(硕士论文)供水管网水质可靠性与污染源定位研究.pdf

摘摘 要要 作为城市重要基础设施的供水管网 其安全可靠地运行是人民正常生产生活 的最重要保障 在供水管网安全输配领域的研究中 学者们大多着眼于管网的水 力安全性能 常常忽视了管网的水质安全问题 因此 本文从水质角度出发对管 网的水质可靠性评价 管网水质监测点布置方法与污染源定位三方面进行了深入 研究 为管网不同工况的管理与调度提供了一定的理论依据和决策支持 首先 本文对管网正常运行工况下水质可靠性评价进行了研究 利用路径熵 的分析方法 借助概率空间的概念 解释 定义了管网水质熵 并推导了管网水 质熵的计算公式 同时根据该计算公式建立了水质熵计算模型 在此基础上 本 文定义了单水源管网的水质最大熵与相对水质熵的概念 并以相对水质熵表征管 网水质可靠度 经对某市开发区供水管网分析计算 绘制出该管网等水质可靠度 分布图 利用此方法可以直观地找到管网水质可靠度较低的区域 并分析其造成 的原因 为管网有针对性的改造扩建提供了重要依据 其次 本文提出了一套供水管网水质监测点优化布置的方法 本文定义了上 游节点集合的概念 利用此概念找出管网中各节点的上游节点集合 并对其进行 筛选以保证污染事故发生后在一定的时间内监测点能够监测到水质异常 利用本 文定义的节点水质灵敏度的概念对管网所有节点进行求解 并在管网各大供水范 围内按照节点水质灵敏度降序排列的顺序逐点比选 全方位考虑该节点监测范 围 安装条件 施工难易程度 用户重要级别等诸多因素 在理论计算与实际条 件相结合的情况下最终确定最优的水质监测点布置方案 最后 在输水路径的理论基础之上 本文以惰性污染物为研究对象 提出了 一套较为完善的污染源定位模型 即在监测到水质异常的监测点的覆盖范围内对 各用户节点逐一进行污染源事故模拟 通过模拟结果与监测点实际监测数据的误 差分析 找到可能的污染源 并利用下一时刻监测点监测到的水质异常数据在第 一时刻定位结果中再次进行污染事故模拟 找到与第二时刻监测数据更接近的污 染源 在经历几个时刻的定位后 最终确定唯一的污染源位置 污染时间和污染 物浓度 关键词 关键词 供水管网 水质 路径熵 水质熵 水质监测点 污染源定位 abstract water distribution networks are important urban infrastructures whose safe and reliable operation is the most important guarantee for people s normal production and living in the research field of the security of water distribution networks researchers mostly focus on the hydraulic safety performance of networks but always ignore the water quality safety performance therefore this paper studied on three aspects which including the reliability assessment of water quality optimizing water quality monitoring stations and contamination source determination the outcome of this study could provide a theoretical basis and decision support for the management and scheduling under different conditions firstly the main purpose of this paper is to explore reliability assessment of water quality in water distribution networks using the path entropy method the water quality entropy was interpreted and defined by means of the concept of probability space this paper derived the calculation formula of water quality entropy and on this basis the calculation model of water quality entropy was built meanwhile the concepts of maximum water quality entropy and relative water quality entropy were raised and water quality reliability in single source networks was characterized by the value of relative water quality entropy the analysis of a network of developing area in a city shows that this assessment method can be used to search the area with lower value of water quality reliability in water distribution networks according to the distribution map of equal water quality reliability the method can also provide scientific guidance for the special reconstruction and expansion of networks secondly a new method of optimal location of water quality monitoring stations has been proposed the concept of upstream nodes set has been defined the upstream nodes set of each node could be found out using this concept and then the upstream nodes should be selected in order to make sure that the abnormality of water quality could be found by monitoring stations in several hours after pollution accident happened using the concept of water quality sensitivity defined in this paper the sensitivity of all nodes could be solved meanwhile in each extent of water works all nodes should be compared and selected according to the water quality sensitivity values of nodes in descending order during the process of comparing and selecting several factors such as the monitoring range installation conditions the difficulties of construction user important level and so on should be taken into consideration at last under the condition of the combination of theoretical calculation and actual situation a set of optimal monitoring station scheme could be determined finally based on the theory of the distribution path a relatively perfect model for contamination source determination has been proposed studied with inert contaminants as subject when monitoring stations measured the abnormal value the pollution accident simulated for each node within the monitoring range then the contamination source could be found by error analysis between simulation results and actual monitoring data the pollution accident were simulated again in the existed simulation results using the next moment abnormal water quality data afterwards the new results in this process could be much closer to the monitoring data at second time after the locating at several moments the location occurrence time and the concentration of the unique contamination source could be determined at last key words water distribution networks water quality path entropy water quality entropy water quality monitoring station contamination source determination 目 录 第一章 绪论 1 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 1 城市供水管网水质现状 1 1 1 2 城市供水管网水质突发性污染事故 2 1 1 3 城市供水管网水质影响因素及防治措施 2 1 1 4 课题研究意义 3 1 2 国内外研究动态 4 1 2 1 供水管网可靠性评价国内外研究动态 4 1 2 2 管网监测点优化布置国内外研究动态 5 1 2 3 管网水质突发性污染事故污染源定位国内外研究动态 6 1 3 主要研究内容与技术路线 7 1 3 1 研究内容 7 1 3 2 技术路线 8 第二章 供水管网水质可靠性评价 9 2 1 管网水质指标 9 2 1 1 余氯衰减公式 9 2 1 2 节点余氯计算方法 10 2 2 信息熵在供水管网中的应用 10 2 3 水质熵的定义 11 2 3 1 路径方法 11 2 3 2 概率空间 11 2 3 3 节点水质熵计算公式的推导 12 2 4 计算模型 15 2 5 水质最大熵 15 2 6 管网水质可靠度 16 2 7 实例分析 16 2 8 本章小结 19 第三章 管网水质监测点优化布置 20 3 1 上游节点集合的概念 20 3 2 节点水质灵敏度的概念 21 3 3 管网水质监测点优化布置方法 22 3 4 实例分析 23 3 5 本章小结 32 第四章 管网水质突发性污染事故污染源定位 33 4 1 管网水质污染物 33 4 2 管网水质模型 34 4 3 管网水质模拟软件 34 4 3 1 epanet 软件介绍 35 4 3 2 epanet 软件水质功能简介 35 4 3 3 epanet 软件的二次开发 35 4 4 管网水质突发性污染事故的模拟 36 4 5 管网水质突发性污染事故污染源定位流程 37 4 6 管网水质突发性污染事故污染源定位模型详解 40 4 7 实例分析 47 4 7 1 单监测点监测到惰性污染物情况下污染源定位分析 47 4 7 2 多监测点监测到惰性污染物情况下污染源定位分析 50 4 8 本章小结 53 第五章 结论与展望 54 5 1 主要结论 54 5 2 创新点 54 5 3 展望 55 参考文献 56 发表论文和参加科研情况说明 61 致 谢 62 第一章 绪论 1 第一章 绪论 随着社会经济的迅速发展与人民生活水平的日益提高 水资源已逐渐成为城 市进步与发展的限制性因素 然而近年来 我国饮用水安全事故频发 水污染事 件给城市生产生活带来了严重危害 因此 逐渐突出的饮用水安全问题 成为社 会关注的焦点 也成为供水领域研究的热点 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 城市供水管网水质现状 饮用水作为人们生产生活中必不可少的资源 其安全性与可靠性一直备受人 们关注 随着供水行业的不断发展 用户水量 水压的需求已不再是技术难题 如今人们关注更多的饮用水安全问题 2012 年 5 月 8 日 一则 全国普查自来水 合格率仅 50 消息的报道引发了公众对饮用水水质的担忧 据媒体调查称 2009 年住建部曾对全国城市饮用水水质状况做普查 但至今未公布数据结果 多位业 内人士称 此次检测结果实际合格率仅 50 左右 调查显示全国城市供水管网管 材质量普遍低劣 不符国标的灰口铸铁管占一半 一时间 全国饮用水水质问题 备受瞩目 2003 年 3 月 25 日一则新闻报道了广州市自来水不论是出厂水水质还是管网 水水质 其质量评价标准都优于国标 然而市民在自家水龙头发现水黄或有异味 甚至在二次供水设施的水池中发现摇蚊幼虫 红虫 让人不禁怀疑自来水的水 质是否真的达标 经调查分析 出现上述水质问题的主要是由于居民区内管网陈 旧出现水垢或管道敷设口径过大 导致水滞留时间过长出现了死水区从而影响了 用户水质 乌鲁木齐水质监测统计显示 从 2008 年起至 2009 年 6 月 4 日 共接到水质 投诉电话近 200 例 其中因管网老化影响水质的约占 30 居民对自来水认识不 足或使用不慎导致的投诉占到 70 2012 年 7 月 1 日 最新版的 生活饮用水卫生标准 已正式实施 但河南 郑州市市民仍在为自家水龙头流出的发黄 发浑的水儿发愁 郑州市不少高层住 宅居民反应自家自来水发黄 发浑甚至含沙 经郑州市自来水公司调查可知 造 成居民家中自来水水质变差的主要原因是由于管网过于老旧 管壁腐蚀严重 第一章 绪论 2 由此看来 供水管网水质状况令人担忧 为使得居民用户获取安全可靠的饮 用水 加强管网水质监测与改善提高饮用水水质是当前最有效的方法与途径 也 是迫在眉睫 亟待解决的难题 1 1 2 城市供水管网水质突发性污染事故 近年来 除日常生产生活中备受关注的供水管网水质安全问题 供水管网水 质突发性污染事故也逐渐成为关注的焦点 自美国 9 11 恐怖袭击事件之后 许 多国家开始纷纷担忧供水管网遭到物理 生物和化学方面的恐怖袭击 因此对于 突发性污染事故的相关研究逐渐成为热点 而在我国 由于在工业快速发展的年 代很多企业只注重生产总值的提高而忽略了生产过程中带来的污染 导致了一些 污染物泄露事故的发生 严重威胁了城市居民的正常生产生活 自 20 世纪以来 我国水质突发性事故频发 经调查统计 1996 2006 年全国 发生的突发性水污染事故中 有 16 起事故时由于工业污染造成的 98 起事故是 由于生活废弃物引发的水污染 38 起事故是管材老旧 腐蚀等供水设施问题引 发的 还有 17 起是由于农药污染导致的饮用水突发性污染事故 各类突发性水 污染事故导致居民饮用受污染饮用水后感染了肠道传染病 感染性腹泻以及化学 中毒等各种疾病 1 因此 国内频发的饮用水突发性事故使人们再次对饮用水水质安全问题引起 关注 如何保障饮用水水质安全 在面对突发性事故时如何采取应急措施将事故 影响范围降低到最小 已成为饮用水安全领域最新的研究热点 1 1 3 城市供水管网水质影响因素及防治措施 诸多的报道均反映了当今饮用水安全问题 然而找出问题的根源并采取有效 的防治措施才是供水企业在今后的运行管理中亟待解决的难题 首先 供水企业应加强水厂净化工艺 严格执行饮用水水质标准 2007 年 7 月 1 日 国家标准委和卫生部联合发布了最新版 生活饮用水卫 生标准 gb 5749 2006 该标准较之前的饮用水标准加强了对水质有机物 微 生物和水质消毒等方面的要求 统一了城镇和农村饮用水卫生标准 水质项目和 指标值的选择 充分考虑了我国实际情况 并参考了 who ec usepa 俄罗 斯和日本等国饮用水标准 实现了饮用水标准与国际接轨 2 按照新的饮用水卫生标准颁布和实施要求 我国城镇自来水企业经过一段时 间的改进或新建工艺 严格水质管理等 应能保证出厂水的合格率和稳定性 而 存在比较大的问题是如何将水厂合格的自来水通过输配管网安全输送到用户端 即饮用水的安全输配 第一章 绪论 3 由于一些城市地下管道敷设年代久远 管网水受到管材 腐蚀 结垢 管壁 生物膜 以及管网漏损等诸多二次污染因素的影响 这些潜在的安全隐患都需要 供水企业对管道进行更新 改造与加强管理来不断改善管网水水质 此外城市二 次供水设施 如蓄水池 高位水箱等卫生状况令人堪忧 对于二次供水设施的运 行管理与清洗维护应该引起高度重视 除此之外 用户使用饮用水的不良习惯也应及时改正 从而避免出现由使用 不当引起的水质污染 若用户误将某些排水设施与给水管网相连 也会导致用户端发生水质污染 例如 蹲式大便器若用给水管道进行直接冲洗时 当因排水不畅导致管道堵塞且 大便器内水位升高而达到溢流水位时 若此时管道内水压突然下降成负压 大便 器中的污水就很有可能会倒流虹吸到管道中 同理 当消火栓的皮管在水中淹没 时 或卫生器具上水龙头的安装高度低于溢流水位的情况下 都有可能出现污水 倒流而导致管网水质遭到污染的现象 3 在采取有效措施对饮用水安全进行保障的同时 还应针对突发性事故做好应 急预案 如 供水管网应具备较为完善的水质监测系统 能够实时监测管网水的 各项指标 当管网中水质指标发生异常时 应及时对管网污染源进行定位判断 找到污染源的位置 浓度 污染时间 通过在线监测手段和人工监测技术尽快分 析确定污染物的性质 并针对污染源和污染物性质 给出应急预案 形成一套完 整的突发性事故应急处理系统 1 1 4 课题研究意义 在这个经济迅速发展的时代 我国的供水基础设施 从业人员的运行管理技 能 以及一些供水企业的供水理念 都需要与我国的发展方向与速度相一致 然 而 制约供水行业快速发展的主要因素并不是饮用水的生产阶段 根据目前国内 外先进的净水工艺 国内大部分净水厂都能达到国家饮用水标准 诸多的水质事 故案例表明 影响用户饮用水水质达标的主要原因在于管网的老旧 腐蚀 管网 中蓄水设施的卫生安全问题所致 因此 在饮用水需要量不断攀升 饮用水水质 备受关注的今天 如何为用户提供既满足水压水量要求 又安全达标的饮用水成 为供水企业面临的一大难题 本文的目的是通过定量分析建立供水管网水质可靠性评价指标 并根据已有 管网水质监测数据对管网水质突发性事故污染源进行定位分析 本课题的研究成 果将有利于指导管网改扩建优化设计 为管网运行人员准确监测管网水质信息 以及应急处理水质突发事故奠定了理论基础 并提供了技术支持 对解决当前我 国供水行业面临的最大难题 提高用户龙头水质问题 有着重要的指导意义 第一章 绪论 4 1 2 国内外研究动态 1 2 1 供水管网可靠性评价国内外研究动态 供水管网可靠性评价 在国内外供水领域都是研究的热点 对此领域进行研 究的主要目的在于评价供水管网系统是否容易发生故障 是否能够按照标准规定 的水压 水质输配所需的水量等 因此 研究者采用不同指标来衡量管网可靠性 janet m wagner 等人对管网可靠性因素进行了详尽地分析 考虑了包括管段故 障 泵站故障 节点相关性事故以及系统事故等 20 种因素 4 基于各种影响因素的分析与考虑 许多研究者试图用各种方法对管网可靠性 进行分析评估与计算 1987年 su等人首次利用最小割集法对管网进行可靠性评 价计算 5 1988年 janet m wagner等人利用最小生成树法和情景分析法分别对 管网可靠性进行研究 4 6 1990年 yixing bao和larry w mays尝试采用蒙特卡 罗法 该模型将随机数发生器 管网水力模型和可靠性分析模型融合在一起建立 起供水管网可靠性评价模型 7 同年 lindell ormsbee和avner kessler对冗余路 径法在管网可靠性评价中的应用展开研究 8 此外 k awumah和i goulter首次 将信息熵的概念应用于供水管网的可靠性评价中 9 且在随后的几年中 tanyimboh t t和templeman a b在k awumah的研究成果基础上进一步对供水 管网系统熵 节点熵以及最大熵展开了一系列研究 10 13 自1993年开始 avi ostfeld所带团队开始着力研究供水管网可靠性评价 他先后对情景分析法和蒙特 卡罗法等不同算法都进行了深入研究 14 15 国内的管网可靠性评价研究工作起步较晚 自1996年开始 徐祖信等人利用 最小割集法和信息熵方法对管网展开了可靠性研究 16 17 1998年 张土乔等人 利用节点流量法对管网进行模拟分析计算 18 2000年 赵新华等人也开始探究 最小割集法以及不交化最小路法对管网可靠性进行模拟计算 19 20 此后 吴小 刚对环节法展开研究 并对阀门在管网可靠性分析中的作用进行了深入探讨 21 24 章征宝等人在2007年着手研究蒙特卡罗法在实例管网可靠性分析中的应用 25 由此可见 供水管网可靠性评价课题的研究自上世纪至今一直都是研究者 们的热点课题 这主要是因为保障实际管网安全输配是城市生产生活正常运转的 关键 管网可靠性研究也因此而变得更有实际价值和重要意义 而在供水管网可靠性评价的研究过程中 研究者一直将注意力集中在管网水 力可靠性评价上 仅考虑由事故造成的管网水力方面的影响 而忽略了事故给水 质带来的安全隐患 因此 本课题将以供水管网水质可靠性为研究重点 掌握管 网水质可靠程度 并根据评价结果提出改善措施 以提高城市供水管网的安全输 配能力 第一章 绪论 5 1 2 2 管网监测点优化布置国内外研究动态 供水管网监测系统按照用途主要分为压力监测系统和水质监测系统两种类 型 压力监测系统主要通过监测点压力变化来掌握供水管网压力分布状况 来对 系统运行工况进行优化调度 以保证管网中用户对水压 水量的需求 而水质监 测系统主要通过监测点水质指标变化来掌握管网中水质变化状况 来判断管网水 的水质在输配到用户时是否安全 达标 由此看来 监测系统优化布置的本质即 在供水管网中科学合理的选择有限的节点对其进行压力或水质参数的测定 并根 据监测数据判断整个管网是否处于正常安全运行状态 目前 国内研究者在压力监测系统优化布置方法领域的研究成果有很多 比 如 1989 年 王训俭等人从供水管网基本状态方程出发 利用灵敏度与聚类分 析的方法将节点水压变化规律归类 并利用影响度与被影响度的概念 确定压力 监测点的布置方案 以实现在线优化调度 26 2001 年 张卉 黄廷林等人提出 了压差相似系数的概念 用来表征某节点处产生的水压变化对其他节点的影响程 度 并通过聚类的方法将具有相同影响程度的节点分为一组 并对管网所有节点 进行归类 在每组节点中选择一个最具代表性的节点作为压力监测点 从而得到 压力监测系统的最优布置结果 27 2003 年 张宏伟等人利用水力学和拓扑学知 识建立了管网节点压力的灵敏度矩阵与方程 从而弥补了因经验布点带来的缺 陷 最终得到最优的监测点布置方案 28 2004 年 郭思远 刘遂庆等人利用管 网已有监测数据建立了压力监测系统信息量的优化模型 并利用残差 信息损失 比率及逐步回归的方法确定了管网监测点的优化布置方案 29 2005 年 周书葵 和许仕荣结合图论与聚类分析方法 提出一种能够反映节点流量变化的压力监测 点布置方案 以有效对管网漏水或爆管事故进行实时监控 30 随着压力监测系统优化布置研究的不断成熟与饮用水安全问题的不断突出 许多研究者开始着手研究水质在线监测系统的优化布置 传统的水质监测系统主 要用于监测水从水厂到用户的输配过程是否因管道二次污染导致的水质恶化 且 水质监测点一般为方便取样选择建在消火栓 蓄水池 加压站以及商业公建等地 点 然而 在管网发生污染事故时 这种单凭经验布置的水质监测点很难反映整 个管网的水质状况 因此需要对实际供水管网建立有针对性的布点方法 avner kessler和avi ostfeld等人是最早针对供水管网突发性污染事故展开监 测点优化布置研究的 他们针对管网水质监测系统提出了 q 服务水平 的概念 即当管网发生水质污染事故时 监测系统在用户消耗q体积污染水之前发出警报 基于此概念建立了监测点优化布置模型 并对其进行求解 31 arun kumar等人 提出了 t 服务水平 的概念 即当管网发生水质污染事故时 至少有一个监测点 能够在t小时内检测到污染物并发出警报 依次将管网中每一个节点视为污染源 第一章 绪论 6 通过管网水质模型计算 t 服务水平 内每个节点作为监测点的有效性 32 郭姣 信昆仑等人于2007年对国内外水质监测系统优化布置方法进行了综合阐述和分 析比较 并提出了将传统常规水质监测与突发性污染事故监测相结合的优化方法 33 34 张土乔 黄亚东等人也曾提出针对突发性污染事故的管网水质监测点优 化布置模型 以及考虑供水管网可靠性的水质监测系统优化布置模型 35 37 经过大量研究 供水管网在压力和水质监测点优化布置领域均各自有较为公 认的方法 但均存在一些问题 因此 本课题在综合分析比较国内外供水管网压 力和水质监测点优化布置的基础上 利用一种新的思路提出一种供水管网水质监 测点的布置方法 对实际管网建立水质在线监测系统具有一定的科学依据和指导 意义 1 2 3 管网水质突发性污染事故污染源定位国内外研究动态 近年来 由于城市供水管网突发性污染事故频发 且污染事故给城市生产生 活带来了较大影响 因此 污染源定位研究在国内外都成为研究热点 研究者致 力于当管网发生污染事故时能够快速实现污染源定位 并采取应急措施 从而尽 可能的减小污染范围和受影响人口 污染源定位主要依据管网监测点的水质监测数据 即通过管网水质监测点监 测到的水质指标异常值对管网污染事故进行分析与定位 从而找到污染源的位 置 污染浓度 事故发生时间等重要信息 以指导管网运行管理工作人员及时采 取合理的水质应急措施 污染源定位问题可以看作是管网水中污染物推移过程的逆向求解问题 2003 年 bart g van bloemen waanders等人利用标准连续二次规划法来求解小型供水 管网的污染事故问题 2005年 carl d laird等人提出了一种利用非线性规划方 法建立的污染源追踪算法来计算管网中各节点的污染浓度 38 在2005年的研究 结果的基础上 2006年 carl d laird等人利用混合整数二次规划方法对污染源 追踪问题进行了进一步的求解计算 39 2006年 jiabao guan等人利用epanet作 为管网水质污染模拟器 研究了利用既约梯度法求出污染源的位置 污染浓度以 及事故发生时间 40 同年 ami preis和avi ostfeld等人利用关系树 线性规划法构 造了一种管网污染源定位的算法 41 2008年 ami preis和avi ostfeld等人又将 epanet和遗传算法等其他算法相结合 用来求解供水管网污染源定位问题 42 43 此外 随着贝叶斯网络理论的不断发展 该理论被引入到供水管理系统 44 45 供水管网漏损定位 46 供水管道风险评价 47 以及传感器优化布置 48 等方面的研 究中 且诸多研究者将贝叶斯网络应用于供水管网监测点布置和污染源定位研究 中 44 48 49 第一章 绪论 7 随着近年来饮用水安全问题愈加备受关注 国内许多管网领域研究者也纷纷 开始对污染源定位课题展开相关研究 吕谋 王梦琳等人以高浓度次氯酸钠作为 污染物注入试验管网模拟污染事故 通过获取水质监测点的监测数据 利用拉格 朗日反追踪模型对污染源进行定位 50 51 此外 盛希夫对国内外供水管网污染 源定位方法 梯度下降法 关系树 线性规划法 离散最优化法 反向追踪概率 密度函数法 非线性规划法和遗传算法进行了综合讲解与分析 52 可见 供水管网污染源定位课题由于管网拓扑结构错综 污染物推移过程复 杂 该课题的研究难度较大 国内污染源定位课题的研究工作尚处于起步阶段 因此 本课题关于管网污染源定位的研究是在国内外研究者的成果基础上进一步 对该课题进行深入研究与探讨 为今后实际因管网突发事故而采取应急处理措施 提供一定的技术支持与科学依据 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 研究内容 本课题基于城市饮用水安全输配背景 围绕城市供水管网展开相关研究 主 要研究内容包括 1 供水管网水质可靠性评价 利用新的思路与方法定义供水管网水质可靠性评价指标 通过管网水质可靠 性研究 评价实际供水管网在发生事故时对用户水质的影响程度 找到管网水质 薄弱环节 并对管网安全输配改造提供依据 2 供水管网水质监测点的优化布置 基于国内外压力和水质在线监测点优化布置方法 利用新的思路提出一套理 论计算与实际条件相结合的供水管网水质监测点优化布置的方法 便于管理人员 通过监测数据发现水质异常状况 并为后续水质突发性污染事故污染源定位的研 究奠定理论基础 3 管网水质突发性污染事故污染源定位 综合分析比较国内外水质突发性污染事故污染源定位的方法与思路 提出一 套较为完善的污染源定位模型 用于对发生水质突发性污染事故的供水管网进行 污染源定位 能够迅速准确地确定可能污染源的位置 污染时间和污染浓度 为 运行管理人员在应对实际管网水质突发性污染事故时提供污染源定位的理论依 据和技术支持 综上所述 本课题主要围绕供水管网水质分析与评价 管网水质监测点布置 第一章 绪论 8 以及水质突发性事故污染源定位等内容展开一系列研究 研究过程涉及到数学 物理 信息 计算机等多门学科知识的交叉应用 且研究成果实用性较高 能够 指导供水企业进行管网改造来提高用户水质 并为供水企业对管网运行管理以及 应急处理等日常工作提供科学依据 1 3 2 技术路线 根据上述主要研究内容 本课题研究的技术路线如下图所示 文献综述并总结现有管 网水质可靠性评价 监 测点优化布置及污染源 定位的方法 管网水力 水质 理论基础 利用epanet软件建立 管网水力 水质模型 管网水质监测点 优化布置模型 定义上游节点集 合的概念 基于 此概念提出一种 供水管网水质监 测点布置方法 管网水质突发性 污染事故污染源 定位模型 综合国内外污染 源定位方法 提 出一套较为完整 的定位模型 管网水质可靠 度计算模型 利用路径的方 法定义并推导 水质可靠度计 算公式 给出 计算模型 实例管网分析与应用 图 1 1 技术路线图 第二章 供水管网水质可靠性评价 9 第二章 供水管网水质可靠性评价 作为城市重要基础设施的供水管网 其安全可靠地运行是人民正常生产生活 的最重要保障 在供水管网性能评价的研究中 学者们大多着眼于管网的水力安 全性能 常常忽视了管网的水质可靠度问题 当管网发生爆管 漏损等水力事故 时 影响范围仅局限于事故管段及周边管段 而当管网某处水质出现异常时 其 下游管网所有用户都将受到影响 可见 管网水质问题与水力相比 影响范围更 大 且发生事故后更难处理 因此 从水质角度出发研究管网的可靠性评价方法 更有意义和价值 2 1 管网水质指标 水在配水管网中的流动与停留 会受到来自管道的物理 化学以及生物污染 为了更好的研究管网中水质的变化规律 首先应该选择具有代表性的水质指标来 表征管网水质的安全性 常用的管网水质评价指标包括余氯 浊度 细菌总数 水龄等 许多试验研究表明 管网水的浊度 水温 ph 微生物均可影响水中 的余氯的衰减 53 而余氯又对管网水中微生物的再生长起控制作用 54 故余氯 是评价管网水质生物和化学稳定性的重要指标 我国城市净水厂绝大多数采用氯 消毒 按国家住建部要求各级供水企业都要设有管网余氯在线监测系统 可实时 获得管网余氯数据 因此本文采用余氯作为表征水质安全可靠性的指标 下面介绍一下管网中余氯衰减公式与节点余氯计算方法 55 2 1 1 余氯衰减公式 水在配水管网中通常会受到来自管道的二次污染 因此氯在水的输配过程中 呈现出一种衰减的趋势 且通常采用一级反应来描述这个衰减过程 即 0 kt t cc e 2 1 式中 t 反应时间 h k 反应速率常数 c0 t 0 时刻的余氯浓度 mg l ct t 时刻的余氯浓度 mg l 第二章 供水管网水质可靠性评价 10 2 1 2 节点余氯计算方法 当管网中某节点有多条上游管段时 该节点余氯浓度为上游管段汇入节点混 合前 即管段终端 余氯浓度的流量加权 计算公式如下 ijij i u j j ij i u j q c c q 2 2 式中 u j 节点 j 的上游节点的集合 cj 节点 j 的余氯浓度 mg l ci 节点 i 的余氯浓度 mg l qij ij 管段流量 l s cij ij 管段的终端余氯浓度 即经 ij 管段水流汇入节点 j 混合前的 余氯浓度 mg l 2 2 信息熵在供水管网中的应用 熵原本用来描述热力学第二定律 1948 年 shannon 提出了信息熵的概念 用于表征信源的不确定性 56 他利用信息与事件发生概率互为倒数的关系 定 量地度量了在某个概率空间下事件发生的不确定性 其表达式如下 1 ln n ii i skpp 2 3 式中 s 信息熵 k 任意正常数 通常取值为 1 pi 事件在 i 1 2 3 n 情况下的发生概率 其中 概率函数 pi满足如下关系 1 1 01 n ii i pp 2 4 pi i 1 2 3 n 构成了整个概率空间 随着信息熵的应用领域不断扩大 awumah 于 1990 年首次将信息熵应用于 给水管网冗余度和可靠度的计算中 9 57 但他所定义的概率空间中概率事件并不 是相互独立的 tanyimboh 等人提出了更为合理的系统熵的概念 介绍了利用路 径的思路求解管网最大熵的方法 10 13 并对熵在管网水力可靠度和优化设计中 的应用进行了研究 12 58 文献 59 系统阐述了路径熵的计算模型 在这些研究中 研究者大多以信息熵作为量化指标从拓扑结构冗余性和管段流量分配均匀性两 第二章 供水管网水质可靠性评价 11 方面入手对管网的可靠性进行评价 但忽略了水质因素对于管网可靠性的影响 文献 60 曾提出过水质熵的概念 但未给出水质熵的物理意义 也缺乏熵值计算 公式的推导过程 本章利用路径方法重新定义了水质熵的计算模型 并对水质熵 进行了详细而系统的推理与阐述 2 3 水质熵的定义 2 3 1 路径方法 tanyimboh 在求解管网最大熵 13 时已经利用了路径的概念 文献 59 曾阐述过 路径熵的概念 即度量水流对路径选择不确定性程度的信息熵称为路径熵 管网 中每一个节点都有一组对应的路径 即水厂从每条路径都能将水输配至该节点 这里的路径是一个抽象的概念 并不是节点实际的上游管段 但各路径流量之和 构成了管段流量 因此 若各路径相互独立 无重复部分 那么每个节点的路径 流量即可用信息熵的概念进行分析与计算 然而 文献 59 阐述的路径熵仅考虑 了管网中的流量分配 本质上反应的是管网的水力性能 而忽略了水质性能 本 章将仅考虑水力性能的路径方法拓展到水质评价中 以此构成如下概率空间建立 了管网水质熵模型 2 3 2 概率空间 根据节点余氯公式 2 2 可知 节点汇入总流量与节点余氯浓度的乘积等 于各上游管段流量与该管段终端余氯浓度乘积之和 若将此概念扩展到路径概念 中 即可得到以下结论 节点路径流量之和与节点余氯浓度的乘积等于各路径流 量与该路径终端余氯浓度乘积之和 用公式表示如下 11 nn iii jjjjjj ii f cf cq c 2 5 式中 i j f 节点 j 第 i 个路径的路径流量 l s i j c 水通过第 i 个路径到达节点 j 的终端余氯浓度 mg l j c 节点 j 的余氯浓度 mg l n 节点 j 的路径数 j q 节点 j 的路径流量之和 l s 基于此理论基础 定义如下概率空间 第二章 供水管网水质可靠性评价 12 1 iiii jjjji jn i jj jj i f cf c p q c f c 2 6 由公式 2 5 可推知以下关系 11 1 ii nn jjjji j ii jjjj f cq c p q cq c 2 7 因此 上述定义的概率事件满足关系 2 4 基于上述概率空间与信息熵的表达式 2 3 定义节点水质熵公式 1 ln iiii n jjjj j i jjjj f cf c s q cq c 2 8 2 3 3 节点水质熵计算公式的推导 由公式 2 8 可知 节点水质熵的计算需已知该点所有路径的路径流量 但在实际管网的分析计算中只能获取类似管段流量这类较为宏观的数据 根本无 法获得微观上的路径流量 故公式 2 8 只能作为定义式而不能对节点水质熵 进行求解 因此 本文对节点水质熵的计算公式进行了如下推导 图 2 1 节点关系示意图 如图 2 1 所示 设 a1 a2 a3为 j 的上游节点 从水源点到 a1 a2 a3的路 径数分别为 k m 和 n m k 个 每个路径均有各自的路径流量和路径终端余氯浓 度 即 a1 a2 a3分别对应着各自的集合 a1 11 ii aa fc 1ik a2 22 ii aa fc 1ikkm a3 33 ii aa fc 1ikmn 第二章 供水管网水质可靠性评价 13 同理 j ii jj fc 1in 设 1 1 k i j i ft 2 1 k m i j i k ft 3 1 n i j i k m ft 即 j 点经过 a1的 k 个路径流量之和为 t1 经过 a2的 m 个路径流量之和为 t2 经过 a3的 n k m 个路径流量之和为 t3 设 qj为 j 点所有路径流量之和 那么 123j tttq 同理可知 11 1 k i aa i fq 22 1 k m i aa i k fq 33 1 n i aa i k m fq 设 1 a j q 2 a j q 3 a j q 分别为管段 a1j a2j a3j 的管段流量 qj为节点 j 汇入流 量之和 即 123 a ja ja jj qqqq 基于路径流量性质的推导 61 有如下关系 1 1 2 2 3 3 1 2 3 1 1 1 ii aj a ii aj a ii aj a ff ik qt ff ikkm qt ff ikmn qt 2 9 1 2 3 1 2 3 a j jj a j jj a j jj q t qq q t qq q t qq 2 10 将 2 9 带入水质熵公式 2 8 分别计算 a1 a2 a3的水质熵可得 11 1 11 1 11 ln iiii k jaja a i aa f cf c s tctc 2 11 22 2 22 1 22 ln iiii k m jaja a i k aa f cf c s t ct c 2 12 33 3 33 1 33 ln iiii n jaja a i k m aa f cf c s t ct c 2 13 第二章 供水管网水质可靠性评价 14 设管道内余氯衰减服从一级反应动力学方程 2 2 即 1 11 11 2 22 22 3 33 33 1 1 1 a j a ja j j a j a ja j j a j a ja j j l k ktv iii aa l k ktv iii aa l k ktv iii aa cc ec eik cc ec eikkm cc ec eikmn 2 14 式中 i j c 水通过第 i 个路径到达节点 j 的终端余氯浓度 mg l 1 i a c 水通过第 i 个路径到达节点 a1的终端余氯浓度 mg l k 反应速率常数 1 a j t 水经过 a1j 管段所经历的时间 h 1 a j l a1j 管段的长度 m 1 a j v 水经过 a1j 管段的流速 m s 设 1 a j c 2 a j c 3 a j c 分别为管段 a1j a2j a3j 末端余氯浓度 将节点余氯计算 公式 2 3 推广到路径 可知如下关系 1 2 3 1 1 2 1 3 1 k ii jja j i k m ii jja j i k n ii jja j i k m f ctc f ct c f ct c 2 15 根据节点水质熵定义 2 8 可知 111 lnlnln iiiiiiiiiiii kk mn jjjjjjjjjjjj j ii ki k m jjjjjjjjjjjj f cf cf cf cf cf c s q cq cq cq cq cq c 2 16 将公式 2 9 2 15 带入 2 16 经数学整理可得到 j 点的水质熵计算公 式 11112222 3333331122 123 lnln ln a ja ja ja ja ja ja ja j j jjjjjjjj a ja ja ja ja ja ja ja ja ja j aaa jjjjjjjjjj q cq cqcqc s q cq cq cq c qcqcqcq cqc sss q cq cq cq cq c 2 17 将公式 2 17 改写为水质熵一般形式 第二章 供水管网水质可靠性评价 15 ln ln ajajajajajaj ja a u j jjjjjj ajajaja a u j q cq cq c ss q cq cq c ppp s 2 18 2 4