（环境工程专业论文）城市配水管网水质预测模型的研究.pdf

摘要 城市配水管网担负着将城市用水从水厂向用户输配的重要任务。然而，在这 个过程中，由于在管道中发生的物理、化学以及生物作用，水质通常发生很大的 变化。研究出厂水在配水管网中的水质变化规律，建立配水管网水质模型，提出 相应的控制措施，为供水企业改进供水技术、加强供水管理提供可靠的理论基础， 对于提高供水水质具有重要的现实意义。 本文以天津市某高校校园给水系统为研究对象，结合实际情况，制定了管网 水质监测的实验方案，对管网水质进行了实验监测，获得了大量的数据，为建立 和校核模型做准备。 以浊度和铁作为模型的控制指标，运用偏最d , - 乘回归方法建立管网水质统 计模型。采用s a s s t a t 系统中的p l s 过程建立统计模型并进行求解。对示范区内 的所有的监测点建立水质模型，并对管网水的浊度和铁进行了预测。结果表明实 测值与模拟值吻合得较好，模型的准确度较高，能够反应管网中水的浊度和铁的 变化情况。就应用效果而言，用偏最小二乘回归建立的统计模型对同时预测两个 水质指标均有相当好的预测效果，能应用于实际。但模型对数据变化的适应能力 较差，数据变化大，则模型的预测效果就差。 最后，提出加强污染机理研究、提高参数估值准确度、研究模型的不确定性 以及将g i s 技术结合于水环境污染模拟、控制和决策将成为水质模型在今后发展 中的重要方向。 关键词：配水系统水质模型浊度铁偏最小二乘回归 a b s t r a c t w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt h ec i t yt a k e st h ei m p o r t a n tr e s p o n s i b i l i t yo f t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o no fd r i n k i n gw a t e rf r o mw a t e rp a n tt ot h el l se ! i s a n y w a y , b e c a u s eo ft h ep h y s i c a l ，c h e m i c a la n db i o l o g i c a la g e n ti nt h ep i p e l i n e ，t h e r ei sv a r i a b l e w a t e rq u a l i t yf r e q u e n t l y r e s e a r c ht h ew a t e rq u a l i t yv a r i a t i o nl a wi nt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e mo fw a t e rs u p p l yp l a n t ，e s t a b l i s h i n gw a t e rq u a l i t ym o d e lo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ， p u t t i n gf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sa n dp r o v i d i n gw a t e rs u p p l yp l a n t r e l i a b l er a t i o n a l et oi m p r o v ew a t e rs u p p l yt e c h n o l o g ya n de n h a n c ei t sm a n a g e m e n t ， a l lo ft h e s eh a v ei m p o r t a n tr e a ls i g n i f i c a n c ef o rt h ew a t e r q u a l i t y t i l i sp a p e rm a d et h ew a t e rs u p p l ys y s t e ma sr e s e a r c ho b j e c to fo n e u n i v e r s i t yi n t i a n j i n ，c o n s i d e r i n g t h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n ，d e c i d e dt h e e x p e r i m e n tc o n c e p t u a l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tm o n i t o r i n gt ot h en e t w o r kw a t e rq u a l i t y , m u c hd a t ah a sb e e n c o l l e c t e da n dp r e p a r e df o re s t a b l i s h i n ga n dc h e c k i n gt h em o d e l p a r t i a ll e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o nw a su s e dt oe s t a b l i s h e dt h es t a t i s t i cm o d e lo f p i p en e t w o r kw a t e rq u a l i t y , m a k i n gt u r b i d i t ya n df ea sc o n t r o li n d e x e s t h e np l si n s a s s t 汀s y s t e mw a su s e dt oe s t a b l i s ht h es t a t i s t i cm o d e la n dm a k et h es o l u t i o n t h ew a t e rq u a l i t ym o d e lw a se s t a b l i s h e de a c hm o n i t o r i n gs p o ti nt h ed e m o n s t r a t i o n p l o ta n dt h et u r b i d i t ya n df ei nt h ep i p en e t w o r kh a v eb e e np r e d i c t e d t h er e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ee x p e r i m e n tv a l u ea n da n a l o g u ea r ea n a s t o m o t i c ，a n dt h ea c c u r a c yo f m o d e li sh i 曲，w h i c hc a l le c h ot h ev a r i a t i o no ft u r b i d i t ya n df ei nt h en e t w o r k o n l y t ot h ea p p l i c a t i o ne f f e c t ，t h em o d e le s t a b l i s h e db yp a r t i a ll e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o nh a s p e r f e c tp r e d i c t e de f f e c tf o rt o ww a t e rq u a l i t yi n d e x e sa tt h es a m et i m ea n dc a nb eu s e d i np r a c t i c e b u tt h em o d e lh a sw o r s ea d o p t a b i l i t yf o rt h ed a t av a r i a t i o n ，i ft h ev a r i a t i o n w a ss e v e r e ，t h ep r e d i c t e de f f e c tw o u l db ew o r s e a tl a s t ，t h ep a p e rp r o m o t e dt h a ts t r e n g t h e n i n gp o l l u t i o nm e c h a n i c sr e s e a r c h ， i n c r e a s i n gp a r a m e t e r se v a l u a t i o nv a l u ea c c u r a c y , r e s e a r c ht h eu n c e r t a i n t yo fm o d e l a n dm a k i n gg i sb o n d e dt ow a t e ra m b i e n ta n a l o g u e ，c o n t r o la n dd e c i s i o nw i l lb et h e i m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ew a t e rq u a l i t ym o d e l k e yw o r d s ：w a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw a t e rq u a l i t ym o d e l t u r b i d i t y f ep a r t i a ll e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：诺牡许 签字日期： 加7 年 学位论文版权使用授权书 月伽 本学位论文作者完全了解苤鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学? 做作者签名：绎噼 剔醴氢 签字日期：b 刁年f 月。髟日 签字日期： 够觞 0 7 年 7 月了r 日 j 天津大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 城市给水管网是城市的生命线之一，现代经济和科技进步带动城市建设的飞 快发展，随之而来的给水管网的改扩建及日常操作管理工作越来越引起人们的关 注。长期以来，我国大多数城市给水管网的运行调度( 水源调度、管网的维护与 更新等) 主要依靠经验而不是建立在科学的理论计算之上。采用科学合理又简单 可操作的数学模型是解决复杂管网的规划、调度、故障监测、水质监控等问题的 关键【1 】o 1 1 课题的提出和研究意义 1 1 1 城市供水管网水质污染概况 长期以来，人们习惯于饮水和用水合一。但事实上，我国生活饮用水标准是 较低的，目前实施的标准只相当于发达国家2 0 世纪7 0 年代的水平，即便是建设 部提出的2 0 0 0 年i 类水质标准，也只相当于美国2 0 世纪8 0 年代末期水平。据研 究，饮用水质量直接影响到用户身体健康，全世界8 0 的疾病、5 0 的癌症与饮 用不洁净的水有关。我国属于水源污染较严重的国家之一，据国家环保部门统计， 我国有7 0 的人饮用达不到卫生标准的水【2 】【3 】。 在环保呼声日益高涨的今天，城市饮用水卫生状态已成为人们普遍关注和敏 感的话题。目前大多数自来水厂出厂水都符合国家现行的饮用水卫生标准，但是 出厂水在管网输送和水池( 箱) 储蓄过程中，由于外界污染物进入和内部污染物繁 殖等造成了二次污染。管网的二次污染问题不但大大影响了城市现代化水平的提 高，而且严重影响着市民的生活质量。据有关资料介绍，二次污染事故时有发生， 其影响范围广，发病人数多，经常发生的疾病一般有两种：一种是生物性污染所 致的疾病，常见的如痢疾、肠炎等，发病率较高；还有化学性污染所带来的疾病， 例如铬、氨中毒等。 目前，我国大多数的城市供水企业把提高水质的大量工作用于净水厂的净化 处理工艺上，往往忽略了供水管网产生的水质污染问题。据有关资料统计，法国 瓦兹河梅里水厂，出厂水到管网末端的平均流动时间为3 天，美国在采用区域统 天津大学硕士学位论文 第一章概述 一供水时，水在管网中的平均停留时间有的长达7 天，我国哈尔滨的供水在管网 中停留时间近两天【4 】。这样庞大的地下管网就如同一个大型的“反应器”。实践 证明，水在这样的反应器内发生着复杂的物理、化学、生物的变化，从而导致水 质发生变化，造成管网水质污染。据对占全国总供水量4 2 4 4 的3 6 个城市调查， 出厂水平均浊度为1 3 度，而管网水增加到1 6 度；色度由5 2 度增加到6 7 度； 铁由0 0 9 m g l 增加到0 1l m g l ：细菌总数由6 6c f ii m i 增加到2 9 2c f u m l 【5 1 。 1 1 2 影响管网水质的因素 ( 1 ) 出厂水水质状况 包括两个方面，一是水质的合格率，二是水质的稳定性。如果出厂水的合格 率不高，如出厂水没有加氯或加氯量不够，在管网里就可能使细菌、大肠杆菌等 微生物大量繁殖，影响管网水质，这是众所周知的事。水的稳定性与水中重碳酸 钙、碳酸钙和二氧化碳之间的平衡有关，反应式为： c a ( h c 0 3 ) 2 - - c a c 0 3 + c 0 2 + h 2 0 如果水中游离c 0 2 含量比平衡量少时，则产生c a c 0 3 沉淀；如超过平衡量时， 则产生碳酸腐蚀。当水 p h 值 6 5 并且水中铁的含量超过3 i n g l e 或管道为金属管 时，将导致自氧型铁细菌的大量繁殖和金属腐蚀，进而造成细菌、浊度、色度、 铁等指标的上升，另外，水的不稳定性也会导致其它微生物的生长繁殖，造成管 网中的生物性污染。 ( 2 ) 输配水管网状况 从出厂水到用户终端要经过较长的管网和蓄水设施，往往需要几个小时甚至 几天。管网实际上是一个大的反应器，继续进行出厂水未完成的反应以及水与管 壁物质的反应。这些反应有生物性的、物理性的、化学性的，除了受出厂水水质 影响外，与输配水管道的材质、使用年限、施工以及其它一些因素有一定的关系。 目前我国常用的输配水管道有：铸铁管、钢管、球墨管、给水塑料管( u p v c 管、p e 管等) 、压力水泥管、玻璃钢管、铝塑复合管、衬里钢管( p v c 衬里、p e 粉末树脂衬里) 等，虽然建设部正在逐步淘汰传统工艺铸铁管( 即灰口铸铁) 的 使用，但是目前在国内城市地下已铺设的管道中，传统工艺铸铁管仍占相当大的 比例。当出厂水带有腐蚀性或管道使用年限过长时，铸铁管内壁就会腐蚀、结垢、 沉积，锈蚀物中含有大量的铁、锰、铅、锌和各种细菌，t 当管道内水流速度、方 向或水压发生突变时，就会造成短时间的水质恶化，出现铁、锰、色度、浊度和 细菌等指标值的大幅度上升，同样作为主要给水管材的镀锌钢管也存在着类似的 问题。早在2 0 年前，日本、新加坡等国就已开始禁止镀锌钢管的使用；上海市建 委曾决定自1 9 9 9 年l o 月1 日起，逐步淘汰镀锌钢管。国家建设部、经贸委、质量 天津大学硕士学位论文 第一章概述 技术监督局、建材局于1 9 9 9 年1 2 月1 3 日联合发布建住房 1 9 9 9 2 9 5 号文件也决定 从2 0 0 0 年6 月1 日起禁止使用镀锌钢管。近年来随着水泥砂浆衬里技术的应用和非 金属管道的推广，使因管材造成的水质二次污染的情况有所改观。 此外由于管道施工不规范，新铺管道冲洗消毒不彻底；树状管道铺设过长， 造成末端滞水；泄水阀、排气阀位置不当，淹没在水坑中，一旦阀体损坏，就会 使污水进入管道中：与自备水源或非饮用水管道连接时没有采取防污措施：直接 用泵从管网上抽水造成负压时的污物侵入；消火栓不常使用或检修而形成死水： 有些管道、阀门、水表长期浸泡在水中，这些因素也对管网水造成了不同程度的 污染。 ( 3 ) 二次供水设施状况 目前，部分城市二次供水设施，如蓄水池、高位水箱等卫生状况不甚理想， 存在不少问题，一旦这些设施内的水由于管网失压等原因倒流入管网，就会影响 管网的水质。 首先设计施工不合理。如用户用水量小而蓄水池或高位水箱容积较大，水在 蓄水池或水箱中滞留时间较长；生活与消防共用一个蓄水池，形成消防死水区； 工艺管道布局不合理；水池( 箱) 底未设计坡度，某些微生物或有机物易于沉积； 水池( 箱) 内壁粗糙易导致青苔等微生物附壁生长；只设一个通气管或不设通气 管；水池或水箱的通风孔、人孔密闭性差，导致尘、虫、鼠入内：溢流管没有设 存水弯，水池的溢流管、排水管直接与市政排水检查井相连，容易造成污水倒流 或间接污染；水池位置设置不当，与排水检查井、化粪池距离太近，周围卫生环 境差，极易受污染。 其次，选材不当。目前蓄水构筑物多为水池和水箱，水池大多采用钢筋混凝 土结构，有的未作内衬处理，使水泥中有害成分析出，有的水池内壁涂料采用水 泥涂料、聚胺涂料及一般环氧树脂涂料，这些涂料均对水质造成不同程度的影响： 焊接水箱防腐多以防锈漆为主，其附着力差，一般3 - - 6 个月就脱落，尤其不抗水 力冲刷，脱落的漆会直接影响水质，经对其浸泡水进行有机物分析，有机物种类 多于其它涂料，其主要成分是二氧化铝，且含致癌物质。冷镀锌防腐层也存在着 附着力差、脱落物使水中锌含量增高的现象。 另外，运行管理不善。缺乏二次供水管理可供操作的行政规章和管理体系； 没有建立起二次供水专职管理机构和专业服务公司；一些用户没有专人维护管理 二次供水设施；有的蓄水池上倒满了垃圾，有的蓄水池、水箱人孔盖破损或无盖， 致使池( 箱) 内蚊虫孳生，藻类漂浮：有的蓄水池、水箱自投入使用后，长时间没 有清洗消毒。 正是由于上述原因，使得水池、水箱内水的浊度、色度、氨氮、亚硝酸盐、 天津大学硕士学位论文第一章概述 耗氧量、大肠菌群、细菌总数等指标，发生显著的变化。 ( 4 ) 加氯消毒状况 为了保证出厂水和管网水的水质，必须对出厂水进行消毒。但是目前有两种 极端情况出现：一种情况是一些水厂，由于经济等原因，没有对出厂水进行消毒； 另一种情况是有些水厂加氯量偏大，认为加氯量越多，消毒效果越好。有研究表 明：当水中含有腐植酸、富里酸等有机物时，加氯后就会产生卤代烃类有机物， 氯的加注量越高，产生的卤代烃越多，副作用也越大。因此加氯消毒虽然使出厂 水和管网水符合了微生物指标，保持了水的新鲜和稳定，但如果加氯不合理，同 样不利于人体健康。 1 1 3 改善管网水质的主要措施 ( 1 ) 提高出厂水水质和稳定性，严格控制浊度超标 对有机物污染严重的水源，可增加预处理和深度处理工艺，同时加强净水过 程的全面质量控制工作，合理加药，实现投注加药自动化，以提高供水水质。尤 其要严格控制水的浊度指标，有研究资料表明，当水中浊度降至0 5 n t u 时，有 机物去除7 7 9 6 ，浊度降至0 1 n t u 时，绝大多数有机物予以去除，致病微生物 的含量也大大地降低，同时有机物含量的降低，也减少了加氯消毒后副产物有机 卤代烃的含量。 目前在改善水质稳定性方面比较现实的作法是推行调整p h 值法，即水在出 厂前投加稳定剂，把p h 值调整至7 , - - - 8 5 ，提高水的稳定性，这种方法在欧美等发 达国家已得到了广泛的应用，并且取得很好的效果。 ( 2 ) 更新或改造供水管道系统，深化管网管理 在管材方面，首先要选用产品质量较好的生产厂家，管道要有较好的防腐衬 里，既能抗腐蚀又不析出有害物质。新铺设的管道或更新改造的管道，当口径大 于或等于1 0 0 r a m 时，宜采用非金属管材或可靠材料衬里的金属管道，如预应力钢 筋混凝土管、u p v c 管、p e 管、玻璃钢管、球墨铸铁管等：1 0 0 r a m 以下的小口径 管道可采用u p v c 管、p e 管、衬里钢管、铝塑复合管、薄壁不锈钢管，管道上的 阀门等附件要推广采用橡胶衬里的球铁件、环氧树脂喷涂的铸件和不锈钢配件： 在做金属管道衬里时，可加丙烯酸树脂分散剂( 占砂浆干重3 ) 或采用蒸汽养护， 以增强抗腐蚀能力，此外，施压法衬里比喷压法衬里质量好，砂子失落量小。 在设计施工方面，应严格遵守给水工程设计、施工规范，做到合理设计、合 理施工：管网尽可能采取环状，即使采用树状，管道也不宜太长，以免末端滞水， 如果管线延伸过长，应考虑在管网中途补氯和定期冲洗；推行管道不停水引接分 支管和维修作业，减少管道停水机率，减少管内流向、流速的剧变；排气阀、泄 天津大学硕士学位论文第一章概述 水阀安装位置要合理，不要淹没在水中；管道安装或抢修完毕后要彻底冲洗消毒； 打水钻时，施工要小心，防止管道碎片落人管中；禁止用泵直接从管网抽水，确 需做加压泵站时，最好增设蓄水池，避免直抽，以免造成管网产生负压使污物 浸入，如上海、北京、成都、济宁等许多城市都采用这种做法；卫生器具的安装 要规范、合理。 在维护管理方面，调研与控制管网的流态，减少低流速管段，消除死水管段， 对使用年限太长的供水管道进行更新改造或进行刮管涂衬；其次要定期冲洗管 道，这可作为一项经常性运行的措施，冲洗周期根据客观情况而定，但两年至少 一次，对管网末端冲洗周期一年不少于一次，此外，尽量降低管网漏水率，加强 管网检漏工作，及时抢修漏水管道；定期对水表、阀门、消火栓进行检查保养， 对淹没在水中的水表要及时清理，阀门要每隔一、二年人为地活动活动，消火栓 要经常冲洗；用泵抽水加压时对备用泵要经常检查，防止由于备用泵长期不用 造成污染。 ( 3 ) 完善二次供水设施的设计与施工，加强管理 在设计施工方面，改进水池( 箱) 的工艺结构，避免出现死水区，使水形成推 流式流动状态，并保持一定流速；消防水池( 箱) 与生活水池( 箱) 宜分开建设，如 果合建可采取隔离措施，生活用水部分可进入消防系统，但消防系统水不可进入 生活水系统，但消防水的卫生问题可通过定期排放用于它用，以定期更新；生活 水池( 箱) 容积不宜过大，以满足一天用水量的4 0 - 6 0 为宜；进、出水管的设 置要合理，迸水管出口要设置水位控制阀，尽量不要设溢流管，如设溢流管应设 存水弯；放空管( 排水管) 应采取间接进水，不应与市政排水设施直接相连；水池 ( 箱) 底部要设置一定坡度坡向集水坑；应设置两根不同高度的通气管，加强池( 箱) 内空气流通，通气管宜采用罩形或下弯管形；人孔要采用密闭式。在材质方面， 水池一般多为水泥材料，为防止水泥中有害成分析出，要做好内衬处理，内壁和 底部要光滑平整；水箱宜采用装配式不锈钢水箱、玻璃钢水箱、搪瓷钢板水箱、 热浸镀锌钢板水箱，若要使用焊接水箱，则应做好焊接钢板的防腐处理，选用对 水质无影响的防腐涂料，如食品级环氧树脂。 在管理方面，制定城市二次供水管理的行政规章制度，建立二次供水管理体 系，其次要设置专门管理机构，对二次供水设施中的设计、选材、施工进行审查、 监理，保证二次供水设施的设计、施工符合技术规范要求。同时会同卫生防疫部 门，加强水质监测，监督用户对水箱、水池进行清洗、消毒，每年不少于一次， 建立二次供水设施档案，健全周期监督管理制度。 ( 4 ) 合理加氯 合理加氯的基本原则是：在保证消灭水中细菌、病毒和其它微生物的前提下， 天津大学硕士学位论文 第一章概述 应尽量降低氯的投加量，加氯点尽量往后道工序移，在设施上尽可能实现多点加 氯。为了有利于保持管网中的余氯，可使出厂水余氯呈氯胺状态，和出厂水充分 混合，保持3 0 分钟以上的接触时间。同时要增强水质检测手段，加强对出厂水氯 含量和管网余氯量的连续监测，提高加氯自动化程度，这是实现合理加氯的关键。 如管道过长余氯不足时，要考虑中途加氯。此外，当水中铁、锰含量高时要先对 原水进行除铁、锰预处理，使原水处理达到国标要求再予以加氯清毒。 ( 5 ) 加强管网水质的测定与预测 为了掌握管网水质变化，供水企业应按规定对管网采样点的水样进行定期分 析。如条件许可，可在管网适当地点设置余氯连续测定仪、浊度测定仪，超过一 定数值就报警。现在水质预报软件已经问世，它根据生物可降解有机物、细菌、 余氯、p h 值、水温等参数与水质变化的关系，可以预报管网中的余氯、细菌等 指标的变化，为改善管网水质提供决策依据。 1 1 4 配水管网水质预测模型的研究意义 城市配水管网担负着将生活饮用水从水厂向用户输配的重要任务。然而，在 这个过程中，由于在管道中发生的物理、化学以及生物作用，给水管网中多水源 不同水质的水的混合，管网系统本身的水力特性的作用，在储水设备中停留的时 间太长等，基于以上原因，输送给用户的水质在管网系统中随空间上和时间上的 变化而发生了变化【6 j 。所以，改善配水管网水质是提高用户水质的一个重要环节， 也是目前供水企业提高供水水质的一个薄弱环节。在复杂的城市输配水管网系统 中，不可能现场检测所有管段和节点上的水质变化，但是，运用计算机模拟管网 水质，则可以全面了解水质在整个管网中的近似分布情况。研究出厂水在配水管 网中的水质变化规律，建立配水管网水质模型，提出相应的控制措施，为供水企 业改进供水技术、加强供水管理提供可靠的理论基础，对于提高供水水质具有重 要的现实意义。 东京都水道局水质中心为确保供水水质安全，在供水区域内设置4 5 个自动 水质检测器，可自动检测7 个数据( 水温、浊度、色度、p h 、余氯、电导率、 水压) ，并实时地将数据传到水质中心，跟踪管网水质变化，评估管网的水质， 利用管网水质模型通过计算机全面掌握、监控管网水质。可见，在管网上设置必 要的水质检测点，建立管网水质模型，利用计算机遥测技术是实现管网水质科学 管理的方向i 。 近年来，在给水系统中保证水质越来越引起人们的重视。因此，利用计算机 来模拟水质变化的需求日益增强，这样能够达到预测和模拟整个管网中水质的目 的。 天津大学硕士学位论文第一章概述 在美国，各供水企业早已明确了这样的认识，几乎所有的供水企业都已建立 起一套各自的管网水质模拟模型。美国国家环保局( u s e p a ) 总结各水司的成功 经验，研制并向全国推广了一套功能齐备，准确度十分高的管网水质分析和模拟 软件系列e p a n e t 。目前，最新的于2 0 0 1 年推出的e p a n e t 2 0 已是其第三代产 品。在西欧如法国、英国、荷兰和亚洲的日本等一些发达国家的重要城市，也建 立起了各自的管网水质模型，经过较长时间的使用，积累了丰富的经验，在模型 的准确度和实用性两方面都达到了很高的水平。 我国于九十年代开始研究配水管网的水质变化问题，虽然取得了一些成果， 但这些成果的水平离国际先进水平还有相当的距离。长期以来，我国大多数城市 供水管网的日常操作( 水源调度、管网的维护与更新等) 主要依靠经验而不是建立 在科学的理论计算之上。与此同时，由于我国许多城市普遍存在水资源短缺的问 题，因此，节水、治污等一系列工作都显得尤为重要。必须采用科学高效的现代 化管理手段，将供水这一“非流程工业”实现自动化、信息化，从而达到节约水 。资源，保护水环境的目的。采用科学合理又简单可操作的数学模型是解决复杂管 网的规划、调度、故障监测、水质监控等问题的关键【引。因此，开展输配水管网 水质的模拟和研究在我国具有重要的现实意义。 建立配水管网水质模型，可以使研究者更加充分地认识水质参数在配水管网 中的分布情况和变化规律，是研究配水管网中存在的水质问题的一种辅助工具， 是水环境污染治理规划决策分析中不可缺少的重要工具，有利于提高人们对饮用 水水质的认识，可以有效地指导生产，加强对供水水质的控制。其主要意义和作 用可以归纳如下： 模拟水质参数在配水管网中随着时间和空间的变化规律，以及它们之间的 相互促进或抑制关系； 确定配水管网中影响水质变化的因素，各因素之间的相关关系及对水质变 化的贡献率； 辅助选择合理的水质监测点，使水质监测点采集的水样更具有代表性： 确定水质事故发生的原因、地点以及影响的区域； 提供改善管网水质的控制措施，包括建议改进水处理工艺，优化氯的投加 量，确定是否采取在管网中设置中途加氯站及最优位置，更换某些管道或刮管 涂衬等等； 确定流速等水力条件对水质变化影响，提出保持水质稳定的流速。 天津大学硕士学位论文 第一章概述 1 2 国内外研究现状 出厂水经配水管网到达用户的过程中，会发生复杂的物理、化学、电化学、 微生物学等作用，导致水质恶化。因此，为了保证到达用户的水能够符合水质标 准，许多研究者已经致力于配水管网水质模型的研究。配水系统水质模型是指利 用计算机模拟水质参数和某种污染物质在管网中随时间、空间的分布，或者模拟 某种水质参数产生变化的机理。国外学者对水质模型的研究起步较早，这方面的 研究大约开始于2 0 世纪7 0 年代，而国内在2 0 世纪8 0 年代中期才开始管网水质的研 究。 从1 9 8 0 年w o o d 提出基于稳态水力模型的水质模型后，1 9 8 6 年c l a r k 9 】等提出 了一个能够在时变条件下模拟水质变化的模型，g r a y m a n 等在1 9 8 8 年提出了一 个类似的水质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟”0 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。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，直到9 0 年代末国内才建立了几种配水系统水质模型，吴文燕博士【1 0 1 【l l 】 对余氯在配水管网中的变化规律进行了模拟和校核，李欣博士【1 2 】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。但目前，国内外研究的配水系 统水质模型中可以应用于实际的为数不多。 按照模拟系统的水力状态，配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水 质模型；按照研究所涉及的水质参数，可分为余氯衰减模型。消毒副产物 ( d i s i n f e c t i o nb y p r o d u c t s ，d b p s ) 模型和微生物模型。 稳态水质模型是在静态水力条件下利用质量守恒的原则来确定某种组分浓 度在配水系统中的时间和空间分布。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。典型的稳态水质 模型是w o o d 于1 9 8 0 年提出的，模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程： ( q c ) 加+ ( q c ) 。，= 鲒乞 ( 1 - 1 ) 式中：q 进、出节点的流量( m 3 s ) ； c 进、出节点的浓度( m g l ) ； q 。在节点处进、出系统的流量( m 3 s ) ； c “r _ 在节点处迸、出系统的浓度( m g l ) 。 类似于w o o d 的模型，m a l e s 等3 j 提出了在稳态系统下混合问题的一个算法， m u r p h y 为管网中的稳定流提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布。 由于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 天津大学硕士学位论文 第一章概述 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。 动态模型是在配水系统变化( 如需水量) 和其他因素在时变条件下模拟组分 的移动和转变。l i o u s 和k r o o n m 1 提出了一种可计算配水管网水中物质的衰减和生 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。r o s s m a n 等【l5 】提出了用离散体积元素法( 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，把配水管网看 作是由有限的一些链接组成，给物质质量在每个链接内分配了离散体积元素( 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。c h a u d h r y 禾l l s l a m 16 】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。这些模型的提出提高了对配水系统发生。 的动态水质变化和复杂过程的认识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选 择以及内存需要的降低，可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。强调水 质模型预测直接依赖于系统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水质模拟过 程的失败。 大部分水质模型是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学公式的基础 之上，并假设氯在配水管网中的衰减遵循一级反应动力学方程： g = q p 一盯 ( 1 2 ) 式中：c a 和c b 上、下游点处氯的浓度( m g l ) ； k 氯的衰减系数； t 两点之间水的传输时间( s ) 。 也有许多学者证明一级反应动力学公式不能够与配水管网中余氯的衰减特 征吻合。为使模型能够与试验数据匹配，h e r a u d 等使用了不同的衰减系数( 与管 材有关) ，其中有代表性的是r o s s m a n 等【l 7 】提出的一个基于质量传输的余氯衰减 模型。模型描述如下：假设氯沿着一条管段的消失是由于在主体水中和在管壁处 的反应造成的，且假设氯在管壁处的反应为关于管壁浓度的一级反应，并且这个 过程与氯向管壁传输具有相同的速率，最后得到余氯衰减表达式为： 生=一z，喜一乞cikkwl+七c了(i-ot 3 ) 一2 叫瓦一乞卜i 葩+ 七了 3 ) 式中：c 体积流中氯的浓度( m g l ) ； t 时间( s ) ： 天津大学硕士学位论文第一章概述 u 管段中的流速( m s ) ： x 沿管段的距离( m ) ； k b 体积流中衰减速率常数； k r - 质量传输系数： r h 一管段的水力半径( 管段半径的1 2 ) ( m ) ； k 一单位长度、时间管壁衰减常数。 r o 嘶g l l e z 等人【1 8 】提出一个新的模型人工神_ , t - z e n 络模型( a n n ) ，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。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，对两个供水系统进行 的模拟表明在水温较低时一级模型显示了较好的效果，而在水温较高时a n n 模 型则显示了较好的预测。a n n 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、有代表性的氯变化数据资 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a n n 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。在此基础上，r o d r i g u e z 和s e r o d e s 还 对供水管网中余氯衰减的线性与非线性模型进行了比较分析【1 9 】。 目前关于配水管网中消毒副产物变化规律的最新报道是w i n d s o rs u n g 等t 2 0 】进 行的研究，对消毒副产物的形成最终采取的模型为： t t h m s = a o h 一 j c o e l 一e x p ( - k f ) ) ”( u v 2 5 4 ) ”( 口妞) ，( 1 - - 4 ) 式中：c o 1 - e x p ( 一蛐 从氯投加点到取样点之间的耗氯量； t 传输时间( s ) ： a l g a e 藻类浓度( m g l ) ； 扒j 、m 、1 1 、卜指数系数。 对于t t h m s 中的主要成分氯仿： c h c l 3 ：= 2 3 10 6 o h 一 。_ 5 2 c oo e x p ( - k f ) ) 。5 6 ( u v 2 5 4 ) 。5 7 ( 口t g a p ) 。司1 。 ( 1 5 ) 对5 种标准的h a a s 模拟的结果为： h a a 5 - 4 8 1 0 4 伽一r c o e l - e x p ( 一k r ) ) 3 ( u v 2 5 4 ) n 3 4 ( 1 - 6 ) 这些方程从本质上说不是纯经验的，因为引入了温度、p h 值等参数，方程 反映了氢氧根离子浓度的重要性，为碱催化的水解反应。 配水管网微生物学水质模型研究的范围是细菌等微生物在配水系统中的再 生长问题，目前处于定性研究阶段，只有少量研究进行了定量模拟。p i r i o u 等【2 1 】研 究用p i c c o b i o 软件来预测配水管网中的细菌变化，在模型中用不同的数学方法 表达出悬浮细菌和固定细菌的区别，并把反应发生的位置分为三个部分：溶液中、 天津大学硕士学位论文第一章概述 水和生物膜交界面、生物膜内。 现有的配水管网水质模型研究的主要思想是，在计算机辅助和现场采集数据 的基础上，模拟某种水质参数在配水管网中的变化规律。主要集中于微生物学水 质和化学水质两个方面。微生物学方面研究包括对水中悬浮细菌再生长和管壁附 着细菌生长的模拟，以及细菌营养物质( a o c 和b d o c ) 浓度对细菌数量变化 的影响；化学方面研究包括余氯和消毒副产物( 三卤甲烷和卤乙酸) 在配水管网 中的衰减和增长规律及反应机理。而有些模型是建立在研究余氯衰减和细菌增长 之间关系的基础之上。目前研究最多且比较成熟的水质模型是模拟余氯在配水管 网中衰减规律的模型，但是，越来越多的研究将侧重于细菌营养物质浓度对细菌 生长的作用方面。 无论建立哪种管网水质模型，都是研究某种水质参数随着时间和空间在配水 管网中的变化规律，水质变化的研究总是建立在水力停留时间的基础之上，所以 建立可靠的管网水力模型是研究管网水质变化规律的基础。 1 3 课题研究的内容 本课题的研究分为两个阶段：第一阶段主要为水质资料的收集、整理与分析。 选择天津市某高校校园的给水管网作为研究对象，通过对配水管网上的监测点水 样进行现场测试和实验室实验来获取管网水质数据，整理分析数据资料以探求饮 用水在输配管网中的水质变化规律，通过机理研究结合实测结果确定各个控制指 标的影响因素；第二阶段是依据第一阶段得到的水质检测数据和分析结果建立输 配系统中饮用水水质数学模型，对未来的水质状况进行预测，并分析控制指标超 标的可能性和程度。在此基础上，结合实际情况提出可能的预防措施和控制措施， 最终达到提高供水安全可靠性的目的。具体研究内容包括： ( 1 ) 结合管网的特征，选取水质监测点，制定实验方案： ( 2 ) 进行充分的现场实测和实验室实验，获取足够的管网水质资料； ( 3 ) 数据整理，分析管网水中各个水质指标在管网中的变化规律，确定模型 建立的控制指标； ( 4 ) 根据确定的控制指标采用偏最小二乘回归的方法，建立管网水质预测模 型，并进行模型验证： ( 5 ) 分析模型对控制指标预测超标的可能性以及造成这种情况发生的原因， 并提出可行的解决措施。 天津大学硕士学位论文第一章概述 1 4 课题研究技术路线 本课题研究按以下技术路线进行： 图1 - 1 课题研究技术路线 1 2 天津大学硕士学位论文第二章管网水质分析和水质评价 第二章管网水质分析和水质评价 2 1 实验范围选择 2 1 1 实验区域的选择 在进行水质分析实验之前，首先要选择合适的供水区域作为实验区。在综合 考虑小区位置、面积等基本数据和实验条件的情况后，选择了北方某高校校园作 为实验区( 如图2 1 所示) 。 该大学是教育部直属国家重点大学，校园包括教学区和家属区，现有人口五 万多人，学校占地约1 5 平方公里。2 0 0 1 年全年用水总量3 0 3 4 8 万m 3 ，年排污 水量2 7 3 2 4 万m 3 。以2 0 0 1 年6 月为例，全校教学区内总用水量为2 0 9 万i n 3 f l 。 最高日用水量达9 0 0 0m 3 ，而且随着在校学生规模的扩大，用水量还将继续增长， 形势非常严峻。 目前该高校校园用水主要由天津自来水公司提供，现有六条进水管线( 其进 水位置见附图) ，管径分别为d n l 5 0 、d n 3 0 0 、d n 2 0 0 、d n 2 0 0 、d n 4 0 0 、d n 3 0 0 ， 输水流量一般在9 0 0 0 - - - 10 0 0 0m 3 d 。 由于本区，尤其是家属区管道布设比较密集，通过管网平差可知，许多管道 的流速都接近零。自来水入校后在管道中停留时间较长；水质发生变化与管道的 腐蚀程度密切相关。 图2 一l 北方某高校校园管网示意图 天津大学硕士学位论文第二章管网水质分析和水质评价 2 1 2 监测点布置 对示范区管网情况进行调研，确定监测点。进行水质监测是力求以管网中少 数点的水质反映整个管网水质状况，从而实现监测和控制管网水质的目的。国家 标准规定了采样频率和基于人口数的监测点数量，但对其选址仅有定性的叙述。 实际工作中应使监测点的选择最有代表性，即监测点水质合格时，足以保证尽可 能多的用户用水水质达标。采样点的布设原则是监测工作的重要环节，水质监测 点的选取通常遵循以下原则： ( 1 ) 出厂处设点的原则。在每个水厂出水处设立水质监测点，以测定处理 后水进入管网的水质状况，也就是管网水质模型主要的输入数据： ( 2 ) 管网末梢处设点的原则。因为在供水管网末梢处，水中消毒剂在水力 传输过程中浓度逐渐降低，致使水质状况随之下降，所以在管网末梢处设立监测 点对监测、控制整个管网的水质水平是非常必要的； ( 3 )