（环境工程专业论文）输配水系统水质统计模型的研究.pdf

中文摘要 给水厂处理后的合格的生活饮用水，在经过复杂的城市输配水管网输送到用户 时，可能会有明显的水质变化，从而使水质不合格。为了改善管网的水质，加强对 管网水质的运行管理，有必要了解水质在管网中的分布情况。本文以天津某高校管 网和华北地区某保税区供水管网为研究对象。以保障饮用水的水质安全为研究目标， 系统深入地研究了输配水管网水质统计模型的建立和校核。 结合示范区的实际情况，制定了管网水质监测的实验方案，对其中的水质监测 点分别进行了为期一个月，频率一天一次的监测和为期三天，频率每隔一小时次 的监测。通过实验分析获得了大量的建模基础数据。 选择浊度作为模型的控制指标。选用统计回归和人工神经网络方法建立管网水 质统计模型。采用数据分析软件s a s 建立多元回归统计模型并进行求解，采用m a t l a b 编写了人工神经网络的训练和校核程序。对示范区内的所有的监测点建立水质模型， 并对管网水的浊度进行了预测。结果表明实测值与模拟值吻合得较好，模型的精确 度较高，能够反应管网中水的浊度的变化情况。就应用效果而言，两种方法建立的 统计模型的预测效果相当，都能应用于实际。在浊度过大或者过小的情况下，神经 网络的效果要比统计回归理想。 结合示范区的实际情况，建立永质统计模型必须以大量的数据作为基础。因为 有代表性的数据是保证模型的准确性和精度的保障，以及模型的应用结果，本文提 出了提高模型精度的方法以及获取更有代表性的数据的策略。 关键词：输配水系统水质模型浊度统计回归 人工神经网络 a b s t r a c t w a t e rq u a l i t ya l t h o u g ha c c e p t a b l ew h e ni tl e a v e st h et r e a t m e n tp l a n tm a yd e t e r i o r a t e b e f o r ei tr e a c h e st h eu s e rt h r o u g hd r i n k i n gw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h ep u r p o s eo f t h i sp a p e ri st og u a r a n t e et h es e c u r i t yo fw a t e rq u a l i t yw h e ni tr u n st h r o r i g l lw a t e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h ep a p e rt a k e st h ew a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mo fat i a n j i nc o l l e g e a n dan o r t h - c h i n aw a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka so b j e c t s as y s t e m i ca n dp r o f o u n dw o r k o nt h ef o u n d a t i o na n dc a l i b r a t i o no f w a t e rq u a l i t ym o d e li sd o n ei nt h i sp a p e r aw a t e rq u a l i t y - m e a s u r i n gs c h e m ei sf o r m u l a t e d ，a s s o c i a t i n gt h ep r a c t i c eo fw a t e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mo ft h ed e m o n s t r a t i o na r e a s w a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o ni so b t a i n e d f r o mo n - s i t em o n i t o r i n ga n dl i b r a r ym e a s u r i n gt ot h es a m p l i n gp o i n t so f n e t w o r k s t h i sp a p e rp r e s e n t st h ea p p l i c a t i o no ft w oe m p i r i c a lm o d e l sf o rs i m u l a t i n ga n d f o r e c a s t i n gt u r b i d i t yw i t h i nd r i n k i n gw a t e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m s t h ef i r s ti sam u l t i v a r i a t e l i n e a rr e g r e s s i v em o d e lw i t hd a t aa n a b ，s i st o o ls a s ；t h es e c o n di sa na r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r km o d e lw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o lm a t l a b t h ed e v e l o p m e n to fb e t h m o d e l si sf o u n d e d6 nr e p r e s e n t a t i v ed a t af r o mt h et w od r i n k i n gw a t e rs y s t e m sm e n t i o n e d a b e v e t h er e s u l t sd e m o n s t r a t eb o t hm o d e l sh a v eas a t i s f a c t o r ye f f e c t ，a n dc a l lb eu s e dt o t h ep r e d i c t i o no fp r a c t i c a lw a t e rs u p p l y s y s t e m i n e v a l u a t i n ga l lt h eg i v e nd a t a , s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o was i m i l a rp e r f o r m a n c ef o rb o t ho ft h em o d e l s h o w e v e r , f o r s p e c i f i ct r e a t m e n tc o n d i t i o n so fv e r yh i 曲o rv e r yl o wt u r b i d i t y , t h ea r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r km o d e lg i v e sb e t t e rp r e d i c t i o nt h a nt h em u l t i v a r i a t er e g r e s s i o nm o d e l r e p r e s e n t a t i v ed a t ai s t h ef o u n d a t i o no fw a t e rq u a l i t ye m p i r i c a lm o d e ls ot h a t s t r a t e g i e sa r ed e s i g n e dt oi d e n t i f ym o r er e p r e s e n t a t i v ed a t af o rf u t u r e ，b a s e do nt h e e x i s t i n gs t a t eo f t h ed e m o n s t r a t ea r e a s 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 m u l t i v a r i a t er e g r e s s i v em o d e la r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 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，也不包含为获得鑫注盘茔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：易知磐r 签字日期： y i 年，月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权丞生盘生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) 学位论文作者签名：罨拓驺一一 导师签名 狲鲜 签字日期：妒f 年 月j ，日 签字日期：刀 f 年月易目 天津大学硕士论文 第一章概述 1 1 课题的提出 1 1 1 管网水质污染概况 第一章概述 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。”。 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。 水从水源取得后，要经过供水厂的处理，通过供水管网的输送，才能最终供用 户使用。以往人们的注意力大都集中在水源水质和水厂的处理工艺上，力求出厂水 水质达到供水要求，但是对于水质在城市输配水管网中的变化则没有给予应有的重 视。 实际上，输配水管网是供水系统的一个重要组成部分，自来水从出厂水到达用 户的过程要经过庞大的输配水管网，虽然自来水出厂时已达到饮用水的卫生标准， 但在管网中一方面要发生一系列复杂的物理、化学、生物反应，另一方面由于管网 的二次污染而使水质降低，以至于到达用户时不能满足饮用水的卫生标准。 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。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 天津大学坷i 士论文第一章概述 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 1 l m g 1 ；细菌总数由6 6 c f u m 增加到2 9 2 c f u m l “1 。 管网二次污染带来很多方面的危害，主要表现在：不稳定的水质产生微量的化 学性沉淀，供水水质中铁、钙、镁和微生物等物质沉积于管壁内，形成了“后混凝” 层，腐蚀性水将铁氧化成氢氧化铁或氧化铁沉积结垢，当水的流向或流速发生较大 的变化时会产生浑浊或红水现象；水中微生物形成凝聚时，发生异臭，使水质变坏； 由于取水水源的有机物污染日趋严重，导致水中的有机物含量增加，现在普遍使用 的是氯消毒技术，有机物又有可能和管网中的余氯形成消毒副产物d b p ( 如三卤甲 烷、卤乙酸等) ，这些有机物和消毒副产物都会对人的健康带来危害。由此可见，二 次污染问题不容忽视，亟待加以解决。 1 1 2 管网水质污染产生的原因 造成供水管网水质污染的原因是多方面的，从本质上看，可以归结为两个根本 因素：管道的材质与内表面( 防腐处理和内衬) 特征，管网水的不稳定性，如有机物 的含量与类型等。水质污染的具体表现为管道腐蚀、内衬( 防腐) 材料析出和细菌生 长等。其中管道腐蚀问题最为突出，造成金属管道被腐蚀的形式主要是化学、生物 学和电化学腐蚀，其中电化学腐蚀最为常见。 关于二次污染问题的影响因素有很多种，如市政给水管网的老化、锈蚀、结垢， 以及水箱、水池管理不善，施工及抢修不按规范操作等。 1 1 2 1 管材对水质的影响 国内近几年对管道的质量要求越来越严，对管材及配件技术的发展相当重视， 并投入大量的资金进行开发和研究工作。经过研究发现，管道本体材料对管内水质 的二次污染影响很大，管道直饮水系统中管材的合理选用是防止水质二次污染的关 键。 自来水的出厂水和管网水相比较，部分水质指标有显著差异，主要体现在余氯 减少、浊度和色度升高，细菌总数、溶解性总固体和总有机碳等指标含量增大。城 市给水干管采用钢筋混凝土管或水泥沙浆衬里的铸铁管，除余氯稍有降低、浊度和 溶解性总固体略有升高外，其它指标与自来水的出厂水并无明显差异。但使用年限 天津大学硕士论文 第一章概述 长且无衬里的管道和涂沥青类物质内衬的管道由于内壁腐蚀、结垢，导致水中铁、 锰、铅、锌等金属物质和各种细菌、藻类、苯类、挥发性酚类指标的含量增大。 用户室内管道对水质的影响是输水过程中水质降低的重要因素。大量的水质检 测结果表明，由于用户室内管道几乎没有采用涂衬等防锈、防腐保护措施，随着自 来水在用户管道内滞留时间的增长，导致水中余氯含量迅速减少，浊度、色度、铁、 锰、铅、锌、溶解性总固体、细菌等指标升高，水质降低。 北京市自来水集团公司曾发动本单位职工在全市范围内进行户内水样抽查化 验，结果表明泡管水对感观指标有明显污染，其中浊度超标现象严重。在3 7 个采样 点中，有3 5 个泡管水的浊度高于新鲜水，其中增幅超过5 0 的有2 2 个点，占总采 样点的5 9 ：7 处泡管水不符合标准，占总采样点的1 8 9 ：1 处新鲜水超标，占总 采样点的2 7 。所有泡管水的余氯含量均低于新鲜水，其中1 6 处泡管水的余氯不 符合标准，占总采样点的4 3 2 。1 i 处新鲜水超标，占总采样点的2 7 。经过对7 个外观及浊度超标的采样点的1 4 个样品进行铁含量分析，发现6 处泡管水的铁含量 超标，占总采样点的1 6 2 。可见，北京市管网老化等的污染已不容忽视。 1 1 2 2 加压设备对水质的影响 随着城市人口与经济的发展，城市用水量急剧增加，自来水厂的建设往往跟不 上城市的发展。为确保稳定的供水，通常最节能的办法是设置屋顶水箱，但水箱容 积过大、冲洗不及时，以及管理不善，会造成建筑内部二次供水设施的二次污染。 1 、水箱容积、材质和结构对水质的影响 水箱在设计上总是存在着一部分死水体积，这里往往成为微生物、细菌、虫类 等的孽生地。有资料表明，当水在水箱中滞留时间较短时，除铁质水箱中铁、锰含 量略有增大外，一般理化指标和毒理学指标无明显差异。但自来水在水箱中贮存2 4 小时后，余氯为零，特别是在夏季水温较高，水中余氯含量迅速减少，1 2 小时后即 为零。若贮水停留时间超过1 2 小时，水中细菌很快繁殖，造成二次污染，不宜直接 饮用。 水箱的材质和结构对给水质量有一定的影响，不易锈蚀和腐蚀，且易于清洗的 材质对给水质量有一定保证。水箱的结构要保证死水区范围越小越好，要易于清洗， 密封性能好，溢水管和放空管要防污染等。 2 、高位水箱管理不善对水质的影响 目前水箱在管理方面存在许多问题，比如在设计规范中明确要求水箱要定期清 天津大学硕士论文 第一章概述 洗，但是在实际生活中很难做到这一点，一般只是在入住前进行刷洗，经防疫站验 收舍格后投入使用，从此以后便不再进行维护和清洗。屋顶水箱的密封性能差也是 一个不可忽视的因素，据介绍，个别屋顶水箱内有许多杂物，甚至有闲杂人员用其 洗澡，水箱底有厚厚的淤泥状物质等等，严重影响了水箱内的水质，致使水箱成了 一个严重的、人为的“污染源”。 3 、室内供水方式对水质的影响 高位水箱贮存供水的管路因式有单管式给水方式和双管式给水方式。水箱容积 确定之后，单管式给水方式的水箱内贮水的循环周期不仅与住户用水量有关，而且 和市政给水水压有关。在市政给水水压高于水箱水面的压力时，用户用水由市政给 水管网直接供水，水箱不出水，这样就使水箱内贮水停留时间过长，引起水质变坏。 双管式给水方式中，住户用水部分或全部取白水箱，水箱内贮水循环周期只与住户 用水量有关，贮水停留时间短，更新速度快，水质容易保证。 1 1 2 3 施工及抢修对水质的影响 在管道施工过程中，部分施工人员只顾工程进度，不严格按施工规范操作办事， 致使污染物进入管道，造成水质污染。比如在不停水接三通时的一些管件内会因水 流长期停滞造成污染；在原管线上开口接三通时。稍不注意就会将管外的污染物带 入管内等等。抢修过程中，造成污染的现象也很普遍，如抢修时坑内污水水面高于 管道破损界面，使污水及泥土进入管道。管道修复后，由于无处放水，不能进行冲 洗，结果便造成了用户的水龙头处短期的水质下降问题。 1 1 3 管网水质污染的防治措施 1 1 3 1 提高出水厂水质及其稳定性 出厂水的水质是造成管网水质污染的根本原因。这是因为出厂水中有机物和无 机营养物的增多，给管网中微生物的繁殖提供了足够的营养；而且由于管壁附近水 流缓慢，使微生物能附着生长从而形成生物膜。生物膜老化后脱落进入水中，不但 会影响用户感官，而且危害人体健康，给管网水质带来严重影响。 为了控制管网水质恶化现象，长期以来一直采用控制余氯量来抑制管网水中细 菌繁殖。但研究表明，氯消毒并不能完全抑制生物膜在管网中的生长繁殖。由于细 菌的生长繁殖必须以出厂水中的有机物为营养物质，有机物含量越高，微生物滋生 天津大学硕士论文第一章概述 的可能性越大。因此现在更多的考虑是降低出厂水中有机物含量，提高出厂水的生 物稳定性，截断微生物的能量来源。 现在已有不少国家规定了出水中a o c 、b d o c 及高锰酸盐指数的上限值，以抑制管 网中细菌的生长、繁殖。其中，a o c 就是水中可被细菌利用的有机碳浓度，表征饮用 水中细菌增殖的能量。通常a o c 在1 0 旭，工下被认为是生物稳定水。管网水中a o c 5 0 飕，l 乙酸碳时，细菌的生长就受到限制，故美国建议标准为a o c 5 0 1 0 0 , u g 工 乙酸碳，我国建议的近期目标为a o c 2 0 0 z g 工乙酸碳，远期目标a o c 1 0 0r u g l 乙 酸碳”。 细菌等微生物的生长有其适宜的p h 环境。水在出厂前投加稳定剂，把p h 值调整 至7 8 5 ，可以提高水的化学稳定性这种方法在欧美等发达国家已得到了广泛地 应用，并且取得了很好的效果。p h 值超过8 4 以后，铁、硫细菌的生长基本被抑制。 因此，可以通过提高出厂水的p h 值来延缓生物膜的发育。而且在碱性介质中， f e ( o h ) ，等腐蚀生成物的溶解度小，所生成的钝化膜能减轻腐蚀作用”3 。如深圳水 务集团采取了在水厂建设石灰投加装置，使水厂出厂水p h 值维持在7 0 以上。对解 决因水质化学不稳定腐蚀管道问题，取得了较好效果。 1 1 3 2 选择合理的消毒剂 目前国内外众多研究成果表明，二氧化氯、臭氧、氯胺、双氧水、紫外线及其 它连用技术等多种消毒剂可替代液氯在给水处理中起到消毒的作用。 1 、氯胺 近年来的研究已表明，氯胺在控制生物膜方面比自由氯更有效果。即使自由余 氯为3 4 m g l ，对铁管上生物膜的控制效果也不大，而余氯胺浓度只要大于2 m g l ， 就能成功地减少活菌计数。这是因为和氯胺发生化学反应的化合物类型受限制较多， 因此它穿透生物膜层的能力强，使附着的微生物失活，而自由氯的反应速度快，在 它穿过生物膜以前就被消耗掉了大部分，因此氯胺的消毒效果比自由氯好。在美国， 7 0 以上的水厂使用氯胺消毒。但有研究表明，氯胺的浓度要在某一临界值以上才能 有效控制铁管上生长的生物膜。资料说明：要使附着的细菌失活，余氯胺浓度维持 在2 o m g l 是必要的。 但是，有一点必须指出，在一般饮用水处理条件下，用氯胺来取代自由性余氯， 将降低消毒的效果，尤其是对水中隐孢子的去除效果不能令人满意。 2 、二氧化氯 二氧化氯作为饮用水消毒剂日益受到人们的重视因为随着人们对传统的氯气 消毒的深入研究，发现用氯气和其它氯系消毒剂处理过的饮用水及食品中畲有氯化 副产物三氯甲烷，这是一种很强的致癌物质。使用二氧化氯处理的水中则不会 产生三氯甲烷，其安全性被世界卫生组织列为a 1 级，二氧化氯已成为国际上公认的 氯系消毒剂最理想的更新换代产品，被欧美国家推崇为第四代消毒剂。 二氧化氯具有极强的杀菌能力，对经水传播的病源性微生物包括病毒、芽胞以 及水路系统中的异养菌、硫酸盐还原菌和真菌均有很好的消毒效果。在几分钟甚至 几秒钟内即可杀灭枯草芽胞秆蕴、绿脓杆菌、霍乱杆菌、沙门氏茜、痢疾杆菌、军 团茵、大肠杆菌、结核茵、伤寒和乙肝病毒等，特别是用二氧化氯杀菌不会产生致 病、致突、致畸物质。 二氧化氯不仅是一种广谱、高效的消毒剂，而且还是优良的水处理剂、食品保 鲜剂、漂白荆、防腐剂和除臭剂，于是迅速在水处理行业、食品行业、造纸行业、 日化行业得到广泛的应用”1 。 3 、臭氧 臭氧对细菌有较好的灭活性，能氧化部分可溶性有机物，杀病毒、灭菌和杀孢 子比氯快，它没有氯化时的取代作用，不生成t o x 。臭氧溶于水后分解，放出新生 态氧 0 3 ， 0 3 具有强渗透细胞壁能力和强氧化能力，在较短的接触时间内就能杀死 一般细菌，如果水中剩余的臭氧量为0 4 m g l ，接触时间为1 5 分钟，就能杀死病菌、 芽孢等。因此，用臭氧做消毒剂，不仅不产生t t e b d s ，而且能降低水中其他有毒有 机物的含量。臭氧消毒需要解决的问题主要有两个，一是消毒副产物问题，有机副 产物以甲醛为代表，无机副产物主要是澳酸根离子；二是臭氧消毒工艺的生产设备 庞大，流程复杂，需要较高的运行管理水平。 1 1 3 3 推广应用新型管材 随着科技发展和技术进步的加快，新型供水管材不断地推陈出新。现今，已开 发出可用于给水工程中的管材有硬聚氯乙烯管( u p v c 管) ；聚乙烯管( 包括p e 管、i - i d p e 管、m d p e 管、l d p e 管) ；聚丙烯管( p p r 管) ；交联聚乙烯管( p e x 管) ；聚丁烯管( p b 管) ； 金属塑料复合管( 包括铝塑复合管、钢塑复合管等) ：还有玻璃钢管。尽管这些管材 的材质不尽相同，生产工艺各有其特点，但在给水工程中表现出的结构独特、强度 高、内壁平滑、过流量大、耐腐蚀、无毒无污染、连接方便、接头密封好、重量轻、 施工快捷、使用寿命长等特点，使其大大地优于原来普遍使用的镀锌管、钢管、铸 6 天津大学硕士论文 第一章概述 铁管，成为最理想的替代品。 目前塑料材质的各种管材( 包括各种塑料管和采用塑料材质有关的各种复合管 等) ，虽然解决了管网腐蚀的问题，但是水质析出问题应受到重视，即应该考虑这些 合成材料对饮用水水质的影响，一般认为有以下几个方面的影响：( 1 ) 从材料中析出 有毒物质；( 2 ) 析出造成气味或气味影响的物质；( 3 ) 从合成材料析出促进微生物成 长的物质。 因而，当在选定供水系统中使用的各种材料时，必须从毒物学及微生物学两方 面充分进行研究。 1 1 3 4 合理选择配水路径 配水管道的腐蚀与水在管道内的流态密切相关。保持经济流速不仅能降低能耗 保证供水压力，也可有效控制腐蚀的发生。在进行管网设计和施工改造时，应进行 认真细致的计算分析，确保自来水在经济流速范国内流动。 1 1 3 5 加快陈旧管网改造步伐 由于技术和经济上的原因，以前埋设的城市供水管道柑当一部分未做内防腐， 导致管道内壁腐蚀结垢甚至穿孔，严重影响管网水质。随着城市建设的发展，借着 旧城改造的契机，有条件开挖的地区，可废除旧管，敷设新管；无条件开挖的地区。 可采用免开挖( t r e n c h l e s s ) 修复技术“1 。 应积极推行不停水开口技术，取消管道预留口。以前在城市供水管网的设计和 建设中，为便于用户接水往往每隔一定距离设置预留口。但供水管网上过多的预留 口带来诸多问题，如深圳市水务集团曾对该市解放南路供水管网的预留口使用情况 进幸亍了统计，发现其使用率不到3 0 。这些管网预留口的闲置不仅是管道建设的一 种浪费，而且预留口附近那一段滞留水往往也会影螭管两水的水质。随着不停水开 口技术的目趋完善，在供水管网中可以取消预留口，需要引接分支管时采用不停水 开口技术解决用户的接水问题。 在积极进行供水管网改造的同时，应大力推广应用对水质无影响的涂料用于管 道内防腐包括环氧系列涂料、氟碳涂料等。 1 ，1 3 6 加强管网的日常管理和维护工作 1 、合理制定管网冲洗计划 天津大学硕士论文 第一章概述 对供水管网内壁已发生锈蚀的，尤其是小口径管道、污染量增加较多的管道以 及用户投诉黄水较多的地区( 需先分析排除用户支管的因素) ，要增加冲洗频率。冲 洗间隔时间可通过小区试点摸索，如先定半年或一个季度，以后根据水质情况再作 调整。管网冲洗主要是利用消防栓和排水闸。从主管至消防栓一般都有5 一1 0 米左 右的管道，而该段管内的“死水”往往影响水质。为了解决这个问题，就必须定期 排放消防栓。 2 、加强管网水质监测及维护工作 可以在管网中设置水质监测点，并在管网中设置了一些可实时传送回余氯、浊 度及p h 值等指标的在线监测点，随时监测管网水质及其变化情况，及时采取管网维 护，确保用户的水质。随着供水调度自动化程度的提高，也可以建立管网水力学模 型及水质模型，这将有助于水质管理。例如，英国自来水公司设立余氯浓度等在线 监测；波兰对相应水质污染设立三阶段监视体制等。在水质模拟上，法国管网设置 传感器；意大利利用余氯浓度预测模型等。水质模拟与配水系统水力分析有密切关 系，是维护和改善水质的关键。 1 2 课题研究的意义 经过给水处理厂净化后的水，需通过复杂庞大管网系统输送到用户。从水厂到 用户，途经管线长度数十公里，水在管网中的滞留时间从数小时到数日。给水管道 在长年运行中，由于物理、化学、电化学、微生物等作用，沿管道内壁逐渐形成不 规则的环，我们称之为“生长环”，它随管龄不断增厚，使过水断面减小。显然，管 道内的水是沿“生长环”流动，“生长环”的卫生状况，将直接影响供水水质。因此， 提高供水水质，仅改进水处理工艺、加大投氯量等措施是不够的，应从“管道卫生 学”的观点研究水质变化问题，提出改善水质的措施。 城市的给水管网，就如同庞大“管式反应器”，水经管网输送过程中有足够的时 间进行生物、化学、物理等反应，使水受n - 次污染，达标的水经管网输送到用户 时，往往达不到国家饮用水水质标准。因此，对给水管网系统中水质的评估、监测 和控制已成为国内外给水界普遍关注的问题。 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- 。 天漳大学硕士论文 第一章柢述 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 模拟水质的变化的需要日益增强，这样能够达到预溅和控制整个管网中水质的目的。 在美国，各供水企业早己明确了这样的认识，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( i j 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，精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另一些发达国家的重要城市，也建立起了各自的管 网永质模型，经过较长时间的使用，积累了丰富的经验，在模型的精度和实用性两 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。目前供水水质的提高仍跟不上我 国国民经济的巨大发展和人民生活水平的迅速提高。一些经济发达城市如深圳、上 海等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 模型的建立。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，亦 急需理论和应用方面的正确指导。因此，开展输配水管网水质变化模拟和研究在我 国具有重要的现实意义。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 水质模型研究历程 给水处理厂的出厂水都是水质合格的达标水，在流经市政输配水系统输送至用 户使用时，通过与输配水系统中的各个组件，在长短不等的径流时间内发生作用降 低了水质。在管网的末梢，可能因为径流时间过长从而导致水质不合格；而管网系 统中部分组件如管段、调蓄水池等因老化或遭受腐蚀或其他污染使得其水质条件很 不利，也可以导致流经这些组件的水的水质迅速恶化，哪怕水在这些组件中的径流 时间并不长。 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。研究水在市政输配水管 网系统中水质发生变化的影响因素，反应机理，建立准确的反映水质变化的机理模 型，是对输配水管网中进行水质模拟的基础。这是一项涉及到化学、物理、生物、 数学分析与建模的多门学科交叉，需要投入大量人力、物力、财力，研究周期很长 的艰难工作。 天津大学硕士论文 第一章概述 数学模型可以划分成俩类：确定模型和统计模型。因此，水质变化的机理模型 也可以使用两者中的任意一种。由于以上提到的难度，目前国内外在机理模型的研 究上还有很多的工作要做。在众多的饮用水水质指标中已有学者进行了研究的只有 寥寥数种，而相对成熟的就更少了。确定型模型中，余氯及其消毒副产物( d b p s ) 中的总三卤甲烷( t t 删s ) 的机理模型比较成熟，最近在部分细菌学指标方面的研究 也取得了一定进展；统计模型的建立需要大量的相关水质数据，目前已被提出的包 括余氯、t t h m s 、h a a s ( 卤乙酸) 等“”。 由于各个输配水管网本身的特性的千差万别，基于某个或某几个管网水质和运 行数据而建立起来的统计模型很难在实用性和普适性上同时都获得良好的性能，且 存在着模型参数类型差别大、个数多的特点，不利于模型的移植和计算机实现。 建立确定型模型基于对输配水管网的共性的研究，尽管在描述某一特定管网的 水质变化的情况时，往往没有根据该管网的特性而建立起来的统计模型那样精确， 但模型具有普适意义。对于那些缺乏历史水质和运行数据，难以建立起准确的统计 机理模型的管网( 实际情况下，这类管网占了大多数，尤其在国内) ，运用确定型模 型将是现实的解决方案。 国外学者对水质模型的研究起步较早。早在1 9 3 6 年，c r o s sh 就首先提出了用 数学模型的方法研究管网，并给出了迭代法的数值求解。在以后的时间里，随着计 算机的问世及其技术的发展，人们提出了越来越多的模型以对管网进行分析。 以水力模型的发展为基础，管赠研究逐渐转向了水质模型的探讨。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，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 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”( 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。八十年代至九十年代初，其他的研究者对稳态下的水质模型进行了 扩充，直至水质模型开始使用。美国环保署正在研究供水管网中消毒副产物( t t i 珈s ) 和卤乙酸( h a a s ) 的多组分水质模型。在水质模拟上，有关于法国管网设置传感器 和追加氯剂处理的调查，意大利利用剩余氮浓度预测模型，设计配水系统等。世界 各国现在十分关注水系统内的水质问题。配水系统模拟和监测系统结合运用是今后 水质管理的最佳手段。 世界发达国家先后建立了供水试验基地，作为理论基地的美国水工业协会研究 1 0 天津大学硕士论文第一章概述 基地( a w w a r f ) 正在进行应用于储水池的多用途模型，该模型包括9 种不同类型的 模型供选择，5 种用于f i l l e d a n d d r a w n ，4 种用于同时进出水( i n l e t o u t l e t ) ， 分为系统模型( m u l t i - c o m p a r t m e n tm o d e l s ) 和c f d 模型( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) ；作为试验与应用基地的美国环保署( e p a ) 建立了两套输配水模拟器d s s ， 用于管网水力、水质模型的研究，并发布了供水模型e p a n e t ，该模型已被国外公用 事业领域以及私营领域广泛使用，同时进行了大范围的模型参数校验工作。 我国于7 0 年代后期开始研究管网的电算问题，主要集中在高等院校。纵观国内 研究概况，对于水质模型的研究仅限于管网的二次污染问题，管网的水质微观模型 的研究尚在起步阶段。 国内大中城市的市政部门开始信息监控系统( s c a d a ) 、地理信息系统( g i s ) 和 管网建模系统的建设与应用，但多数处于数据收集和信息管理阶段，尚未能发挥企 业生产管理的作用，其原因主要是仍然缺乏与其配套的、符合生产实际需要的给水 系统专业应用软件及软件应用的基础数据和成熟经验。 1 9 9 8 年上海市建立了给水管网动态水力模型，通过模型掌握水流的真实流动状 况有效地分析用户用水中存在的主要问题，如避免出现管网中水打回笼，协助检漏 工作，寻找较优的季节性阀门开关状态，指导管网改扩建工作等。管网动态水力模 型为上海自来水公司开发实时在线调度系统建立了基础，而与s c a d a 系统连接实现 在线优化调度则有待进一步研究南京供水管网实时模拟软件则完成了第一阶段开 发工作，正转入第二阶段的优化调度软件研制工作。 1 3 2 水质模型简介 建立管网水质模型是模拟水中物质( 包括余氯及污染物) 随时间在管网中的变 化。管网水质模型是在水力分析的基础上，利用计算机模拟水质参数或某种污染物 在管网中随时间和空间的分布。 城市管网系统庞大、复杂，靠有限的水质监测点进行人工监测，达到实时地、 全面地掌握、控制整个管网水质状况是很困难的。运用计算机技术，建立管网水质 模型，通过监测点的数据，可推算出管网其他节点处的水质状况。 管网水质模拟系统，其主要功能是可以跟踪管网水质的变化，评估管网水质的 状况，跟踪管网中余氯的变化，预测水质下降的情况，合理投加消毒剂，优化消毒 过程，评估运行方案。可对管网中2 4 小时的余氯状况进行评估，当发现问题时系统 将发出警报信号。可确定水质风险域，为给水管网系统管理提供决策方案。 管网水质模拟系统的另一个重要应用是：对管网事故的“诊断”。根据管网的 天津大学硕士论文 第一章概述 节点流量，管网水质加入“诊断”模块可以从下游水质推算出上游水质情况。可以 从已知的条件向后推出输出水的路径轨迹，辨识污染发生的位置和时间。用户也可 以选择多个污染的位置和时间，采用多路跟踪的办法，以增加“诊断”的可靠性， “诊断”结果可在计算机上显示。 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；按照研究所涉及韵水质参数，可分为余氯衰减模型、消毒副产物模型和微生 物模型。 1 、稳态水质模型 稳态水质模型是在静态水力条件下利用质量守恒的原则确定某种组分浓度在配 水系统中的时间和空间分布。典型的稳态水质是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： 匹q c l 一匹q c 乙= 既乞 ( 1 1 ) 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， m u r p h y 为管网中的稳态流提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布。 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。由于即使在管网运行状态恒定时，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。 2 、动态水质模型 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。m o u s 和k r o o n “”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 动分为三个过程：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“”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 和i s l a m “”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。 3 、余氯衰减模型 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阶反应动力学方程： c 。= c , e “。 ( 1 2 ) 模型基本上反应了余氯在配水系统中的衰减特征，由于它简单实用，所以一直 被认同和使用。 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。w o o d w a r d 等通过试验也发现了此规律。为使模型能够与实验数据相匹配，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“”提出的一 个基于质量传输的余氯衰减模型。模型描述如下：假定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，且假定氯在管壁处的反应为关于管壁浓度 的级反应，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： 害：一。竽吨。一毒乓 ( 1 _ 3 ) a f 赫 。 ( 女。+ k r ) 式中c 一体积流中氯的浓度 t 一时间 x 一沿管段的距离 k 。一体积流中衰减速率常数 女，一质量传输系数 靠一管段的水力半径( 管段半径的1 2 ) 女。一单位长度，时间管壁衰减常数 实验结果显示。级衰减不能够与氯消耗的一般趋势拟合，而且不具备模拟不 同氯投加量效果的能力，而氯与两组有机化合物平行反应的模型则有较好的拟合。 r o s s m a n 等还研究了余氯在配水系统中的变化规律。通过对余氯在管段中衰减机 理的假设，把一级反应余氯衰减系数分解为两个部分，反映了余氯在管段中的衰减 特征，从根本上推动了余氯衰减动力学的研究。 r o d r i g u e z 等人“”提出一个新的模型人工神经网络模型 a n n ) 从另一个角 度研究了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的级模型进行了对比。模型是通过 天津大学硕士论文 第一章概述 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。 4 、消毒副产物模型