從而建立通用數(shù)學模型。標準化三維矩陣的建立能夠有效地解決非穩(wěn)態(tài)下供水管網水力瞬變的數(shù)據存儲問題。對不同的優(yōu)化目標將其監(jiān)測數(shù)據按標準創(chuàng)建三維矩陣即可

5、形成不同優(yōu)化目標的選址模型，具有很強的通用性及工程實用性。
　　再次，提出了基于自適應粒子群k-medoids聚類算法對通用數(shù)學模型的求解模式。針對供水管網節(jié)點與監(jiān)測點的特點，對自適應粒子群k-mmedoids聚類算法做了實用性優(yōu)化，并確定聚類中心數(shù)與小世界鄰域閥值，使該算法能夠對通用數(shù)學模型進行求解，進而形成求解模式?；贛atlab平臺，編譯求解模式函數(shù)代碼，并結合通用水質監(jiān)測點選址模型，可應用于各城市供水管網計算求解，有效應

6、對實際供水管網監(jiān)測點布置時所需的各種不同優(yōu)化目標，輔助決策層部署監(jiān)測點方案。
　　最后，針對該城鎮(zhèn)供水管網，分別就平均監(jiān)測用時、平均污水出流量、平均污染面積、平均注入污染物物質的量與平均注入污染物濃度為優(yōu)化目標進行突發(fā)污染水質監(jiān)測點優(yōu)化選址進行建模與求解。通過案例分析了上述五個優(yōu)化目標與監(jiān)測點數(shù)量之間的關系，以及有效監(jiān)測率隨監(jiān)測點數(shù)量變化的趨勢，并針對五個優(yōu)化目標分別提出了水質監(jiān)測點布置方案，綜合考慮前三個優(yōu)化目標的情況下確定了多