（市政工程专业论文）城市供水管网水质预警系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 隧着城枣供求水质闯题的罡益突出，人们对城市叁来水安全饮用保障阀题越 加关注。城市供水管网存在由管道检修、管道腐蚀、管道渗入、消毒剐产物和恐 怖袭击等影响供水表质酶润题，鬻时管阙具有分毒复杂、范匿广、地下隐蔽等特 点，供水企业在没有建立有效的监测预警体系时，很难发现事故已经出现以及确 定污染源和危及区域，从而进行有效的处理和修复，j 以致造成重大的影响。针对 管网中永质保障闻题，本文提出应当建立城市供求管霹水质预警系统。 通避需求分析，提出城市供求管网水质预警系统的构架和各予系统功能，认 失系统藏戮管网隶蕨监控系统和警鄹本质管理信惠系统终为基常运行管理基础， 同时配套建设应急处置体系。指出供水企业应该加强在线监测能力和应急检测能 力，完善应对水质突发事件的应急预案。 管网水力水质动态模拟技术是提高供水企业管理和服务水乎的有效技术手 段，同时也是实现供水管网水质预警功能的一个关键基础。在阐述管网水力水质 计算原理的基础上，深入分拆了e 酗n e t 软件包中采矮豹承力水质模拟算法， 认为其辣法先进，计算精度较高且管网建模方法完善。特别是其提供的二次开发 工其e 翔满e tt 0 0 l k 王t ，功麓丰富，篱单易用，能够适餍于多种管阏方嚣鹃诗 算研究工作。利用戴王具进行了实例二次开发，完成了管隧余氯的模拟计算工 作。 根据水质在线监测点既能用于常规监测水质状况，圜时又能保证水质突发事 件发生聪快速监测确定污染事件的目标，提出了基于最大监测用水量的水质监测 点优纯布置算方法。剽震毛i 魏g o 软件对一个较大篱鼹实例进行求解。其结果符合 提出监测范围大、监测重要位置和监测响应时间快的要求。 最盾，以v i s u a lb a s i c 为开发平台，利用数据交互技术开发了管网水质监测 数据管理与预鼙报警系统。系统具有历史监测数据查询、历史数据趋势圈显零、 实时监测数据列表和预警报警功能。历史数据可以进行统计分析操作；预警报警 功麓可以采用声音提示帮信惠提示方式发布警报信息。 关键词；供水管露；承质预警系统；水力水质模拟；e 淞n 嚣t ；监测点优化布 置；水质报警软件 拦 城市供水管网水质预警系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h eq u a l i t yo fu r b a nw a t e rs u p p l yp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l y p r o m i n e n t ，p e o p l ei n c r e a s i n g l yc o n c e r n e da b o u tt h es e c u r i t yi s s u e so fc i t yt a pw a t e r u r b a nw a t e rs u p p l yn e t w o r k se x i s t i n g p i p e l i n em a i n t e n a n c e ，p i p e l i n ec o r r o s i o n ， p i p e l i n ei n n l t r a t i o n ，d i s i n f e c t i o nb y - p r o d u c t sa n dt e r r o r i s ta t t a c k sa f f e c t e dt h eq u a l i t y o fw a t e rs u p p l i e s ，a n do t h e ri s s u e s a tt h es a m et i m e ，n e t w o r k sh a v ef e a t u r e ss u c ha s t h ec o m p l e xo fd i s t r i b u t i o n ，w i d er a n g ea n dh i d d e nu n d e r g r o u n d i ti sd i f ! f i c u l tt of i n d t h ea c c i d e n th a so c c u r r e da n dt oi d e n t i f ys o u r c e so fp o l l u t i o na n de n d a n g e rt h er e g i o n t h e nc a r r yo u te f - f e c t i v et r e a t m e n ta n dr e h a b i l i t a t i o nw h e na b s e n c eo fw a t e rs u p p l y e n t e r p r i s e st oe s t a b l i s ha ne f f e c t i v ee a r l yw a r n i n gm o n i t o r i n gs y s t e m ，r e s u l t i n gi na s i g n i f i c a n ti m p a c t f o rt h ep r o t e c t i o no fw a t e rq u a l i t yi nt h en e t w o r k ，t h i st h e s i sp u t f o r w a r de s t a b l i s he a r l yw a r n i n gs y s t e m so fw a t e rq u a l i t yf o ru r b a nw a t e rs u p p l y n e t w o r k b yf e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，p r o p o s e dt h ef r a m eo fe a r l yw a r n i n gs y s t e m so fw a t e r q u a l i t yf o ru r b a nw a t e rs u p p l yn e t w o r ka n ds u b s y s t e m sf u n c t i o n a lf r a m e w o r k ，t h e s y s t e ms h o u l dt a k en e t w o r kq u a l i t ym o n i t o r i n gs y s t e ma n dn e t w o r kq u a l i t yo f m a n a g e m e n t i n f o 姗a t i o n s y s t e m s a sab a s i sf o r d a y t o - d a yo p e r a t i o n a n d m a n a g e m e n t ，a tt h es a m et i m es u p p o r r t i n gt h eb u i l d i n go fe m e r g e n c ys y s t e m p o i n t e d o u tt h a te n t e r p r i s e ss h o u l ds t r e n g t h e nt h es u p p l yc a p a c i t yo fo n - l i n em o n i t o r i n ga n d e m e r g e n c yd e t e c t i o nc a p a b i l i t i e st oi n l p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec o n t i n g e n c yp l a n sf 0 r e m e r g e n c l e s t h eh y d r a u l i c sa n dw a t e rq u a l i t yd y n a m i cs i m u l a t et e c h n o l o g yo fw a t e rp i p e n e t w o r ki sa ne f 佗c t i v et e c h n i c a lm e a n st oi m p r o v ew a t e rm a n a g e m e n ta n ds e r 、r i c e l e v e l i ti sa l s oak e yb a s i st oa c h i e v et h ew a t e rs u p p l yn e t w o r k s e a r l yw a r n i n g f u n c t i o n i nt h eb a s i so fe x o a t i a t eo nt h ep r i n c i p l eo ft h ep i p en e t w o r k sh y d r a u l i c s a n dw a t e r q u a l i t y d e p t ha n a l y s i s t h eh y d r a u l i c sa n dw a t e r q u a l i t ys i m u l a t e t e c h n o l o g y i ne p a n e ts o f t w a r e ，c o n s i d e rt h ea r i t h m e t i ci sa d v a n c e d ， h i g h c o m p u t a t i o n a la c c u r a c ya n dp e r f e c tn e t w o r km o d e l i n g ， i np a r t i c u l a ri t ss e c o n d d e v e l o p m e n tt o o l sp r o v i d e db yt h ee p a n e tt o o l k i t ，i ti sf e a t u r e - r i c h ，e a s yt ou s e a n dc a nb ea p p l i e dt oav a r i e t yo fn e t w o r kc o m p u t i n gr e s e a r c h u s i n ge p a n e t t o o l k e x a m p l eo fas e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt os o l v es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nw o r ko f n e t w o r k sr e s i d u a lc h l o r i n e m 硕士学位论文 a c c o r d i n gt oo n l i n ew a t e rq u 拽l i t ym o n i t o r i n gs i t e 8n o t 洲d yf o rt h ec o n v e n t i o n a l 瓣。越砉嚣 羹薹es i 毫毪羲主i o n fw 勰fs 毽p p l i e s 祭舔i 耄矜豪醢| 蠡s q 鼹s 麓辩霸蕊i 专髓i 鲳嫩e i n c i d e 嫩辨i c 戳y 娅ds 瞧攮嚣妒羹o fp o | l 饿i o 珏妣i 纛e 嫩s 艘e rw 氇戋e 警祥蘸姆彗醚d e 廷 a j f 稳i 氛p p o s e 琏t h e 瓣o n i 协r 穗g 拣o d eo p l i 嫩a ll 掣。哦越g o r i 壤难t 巍馥耄豁e 莲。鼗德e | 毅黔蛙擞。鑫i 姆 w 鑫耄霉e o 蕤s u 擞癸i o 羝u s 罄趣g qs o 袅w 斛e 专。鑫l 射g 霉辩t w o 嫩内f e x 娃投p l e t h er e s u l t 8f o r t h ep r o p o s e do fl 糕o n i t o r i n gl a r g es c o p e ，娌l o 覃l i t o r i l l g 氧飘p o 娃嚣致lp o s i t i o 热鑫n dl 箍e 纛i t o r i 羹gr e s 爹。藏s e 趣s l 。 f i n a l l y ，o n s u a lb a s i c a st h ed e v e l o p m e n tp l a t | o r m ，u s ei n t e r a c t i v ed 戡t a t e c 纛娃o l o g y蠢。v e l o p e d 碰e rq a l 秘i yl n o n i l o f i 稔g 蠢永鑫 a 鼓蘸 e 鑫r l yw a l 懿 魅g 鑫l a 翱匮 瓣a n a 鬈e 擞e 嫩s o 魅w a r e 。s o 爨w a 端h 魏s 贰毽辩s u c ha sh i s 耋o r i c 甜d a t 巍如f 黻o n i t o r i 趣g ， h i s t o r i c a ld a t at r e n d ss h o w ，r e 甜w t i m 尊d a t am o n i t o r i 娃ga 聃蘸e a r i yw a 狲i n ga l a 滩 受贰毽建l i 翥鼍。至董i s 埝萎鑫l 建雏嚣董蠹s 攮鲑疆e 畦嚣纛鑫l 羚转鲫霉臻e ，霉嚣l y 骝瓤藏i 建喜墓l 囊激 魅挂f ee 懿b e 毽s e d 毯n d e re e 痰a i 牲采皴黻m e 茹数鑫采s 撒t 谗s 疑矗i 髓如f 撒凇i o 鑫v o i e e p 硒擞p t s 黼强i 黥gi 珏& f 狳瓤i o 爨瞎l e 鑫慕e 凳r 瓣， k 紫yw o r d s ：w 矗t e rs u p p l y 藏e t w o 成； e 拽r l yw 麓r n i n gs y s 专嚣m s o ：fw a t e rq u a l i t y ； 辩y 出我l i e s 张莲w 馥毫e f 鼋u a l i 绺s i 嚣搬l 敷i 鞠；翻臻n 嚣善； c 冷i 礅i z 嬖d l o c a t i n go fm o n i t o r i n gs t a t i o n s ； s o f t w a r eo fw a t e rq u a i i t y 魏l a r m 城市供水管网水质预警系统的研究 插图索引 图2 1 城市供水管网预警系统构架一8 图2 2 管网水质管理信息系统的结构9 图3 1 拉格朗日时间驱动法离散体积元变化图2 9 图3 2e p a n e t 2 0 中文版运行界面3 0 图3 3e p a n e t 来源水质编辑器3 3 图3 4 示例供水管网图3 7 图3 5 管网节点余氯浓度分布图一4 0 图3 6 最不利节点9 的1 2 0 小时余氯计算值变化规律4 1 图4 1n e t l n e t 管网模型图4 5 图4 2 用水量时变化曲线图4 6 图4 3 水塔水位标高变化规律图4 6 图4 4 节点2 l 污染物浓度变化曲线一4 7 图4 5 节点2 3 污染物浓度变化曲线4 6 图4 6 有效污染监测矩阵计算程序5 2 图4 7n e t l 管网监测点布置图5 7 图4 8n e t 3 n e t 管网算例模型图6 1 图4 9 监测时间限值1 h ，l n = 1 布置图6 2 图4 1 0 监测时间限值1 h ，l n = 2 布置图6 2 图4 1 l 监测时间限值1 h ，l n = 3 布置图6 2 图4 1 2 监测时间限值1 h ，l n = 4 布置图6 2 图4 1 3 监测时间限值1 h ，l n = 5 布置图6 3 图4 1 4 监测时间限值1 h ，l n = 8 布置图6 3 图4 1 5 监测时间限值为3 h ，l n = 5 布置图6 4 图5 1o d b c 体系结构6 6 图5 2n e t d d e 通信机制一6 7 图5 3o p c 接口集成6 7 图5 4 管网水质监测数据管理与预警报警系统原理图7 0 图5 5 模拟在线监控系统实时数据d d e 服务7 3 图5 6 管网水质监测数据管理与预警报警系统的功能结构图7 4 图5 7o d b c 登录7 4 图5 8d d e 会话设置7 4 v 硕士学位论文 图5 9 监测指标限值设置7 5 豳5 。1 0 预警报警方法设置。7 5 图5 n 历史监测数据查询功能7 6 图5 1 2 历史数据趋势鹜形。7 6 图5 1 3 实时监测数据列表。7 7 图5 ，1 4 预警报警系统7 8 v h i 城市供水管网水质预警系统的研究 附表索引 表3 1 管材海曾威廉系数c 值2 0 表3 2e p a n e tc 语言源代码文件3 4 表3 3e p a n e t 的头文件3 5 表3 4 管网节点属性数据3 7 表3 5 管网管段属性数据3 7 表3 6 节点用水量变化系数一3 8 表4 1 管网节点属性数据4 5 表4 2 污染物注入节点1 0 时各节点污染浓度变化情况4 7 表4 3 污染物注入节点l1 时各节点污染浓度变化情况4 8 表4 4 污染物注入节点1 2 时各节点污染浓度变化情况4 8 表4 5 污染物注入节点1 3 时各节点污染浓度变化情况4 8 表4 6 污染物注入节点2 1 时各节点污染浓度变化情况4 9 表4 7 污染物注入节点2 2 时各节点污染浓度变化情况4 9 表4 8 污染物注入节点2 3 时各节点污染浓度变化情况4 9 表4 9 污染物注入节点3 1 时各节点污染浓度变化情况5 0 表4 1 0 污染物注入节点3 2 时各节点污染浓度变化情况5 0 表4 1 1 污染源为节点l o 各节点有效监测情况5 1 表4 1 2 有效监测矩阵5 2 表4 1 3 监测时间为l 小时时布置情况6 2 表4 1 4 监测时间为3 小时时布置情况6 3 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声甓：所呈燮的论文是本a 在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以檬注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果彳乍品。对本文的研究做出重要贡 献的个久鬻集俸，均已在文中以明确方式标明。本太完全意识到本声鹱嚣 法律薏累由本人承担鞋 律者签名；烈吏 嚣裴：纠年f 脾嚣 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者完全了解学校有关保留、使鞠学整论文熬规定，阕意 学校保留并内国家有关部门或机构送交论文的复秘件署爨电子版，允许论文 被查阅和借阕。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数攥露进行检索，可鞋暴焉影印、缩印或扫接等复裁手段保存和汇 编本学位论文。 。 本学位论文属于 熏、镰密西，在年麓密嚣适雳本授投等。 2 、不保密趔。 ( 请在以上褶应方糕内打“ ) 褡者签名： 导师签名： 裂更 伽兹 基期：妒矿年胃芑霾 日期：埘年，月砂日 硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 饮用水安全直接关系广大人民群众身体健康和生命安全，关系正常的生产生 活秩序。近几年，我国城市供水水源、净水厂、供水管网的建设和改造取得了较 大的进展，污染源治理和饮用水监督管理力度不断加大。但是饮用水不安全问题 仍然存在，一些城市水源地水质不合格、水源地污染和水量不足问题比较突出， 有的供水管网建设落后，导致二次污染，有的水质监测和检测能力不足，应急供 水能力较低。如发生于2 0 0 3 年1 0 月1 日震惊全国的汝阳特大投毒案，导致汝阳 全县停水，最后不得不采取破坏性放水清除供水管网中的污染物质；2 0 0 4 年2 月重庆沙坪坝上万名居民因为饮用不洁自来水中毒；2 0 0 5 年1 1 月吉林石化公司 爆炸，导致松花江哈尔滨区段水体受到上游来水的污染，哈尔滨市全城停水4 天，造成重大的经济损失和恶劣的社会影响；2 0 0 7 年5 月底太湖蓝藻爆发，造 成无锡市自来水水质突然发生变化，水中伴有难闻的气味，无法正常饮用。 因此饮用水安全保障技术受到国家政府、科研单位和社会各界的关注。2 0 0 6 年国家发展改革委、水利部、建设部、卫生部、国家环保总局联合编制了全国 城市饮用水安全保障规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 。规划按照统筹规划、综合治理，突出 重点、分步实施、创新机制、强化监管的原则，提出了城市饮用水安全保障的几 项具体任务： ( 1 ) 加强水源地保护和水污染防治。科学规划水源保护区，建设水源地隔 离防护设施，实施污染源综合治理和生态修复工程，保障水质安全； ( 2 ) 在节约用水的前提下，合理调配水源。科学改造和扩建现有水源地， 科学规划新建水源工程，提高供水能力； ( 3 ) 加快城市供水设施改造和建设，改进净水工艺，改造供水管网设施， 统筹安排新增供水工程； ( 4 ) 建立健全从水源地到供水末端全过程的饮用水安全监测体系，制定和 完善应急供水预案； ( 5 ) 加大投入力度，理顺价格机制，完善饮用水安全法律法规和评价标准 体系。 有统计资料n 1 显示在美国1 9 7 6 1 9 9 4 年里一共发生了4 1 4 次城市供水水质事 故，其中由水源和水厂运行问题造成的事故为3 9 7 次，危及4 2 万余人，7 次事 故发生在供水管网中，引起近8 万人致病。目前国内对水源水质预警系统的研究 城市供水管网水质预警系统的研究 成采相当丰富，全国各地都陆续建成并得到很好应用。通过对比数据，我们可| 以 发现，城市供水管网中水质污染事故发生概率虽然较小，僵平均每次受害人数高 达万人。这是由于城市供水管鼹具有分布复杂、范圈广、地下隐蔽等特点，一旦 发生水质污染事故( 如管道腐蚀、低压区渗入、恐怖袭击和消毒副产物影响 等) ，在没有建立有效的监测预警手段时，很难发现事故已经出现以及确定污染 源和危及区域，从而进行有效的处理和修复，以致造成重大的影响。 2 0 0 6 年发布的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 对供水水质提出了 更高的要求，水质指标从原来的3 5 项增加至1 0 6 项，增加了7 l 项，并修订了其 中8 项。因此无论是从提高供水水质，还是应对突发事件，供水企业建立一套完 善由水质在线监测系统、管网水力水质动态模拟、水质数据管理信息系统，以及 应急协调处置体系构成的管网水质预警系统，势必有利于傺证当地的社会稳定、 经济发展，从磊产生巨大的社会效益和经济效益。 1 2 国内外研究现状 我国从上世纪9 0 年代中期开始对环境污染预警系统进行研究；李俊红妇1 尝 试建立起环境预警指标体系；魏文达、董志颖一1 等对水质预警理论和江河水质 预警系统建设模式进行了探讨；冉圣宏晦1 等人提出了多中心多指标的区域水环境 污染预警系统，并进行了系统的阐述。 近年来随着水源污染事件频频发生，国内科研工作着加强了对供水水源预警 系统的研究。 2 0 0 5 年张锡辉、郑振华貉3 介绍了水源水质在线预警系统的建设，包括水源 水质变化规律、预警参数的选择、在线仪器的选择和系统集成，以及运行中需要 注意的阗题等。2 0 0 6 年周密、王秋等 3 研制并实施了长江张家港市饮溺水源地 监测保障系统，将水源地水质自动遥测预警系统、移动应急监测系统、实验室固 定监测系统和突发事件应急对策预案4 个子系统有机结合，解决了国内水质监测 工作中的数据准确性、连续性和实时性不能兼顾的难题。2 0 0 6 年刘丽君，黄晓 东阳1 认为，只有通过快速、科学、准确的监测手段及时发现水污染事件并启动相 应的应急措施，才能最大限度地减少对人民生命财产的损失。建立和完善饮用水 源的水质预警监测系统，是保障预警机制的有效运作的基础。2 0 0 7 年马放，邱 珊转3 认为我国爵前正进入环境污染事故的高发期，重大水污染事故均不同程度影 响到了人民群众的饮用水安全。饮水水源地安全问题已引起党和国家的高度重 视，应急和预警作为应对饮用水突发事放的必要手段和有力保障在嚣前形势下越 发显褥必需与重要。 虽前对城市管网供水水质预警系统的研究较少。但是随着经济水平的发展， 为了提高供水水质，保障饮用水安全，国内供水企业都加大对供水管网水质在线 硕士学位论文 监测的力度，杭州、成都、西安、温州市陆续建立水质在线监测点。近年来上海 中心城区管网安装了近7 0 套实时在线浊度和余氯水质仪表，将实时数据传送到 公司，为提高管网水质、管网改造、水厂加氯提供科学依据。到2 0 1 0 年，上海 中心城区管网实时监测浊度和余氯点将与管网压力点数量相同，为管网水动态管 理提供科学依据，使管网水质和水质管理上一个新台阶n 们。美国自从遭受9 1 1 恐怖袭击后，认为城市供水存在很大安全隐患，将是恐怖袭击的重点对象，所以 也增加城市中管网水质在线监测点的数量。 在这样的形势下，管网水质在线监测点优化布置的研究成果相当丰富，国内 外学者陆续提出新的观点和方法。 l e ea n dd e i n i n g e r 最早在1 9 9 2 年提出了静态水力计算情况下基于覆盖水 量d c ( d e m a n dc o v e r a g e ) 的监测点优化布置方法，d c 指的是监测点能够监测 到的管网水量。预先给定一覆盖标准c c ( c o v e r a g ec r i t e r i a ) ，若下游节点歹的 水量有大于等于c c 的比例来自上游节点f 时，则认为节点f 能够被节点j 覆 盖，即通过监测节点，的水质不仅能够监测自身的水质状况，还能够反映节点f 的水质状况。其前提假设是管网水质参数从水源点沿水流路径和流经时间不断下 降，即“上游节点的水质必优于“下游”节点的水质。因此，“下游 节点的 水质必然在一定程度上反映了“上游节点的水质状况。通过构建水质比例矩阵 ( w a t e rf r a c t i o nm a t r i x ) 形= ( w 。) 。( 刀为管网节点数) 可以建立起任意两两节 点间的水质联系。也就是说，在一个节点设置监测点时，这个节点的水质状况不 仅反映了该节点本身，也在一定程度( 通过水质比例矩阵来衡量) 上反映了与其 有水流路径的其它部分节点的水质状况。通过水质比例矩阵w 可以计算覆盖矩 阵c = ( c ) ：当c c 时，勺= 1 ，认为在给定c c 下，节点j f 能够反映节点f 的水质状况；否则，c 。，= o 。得到覆盖矩阵c 后，l e e 锄dd e i n i n g e r 将优化布置 问题归结为整数线性规划模型，求解覆盖水量的最大值的布置方法。后续许多研 究者都是基于他们的研究成果，在水质比例矩阵和优化目标函数方面进一步的深 化模型。 针对水质比例矩阵方面的改进。1 9 9 7 年，k u m a r 等n 2 1 通过拓扑排序，将管 网节点重新编号，使得水流只能从编号小的节点流向编号大的节点，从而将水质 比例矩阵转化为一下三角阵，应用贪婪启发式方法求解最优的监测点位置。1 9 9 6 年，张怀宇、赵洪宾等n 3 1 将两两节点间的水质比例关系看成一对二元的模糊关 系，则水质比例矩阵为模糊矩阵，通过求含有紧邻节点间水质比例系数的模糊矩 阵的刀阶传递闭包，最终求得水质比例矩阵。2 0 0 2 年，李斌n 们用有向图十字链 表链式存储结构存储管网稳态流下的拓扑结构，并利用递归方法求解水质比例矩 阵。2 0 0 3 年，许仕荣等n 5 1 提出利用管网图形的拓扑矩阵，在水力模拟的基础 上，通过求出节点水龄，将水质比例矩阵转化为节点水龄监测度矩阵，提出一种 城市供水管网水质预警系统的研究 基于节点水龄的监测点优化布置方法。该方法认为，如果节点f 水龄值与节点， 的水龄筐相差不大，则认为节点f 的水质与节点，的水质相同或者相似，也即认 为节点歹能监测节点f ，在某一给定的监测标准c c 下，具有最大覆盖水量的节 点将成为监测点。 针对优化目标函数的改进，1 9 9 9 年，h a f m a n tp 等n 印提出了同时考虑停留时 间、管径和覆盖水量三个因素的方法。2 0 0 6 年，张土乔、黄亚东等n 7 1 将目标函 数转化成监测风险度概念，并用微粒子群算法对模型进行求解。 上述方法都是针对常规监测目的用来了解管网中的水质状况，随后很多学者 认为监测点应对水质突发事件起到监测作用，并作了大量研究工作。 1 9 9 8 年，k e s s l e ra n do s t f e l 扩羽最早对突发性外部污染情况下监测点的优化 布置闯题进行了研究，提出了“q - 污染体积服务水平静的概念，指的是外部污染 发生传播至监测点时整个管穰对外己经供出的污染水体的体积。如1 0 0 0 m 3 服务 水平，意味着监测系统能够在l o o o m 3 污染水体被用户消耗前监测到外部污染。 该法计算步骤如下： ( 1 ) 根据管网水力计算结果建立辅助管网图； ( 2 ) 根据辅助管网图求出最短水流路径； ( 3 ) 根据确定的“q 污染体积服务水平构建有污染矩阵： ( 4 ) 确定最小覆盖集，在覆盖集解有多个时，根据最大重合度确定最优 解。 1 9 9 9 年，k u m a r 等疆钓提出用“t 小时服务水平”来替代“q 污染体积服务水 平。“毫小嚣雪服务水平 指的是管网任何一个节点发生外部污染时，至少有一个 监测点能够在t 小时内监测到污染物并且发布预警信息。该方法计算步骤与 k e s s l e r 等的方法类似，但省去了根据平均流经时闻信息计算污染水体体积的过 程，并且可以利用发布预警信息的时间确定可能的污染源节点位置。 2 0 0 5 年j o n a t h 距wb e r r y 等脾们提出以遭受污染袭击的人数最少为目标的水 质监测点优化布置整数规划模型。通过水力模拟的结果得到模拟周期内三个互 不重叠的时间段内的管段水流方向，每个时间段称为模式l ，在当前模式l 下， 节点f 被注入污染物时，节点，的服务处于遭受污染袭击风险之中当且仅当节点 i 与节点，之闻存在一条没有设置监测点的水流路径。2 0 0 4 年w a t s o n 等轻玎综合 考虑了包括遭受污染袭击的人数，监测时闻，消耗的污染水体体积，未能监测到 的污染事件比例，以及管网污染范鼹( 以被污染的管段长度来衡量) 等不同优化 旦标蘧数的选址闻题。2 0 0 6 年，方海恩，墨谍等强2 1 基子静态管鼹水力计算条件 下，计算节点间的污染传播时间，褥到时间矩阵，然后用整数规划方法，以监测 污染物所需要的总体时间最短来选择监测站点。 以上介绍的监测点优化布置方法，都是基于管网水力静态条件下，计算分析 硕士学位论文 管道中污染物质的传播时间，同时也没有考虑污染物质在水中随着节点用水消 耗、混合以及衰减造成对浓度的影响。 2 0 0 4 年，o s t f e l d 等乜3 1 对他们早期的工作进行了扩展，考虑了污染物在管网 中的衰减与稀释过程，同时考虑了监测设备监测污染物浓度的能力，通过构建随 机污染矩阵，利用遗传算法求得具有最大列覆盖的监测点布置位置。2 0 0 6 年， j o n a t h a nwb e r r y 等乜4 3 将管网水质监测点选址问题归结为p m e d i a n 设施选址问 题，并利用以随机自适应过程为核心思想的混合启发式算法求解该问题。p m e d i a n 问题是指在m 个可能的位置中找出p 个设施位置，使每一个用户需求点 a 和其最近的设施，之间的距离之和最小。这里，监测点对应设施，污染袭击对 应用户需求点，污染袭击产生的健康影响对应距离。2 0 0 5 年j a m e sr c h a s t a i n 乜朝 在污染动态模拟的基础上提出了监测管网污染物的启发式选址方法。2 0 0 6 年， p r o p a t o 心6 1 提出了混合整数线性规划模型，该模型可应用于动态水力水质模拟条 件，并且只需通过修改费用函数系数就可适用于不同的优化布置目标。2 0 0 6 年，g r a y m a n 等乜刀将监测点的布置问题描述为红队与蓝队的游戏问题，红队代 表袭击方，而蓝队代表防御方。在这个游戏中，红队往管网中注入特定性质的污 染物，蓝队则通过在管网中安装一定数量的水质监测点来监测污染物，进而达到 保护管网的目的。2 0 0 7 年，张土乔、黄亚东乜副提出了突发或者蓄意污染情况下 供水管网水质监测点优化选址的最大覆盖选址模型，该方法结合了“q 污染体积 服务水平概念与水质动态模拟方法构建，并用基本粒子群优化算法与遗传算法 交叉、变异算子相结合的整数编码的混合粒子群优化算法来求解该选址模型。 2 0 0 6 年郭娇、刘遂庆等乜们分析比较了多种监测点优化布置算法后，认为在 数学表达方面，每种方法仅是针对常规监测或水质突发事件中的一种进行布置， 目前还没有一种方法能够把常规监测和水质突发事件监测结合起来考虑进行优化 布置；在数学问题求解方面，大部分求解过程较为复杂，并且计算量随着管网维 数和监测点个数的增加而迅速增加，在实际工程应用中还存在一定问题。 1 3 本文研究内容 目前对城市供水预警系统的研究主要集中在水源水质预警系统上，而对管网 中水质预警系统研究较少。为了提高管网中供水水质和应对管网中水质突发事 件，供水企业掀起了建立管网水质在线监测系统的高潮。本文建立以管网水质在 线监测系统为基础的城市供水管网水质预警系统作为研究目标。具体内容如下： ( 1 ) 研究城市供水管网水质预警系统的构架模式，分析预警系统应具备的 功能，以及供水企业应当采用的技术手段和管理措施。 ( 2 ) 研究管网水力水质模型及动态模拟技术，用e p a n e t 二次开发方法来 实现管网水力水质动态模拟。 城市供水管网水质预警系统的研究 ( 3 ) 在研究分析水质在线监测点的作用与目的，以及总结前入方法的基础 上，确定合理的嚣标丞数和约束条件，提出郎适用于常规水质监测又适用于永质 突发事件监测的水质监测点优化布置方法。 ( 4 ) 研究水质监测数据获取技术，开发管圈水质监测数据管理与预警报警 系统，提高供水企业的水质在线监测数据的利用水平，为建立整合水质在线监测 系统、水力水质模拟系统与g i s 系统等模块的管网水质篱理信息系统打下基 础。 硕士学位论文 第2 章供水管网水质预警系统的功能分析 2 1 概述 城市供水管网预警系统的建立是为了保障饮用水安全，提高供水企业的服务 水平。造成城市饮用水安全问题的水质污染事故主要有两种情况：一是管网水质 恶化事故，由供水系统自身问题引起，如管道低压渗入、余氯不足、管网检修、 管道腐蚀和二次供水污染等原因造成；二是管网水质突发事故，如蓄意破坏、恐 怖袭击和意外泄漏等突发事件出现，管网中被注入某种有毒有害物质。针对这些 问题有效的解决办法就是实时在线监测水质，可以说城市供水管网水质预警系统 是通过在城市管网中布置在线监测点，分析、判断和显示监测结果，并且利用其 制定应急措施来保护公众健康，使危害和影响程度降低到最小的综合系统。 理想的预警系统应该具有以下特征们： ( 1 ) 具备快速响应能力； ( 2 ) 监测出较多种类的污染物质； ( 3 ) 自动化程度高，能进行远程操作和校正； ( 4 ) 建设和维护成本低； ( 5 ) 系统操作和管理方便； ( 6 ) 确定水质事故的污染源，并且能够精确预测在发现点下游的污染范围 和浓度； ( 7 ) 具有高灵敏度和低误差率； ( 8 ) 系统能够稳健持续运行。 事实上完全具备以上特征的管网水质预警系统在国内外都尚未建成，主要是 受技术发展水平和经济成本的限制。据国内有关文献报道，许多供水企业已建成 供水管网水质在线实时监测系统口h3 羽，大多数仅处于监测数据的管理和进行简单 的分析，没有与之配套的模拟预测分析、事故确认和事故决策方法。美国自从 9 1 1 事件以后，供水安全受到重视，如美国环保局提出“水哨兵 ( w a t e r s e n t i n e l ) ”计划，目前正在设计和部署污染预警系统( c w s ) ，以期在试 点成功后，在全国各个水厂进行推广。该系统通过布置和使用监测技术，加强监 视工作，收集、整合、分析和传达信息，及时提供潜在的水质污染事件的预警， 并采取相应措施以减少对公众健康和财产的影响。 城市供水管网水质预警系统的研究 2 2 供水管网水质预警系统的构架 2 。2 。l 系统组成 赉子水质污染事故的多样性，事故发生时闻和地点的不确定性，以及受限于 技术和成本等原因，理想管网本质预警系统的产生还需要进一步研究开发。必须 合理分析利用现有的技术设各，结合政府相关部f 1 和社会各界力量，逐步建立和 完善城市供水管网水质预警系统。 笔者提出城市供水预警系统的如图2 1 所示的构架，由水质监控系统、管网 水质管理信息系统、实验室鉴定和事故处理四部分组成，其中前两部分为日常的 运行管理，后两部分为危机出现的应急处置体系。 2 2 2 功能分析 罄2 。l 城市供水管网预警系统构架 2 2 2 1 水质监控系统 水质监控系统由在线监测点实时监测、管阏水质常规检测和卫生部门及用户 反馈3 个方面组成。其中以城市管网中布置的在线监测点实时监测管网的各项水 质指标为主要手段，实时系统具有反应速度快的特性，污染事故的发现爨尊闯在分 时间以内，是预警系统功能实现的基础。管网常规的日、周、月检测，因为需要 实验室人工鉴定，无法及时发现问题，但可作为辅助手段，以全面了解管网水质 硕士学位论文 状况。当地的卫生部门的反馈信息和自来水用户的投诉也成为监控系统中的有效 补充部分。 2 2 2 2 管网水质管理信息系统 管网水质管理信息系统应该是一个综合管理的软件平台，其理想结构功能如 图2 2 所示，包括地理信息子系统、水质监测管理子系统、模拟分析子系统、报 警管理子系统、事故处理专家子系统和信息输出子系统六个组成部分。系统整合 地理信息系统( g i s ) 、数据库技术、s c a d a 系统数据、管网水力水质模型、预 警预报功能和专家系统，能够服务于供水企业的日常供水管网管理和运行分析工 作，一旦出现水质突发事件系统能够显示报警，并为管理者提供指导帮助和决策 信息。 管网水质管理信息系统 信息子系统lu i 盏测数据管理子系统ll 模拟分析子系统l l 预警报警子系统li 事故处理专家子系统ll 信息输出子系统 管i 网i | 监 及i | 测 附i | 点 属| l 地 设| l 理 旅| | 数 数il 据 据| | 历 史 数 据 管 理 实 时 敦 据 管 理 驯橐 划覆 拟i i 拟 实 时 监 控 报 警 蓁蓁蓁ii蠢il蓁 图2 2 管网水质管理信息系统的结构 g i s 的图形处理功能，能够将城市管网和监测点信息图文并茂、准确、快速 的显示在屏幕中，能够清楚直观地了解目前管网系统的状况，并可根据需要定制 输出各种专题图引。数据库技术的运用，使得存储并管理管网数据和年复一年 积累的海量监测数据十分便捷安全。 管网的水力水质模拟是预警系统的关键基础，利用模拟分析可全面了解管网 运行状况。例如通过对管网水中余氯模拟，模拟出管网各个节点的余氯浓度，分 析是否出厂水加氯量过高( 或过低) ，是否需要在管网中进行二次加氯，是否部 分管段老化造成余氯消耗过大。最为重要的是当水质突发事故出现后，可以根据 输入污染物质被监测到的位置、类型和浓度等信息，模拟污染物质流向和浓度分 布，那么就可以向下游的用户发出预警，同时为修复挽救工作提供必要的信息。 s c a d a 系统采集到监测点数据通过标准数据交互接口技术，共享给管网水 质管理信息系统。实时监测数据图形化地显示在系统界面上，便于观察和监控。 数据又可用于管网水力水质模型的校核，使模型更加精确。预警报警子系统根据 设置的预警报警方法对管网水质监测点的实时数据进行监控。预警报警方法是指 城市供水管网水质预警系统的研究 预警报警系统发布警报的依据，目前常用方法有：1 ) 超限预警，实时指标值超 过设定的