給水管網(wǎng)水質(zhì)模擬與安全分析方法和應(yīng)用研究.pdf

1、聯(lián)合國(guó)確定2005年—2015年為生命之水國(guó)際行動(dòng)10年，主題是“生命之水”；2005年“中國(guó)水周”活動(dòng)的宣傳主題是“保障飲水安全，維護(hù)生命健康”。生活飲用水水質(zhì)不僅關(guān)系到廣大人民的身體健康，還直接影響著城市居住環(huán)境和投資環(huán)境甚至對(duì)外開(kāi)放政策的順利實(shí)施，因此各國(guó)都把提高供水水質(zhì)，保障供水安全作為供水服務(wù)的首要內(nèi)容。輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)是供水系統(tǒng)中的重要組成部分，其功能就是向用戶(hù)輸送滿(mǎn)足水量、水質(zhì)和水壓需求的水。然而，合格的出廠(chǎng)水經(jīng)

2、過(guò)復(fù)雜的城市輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)后，水質(zhì)常常發(fā)生變化。實(shí)踐證明，水在管網(wǎng)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生著復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物的反應(yīng)從而使管網(wǎng)結(jié)構(gòu)完整性被破環(huán)，導(dǎo)致水質(zhì)惡化。本文主要研究自來(lái)水在管網(wǎng)中的變化規(guī)律，分析管網(wǎng)水質(zhì)惡化的原因，并提出相應(yīng)的預(yù)防解決措施。同時(shí)運(yùn)用信息化手段進(jìn)行管網(wǎng)水質(zhì)的數(shù)學(xué)模擬，對(duì)其主要影響參數(shù)余氯濃度及節(jié)點(diǎn)水齡進(jìn)行模擬及預(yù)測(cè)，根據(jù)模擬及預(yù)測(cè)的結(jié)果提出相應(yīng)的水質(zhì)調(diào)度措施(管網(wǎng)中途加氯)，建立管網(wǎng)水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)，構(gòu)建安全保

3、障體系框架，從而為水司安全供水提供有力的科學(xué)決策依據(jù)及技術(shù)支持。論文以市北管網(wǎng)及—小型管網(wǎng)為例說(shuō)明了管網(wǎng)余氯模擬、水齡計(jì)算、優(yōu)化中途加氯、管網(wǎng)水質(zhì)安全保障技術(shù)實(shí)施的具體過(guò)程。論文主要分為三部分：管網(wǎng)水質(zhì)二次污染研究(第二章)；管網(wǎng)水質(zhì)的數(shù)學(xué)模擬及安全保障技術(shù)研究(第三章～第五章)；管網(wǎng)水質(zhì)模擬軟件研制(第六章)。本論文的研究成果主要包括以下幾個(gè)方面：(1)對(duì)于管網(wǎng)水質(zhì)二次污染的防治，首先要加強(qiáng)凈水處理工藝，確保出廠(chǎng)水水質(zhì)

4、 具有生物及化學(xué)穩(wěn)定性。其次是加快城市供水管網(wǎng)的改造步伐，推廣應(yīng)用新 型管材及加內(nèi)防腐材料。第三是強(qiáng)調(diào)管網(wǎng)沖洗技術(shù)，并逐步使之規(guī)范化、制 度化；第四，優(yōu)化貯水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)方法，加強(qiáng)監(jiān)督和管理，并從技術(shù)及經(jīng) 濟(jì)上對(duì)全面實(shí)行一次供水的供水方式進(jìn)行研究。(2)目前，國(guó)內(nèi)外主要采用一級(jí)反應(yīng)模型和二級(jí)反應(yīng)模型來(lái)描述余氯在輸配水管 網(wǎng)中的衰減過(guò)程。研究表明它們都有各自的局限性，反映不了余氯在管網(wǎng)中 的整個(gè)衰減過(guò)程。在總結(jié)文獻(xiàn)的

5、基礎(chǔ)上，本文提出新的余氯衰減模型-----綜 合衰減模型。算例顯示了綜合模型具有較好的適應(yīng)性、靈活性及實(shí)用性。(3)對(duì)衰減系數(shù)的確定，采用反算思路，即根掘管網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)掘，利用遺傳算法， 按方差最小原理編制程序，進(jìn)行計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)求解。與傳統(tǒng)的人工實(shí)驗(yàn)測(cè)定衰 減系數(shù)法相比，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)獲取法不僅簡(jiǎn)單、方便而且準(zhǔn)確性高、靈活性強(qiáng)。(4)對(duì)改善管網(wǎng)水質(zhì)，提高水質(zhì)安全性的技術(shù)措施——管網(wǎng)中途加氯技術(shù)作了較 為深入的研究：以最大覆蓋水

6、量原則，用0—1整數(shù)規(guī)劃對(duì)管網(wǎng)二次加氯點(diǎn)位 置及投加量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及求解。算例表明，管網(wǎng)中途加氯措施相對(duì)于傳統(tǒng) 投氯方式，水質(zhì)安全性大大提高：在保證最小濃度的前提下，各節(jié)點(diǎn)余氯濃 度減少，在不同時(shí)空下波動(dòng)減小，均勻性提高，產(chǎn)塵的消毒副產(chǎn)物濃度更小， 水質(zhì)致突變性減弱。同時(shí)，還節(jié)約投氯量，獲得可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。(5)把統(tǒng)計(jì)學(xué)中的隨機(jī)分層抽樣技術(shù)成功地引入到管網(wǎng)水質(zhì)安全分析中。文中以 管材、管徑、離出廠(chǎng)水距離為空間分層變

7、量，以高峰用水和非高峰用水為時(shí) 間分層變量，對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行時(shí)空分析。如評(píng)估管網(wǎng)低水質(zhì)區(qū)域時(shí)，得出以 離出廠(chǎng)水距離為空間分層變量且按比例分配的樣本設(shè)計(jì)方法最有效的結(jié)論。(6)在水質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，建立水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)。包括四大塊子系統(tǒng)：水質(zhì)信 息采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸及處理系統(tǒng)；水質(zhì)模擬系統(tǒng);管理決策調(diào)度系統(tǒng)。對(duì) 預(yù)警預(yù)報(bào)的軟硬件組成，水質(zhì)控制參數(shù)及各子系統(tǒng)功能等作了較為詳細(xì)的分 析說(shuō)明。最后，在水質(zhì)預(yù)警預(yù)報(bào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，

8、構(gòu)建管網(wǎng)水質(zhì)安全保障體系 框架。(7)通過(guò)對(duì)市北管網(wǎng)2002年的部分水質(zhì)參數(shù)(余氯、渾濁度、色度、鐵、錳) 的時(shí)空變化規(guī)律分析，得出如下結(jié)論：與出廠(chǎng)水相比，管網(wǎng)水的渾濁度、色 度、鐵、錳濃度都有所上升，余氯濃度則有所下降；在全年中管網(wǎng)水的渾濁 度、色度、鐵、錳濃度在不同時(shí)空中波動(dòng)不大，基本保持在某個(gè)穩(wěn)定值附近； 管網(wǎng)中余氯濃度的時(shí)空變化性較強(qiáng)，溫度升高則余氯衰減速度加快；相對(duì)于 以黃浦江為原水的管網(wǎng)水，以長(zhǎng)江水

9、為原水的管網(wǎng)水渾濁度更低，余氯衰減 速度更緩慢；在一定區(qū)域內(nèi)，余氯濃度高有渾濁度低的趨勢(shì)，但整個(gè)管網(wǎng)范 圍內(nèi)這個(gè)相關(guān)性并不明顯。(8)用歐拉法編制水質(zhì)模擬程序，研制出的宏揚(yáng)水質(zhì)軟件成功的模擬了市北大型 管網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)余氯濃度及節(jié)點(diǎn)水齡，繪制出等水質(zhì)區(qū)域，水質(zhì)模擬結(jié)果可用 圖表形象的顯示出來(lái)。根據(jù)模擬結(jié)果，清晰的反映出管網(wǎng)余氯低濃度區(qū)域以 及水齡較大的區(qū)域，從而為水司調(diào)整運(yùn)行方案，提高供水安全性提供了有力 的科學(xué)決