（模式识别与智能系统专业论文）供水管网水质模拟及污染源定位研究.pdf

c i a s s f i e dl n d e x ：工堕鱼鱼! ：圣 u d _ c ： d i s s e r t a t i o nf b rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e er - n g r e s e a r c hf o r w a t e r q u a l i t y s i m u l a t i o na n d co n t a m i n a t i o n s o u r c ed e t e r m i n a t i o n i n 给l t e r s u p p l yn e t w o r k s c a n d i d a t e ：w 抽gm e n g l i n s u p e “i s o r ：l v m o u a c a d e m i cd e g r e ea p p i i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 坶： m u n i c i p a le n g i n e e r i n g a f n i i a t i o n s c h o o lo fm u l l i a n de n v e n g d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： j u n e 2 01o u n i v e r s 埘： q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu n i v e r s i t y 硕士学位论文 供水管网水质模拟及污染源定位研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 噩一箍 目录 摘要i a b s 臼? a c t i i 第1 章绪论1 1 1 本项研究的意义1 1 2 问题的提出2 1 - 3 国内外研究现状3 1 4 本课题的主要研究内容6 1 5 本课题的创新点6 第2 章供水管网水质正演模型及应用一7 2 1 管网动态水质模型7 2 2 管网动态水质模型的求解方法9 2 2 1 欧拉有限差分法9 2 2 2 欧拉离散体积元法9 2 2 3 拉格朗日时间驱动法1 0 2 2 4 拉格朗日事件驱动法13 2 2 5 欧拉法与拉格朗日法的比较1 3 2 3 统计模型1 4 2 4 管网水质正演模型在预测管网余氯浓度上的应用1 4 2 4 1 余氯衰减模型1 4 2 4 2 余氯衰减系数凰值的确定1 7 2 4 3 余氯系数衰减凰值的确定1 8 第3 章供水管网水质反演模型2 1 3 1i o 模型2 1 3 2 模拟一优化污染源反追踪模型2 3 3 3 人工智能模型2 7 第4 章供水管网突发污染模拟试验2 9 4 1 试验装置和方法2 9 4 1 1 供水管网模拟系统试验平台分析2 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 4 1 2 水质监测点的选择3 1 4 2 污染物的选择及污染物特性3 2 4 2 1 污染物的选择3 2 4 2 2 所确定污染物特性3 3 4 3 试验数据采集与监测结果分析3 5 4 3 1 实验数据采集方法3 5 4 3 2 试验结果分析3 5 第5 章模拟一优化模型定位供水管网突发污染源4 l 5 1 利用模拟值定位污染源4 1 5 1 1 单一污染源定位分析4 1 5 1 2 多污染源定位分析4 3 5 2 基于真实值的污染源定位研究4 4 5 3 模型影响因素与参数的设定4 6 5 3 1 优化步长4 6 5 3 2 迭代次数4 6 5 3 3 优化时间段4 7 5 3 4 管网拓扑结构的表达4 8 5 3 4 1 管网拓扑结构简化前后模拟结果比较4 8 5 3 4 2 管网拓扑结构对污染物扩散模式及模拟结果的影响5 0 5 - 3 5 其它51 5 4 结：沦5 2 第6 章基于b p 神经网络的供水管网单污染源定位5 3 6 1 人工神经网络模型5 3 6 2b p 人工神经网络5 4 6 2 1b p 人工神经网络理论模型5 4 6 2 2b p 人工神经网络的设计5 6 6 3b p 神经网络在供水管网单污染源定位上的应用5 7 6 3 1 数据的获取与分割5 7 6 3 2 输入的选择5 8 6 3 3 数据预处理6 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 6 3 4 模型运行结果及结论分析6 5 第7 章总结与展望6 7 7 1 总结6 7 7 2 展望6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作7 7 致 射7 8 i 厂一 青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 为追踪管网内水质动态变化，并在供水管网突发污染发生时，快速准确定位污染源 以辅助制定合理应对策略，保障供水安全，本研究以小规模供水管网模拟系统为实验平 台，采用欧拉法、拉格朗日法模拟管网余氯质量浓度随时间、空间位置的变化，并通过 实测数据反演余氯衰减系数；在正演分析的基础上，选择余氯浓度为污染物浓度指标， 向系统出水端多点投加高浓度次氯酸钠溶液模拟城市供水管网突发污染事件，实验中测 取多组管网平台监测点污染物浓度时变数据，在保证可靠准确性的基础上将监测数据作 为反追踪模拟信息源，通过改进的基于拉格朗日算法的“模拟一优化反追踪数学模型 定位污染源，并据此分析了管网拓扑结构、优化时段、水力工况等因素对模型精度和效 率的影响；通过对污染模拟事件4 0 组监测数据( 2 8 组训练样本，1 0 组检验样本) 的分 析整理，确定b p 人工神经网络的输入和输出，通过模拟结果和理论分析总结该方法的 优势和制约因素。 在合理设置模型影响因素条件下，模拟一优化反追踪模型在本研究中的模拟结果准 确率达9 3 3 ；b p 人工神经网络准确率达1 0 0 。两种算法在不同方面各有优势，但就 目前的研究而言，模拟优化反追踪模型表现了更高的鲁棒性和较广泛的适用性。 关键词：供水系统；管网水质模拟；突发污染；模拟优化反追踪模型；b p 人工神经网 络 青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s tr a c t t h c l ( i n gm ed y n 锄i c 血a t i o no fw a t e rq u a l i t ya n di d e l l t i f y i i l gc o n t a m i i l a t i o ns o u i ei i l d i s t r i b m i o ns y s t e m sp l a yas i 盟i f i c a n tr o l ei nd r a w i l l gu pr e a s o n a b l es t r a t e 百e sa n de i l 嘶n g t l l es e 训t yo f p o t a b l ew a t 既i n 也es t u d y ，e u l 甜a na n dl 卿西a n m e t l l o dw a s a p p l i e dt 0m e s i m u l 撕o no fs p a t i o t 锄p o r a lv a r i a t i o no fr e s i d u a lc h l o 血ei na l a b o r a t o r ys m a l l s c a l e dw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m b a l s e do ne x p e r i m e n t a ls t u d y ，d e c a yc o n s t a n to fr e s i d u a lc h l o r i n ew a s d e t e m i n e d s o d i u mh y p o 出耐t es o l u t i o nw a u si n 仃o d u c e d 舶md i f f 溉ti n 觚s i o np o i n t st o l es y s t e mf o rs i m u l a t i n gt h ea c c i d 即t a lc o n t 锄i n a t i o ni 1 1 也em u n i c i p a lw a t e rs y s t e m ，i n w h i c ht l l ec o n c e n 仃a t i o no fr e s i d u a lc h l o r i n ei n d i c a t e dc o n t 锄i n a n ta m o u n t o nm eb a s i so f g u a r 锄t e e i n gt h ea c c u r a c yo fm em e a s u l e dr e s u l t s ，卸t l l o r sc o l l e c t e ds e t so fc o n t a m i n a n t c o n c e n 仃a t i o n sa tm o n i t 嘶n gs i t e st ob ed a t as o u r c e t h ei m p r o v c ds i m u l a t i o n - 叩t i m i z a t i o n m e m o db a s e do nl a 伊a n 西a na l g o 打t 1 1 m w 船e m p l o y e d t 0d e t e 衄i i l em el o c a t i o no f c o n t 锄i n 孤ti i l t n i s i o np o i n t s ；v i at h ec o m p 撕s o no fm e l l l i n gr e s u l t s ，a u t h o r sa l l a l ) ，z et 1 1 e e 仃e c t so fi n f l u e i l c i n gf a c t o r ss u c ha ss y s t e n lt o p o l o 百cs 仇1 c t u r e ，s i i n u l a t i o nt i m eh o r i z o n ，a l l d w a t e rh y d r a 咀l i cc o n d i t i o n s b ya 1 1 a l y s i sa n dc o l l a t i o no f4 0s e t so f m o n i t o r i n gd a t h em o d e l i n p u t sa i l do u t p u t so fb pn e 帆o r kw e r ed e t 锄i n e d t h ea d v a i l t a g e sa n dl i m i t a t i o no ft 1 1 e m o d e lw e r e p r o p o s e do nn l eb a s i so f n l e o r e t i c a la n a l y s i sa i l dr e s u l t sc o m p 撕s o n r e s u l t ss h o wn l a to nt l l e p r e i l l i s eo fi n n u e l l c i n g f a c t o r s a p p r o p r i a t e l ys e t ， m e s i m u l a t i o n - o p t i m i z a t i o nm o d e ls u c c e s s 缸l l yd e t e m i n e ds o u r c e1 0 c a t i o nw 仙9 3 3 a a 跚a c y a 1 1 db pn 咖o r k 诵m1o o t l l e 铆oa l g o d t l l i n sh a v ea d v a n t a g e si nd i 仃e r e n t a s p e c t s ； h o w e v f o rm er e s e a r c ha sf 她m es i i n u l a t i o n - o p t i i n i z a t i o na l g o r i t d e m o n s 仃a t e si t s s 仃d n g e rr o b u s t i l e s sa n db r o a d e r 印p l i c a t i o n k e y w o r d s ：w a t e rs u p p l ys y s t e m ，w a t e rq p a l i 够s i m u l a t i o ni nd i s t r i b u t i o n ，a c c i d e n t a l c o n t a i n i n a t i o n ，s i m u l a t i o n o p t i m i z a t i o nm e t h o d ，b p 枷f i c i a ln e l m ln e 咐o r k i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 本项研究的意义 供水是维系城市发展的根本。供水事业的服务内容广泛而根本，包括生活、生产、 消防用水、绿化、道路喷洒用水以及河流、湖泊和各种水造景观用水。保证供水的载体、 城市重要基础建设之一城市供水系统，是供水水质和量的重要决定因素。从宏观意 义上讲供水系统包括：实物部分，即大坝水库，地下水水井，泵站，输配水管路( 平均 水力停留时间最长) ，水厂，检查井，压力阀，开关；管理结构：运行规则、程序 水库出流规则，水处理标准，水质监控参数和监控点布置等；制度结构；控制中心；实 验室；维修机构【i 】。合理开发利用相关技术来配置这些组成部分的内部和外部关系，使 供水在一定经济指标控制下满足人们不断提高的用水要求，供水事业才能得以长远发 展。 随着国民经济快速发展和人们生活质量的提高，饮用水水质取代了过去水量的地 位，成为用户首要关心的问题。但是由于供水系统自身和周边环境的原因，饮用水水质 受到不同程度的威胁。一方面，虽然饮用水在出水厂时是符合国家标准的，但从水厂到 用户水龙头，将经历多种路径，发生复杂多样的生物、化学、物理变化，而且在水力工 况改变时还可能发生反渗透，使管网内水质受到外环境污染。由于这种管网的二次污染， 用户终端的水质会有所下降。针对这种现状，国内外许多专家对管网水质进行了大量研 究【2 羽。据调查，我国城乡供水仍有2 0 达不到饮用水卫生标准，农村供水有5 0 达不到 饮用水卫生标准。目前全国农村仍有3 7 9 亿人饮水不安全，其中5 0 0 0 多万人需要远距离 挑水或拉水吃，3 亿多人饮用水水量不足、水质达不到国家标准1 7 】。2 0 0 6 2 0 0 7 年全国爱 卫会、国家卫生部开展的全国农村饮水卫生现状调查结果表明：未达到基本卫生安全的 水样超标率为4 4 3 6 。对管网水质进行动态模拟可以预测管网水质状况，确定合理的消 毒剂投加量( 或依此确定多点投加的位置和剂量) ，辅助确定水质事故发生的地点和时 间，为寻求改善管网水质的措施提供科学依据。另一方面，由于供水管网的开放性和易 侵入性【g 】，饮用水受到突发污染的威胁较大。国内近年来突发水质污染事件的公开报道 明显增多，2 0 0 5 年，黑龙江哈尔滨市饮用水污染事件，2 0 0 7 年，无锡部分地区自来水发 臭事件，2 0 0 9 年，江苏省盐城市酚类化合物污染事件等大规模污染事件屡见不鲜；国际 上，自9 1 l 事件后许多国家的供水事业也面临恐怖分子的威胁，不难看出在今后很长一 喇 青岛理工大学工学硕士学位论文 段时期内，突发性污染事件的高发态势将持续存在，这对饮用水安全提出了严峻的考验 【乳1 3 】。而目前，从我国的实际操作来看，供水事业面对自然灾害、事故或人为污染事件 的应急能力还存在很大的提高空间【1 4 】，主要表现在水质监测及检测能力不足和相关技 术、制度、机制上的缺乏。而运用供水管网水质反演模型快速准确定位污染源更是帮助 决策者科学合理处理突发污染事件的重点。所以利用管网水质监测点的水质信息通过反 演模型获得污染源信息具有重要而长远的作用。无论是供水管网水质正演模型还是反演 模型都具有较高实践应用价值，并且许多正演模型预测管网水质时空变化( 拉格朗 日时间驱动算法) ，已经在该领域内普遍应用，还有一些技术的应用前景将非常广阔， 特别是反演模型，其经济效益和社会效益都非常明显。 本文就是在这种背景下，对供水管网水质正演、反演模拟进行研究并利用实测数据 分析方法特点和影响因素。利用供水管网模拟试验平台研究余氯的衰减特点，结合拉格 朗日时间驱动算法预测余氯浓度并确定余氯衰减系数；借助试验平台模拟市政供水管网 突发污染事件，通过测取监测点污染物浓度，利用改进的基于拉格朗日算法的模拟优 化反追踪模型、b p 人工神经网络进行污染源定位研究，在模拟结果分析基础上深入研究 模型影响因素，验证模型的特点和可行性。 1 2 问题的提出 饮用水安全问题是国家经济发展、社会稳定的制约因素。总体而言，从供水管网水 质安全角度看，我国饮用水安全现状和主要问题是饮用水水源受到不同程度的污染，水 质在管网内容易恶化；许多乡村、地区的饮用水水质得不到保证，原因包括水源污染、 管网二次污染、消毒剂量控制不到位以及由于漏损造成的污染物反渗透等；水质监测及 检测能力不足；面对自然灾害、事故或人为污染事件应急能力较差等。中国政府决心进 一步加快解决饮水安全问题，计划2 0 1 5 年，解决2 6 7 亿人的饮水问题，占饮水不安全 人口的7 0 ，按照全国城市饮用水安全保障规划( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 目标，到2 0 2 0 年， 我国将建立起比较完善的饮用水安全保障体系，满足2 0 2 0 年全面实现小康社会目标对 饮用水安全的要求。“十一五”期问，重点解决2 0 5 个城市及3 5 0 个问题突出的县级城 镇饮用水安全问题。 在我国，管网水质模拟及监测的研究、应用起步较晚，一些经济发达城市在完成了 管网水力微观模型的开发之后便迅速着手研究管网中水质变化的模拟模型建立。其他许 多大中城市的供水企业也有研究管网水质变化的近期规划。需要建立适合我国的供水管 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 网水质模拟系统，并通过实践和理论研究调节模型相关系数，使模型达到一定的实用性 和准确性，成为管理供水安全的有效工具之一。 此外，国内近年来多起较大规模饮用水污染事件给供水事业面对自然灾害、事故或 人为污染事件的应急能力提出考验。突发污染对社会、经济以及国民健康造成的危害不 言而喻，面对物理及生化等方面供水管网突发污染事件的威胁，利用分析管网水质监测 数据快速定位污染源及污染范围是提高应急能力的关键。这种定位模拟即供水管网污染 源反追踪模拟是反演技术的一种，需要通过部分已知的输出状态监测数据推求输入 信息潜在污染源投加信息，是本课题的重点也是难点。 1 3 国内外研究现状 在对城市供水系统“二次污染”的研究中，基于对管网水力模型的分析建立了管网 水质模型用来模拟水中物质( 包括余氯及污染物) 随时间在管网中的变化，并利用计算 机模拟水质参数或是某种污染物质在管网中随时间和空间的分布状况。因此，监测、模 拟并且控制供水系统的水质，越来越被世界各国所关注。 国外在9 1 1 事件以后，已经从水质模拟向水质控制方面发展，重点分析管网水质污 染的薄弱环节，水质检测点的优化选址，污染源反追踪以及如何迅速应对污染事件等方 面，为防范突发事件提供技术支持。 最早进行管网水质模拟的是美国的w o o d 教授，他在1 9 8 0 年进行了稳定状态下的 水质仿真模拟【1 5 】，随后s h a h 进行了稳态水质的模拟分析；类似于w o o d 的模型，m a l e s 等提出了在稳态系统下混合问题的一个算法【1 6 】，m 唧h y 为管网中的稳定流提出了一个 模型，可用来确定氯浓度的空间分布【1 7 1 。管网稳态水质模型为管网的一般性研究和敏感 性分析提供了有效的工具，普遍用在管网系统水质分析阶段。但即使在管网运行状态接 近恒定时，管网中的物质也没有足够的时间传播和达到某种均衡分布，因此稳态水质模 型仅能够提供周期性的评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。1 9 8 6 年c 1 破等提出了 一个能够在时变条件下模拟水质变化的模型【1 8 】，1 9 8 8 年研a 蛐a n 等提出了一个类似的 水质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟( e p s ) 方法，因为它们没有模拟由于 流速变化造成的惯性影响，故实际应称作准动态模型f 1 5 】。1 9 8 7 年“u o s 和跏o n 提出了 一种可计算配水管网水中物质的衰减和增长的模型，它以时间和位置函数的形式给出了 物质的浓度，并把水中物质在管网中的流动分成三个过程：管段中的水平流动、随时间 的衰减和增长、管段连接处的混合f 1 9 1 。1 9 9 3 年r o s s m a n 等提出了用离散体积元素法 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( d v e m ) 进行管网水质模拟，这种算法是利用时间驱动水质模型来跟踪管网中物质的瞬 间浓度，把配水管网管段看作是由链接组成，物质质量在每个链接内分配于离散体积元 素内( 反应发生在每个元素内) ，物质质量从一个元素平流传输到下一个元素，并且质 量和流量体积在管网节点处混合在一起【2 0 1 。1 9 9 5 年c h a u d h 巧和i s l 锄提出了一个计算 机模型，利用一个组合系统方法来计算非稳定流状态下组分在流经管段时的传播和衰 减，强调分析管网系统首先要确定初始稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值积分 来计算缓变流状态下的相关参数【2 l 】。 1 9 9 7 年r o d r i g i l e z 等人提出人工神经网络模型( a l ) 预测管网水质，从另一个角度 研究了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比【2 2 之3 1 ，模型是通过 b p 算法和使用一个时间延迟输入拓扑结构实现的。砧州模型与其他模型最大的区别就 是不用涉及较深的余氯衰减动力学机理，其特点是要求一个有效、强大、有代表性的基 础数据资料，而且训练样本的选择和学习精度的确定都会对模型训练的结果产生重大的 影响，这也正是鲇州模型需要改进的方面。不过，这个模型开拓了对余氯衰减研究的 新领域，扩大了水质模型的研究思路。 l i o ua 1 1 dk r o o n ( 1 9 8 7 ) ，r o s s m a l le ta 1 ( 1 9 9 3 ) ，r o s s m a n 锄db o u l o s ( 1 9 9 6 ) 2 4 1 ，z i e r o l f e t a 1 ( 1 9 9 8 ) 【2 5 】，s h a n ge ta 1 ( 2 0 0 2 ) 闭等是在物质投加源点( 上游节点) 信息条件已知的条件 下，依据水力、水质模型对污染物在管网中的变化状况进行模拟，是传统的水质模型， 这种以已知的输入为基础研究输出变化的水质模拟被称为前向问题或正演问题。 l 锄m ( 1 9 9 3 ) ，r o j a u s ( 1 9 9 8 ) ，a k c e l i l ( c ta 1 ( 2 0 0 2 ) ，v o g e l ( 2 0 0 2 ) 等【2 7 - 3 0 】提出了与正演 问题相反的后向问题或反演问题，对于管网污染源定位的问题。尝试根据已知的输出状 况解决未知的输入状况，就是根据水质监测点的测量数据确定污染源侵入点的时间和位 置。研究后向问题中所遇到的很多固有的困难在前向问题中不涉及的。 2 0 0 3 年，c 砌d l a i r d 对反演模拟进行了研刭3 l j ，对于管网污染源定位问题，使用 的方法有粒子反溯法和基于拉格朗日法的污染源跟踪法，提出了基于监测点实时污染物 浓度信息的大规模非线性优化方法来确定污染事件的发生时间和位置。2 0 0 2 年s h a n gf e ta 1 提出粒子反溯法，在反向的时间里描述粒子从出流点反溯到管网水源点【3 2 】。由于这 种算法通过粒子反溯，最终提供的是关于所选的输出节点和水源( 污染物投加点) 水质 在一系列时间点上的代数方程组，这种方法应用的限制因素主要为计算机的处理能力。 污染源反追踪法【3 i 】以水质正演模拟为基础，通过分析监测点在不同时刻模拟浓度与实测 浓度的差值来改变潜在污染源在特定时间点的投加量或投加浓度，模型的输出结果是在 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 这些节点上污染物的投加浓度随时间变化的曲线以及潜在污染源污染物投加量随时间 的累积值，累计值越大的节点是污染源的可能性越大。2 0 0 5 年，o s t f e l d 通过监测点的 信息来匹配随机污染矩阵中的污染事件来反向追踪污染的位置、注入速度等【3 3 1 。同年 m c k e i l i l a 【3 4 】提出了节点用水量随机变化情况下的污染源反追踪问题。2 0 0 6 年，g u a i l j i a b a o 提出利用简化梯度法优化反追踪目标函数【3 5 】。2 0 0 8 年，m i n y o 吼g 利用人工神经 网络模型反向追踪树状管网污染源位置【3 6 】，该种方法的特点是需要大量具有代表性的数 据支持，预测准确度较高，模型建立后，只针对某种特定性质的污染物和管网结构，具 有不可移植性。 水质监测点成本高，如何在经济约束条件下使所监测水质的代表性最大化，如何在 污染发生时快速、准确的辅助定位污染源，使损失最小化，这方面研究具有重要意义。 1 9 9 1 年b y o n gh 1 e e 等以覆盖水量d c ( d 锄a 1 1 dc o v e m g e ) 水质的度量指标，提出了供水 管网水质监测点的优化选址的方法，在一定的条件下有较好实用价值3 7 。3 8 j 。l e e 等人提 出建立水质比例矩阵( w a t e r 触c t i o nm a t r i x ) 来度量管网中任意两两节点间的水质联系。 1 9 9 7 年，趾1 n 1k 1 l m a r 等人应用贪婪启发式算法来解决同一问题，省去了整数规划问题 的求解，减少了计算的复杂性【3 9 】。1 9 9 9 年，h 锄a n t p 等人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。该方法利用多种因素来表现水质监测点代表性【柏1 。 国内对水质模型的研究起步较晚，2 0 世纪8 0 年代中期，赵洪宾教授在研究管道内 壁结垢的基础上提出了“生长环”的概念，并通过现场试验推导了余氯在配水管网中的 衰减模型【4 1 m 】；9 0 年代末，吴文燕 4 3 】对余氯在配水管网中的变化规律进行了模拟和校 核，李欣也对余氯衰减模型和消毒副产物的前驱物质进行了较深入的研究，模拟了管网 中三卤甲烷随时间的变化4 5 1 。 国内许多学者曾研究用经验模拟方法建立水质的统计模型，一个是时间序列系统识 别的经典模型，具有外部输入的自回归模型( a i ) ；另一个是基于人工神经网络( a n n ) 的模型，采用已经选定的a r x 模型的结构，利用b p 神经网络进行拟合。人工神经网 络在模型拟合以及预测方面均表现出极大的潜力。 对于水质监测点的优化方面，张怀宇、赵洪宾教授等以水质监测度为水质的度量指 标，提出了供水管网水质监测点的优化选址的方法，在一定的条件下具有较好的实用价 值 矧。2 0 0 3 年，许仕荣教授通过求节点水龄并计算节点水龄比例矩阵 t 来代替覆盖矩 阵 川，提出种基于节点水龄的城市管网水质监测点的优化选址方法，综合考虑了水 龄和节点用水量的因素【4 7 4 引。国内也有学者对水质预警监测点布置做了研究4 9 1 。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 在该研究领域内已有专业人员有组织的开展科学研究工作，基本形成了科学的研究 的理论框架，有相对确定的研究对象、研究方法和使用方向。但从总体来看，国内的研 究还处在管网水质的模拟仿真阶段，对于如何判别水质污染并进行控制尚需要进一步的 研究与探索。 1 4 本课题的主要研究内容 1 运用欧拉法、拉格朗日法建立供水管网水质模型，动态跟踪管网水质变化，比较 两种模型特点。 2 实验研究余氯在管网中的衰减情况，反演余氯衰减系数，获取具一定精确度的供 水管网余氯衰减模型。 3 采用与常规供水系统水质分析不同的反演追踪技术，达到对污染事件做出有效、 及时反应；即根据水质监测信息，判断污染性质，追踪污染源位置和污染时间，为制定 处理措施提供支持。包括两部分内容：利用水质正演模拟结合最优化思想进行污染源在 时空上的定位模拟；采用b p 神经网络定位污染源。 1 5 本课题的创新点 1 采取反演技术分析突发性污染事件。从复杂的输出信息( 即监测点污染信息) 找 到有价值数据，并以可接受的计算空间和时间效率，反向追踪污染源信息，同时保证较 高准确率。 2 采用基于拉格朗日法的反追踪算法定位污染源，即是在正演模拟的基础上利用最 优化技术优化污染源投加浓度随时间的变化值，从而定位污染源。这种算法具有较离子 反溯法等反追踪模型更高的时空计算效率，适用范围较广，准确率高。 3 采用人工神经网络技术学习污染信息、定位污染源。通过经验和数学方法确定神 经网络输入，以污染源的节点编号作为输出，通过使网络学习污染信息，确定单个神经 元权值，从而定位污染源。这种算法准确率高，但适用范围有限。 4 研究分析反追踪模拟的影响因素。针对不同反追踪算法的特点，其对应的影响因 素亦不相同，明确并合理设定这些因素可在时空效率和准确率上提高模型性能。 该课题的实施丰富了我国水质模拟技术体系，对水质管理机制提供科学依据，在实 际应用中，这种技术可以快速定位污染源从而确定污染范围，减小污染程度，降低各方 面损失，具有较高的经济效益和社会效益，对产业发展的带动作用明显。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章供水管网水质正演模型及应用 管网水质正演模型是模拟水中物质随时间在管网中的变化4 1 。模型是在水力模拟分 析的基础上，模拟水中物质在管网中随时间和空间上的分布。正演模型可以跟踪管网水 质变化，评估管网水质状况并预警；辅助确定消毒方案；为给水管网系统运行管理提供 决策方案；借助水质模型，还可对水力模型进行校正，同时还可验证水质采样点布置的 合理性等。 2 1 管网动态水质模型 按所模拟管网的水力工况划分为稳态模型和动态模型；由于稳态模型仅能够提供周 期性的评估能力，缺乏灵活性，不适用于在线预测管网水质变化，这里不做介绍。 动态水质模型是在配水系统水力工况变化条件下，动态模拟管网中物质的移动和转 变。模拟中，水质变化可分为三个阶段即管段内、节点处、水箱中的水质变化。 1 通过物料平衡，水中溶解物质在管段中的扩散模型如下( 采用的是忽略分子扩散 作用和湍流扩散作用的一维推移扩散模型) ： 拿竽鸲罩警州c 肛) 研毋 ( 2 - 1 ) 式中：c i 似砂管段f 在z 处f 时刻的浓度： ， “i 管段f 的流速； r 弼似圳管段中反应物的反应表达式，对非反应物其值为零。 2 物质在节点处的混合模型( 瞬间完全混合) ： q c 似：工，+ q t 吲c 删 脚2 1 互i - ，d * ( 2 2 ) 式中：c j 节点i 的物质浓度； 卜流入该节点的管段集合； q j 管段，的流量： q 。喇该时刻管段流入节点f 的物质浓度； q k 麟。，c k 既广一由管网系统外部从该节点处注入的流量和物质浓度。 7 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 物质在水箱内的浓度变化模型： 根据水箱运行方式的不同，可分为三种简化模式：完全混合、先入先出和后入先出。 这三种模式适用于输配水管网中的大部分情况，模拟效果较为理想【5 0 铆】。 完全混合模式( c o m p l e t em i x i n 曲( 图2 1a ) ：该模式假定流入调蓄水池的水与调蓄 水池中原有的水瞬时、完全混合。因为调蓄水池的实际贮水容积是变化的，质量平衡方 程可写为： 掣2 薹q f 一荟州q ) ( 2 - 3 ) 等：q ，一g ( 2 4 ) 研 乏刮怎叫 、7 式中：蜥一水箱的实际蓄水体积； 卜流入水箱的管段集合； d r 一流出水箱的管段集合。 先入先出( f i r s ti nf i r s to u t ) 模式( 图2 1b ) ：在该模式中水流从调蓄水池的一端流 入从另一端流出，假定水流顺次经过调蓄水池而不发生相互混合。这种模式已退化成类 似管段的转输模式，描述调蓄水池内一维变化的方程可写为： 要：翌颦等删刚 仁5 ， 出彳缸 、“、7 式中，a 水箱的断面积。 后入先出( l a s ti nf i r s t 嘶) 模式( 图2 1c ) ：该模式中水流从水箱的同一端流入和 流出，假定各水流断面间不发生混合，亦类似为管段中的传输模式，其一维变化的方程 形式如同上式，不同之处在于，由于流入和流出在同一端，作为矢量的流入流量和流出 流量在方向上是恰好相反的( 符号相反) 。 a 完全混合模式 _ b 先入先出模式c 后入先出模式 图2 1 水箱混合模式图 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 2 管网动态水质模型的求解方法 2 2 1 欧拉有限差分法 欧拉有限差分法( f i n i t ed i 衔e 1 1 c em 砒o d ) 就是在固定的时空点上，将微分问题转换 成差分形式，进而求解水中溶解物质浓度在管网中的变化。s m i t l l ( 1 9 7 8 ) 提出( 2 1 ) 式的有 限差分形式，如式( 2 6 ) 所示： 址= o 5 口( 1 + a ) g + ( 1 一口2 ) g ，一o 5 口( 1 一口) q 州+ 尺( q ，) ( 2 6 ) 式中：血每一空间网格点的距离； & 水质步长 ，吖 l 抽管段i 上网格点s 在t 时刻的浓度 口：u & 缸，接近于1 这种算法在o 口1 时稳定，并具二阶精度。每当水力工况发生变化时，空间网 格点就更新一次，管段经网格分割后，管段微元的数量小于或等于l ( u 缸) ，以使口接 近于1 ( l 为管段长度) 。新网格节点处的浓度通过线性插分方法从上一时刻的浓度得到。 这种方法的精确度取决于水质步长的长度。由于每个管段对应的口不可能都等于1 ，所 以这种方法易于发散。 2 2 2 欧拉离散体积元法 欧拉离散体积元法( e u l 甜a 1 1d i s c r e t ev 0 1 u m em e m o d ) 将管段分割成一系列体积相 等、体积内物质完全混合的体积元【2 4 】。在水质步长的结束点上，体积元内的物质反应并 进入下一个相连的体积元，当下一个相连的部分是节点时，物质进入节点并与来自其他 管段的已进入节点的物质完全混合，而后计算所得的节点浓度再进入下游管段的首端体 积元，更新该体积元的相关信息。 当水力工况发生变化。管段中的体积元将重新分配，水中物质也将由上一时间步长 的体积元重新分配到新的体积元中继续计算。对某一个特定水质时间步长，管道的体积 元数量n l ( u 缸) ，取整，这和f d m 产生网格空间的过程是一样的。d v m 方法的精 确度取决于水质步长的大小。由于体积元彼此独立，所以每个水力时间步长内该方法不 会出现运算数值发散的状况，模型示意如图2 2 。 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 鬈翟警鋈盈一 r ：_ 。+ 。曩麓蠹隧藏羼熬曩一 一薏鬻蚕豳e o o 三：矗函函 呻，j ，：；- ， ：置霉翟麓豳一一 - r 一 图2 2 欧椅离散体积法示意图 2 2 3 拉格朗日时间驱动法 欧拉法在一个水力工况内把管段划分为固定的点( f d m ) 或体积元( d v m ) ，将管段水 质模型在空间上离散化( 时间的离散通过水质步长实现) 。拉格朗日法不同于欧拉法固 守于流场中的空间点，其思想是追踪流体质点的物质浓度随时间的变化。拉格朗日时间 驱动法( l a 伊a n 西a nt i m e d r i v e l lm e m o d ，t d m ) 是目前水质模拟广泛采用的模型，这种 方法追踪水流微元在水质步长内的浓度变化，在其他条件一定条件下，模型的精确度取 决于时间步长的大小和用于限制新水流微元生成的浓度差( 管段上游节点浓度和管段内 上游水流微元的浓度差) 的大小【2 4 1 ，模型示意如图2 3 。 对触l 时毫f 图2 3 拉格朗日时间驱动法示意图 一 l o 青岛理工大学工学硕士学位论文 该种算法可以间断地描述为以下几个步骤： s t 印1 ：初始化管段水流微元( 在程序的刚开始，管段中只含一个水流微元( f i r s t s e 舯e i l t ) ，该微元内的物质浓度值等于上游节点物质浓度) ； s t 印2 ：更新水力信息，管段流向改变时，颠倒微元排列顺序； s t e p 3 ：阶段累积时长h = o ； s t e p 4 ：在水质步长的结尾时刻： 更新微元：更新微元内的浓度值，将管段中首端微元( f i r s ts e 舯e n t ) 信息( 即水 中溶解物质浓度) 赋予节点，每个管段贡献给下游节点的水流体积等于管道流量和水质 步长的乘机，v 。如果该体积大于首端微元的体积则该片段全部进入节点，后面的微元 成为该管道首个片段，并继续贡献体积，以此类推，直至水流体积完全进入节点，如果 体积v 小于首端微元，则首端微元仅贡献体积v ，该微元依然是管段的首端微元，只是 体积减少了v ；如果该体积大于管段中流体体积，上游节点的浓度与体积v 的乘积即为 该管段进入节点的物质量； 增加微元：在微元信息更新后，在微元链表末端增加新微元( 1 a s ts e 舯e n t ) ；相当 于在增加微元的同时将管段中其他微元向下游方向推移。 更新节点信息：利用( 2 ) 式计算节点浓度，水箱中的水质更新取决于水箱的混合模 型： s t 印5 判断水质步长：h ：h + & ，当h 超过水力步长乙，& = “h 迸入s t 印4 ；当 h ：九，进入s t 印2 ；当h o 口挖d m ，：o 啪二 一笪名垃 锄f ( 3 - 1 4 ) 模拟结果中，潜在污染源投加量随时间的累积值越大，其作为真实投加点的可能性 青岛理工大学工学硕士学位论文 越大。 模型流程图如图3 3 所示： 图3 3 基于拉格朗日算法的反追踪模型流程图