供水管网优化投氯分析与计算 71页

'哈尔滨工业大学工学硕士学位论文U第3章供水管网余氯模拟U......................................................................................28U3.1水力建模基本原理U.........................................................................................28U3.1.1节点连续性方程U......................................................................................28U3.1.2能量守恒方程U..........................................................................................28U3.1.3管段压降方程U..........................................................................................29U3.2供水管网动态水力模型U.................................................................................29U3.3水质模型U.........................................................................................................30U3.3.1传统水质模型U..........................................................................................30U3.3.2I/O模型U....................................................................................................31U3.4余氯的动态模拟U.............................................................................................31U3.4.1余氯管段衰减模型U..................................................................................31U3.4.2余氯衰减模型的选择U..............................................................................33U3.5供水管网余氯浓度的计算U.............................................................................33U3.6算例U.................................................................................................................34U3.7小结U.................................................................................................................36U第4章供水管网优化投氯分析U..............................................................................37U4.1供水管网水源优化投氯分析U.........................................................................38U4.2供水管网中途配合投氯分析U.........................................................................41U4.2.1二次加氯方法的选择U..............................................................................41U4.2.2供水管网分级优化投氯理论研究U..........................................................42U4.2.3加氯量优化模型的建立U..........................................................................46U4.3供水管网分级优化投氯的实现U.....................................................................47U4.3.1优化模型算法U..........................................................................................51U4.3.2算例分析U..................................................................................................51U4.4二次加氯优化结果分析U.................................................................................54U4.5小结U.................................................................................................................55U第5章哈尔滨道里区供水系统优化投氯工程实践U..............................................56U5.1哈尔滨市供水基本情况U.................................................................................56U5.2二次加氯优化的应用U.....................................................................................58U5.3二次加氯优化结果及分析U.............................................................................60U5.4本章小结U.........................................................................................................62U结论U............................................................................................................................63U参考文献U....................................................................................................................65-VI- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文U附录U............................................................................................................................70U攻读学位期间发表的学术论文U................................................................................73U哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明U............................................................74U哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书U............................................................74U哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理U................................................................74U致谢U............................................................................................................................75-VII- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章0B绪论1.15B引言随着生活水平的不断提高，人们对生活饮用水的水质越来越重视，可以从[1]我国城市供水水质标准的不断提高反映出来。我国于1985年颁布了《生活[2]饮用水卫生标准》，包含35项水质指标。建设部于1992年颁布了《城市供水行业2000年技术进步与发展规划》，考核项目共88项。1999年建设部发布[3]了CJ94－1999《饮用净水水质标准》。2005年建设部又发布了CJ/T206-2005《城市供水水质标准》。中华人民共和国国家标准《生活饮用水卫生标[4]准》GB5749-2006代替GB5749-85于2007年07月01日开始实施，本标准与GB5749-85相比主要变化由水质指标由GB5749-85的35项增加至106项，增加了71项；修订了8项；此外，各地结合自身实际情况，制定了当地[5]的行业标准，上海市2010年供水水质目标为达到目前国际先进水平，深圳[6]市要求2010年供水水质能够达到直接饮用的水平。进入二十一世纪，我国城市供水能力和设施水平显著提高，城市供水的战略重点已由增加水量转向改善水质。饮用水在输送过程中出现的水质污染，对人体健康与安全造成的危害是巨大的。我国目前状况相当于美国1976年～1994年的水平，这20年的时间里，美国共发生了414起城市供水事故，其中净水厂处理运行缺陷388起占93.72%，致病人数42万余人；未经处理地下水事故9起，占2.15%，致病人数7千余人；管网运行缺陷7起，占1.58%，致病人数近8万人，其它原因只占3%左右。由美国在这期间的统计结果可以看出，虽然管网运行缺陷仅发生7起，但是致病人数却达到8万人，占致病人数比例19%远远高于事故比例的1.58%。特别是2003年和2004年世界范围爆发了两次流行病，而病菌又很容易依靠水系统传播，使部分人们对饮用水产生了心理恐慌和压力。又由于供水管网造成的水质安全问题处于分散状态，不像水厂运行事故那样易于发现和控制，往往对人会造成更大的潜在、慢性的损害，更容易引起社会恐慌，对城市[7]供水安全造成更深远的负面影响。为了满足我国社会快速发展对优质生活饮用水的巨大需求以及供水企业自身向先进的现代化企业发展的需要，供水企业在进行管网水质运行和管理中，-1- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文迫切的需要科学的理论作为指导。因为管理者和技术人员只有在比较清楚的了解了一些重要的水质指标在供水管网中的时、空分布及动态的变化过程之后，才有可能根据这些基本信息的分析，制订保护和改善供水管网水质的可行并且经济的方案，指导生产和管理。本文通过对供水管网投氯量优化分析的研究，希望可以给有关供水管理部门提供参考，从而有效提高我国供水管网水质管理水平，确保用户的水质安全。1.26B我国供水管网现状分析城市供水管网是城市的重要基础设施，由于供水管网埋设在地下，拓扑结构复杂，运行工况动态变化等原因，使水质管理成为供水系统水质管理的薄弱环节。经过水处理工艺处理后，出厂水达到国家饮用水标准，而达标的水需要经过庞大复杂的供水管网送到用户，中间会流经许多条管道，并且在管网系统[8]中会停留较长时间，如同庞大的“管式反应器”，从水厂到用户，途经管线长度数十公里，水在供水管网中的滞留时间从数小时到数日。自来水经供水管网输送到用户的过程中有足够的时间进行生物、化学、物理等反应，使供水管网水的浊度、色度、含铁量、含锰量等持续下降使出水达不到国家饮用水水质标准。例如：哈尔滨市自来水在供水管网内平均滞留时间在5小时以上；天津市自来水在供水管网内滞留的时间最长在七天以上；法国五兹河梅里水厂的出水到供水管网末梢的平均流动时间为三日；美国有的区域供水系统，自来水在供水管网内平均滞留时间有的竟长达一周。从管道材质上看，城市供水管道大多采用金属材料(如钢管和铸铁管)，管道腐蚀除造成管道破坏，更严重的是造[9]成水质的污染，使水质恶化。自来水在流经管网的过程中发生一系列的物理、化学、电化学和微生物学的作用，致使沿管道内壁逐渐形成下部较厚上部[10]较薄的不规则的环，即生长环，使水受到二次污染。生长环是由供水管道内壁沉淀物、锈蚀物、粘垢及生物膜相互结合而成的混合体。刚形成的锈垢比较疏松，易被水流冲走，使用户放出的水中含有黄锈；未被水流冲走的锈垢积存下来，逐渐变硬，成为细菌繁殖生长的场所。国内对于供水管网的管理水平近年来得到很大提高，数字化管理的概念深入人心，并受到广大水务管理人员的重视。目前在供水管网水质领域，仍然存在一些需要改进提高的地方。首先，对于供水管网水质的监测仍然依靠人工定时检查。由于经费问题，很多水务公司没有建设在线水质监测系统，依靠人工在管网中定时取样。由于取样定个数有限，并且取样时间间隔比较长，这将导-2- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文致供水管网的水质不能得到有效保证。其次，对于整个供水管网系统的水质分布情况没有很好的认识。往往依靠管理人员经验来进行供水管网的水质分布情况没有很好的认识。往往依靠管理人员经验来进行供水管网的水质管理。氯消毒工艺在控制方面也存在缺陷。因此，研究供水管网优化投氯问题，为城市居民提供安全的饮用水，为经济发展提供可靠的健康水循环体系具有重要的现实意义和社会意义。1.37B饮用水氯消毒饮用水水质的微生物风险(一般是急性的)和化学风险(一般是慢性的)是影[11]响人体健康的两个最主要的方面。消毒的主要目的就是杀死饮用水中对人体有害的病原体、细菌等微生物，防止水传播疾病，保证出水中微生物指标。[12]按消毒剂投加点不同可以分为:预消毒(也称滤前消毒)、消毒(也称滤后消毒)、再消毒(也称二次消毒）。预消毒通常是指在投加混凝剂的同时投加一定量的消毒剂，氧化水中的有机物以提高混凝效果，并防止水厂内各类构筑物滋生青苔和生物膜等。它不是以灭活病原体微生物为主要目的，而主要起到氧化的作用，也可称为预氧化，属于广义的消毒。滤后消毒就是通常意义上所讲的消毒，在过滤之后进清水池之前投加消毒剂，用于杀死水中的细菌、病毒等，保证出厂水的水质，并能在一定程度上维持供水管网中的水质。当供水系统延伸很长或系统中有蓄水池、较长支管时，为了维持末端消毒剂浓度，可在系统内部投加消毒剂，称为二次消毒。按消毒剂种类可分为:氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、氯胺消毒及高锰酸钾消毒等。到目前为止，氯仍然是饮用水处理中使用最广泛的消毒剂。自1902年在比利时的第一座永久性的投氯消毒水厂建成以来，将氯用于饮用水消毒己经有百余年的历史了。氯是一种强氧化剂，能杀死水中的细菌、病毒、原生动物及其抱囊和寄生虫等有毒有害物质，是保证饮用水安全卫生的一项重要水质指标。氯具有持续消毒作用，在供水系统中维持一定量的余氯，不仅可以抑制水中微生物和细菌的再度繁殖，而且输送过程中受到二次污染时，可以起到“再次消毒”的作用。我国将管网末端余氯浓度0.05mg/L作为一项饮用水卫生指标。美国自来水厂中约有94.5%采用氯消毒，据估计我国[13]99.5以上的自来水厂采用氯消毒。氯消毒具有以下优点:(1)消毒成本低，投加设备简单，可以用液体形式储-3- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文存，也可以直接在进水管当中投加，占地极少，且经验成熟，管理简单。(2)氯在供水管网当中的停留时间长，可维持饮用水在输配过程中的水质，并能对二次污染起到消毒作用，特别适合大型配水管网及有长支线的管网。但是氯消毒的缺点也不容忽视:(1)会与腐殖类物质反应，生成三卤甲烷(THMs)等“三致”物质。(2)会与酚类反应生成具有怪味的氯酚，与氨反应生成氯胺。(3)在pH值较高时消毒效力大幅度下降。(4)长期使用会引起某些微生物的抗药性。20世纪70年代中期，认识到氯气作为消毒剂会产生对人体有害的消毒副产物以后，氯化反应的反应机理、影响条件、动力学特征和副产物的分离与鉴定、环境毒理和以及母体物质的研究等，都是为阐明饮用水氯化消毒过程的重[18~20]要基础性研究。1.3.135B氯消毒副产物的形成水厂处理工艺中的预氯化不可避免的带来氯消毒副产物的问题。而取消预氯化或者减少投氯量确实可以减少消毒副产物的产生。但若不采取其它预处理措施，预氯化的取消将会影响水厂的前置处理工艺的运行，如水厂絮凝效果的下降、藻类在水处理设施中的大量繁殖、滤池滤料表面的粘性泥球的增加等；若单纯减少投氯量将影响水厂出水水质的细菌学指标。水中有机物能附着在细胞表面，从而阻止或阻滞消毒剂对细胞的袭击，而消毒剂一般均是氧化剂，能氧化水中的有机物，同时自己被还原，因而完全失去或不可挽回地损失一部分灭菌能力。所以，投氯量必须根据水厂的水质经试验确定，这里所指的减少投氯量是指在满足灭菌要求和保证管网末梢的最小余氯要求的前提下的投氯量控制。1.3.1.1消毒副产物的研究现状消毒副产物是人工合成有机物的其中一类，它是在水处理过程中出现的。早在1902年，人们就开始应用氯来消毒饮用水，到现在己有一百多年的历史，国内外至今仍广泛应用氯进行自来水的消毒处理。应用氯消毒杀灭细菌效果好，能够破坏细菌的酶系统，使水中的致病菌和寄生虫卵死亡；可以改善水的感官性状，具有灭藻、除臭、除味的能力；投加氯的设备简单，初期投资和经营费用均比较低；氯的来源广泛，价格低廉；具有余氯的持续作用，可以防止水在输送过程中被二次污染。[21，22]1974年，Rook和Bellar等人从氯化后的高色度水中检测出三氯甲烷，并确认其具有致癌性。1974年美国环保局对新奥尔良市卡洛尔顿水厂的出-4- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文水进行测试和分析，结果在出水水中检测出66种微量有机物，其中有机卤化物含量最高:氯仿133μg/L；二溴一氯甲烷1.1μg/L；溴仿0.57μg/L；二氯乙烷8.0μg/L；六氯乙烷4.4μg/L；1，1，2-三氯乙烷0.35μg/L；四氯乙烷异构体0.11μg/L；双-2-氯异丙醚0.88μg/L。该城市位于密西西比河最下游，以污染严重的河段作为饮用水水源，造成癌症死亡率高居全美第一位。美国环保局在1974、1975年组织进行了对美国80个主要城市的各种不同水源的原水及经过不同流程处理的自来水出水的有机污染的调查研究(NORS)，确定自来水中三卤甲烷、四氯化碳及1，2-二氯乙烷等六种有机氯化物的含量，调查结果证明自来水中广泛存在THMs，而且是在氯化过程中形成的。随后于1976、1977年有组织地进行了全国有机物监测调查(NOMS)，对113处各种类型水源及处理过程的供水系统，进行历时12个月的现场调查。NOMS监测数据表明，三卤甲烷是饮用水中最广泛的合成有机污染物，而且出现的浓度也最高，检出[23][24]THMs最高值达784μg/L。Kransner在1989一年对美国35个主要水厂中的氯化消毒副产物进行了全面、详细的调查，发现氯化产物中三卤甲烷所占[25]比例最大。在我国各大城市中也普遍检测出氯仿。1.3.1.2三卤甲烷的来源及危害三卤甲烷至今被认为是由最后氯化形成的主要消毒副产物，主要有氯仿、二氯一溴甲烷、一氯二溴甲烷和溴仿。其中氯仿是饮用水中最易产生、数量最大的三卤甲烷。一般将CHCl3、CHCl2Br2、CHClBr2和CHBr3四种卤化物含量之和定义为总三卤甲烷量(TTHM)，其中氯仿占90%以上。饮用水中的氯仿对人体健康十分有害。实际观察和实验研究都证明，氯仿具有全身中毒作用和远期效应，特别引人注意的是它对人和动物的致癌作用。有的研究证明氯仿具有积蓄性，高剂量的氯仿有明显的致癌效应。而在远期影[26]响方面，Fishbein等指出氯仿具有胚胎毒性，表现为受胎功能降低。氯仿的慢性中毒还表现在会引起脂肪肝与肾机能障碍。美国癌症研究所的试验表明，[27]三氯甲烷和四氯化碳能引起大小白鼠发生肝癌和胃癌，Kopperman等认为:即使低剂量的氯也可产生氯化反应而导致氯进入有机化合物；氯进入有机化合物中可增加它的亲脂性，从而引起生成生物体内毒性或非极性（如亲脂性强的）化合物，不易生物降解，因而积蓄量大。表1-1列出三卤甲烷的致癌风险。表中的致癌风险是指100万人，人均寿命按70岁考虑，每人每天饮2升浓度为1ug/L的此种卤代有机物，这100万人在其一生中有可能死于癌症的人数即为致癌风险。表1-1三卤甲烷的分子量沸点及制癌风险-5- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Table1-1themolecularweightboilingpointandtheriskofcancerofTHMs0三卤甲烷分子量沸点(C)致癌风险(×106)三氯甲烷119.3661.20.0563一溴二氯甲烷163.8290.10.35二溴一氯甲烷252.74151.20.10氯消毒的地位受到动摇，主要是因为消毒过程中与水中的天然有机物(NOM)如腐殖质类物质发生反应，生成致癌、致畸、致突变的“三致”性氯化消毒副产物(CBPs)物质。如何控制水中CBPs一直是众多学者研究的热点。CBPs的控制方法除了改用其它消毒剂之外，还有:去除前驱质、优化消毒工艺、直接除去CBPs等方法。美国国家环保总局(USEPA)在1999年4月颁布了《消毒剂和氧化剂替代手册》，里面详细的描述了各种消毒工艺及其优缺点；也一再强调:没有必要放弃氯消毒，要根据具体的情况，特别对于已建成的大型水厂，只要运行管理正常，完全通过优化处理工艺来满足消毒剂/消毒副产物规定(D/DBP)要求。--1.3.1.3消毒副产物的形成机理饮用水加氯消毒，形成的c1和Br既是氧化剂，也是亲电加成试剂。三卤甲烷生成均要经过氧化、氯化、水解的过程。具体而言，反应过程可分为两个步骤，第一步是氯原子对前体物质的取代与加成反应，第二步是前体物质中的烯醇式结构发生互变异构形成醛酮结构，经历开-环、水解、脱梭，逐步生成THMs。当醛、酮发生烯醇式互变异构后，与C1-和Br发生亲电加成反应，然后水解产生卤仿，其中也含有多元卤代物。在此过程中，酸、碱均可催化互变异构，加速卤代烃的合成。苯环上含有两个间位羟基的化合物是形成DBPs最有效前体物。在有机溶剂中间苯二酚的氯化和溴化可生成2，2，4，4，4一五氯（五溴）环己烯一1，3-二酮并可水解生成酮羟酸。间苯三酚含有三个活性空位碳原子。当HC1O加入水后水解、开环、脱--羧形成甲基酮的结构。由于氯和澳的吸电子效应，使得C1CH2或C12CH上的a氢更进一步卤化而完全形成三卤甲基酮的结构。由于碱对酮的加成结果，使得C-C键断裂，三个氯的吸电子效应使分离出去的碳负离子相对稳定，最终生[28]成三卤甲烷。1.3.1.4消毒副产物形成的主要影响因素消毒副产物在水厂及供水输配系统中的形成和变化是一个极其复杂的过程，受到自然环境、处理工艺、管网结构及[29，30]水力条件等诸多因素的影响。a原水性质的影响：原水性质不同，管网水中消毒副产物的浓度也会有显著的差异；-6- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文b有机物的影响：饮用水中DBP的生成能力随水中有机物浓度特别是芳香族有机物浓度的升高而升高，并且与天然有机物(NOM)中的芳香烃成正比关系；c加氯量的影响：加氯量是影响DBP生成的决定性因素之一。二卤甲烷的产生和加氯量之间的量化关系受饮用水中NOM分子量大小的影响，随着NOM分子量的减小，二卤甲烷相对于氯的产率系数将增大；d反应时间的影响：消毒副产物量随着反应时间的增加而逐渐增加。国内外有关研究结果认为需要7天时间才能达到氯化反应平衡，在此期间氯化时间对消毒副产物的生成量有很大的影响，时间越长则以二氯甲烷为代表的消毒副产物的产生量也越大。1.48B国内研究现状目前国内对供水管网水质研究主要涉及的问题是：管网水的水质稳定性；有关消毒剂和消毒副产物的研究；供水管网材质对管网水质的影响；建立管网水质监控数学模型及仿真系统的研究，其中大部分水质模型都是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学基础之上的。大型管网单靠优化现有加氯点难以满足水质稳定、控制消毒副产物量等要求，需要根据实际管网扩建一定数目的二次加氯点。国内学者对管网水质的研究中可以看出对余氯衰减研究的较多，但是研究也仅仅停留在对余氯衰减模型的研究上，对管网中氯的优化配置则研究较少，并且多数研究都只是通过“烧杯”实验或小型的简单管网实现，难以应用于我国规模庞大、拓扑结构复杂的实际管网。所以对于我国99.5%以上采用氯消毒的自来水厂来说，建立适用于我国实际管网的余氯衰减模型及氯的优化配置模型对进行管网水质运行和管理研究将具有十分重要的意义。国内对水质模型的研究起步较晚，20世纪80年代中期，哈工大赵洪宾教[31]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；国内研究的供水管网水质模型中可以应用于实际的为数不多，直到90年代末国内才建立了几种配水系统水质模型，[32][33]吴文燕博士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。-7- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.59B国外研究现状[34]国外最早开始系统提出管网水力问题的是1936年HardyCross，他提出了梯度法求解管网系统的能量方程和节点水量平衡方程。后来众多的学者对求解大型管网的水力方程进行了研究。基于能量方程和节点水量平衡方程，他们[35-38]提出的解决方法主要分为四类；a梯度下降法；b牛顿-拉斐森迭代；c线型化；d最优化技术求解小值。这几种方法的优劣Todini教授进行了比较，并提出了不完全Choleski分解/改进的共轭梯度法求解大型稀疏线型矩阵，系数阵可以进行Choleski分解。国外学者对水质模型的研究起步较早，1980年Wood提出了一个基于稳态水力模型的水质模型，模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程。类似于[39]Wood的模型，Males等提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，[40]Murphy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。1986年Clark等提出了一个能够在时变条件下模拟水质变化的模型，[41]Grayman等在1988年提出了一个类似的水质模型。但大部分模型都使用了“延时模拟”(EPS)的方法，因为它们没有模拟由于流速变化造成的惯性影[42]响，故实际应称标准动态模型。Lious和Kroon提出了一种可计算配水管网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[43]减和增长、管段连接处的混合。Rossman等提出了用离散体积元素法(DVEM)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。Chaudhry和[44]Islam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[45]方程作数值积分来计算缓变流状态下的相关参数。Boccelli等研究了二次消毒的课题，他们提出了消毒剂投加量动态调度的优化模型。这是第一次尝试将二次消毒站的位置和消毒剂投加量的动态调度同时进行优化。该模型研究了预先确定好数量的二次消毒站在战略位置处的优化调度。国外发达国家对于供水管网的水质监测基本上安装了在线水质监测系统，实现了对常规水质指标的动态监测。东京都水道局水质中心为确保供水水质安-8- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文全，在供水区域里设置了45个自动水质监测器，可以监测到7项水质指标(温度、浊度、色度、PH、余氯、电导率及水压)。原水中CBPs前驱质浓度较高时，应该避免一级泵前、沉淀池或过滤前投加氯；应该把加氯点放在过滤后，甚至在管网当中二次加氯。国外把在管网中二次加氯称为——卫星加氯(satellitechlorination)，它也是美国国家环保总局(USEPA)在控制氯消毒副产物时，一种较为推荐的切实有效的方法。因为，把加氯点分散到管网中，不但能保证后续管网的余氯浓度，又能大大的降低前面管网中的氯消毒副产物浓度；而且二次加氯点设备简单，成本较低。国内外最初主要研究投氯量、余氯在水中的存在形式及消毒机理、影响余氯消耗的各种因素、消毒效果等。当前的研究重点逐渐集中在管网中余氯变化[14]的动力学机制和衰减规律等方面。James.C从多种水源中抽取200个水样，通过这些水样研究了6种游离性余氯衰减的动力学模型，并通过对游离性余氯沿管线衰减和在管网纵剖面上衰减的研究认为余氯在主体水中的衰减和总体衰[15]减规律都符合一级反应动力学。RobertM.C等从微生物安全和化学安全两[16]方面考虑，认为余氯的消耗可用二级模型来描述。StefanH.M等引用一套新的用于测定水中含氯量的误差校正程序，利用非线性最优化参数估计值程序确定含有单因子或双因子参数模型的氯衰减系数，确定氯的衰减系数，并进一步研究流量、流入管网的氯的浓度和温度的关系。1.610B课题来源本课题来源于国家高新技术研究发展计划“863”探索性项目“配水管网水质保障技术”的一部分，项目编号：2007AA06Z303。该项目主要内容是以配水管网水质在线监测为前提的管网区块化管理模式。通过动态水力计算，确定规模与边界。利用水质模型，提出不同供水条件下的管网区块化管理方案；水厂与管网交互式动态加氯消毒模式，利用余氯衰减模型，提出反馈模型，通过水质软件计算，提出水厂动态加氯与管网中途加氯的优化模式；研制纳米自修复涂料，对供水管道内壁进行涂衬，以保障水质安全输配。本课题为“配水管网水质保障技术”的重要组成部分。1.71B本课题研究的目的及意义供水管网水力和水质模拟、优化调度、优化设计等都属于解决供水管网运-9- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文行管理问题的方法，是计算机发明后，信息时代在供水系统中应用的重要产物，是新形势下解决供水管网问题的有力工具和手段。上述的各类方法己经深入到生产、科研的各个方面，正在而且也将继续产生巨大的经济和社会效益。供水管网优化投氯量是当今在供水管网水质研究最活跃、最前沿的一个领域，是计算机、通讯、智能控制、优化等先进技术在供水系统中的科学整合，具有丰富的内涵和不断增值的空间。所谓供水管网优化投氯量是指在供水系统集中、全面和实时监控的基础上，运用现代化信息技术，采取智能化和优化控制理论和方法，安全可靠地将符合流量、压力和水质要求的水供应给用户，在最大限度提高供水系统安全可靠性的同时，降低供水运行成本，提高运行管理水平，提高供水企业的经济效益和社会效益。本文基于供水管网水质模型，研究供水管网二次加氯点及加氯量的优化，对于大型供水管网水力停留时间较长的特点，优化现有加氯方式难以满足要求，提出进行二次加氯优化。最终目标是使供水管网中余氯浓度分布更加合理，从而降低投药量，减少消毒副产物的生成，为用户提供安全优质的饮用水。由于缺乏对管网余氯浓度动态分布的了解，水厂消毒工艺依据运行经验确定出厂水的余氯浓度，保持一段时间内出厂水余氯浓度稳定。研究发现，由于不同时段出厂水的停留时间不一样，不同时段的出厂水的余氯浓度在管网中消耗程度不一样。传统的加氯方式造成了管网中余氯浓度值高于规范规定值，浪费药剂，增大了消毒副产物超标的风险。针对这种弊端，本文基于管网动态水质模型及优化计算理论，在保持动态的出厂水余氯浓度的前提下，根据现有加氯控制系统的方式，提出供水管网投氯优化分析。选择合理的二次加氯点对于供水管网水质安全具有重要的意义。供水管网用水点众多，不可能在大面积建立二次加氯点，在有限的资金情况下，在管网中设置一定数目的二次加氯点，根据二次加氯点的水质状况来了解管网的水质状况，进而调节加氯的运行方式。1.812B课题研究的主要内容随着管网系统水力和水质变化机理的研究的不断深入，计算机控制技术的发展和监测方法和手段的提高，使得管网实际管理、运行科学化成为必然和可能。优化加氯是指在不增加原有处理工艺的前提下，通过改变加氯点、控制加[46]氯量和强化加氯技术来减少消毒副产物的一种改进的氯消毒方法。本文旨在-10- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文运用水力水质模型和先进的优化算法，在分析管网的图形结构的基础上，对管网多点加氯的具体问题进行了研究，主要内容为：(1)采用一级动力学模型模拟管网中水体余氯衰减和管壁衰减，建立供水管网二次加氯模型。(2)选择合理的优化加氯点保证供水管网水质卫生安全。通过分析管网的图形结构和水力特性，根据覆盖模型，求出供水管网二次加氯点。(3)控制加氯量，加氯量较多时，能维持水中较高的余氯浓度，有利于消毒灭菌；但是会增加氯与CBPs前驱质反应的几率。水中游离性氯O.5mg/L时，就会加速THMs的生成；而且，水中含氯高时，会产生氯臭。而加氯量不足时，水中的微生物、细菌、病毒等会大量繁殖；甚至引起水传播性疾病。所以，在保证微生物安全性的前提下，要尽量减少氯的投加量。-11- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第2章1B供水管网水质建模理论分析氯气为浅绿色的有毒气体，带有强烈臭味，在0℃及506.6kPa大气压下即液化成黄色的液体，能溶于水。氯消毒实质是氯和氯化合物与微生物细胞有机物相互作用所进行的氧化—还原过程。饮用水中采用氯消毒方法始于20世纪初，其作为消毒剂已经有100多年的历史。1881年Koch在实验室证明，氯气可以杀死病菌。1904年英国LINCOLN发生了一场通过饮用水传染而引发伤寒病大流行的事件，为了达到杀菌的效果，水厂首次采用次氯酸钠(NaClO)做消毒剂，对出厂水进行消毒。自此之后世界各地水厂陆续使用氯消毒以达到杀菌的效果。1908年芝加哥的BubbleyGreek过滤厂开始使用氯作为常规消毒。与此同时，HarietteChick博士完善了她著名的消毒理论。1912年液氯消毒被应用到大型水处理设施中，从[47]此，氯消毒工艺迅速发展。氯化消毒自1908年问世以来，为杀灭水中的微生物，防止水质疾病的传染，发挥了重大作用。随着水污染的口益加剧，制水所需的消毒剂越来越多。氯作为消毒剂使用的同时，也产生其它副作用。氯在氧化去除或降解有机物的同时，会通过取代反应与有机物结合生成卤代有机物。这些卤代有机物经过动物实验证明是有致突变或致癌活性的。氯的投加量越高，与水的接触时间越长，产生的卤代有机物就越多，副作用也越大。在二十世纪七十年代，氯化消毒副产物相继在自来水中被检出，氯化消毒工艺的地位开始受到挑战，出现了二氧化氯、臭氧等新型消毒剂。尽管如此，氯消毒因其使用方便、易于存贮、运输方便、综合成本低、操作管理较简单等优点，仍是目前最常用的消毒方法。2.113B氯消毒机理分析[48]氯的消毒机理主要有以下几种：(1)氯和水反应产生所谓“新生态氧”[O]，氧化原生质:CI2+H2O=HOCI+HCI=2HCI+[O](2-1)(2)原生质的直接氧化，会损伤细胞膜、破坏膜的渗透压。(3)氯渗透到细胞内部，与细胞的蛋白质、氨基酸反应生成稳定的氮-氯键结构，改变和破坏原生质。例如氯与类脂一蛋白质结合形成有毒的化合物，氯与-12- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文RNA结合，次氯酸与菌体蛋白和酶蛋白中的氨基、硫氢基等反应而达到杀菌作用。(4)物理化学杀菌作用。(5)对病毒的灭活作用。有人认为高浓度的氯对病毒核酸具有灭活作用。[49]Fair等人认为除了酶反应以外，消毒剂可以穿透细胞壁的能力在消毒中也起着重要的作用。HOCI分子小且为电中性，比带负电的次氯酸根更容易穿透细胞壁。因此，化学药剂的杀菌过程理论上分为两步:穿透细胞壁，与细胞[50]中的酶发生反应。Mark等人研究含氮的氯化合物时指出，氯化合物的杀菌能力与其水解程度有关。一般当pH值升高时，水解程度增大，杀菌能力增[51]强，但是，同时次氯酸的解离度也会增大。Ingols等人报道，一氯胺不像HOCI那样会立即产生不可逆的失稳，而可能是由于影响其酶系统，对细菌组织产生抑制而不是杀灭。进一步的研究也表明，一氯胺与有机氨氮类似，能在不破坏细菌组织结构的浓度下导致其染色体失常。通常认为次氯酸形式的氯比次氯酸根离子形式的氯的杀菌效率大得多，原因可能是细胞在水中带微弱的负电，对次氯酸根离子有排斥作用。由此也可以解释pH值对消毒的影响，pH<7时消毒最为迅速；温度升高时次氯酸容易透过细胞壁，消毒剂与生物酶的反应加快，消毒效果较好。但是，温度升高，同时也会使得余氯的损失量增大。2.214B氯与水反应动力学氯是供水消毒处理中使用最广泛的消毒剂，它的性质非常活泼。氯加入水中后能迅速与水发生反应而生成次氯酸(HOCI)和盐酸(HCI)，这是一个“歧化+-反应”，其中一个氯原子被氧化为[CI]，另一个氯原子被还原为[CI]，反应方程式:+-CI2+H2O←→HOCI+H+CI(2-2)+-其中生成的次氯酸不稳定，可以部分电离为H和OCl，反应式为:+-HOCI←→H+OCI(2-3)[+][−]H⋅OCI如以K=(2-4)i[]HOCI−[OCI]Ki=(2-5)+[]HOCI[]H-由方程式(2-5)可以看出，次氯酸[HOCI]占次氯酸根[OCl]的相对比例取决-13- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文0-于温度和PH值。当PH=7.5，温度为25C时，[HOCI]与[OCl]在水中的数量大体相等；当PH＜7.5时，次氯酸[HOCI]是占优势的物种；当PH>7.5时，次-氯酸根[OCl]占优势的物种。-普遍认为，其中起消毒作用的主要是HOCI，HOCI的消毒能力比[OCl][52]大得多，有研究表明，次氯酸杀死大肠埃希氏菌的能力比次氯酸根要大80-到100倍，因为[OCl]虽然具有很强的氧化性，但是由于同性相斥的原因，它很难接近细菌的表面，从而氧化杀死细菌；而HOCI为很小的中性分子，极易扩散到带负电的细菌表面，通过细胞壁穿透到细菌内部，通过氧化作用破坏细菌的酶系统或损害细胞膜，使得蛋白质、RNA，DNA等物质释放出来，而杀死细菌。2.2.136B影响氯衰减的因素[53]余氯在配水管网中的衰减，按反应对象的不同分为：水体衰减和管壁衰减，其中水体衰减部分按反应级数分为：一级反应、二级反映和混合级反应；管壁反应分为：零级反应和一级反应；按反应进行的速度分为：快速反应阶段[33]和慢速反应阶段。快速反应阶段一般是指氯投入水中初始的一段时间里，氯和有机物的浓度都比较高，反应速度较快，通常用二级反应模型来模拟；反应一段时间后，氯与水中的无机物反应己经基本完全，此时主要进行氯与有机物的慢速反应，这是可以合理的假设有机物浓度是远大于余氯浓度的，一般用一级反应模型来模拟。氯可以和管网中很多因素发生反应:水体中的有机物、无机物（氨、硫化物、亚铁离子、锰等）、微生物等，管材、腐蚀垢、管壁上附着的生物膜等，见图2-1。氯在配水系统中的衰减可以分为水体消耗衰减和管壁消耗衰减两部[54，55]分，衰减常数分别用kb和kW来表示。国内也有学者将影响因素概括为四类:a与管道水中有机物和无机物的反应；b与管壁附着的细菌膜的反应；c在[56]管壁腐蚀过程中的消耗；d在管壁与水流之间余氯的质量传输。2.2.1.1影响水体衰减的因素影响水体衰减的因素主要有:温度、pH值、氯的初始浓度、总有机碳浓度；无机物浓度（如氨氮）、雷偌数等。2.2.1.2影响管壁衰减的因素影响管壁衰减的因素主要有:管材、管径、氯的初始浓度、腐蚀瘤，生物膜、流速等。-14- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-1管段余氯消耗示意图Figure2.1Thefigureofresidualchlorineconsumptioninpipeline2.2.237B余氯在管道水中的消耗基于上述余氧消耗的几个主要方面，余氯在管道水中的消耗可以用下列通[57]式表示:dCKf=−K−W−()C−C(2-6)bwdtrh式中：C——管道水中的余氯浓度mg/L；W——管壁腐蚀所导致的余氯消耗；r——水力半径m；hKb——管道水中余氯衰减系数；K——传质系数；fC——管壁上的余氯浓度mg/L；w式(2-6)右边第一项代表氯在管道水中的消耗（与水中的有机物和无机物的反应）；第二项代表因管壁腐蚀所导致的氯消耗；第三项代表氯在管壁上的消耗（与管壁附着的生物膜的反应及在管壁与水流之间余氯的质量传输）。2.2.2.1在管道水中余氯的消耗余氯在管道水中的消耗可以用下列通式表示:Cl2+P→产物(2-7)式中：Cl2——自由性余氯；P——管道水中所有与余氯反应的物质。假设上式是一个简单反应，根据质量作用定律，氯的消耗速率为:d[CI]2=−k[CI][P](2-8)2dt-15- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文在管道水中与余氯反应的有机物和无机物的浓度P一般认为远远大于余氯浓度，因此，可将[P]看作是一个常数，定义余氯在管道水中的衰减速率常数，k=k[P]，则式(2-7)为一个准一级反应，可以表示为：bd[CI]2=−k[CI](2-9)b2dt2.2.2.2管壁腐蚀而导致的余氯消耗对于敷设时间久的金属管道，管壁腐蚀可能是余氯消耗的主要因素。自来水的PH值一般为7士0.5，氯在水中发生“歧化”反应后，余氯中次氯酸的成分占优势，所以在阴极发生还原反应的是次氯酸(HOCI)，阳极上铁被氧化。反应式如下：+2负极Fe-2e=Fe(2-10)+2-正极3HOCI+Fe+5e=3CI+Fe(OH)3(2-11)综合以上两式，得到了完整的腐蚀电池反应：6HOCI+5Fe=3FeCI2+Fe(OH)3(2-12)FeCI是其中一种腐蚀生成物，它能发生水解：2+-FeCI2+2H2O=Fe(OH)2+2H2CI(2-13)所生成的氢离子和氯离子会刺激铁的继续溶解，是腐蚀反应随着时间而加速进行，整个反应具有一种“自催化”的性质。2.2.2.3在管壁表面与生物膜反应及质量传输过程中的余氯消耗供水管网管壁表面存在生物膜和腐蚀瘤，以被许多调查所证实，它们能够有效地消耗余[58]氯。在供水管网中，这种消耗在某些情况下可能是余氯消耗的主要方面：用下列通式来代表在管壁上发生的所有消耗余氯的化学反应HOCI+Enzyme=[Enzyme…HOCI]→产物(2-14)余氯的消耗速率可以表示为d[HOCI]=−k⋅[HOCI]⋅[Enzyme](2-15)dt式中:[HOCI]——为余氯浓度；[Enzyme]——为在管网所有与余氯反应的细菌和腐蚀瘤的物质的浓度。由于管网中能扩散到管壁上余氯浓度很小，所以可以合理的认为[Enzyme]＞＞[OCl]，即可把[Enzyme]作为常数。定义Kw为余氯在管壁上的衰减速率常数，Kw=K[Enzyme]，则式(2-14)是一个准一级反应。它可以表示为：-16- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文dCd[HOCI]==−K⋅[HOCI]=−Kc(2-16)wwdtdt由于各个配水管网之间的差异、以及同一管网的水力工况和水质的不稳定，使得具体在管网中的氯衰减机理十分复杂，已有的各个模型所考虑的影响因素也不尽相同。目前常见的模型大多为经验型或半经验型。2.315B供水管网余氯分析采用氯化法消毒时水中才能产生剩余氯量。消毒的目的是为了杀火水中的细菌，为了保障人民的身心健康，生活饮用水中不应含有病原菌、病毒和其它0毒性微生物。卫生部2001年《生活饮用水水质卫生规范》规定:“在37C培养24小时的水样中，细菌总数一毫升水中不超过100个，大肠菌群每100mL水样中不得检出”。水中的细菌大多数粘附在悬浮颗粒上，水经沉淀、过滤等可去除大部分悬浮颗粒，而消毒则是杀火细菌保证水质的最后一关。余氯量通常是指在投加氯以后，氯与水中化学物质作用后可供消毒的那部分剩余的氯量，常以氯的浓度表示。显然针对不同的杀菌目标，消毒所需要的最低余氯量是不同的。-余氯可以分为自由性余氯和化合性余氯，前者指的是HOCI和OCI浓度，后者指的是氯氨和各种有机氯的浓度。其中起消毒作用的主要是自由性余氯，后文中所说的余氯没有特殊说明，均指自由性余氯。余氯量通常指的是在投加的氯与水中化学物质作用后可供消毒的那部分剩余氯量，常以氯的浓度表示。对于不同的杀灭目标，最低余氯量的浓度要求是不同的。由于消毒副产物、细菌等对象与余氯关系密切，如果余氯水平控制的合理，同时也可以对这些对象进行有效的遏制。2.3.138B水厂消毒余氯量一般认为最低的杀菌余氯量可以采用1962年Laubusch研究成果，杀菌接触时间为30min。当PH升高时，消毒所需的氯浓度增加。PH<6.8时，杀灭细菌的化合性余氯应不高于0.2mg/L；当6.810时，安全余氯量至少0.6mg/L。-17- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.3.239B管网末梢余氯量我国的生活饮用水标准规定氯消毒与水接触30min以后，水中的自由性余氯量不低于0.3mg/L，管网末梢自由性余氯不低于0.5mg/L(这相当于总加氯量0.5~2mg/L)。2.3.340B供水管网余氯优化控制控制就是使一个系统的输出变量达到预期参考值的过程，供水管网余氯控制就是使供水管网中各用户节点的余氯浓度达到预期控制目标的过程。余氯控制的受控对象为投加氯浓度。在我国，大部分水厂的预加氯多采用流量比例投加方式（自动或手动控制），而滤后加氯大都采用流量比例和余氯量复合闭环控制。广义上的余氯控制应该是考虑整个运行系统范围内的运行目标而采用的各类调控手段的集合。余氯控制根据发生地的不同可以分为水厂加氯和二次加氯；按照控制方式分为开环控制和闭环控制。合理的余氯优化控制可以产生如下优势：●减少消毒副产物形成的可能；●减少氯的总投加量；●使供水管网用户节点的余氯浓度在限制范围内时空分布更加均匀；●减少从水厂到用户节点的消毒时间，从而降低消毒终端产物；●增加系统抵御和应对事故或蓄意污染物侵害的稳固性。二次加氯就是一种高效的余氯浓度控制策略。该方法是一种分布式的补给技术，通过在供水管网中的氯投加高效点再次投加或补充氯，改变氯的浓度分布，提高供水水质。余氯控制属于存在滞后时间的控制过程，滞后对象是一种很难控制的对象。具有滞后的过程，在输入作用下不能观察出它对输出产生的影响，因此控制问题就变的复杂了。基于这个原因，滞后就被认为是本来就存在于物理系统中最难控制的动态环节。供水管网二次优化投氯实际是一个完整的、无缝的整体，应当包含水力优化调度，以保证供水管网运行节能和水质安全等方面的要求，同时也应包含余氯优化控制的内容，控制加氯的安全性和经济性，为供水管网水质保障创造条件。-18- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文2.416B供水管网节点水龄研究2.4.141B水龄概述[60]水龄的概念最早于1985年被Males等人在稳态模型中提出，而1988年[61]Grayman等人就把水龄的概念融入到动态水质模型中，开始了时间对管网水[62]质影响的研究。1998年Clark等人通过水力模型对配水管网中的水龄做了进[63]一步评估，并在分析、监测管网水质中得到了应用。国内赵洪宾等人于2001年提出了节点水龄的计算方法，通过节点水龄评价管网水质，并在实际管[64]网中得到了应用。许仕荣老师等人于2003年提出了水龄比例矩阵，结合水量比例矩阵对水质监测点的优化选址进行了新的探索与研究。从水力模型出发进行水质计算，可以分成两大类：计算非反应性物质的浓度和反应性物质浓度。非反应性物质的浓度可以用节点水龄来反映。反应性物质的浓度，除了节点水龄还与反应速率有关，如余氯浓度求解时，节点浓度由各条管段的停留时间和反应常数k值共同体现出来。2.4.242B节点水龄定义节点水龄指水从水源流到该节点的平均时间大小，它受到诸多因素的影响。它的计算步骤如下:(1)由式(2-17)算出管段j的流速v；j4qjv=(2-17)j2πdjvjj式中：一一管段在该时刻的流速m/s；qjj3一一管段在该时刻的流量m/s；djj一一管段的管径m。(2)由式(2-18)算出管段j的流行时间t；jLjt=(2-18)jvj-19- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文j式中:L一一管段的长度m；jjt一一水流在管段中的流行时间s。j(3)可以假设:各个节点瞬时、完全、均匀混合，混合后部分水流流出管网，剩余部分流入下游管段。则节点i的水龄:∑tjiqjij∈Iit=(2-19)∑qjij∈Ii3式中：q一一流入节点i的各管段流量m/s；jit一一所有流入节点i的各管段流行时间s；jiI一一所有流入节点i的管段组合；it一一节点i的水龄s。i这里我们引入“水流路径”的概念。水流路径是指某一微小水流在离开管网之前，在管网内所经过的路径。该水流在路径上运动的时间，也就是它在管网中的停留时间，即水龄，可以用式(2-17)~(2-19)计算。为了计算方便，假设在节点的停留时间为零，如果水团在该节点离开管网，它的停留时间就是该节点混合后的平均停留时间；否则，将累加下游管段中的流动时间。图2-2节点水龄计算示意图Figure2-2ThesketchofnodeswaterTSEcomputation以节点6节点水龄计算为例，如图2-2所示，其中节点旁边数字如，“1，2，3...”表示各节点编号，而节点旁边标示如“1h，2h，3h，4h...”表示各节点的节点水龄，其中箭头所指方向是管网在该工况下各管段的流速方向。-20- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文节点6的节点水龄是从水源到该节点的3个管径水龄通过加权平均所得，其中3条水流路径分别为:节点1-2-3-4-6；节点1-2-3-7-6；节点8-7-6，其计算表2-1管段基本属性Table2-1Basicpropertiesofthepipes管段编起始节终止节管长(ft)管径(in)CH−W号点点1122400121002258001210032313008100434120081005451000121006561200121007672700121008781200121009794001210010810100081001191170012100121112190012100131213600121001413144001210015141530012100161316150081001715171500810018161760081001917187001210020183235012100211619140081002214201100121002320211300810024212213008100252022130081002624236001210027152425012100282325300121002925262001210030253160012100313127400810032272940081003429287008100352233100081003633344008100373219500810038293550081003935301000810040283570081004128363008100-21- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结果为“4h"。其中:假设水源水龄与水箱水龄均为“0h"；假设管网在某一确定的工况下，配水管网内水龄均匀变化。2.4.343B节点水龄特点分析[66]用算例对节点水龄进行分析，该算例来源于EPANET中的一个国际学术领域中通用的实际测试算例，它是美国南部康涅狄格州中南水务局(SouthCentralConnecticutRegionalWaterAuthority，简称SCCRWA)配水管网的一部分－CherryHill-BrushyPlains服务区。该服务区相对独立，位于Branford镇的东2部地区，服务面积大约5.2km，几乎都是居民用水，主要是独门独户的别墅式住宅和单元楼住宅。服务区内地势起伏不大，海拔在15.2m到70.1m之间，以Saltonstall湖水为水源，经过Saltonstall水厂处理，进入SaltonstallRidge清水池，通过CherryHill泵站向服务区供水，在管网的北部有BrushyPlains高位水塔对管网供水进行调节。表2-2各管段流量以及流速Table2-2Flowandvelocityofeachpipe管段编管段流管段流管段编管段流管段流号量(GPM)速(fps)号量(GPM)速(fps)1104.160.30217.620.05278.910.222237.440.11319.010.122311.350.0748.090.0524-1.130.0151.850.012511.270.07674.520.2126-108.610.31770.620.2027-100.030.28810.920.0328-114.850.33956.580.1629-147.610.42103.900.023028.080.081145.660.133114.820.091218.530.05328.580.05136.050.02341.340.0114-26.140.07352.340.0115-65.140.18361.170.011630.630.2037-3.720.021733.330.21381.780.01187.420.05392.340.011925.140.07400.560.003209.540.03410.780.004注：表中负号表示管段中水流方向与0:00时刻管中水流方向相反；GPM表示流量单位，gallons/min；fps表示流速单位，feet/second，为美国常用单位。-22- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表2-3各节点用水量Table2-3Waterdemandofeachnode(GPM)节点编用水量节点编用水量节点编用水量号号号1-104.16131.56254.6826.24141.56276.24310.92151.56280.0046.241615.60295.4656.241715.60302.3463.901815.603113.2673.12193.903213.2687.022014.82331.17910.922112.48341.17103.90227.80350.001127.13236.24360.781212.48248.5826-147.61表2-4水在各管段内的流行时间Table2-4Timeflowingthrougheachpipe(d)管段编号流行时间管段编号流行时间10.0926210.324120.0421220.115730.1254230.214940.2778241.504651.1574250.214960.0661260.022470.1563270.010380.4630280.010590.0289290.0055100.5787300.0868110.0623310.0514120.4398320.0926130.3472340.8102140.0661351.1574150.0193360.4630160.0868370.2894170.0827380.5787180.1389391.1574190.1157402.7001200.1350410.8681实例管网水力数据计算，用EPANET2.0对该管网进行平差计算，选取泵站与水池同时供水的典型工况为例进行分析，表2-2和表2-3分别为该工况内各管段的流量以及流速、各节点的用水量。通过EPANET2软件的节点水龄模拟计算，假设水源、水箱初始水龄为-23- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文“0h”。对图2-3所示算例管网进行了50天的模拟计算，以图2-3中节点14为例，通过EPANET2计算，得到水龄变化曲线如图2-4所示，发现节点水龄具有周期性、瞬变性、递增性的特点。2.6.3.1水龄与日用水量变化的关系通过EPANET2对算例管网的模拟分析得到240h内系统管网供需水平衡变化图，如图2-5所示。从日用水量周期变化图中发现，用水量低峰分别出现在04:00，16:00，而用水量高峰时段分别出现在:10:00，22:00，这与人们的日常生活习惯有关。图2-3水龄特点分析算例管网示意图Figure2-3ThesketchinwaterpipenetworkTSEcomputation-24- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-4管网水龄变化曲线示意图Figure2-4ThesketchchangesofnodeswaterTSE图2-5管网逐时水量变化示意图Figure2-5Thebalancechangesofsupplyanddemandinpipenetworksystem2.517B用图论方法表示供水管网供水管网模型可用相互连接的图形表示，包括有限个有方向的边，这些边交叉形成节点、构成支和环。通常，边代表管段，管段模型是由管长，管径和管材决定的。管网系统也包括一些控制元素，如泵、阀门和开关等。管段交叉点为节点，节点可以是水量消耗点也可以是水源节点，其中一些是已知水头的边界点(水池和水处理厂)。边和节点的相互连接唯一定义管网的网络结构。每一个基本环是一相互连接的边，并唯一包含在此环中的边闭合序列构成的。图论是数学的一个分支，以图为研究对象。图论中的图是若干给定的点及连接两点的线所构成的图形，这种图形通常用来描述某些事物之问的某种特定-25- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文关系，用点代表事物，用连接两点的线代表相应的两个事物问具有这种关系。这种图中点的位置和线的长短曲直无关紧要。有些专家认为图论是关于网络的数学理论。也有专家认为图论是研究离散对象之问的关系。2.5.14B图的基本定义v={}u,u,L.uE={e,e,K,e}设有一个顶点集12n和一个边集12m，如果对于E中的任一条边ek，在v中都有一个顶点对(ui,uj)和它对应，我们就称由v和E组成的集体为一个图，记为G=(v,E)。v是一个非空有限集合，E是v中元素的无序对所组成的有限集合，并把v的元素叫做图的顶点，E的元素叫做图[65]的边。图G=()v,E常简记为图G，并以v(G)或v，E(G)或E分别表示图G的顶点集、边集。设S是一个集合，则以|S|表示集S的基数或元素个数，于是|v()G|或|v|、|E()G|或|E|分别表示图G的顶点数、边数。由定义，边是顶点的无序对，若边e是顶点u和v的无序对，则记设，则称u、v是e的端点，或e连接u与v。两个端点重合的边称为环。若两条或两条以上的边具有相同的端点，则这些边称为平行边。若顶点u是边e的一个端点，则称顶点u与边e关联。不与任何边关联的顶点称为孤立点。两个顶点如果与同一条边关联，那么这两点称为相邻，两条边如果与同一个顶点关联，那么这两条边也称为相邻。2.5.245B图的矩阵表达矩阵是研究图的一种有力工具，特别是利用电子计算机来研究有关图的算法时，首先遇到的是如何让计算机来识别图，这就不得不借助于矩阵。管网图是有向图，用有向关联矩阵表示。关联矩阵的行对应于图的顶点，a列对应于图的边(弧)。当用关联矩阵A表达有向图时，其元素ij定义为：⎧1,若弧j自顶点i射出⎪aij=⎨−1，若弧j向顶点i射出⎪⎩0，若弧j与顶点i不关联-26- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图2-6简单管网图Figure2--6Simplenetworkplans根据上述定义，图2-6管网关联矩阵为abcdefg1⎡000−1010⎤⎢⎥20−1001−11⎢⎥3⎢0100000⎥Ae=⎢⎥4⎢−10−10−100⎥5⎢001100−1⎥⎢⎥6⎢⎣−1000000⎥⎦2.618B小结本章叙述了供水管网水质模型的基本理论及计算方法、氯消毒机理，分析了余氯在供水管网中的衰减，供水管网水龄的计算方法，本章是后续章节的理论基础。-27- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第3章2B供水管网余氯模拟供水管网的模型按性质可以分成：水力模型和水质模型。按描述状态又可以分成：稳态模型和动态模型。水质模型是在水力模型的基础上建立的，水力模型是水质模型的基础，只有通过水力模型对管网水力工况的准确模拟，计算出各管段的流量、流速，才可能对水质模型进行研究，因此水质模型的准确性是以水力模型准确性为前提的。因为无论水质模型模拟的成分是非反应性物质还是反应性物质，它们在管网中的浓度变化都与流量的分配和水体在管网中的停留时间一一水龄密切相关。反应性物质，如余氯的衰减、生物膜的生长、THMs的生成等，还与其在管网中的反应模型参数的准确性有很大的关系。3.119B水力建模基本原理水力模型是水质模型的基础，只有通过水力模型对管网水力工况的准确模拟，计算出各管段的流量、流速，才可能对水质模型进行研究。水力模型的建立和求解过程，就是管网方程组——节点连续性方程、能量守恒方程和管段压降方程的建立和求解过程。3.1.146B节点连续性方程对于管网的任意一个节点，流入节点的流量应该等于流出该节点的流量：Qi+∑qij=0(3-1)式中：Qi——为节点i的节点流量m3/s；qijj3——为节点i到节点的管段流量m/s。一般设流入节点为负，流出节点为正。如果管网有n个节点，则可以写出n−1个类似的独立方程式。3.1.247B能量守恒方程能量方程也称为环方程，表示管网中每一个闭合环的管段总的水头损失之和为零。-28- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文∑(h)=0ijⅠ∑(h)=0(3-2)ijⅡ………∑(h)=0ijLⅠ、Ⅱ...L表示管网各环的编号。L个基环就可以写出L个非线性能量方程。通常认为：水流顺时针水头损失为正，逆时针水头损失为负。3.1.348B管段压降方程管段压降方程是表示管道始端和末端间的水头损失（不考虑局部的水头损失），也称为水头损失方程。它表示了流量和水头损失的指数关系：nh=Sq(3-3)ijijijS式中:ij——表示管段摩阻；qij3——表示管段水流m/s；hij——表示管段水头损失m；n——为一个指数系数。P条管段就能写出P个压降方程。在水温一定，管段的管径d、管长I、管道摩阻S己知的前提下，联立式(3-1)~(3-3)，就可以求出压降和管段流量。求解的方法通常有流量法和水压法两大类。3.220B供水管网动态水力模型管网动态水力模型是一系列的稳态模型的解并连接描述管网系统中蓄水池设备动态特性的一组微分方程。管网动态模型是假设用水量曲线和外部供水曲线是随时间变化，在给定的时间段内水池和水泵的调度保持不变，从一时间段到下一时间段它们是变化的。每一次系统边界条件随时间的变化称为一个水力事件。每个水力事件期间称为一个水力时间段，通常为一小时。每一个水力事件都可改变供水管网系统的状态，这种管网系统状态（通常称之为准动态）认为是在每一个水力时间段-29- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文的开始时，瞬时发生并在此期间系统状态保持不变。因此管网动态水力模型是在一系列时间段上求解静态序列的过程。模型的动态主要表现在水池节点的水位变化，可用微分方程模拟。在每一水力时间段内，水池水位的变化可由下式计算：dH1r=()Q−Q(3-4)inoutdtAr式中H——水池水位m；rt——时间h；2A——水池的横截面积m；r3Q——进入水池的总流量m/s；in3Q——流出水池的总流量m/s。out3.321B水质模型3.3.149B传统水质模型供水管网水质模型是模拟水中物质随时间在管网中变化规律的模型。管网水质模型是在水力模型的基础上，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。管网水质模型主要的功能是可以跟踪管网水质的变化，评估管网水质的状况。在单个管段中，氯分布状态可以按式(3-5)计算。∂c(x,t)∂(x,t)+v=kc()x,t(3-5)1∂t∂x式中：c(x，t)——管道中t时段x处的氯浓度mg/L；V——水的流速m/s；k1——一级反应常数，为管道反应系数、质量传输系数和余氯衰减系数的函数。现有的水质模型按求解方法可以分为两类:欧拉法和拉格朗日法。水质模拟技术计算精确，并且足够预测管网水质残留。但是，各种方法都尽力近似求解各管道中无数点的氯浓度，从而丢失氯输入/输出路径的关系。-30- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3.250BI/O模型输入/输出(Input/Output,I/O)模型是种递归回溯方法，该方法可以从输出节点开始，找到何时投加氯到供水管网中。该模型通过相邻上游节点浓度指数衰减值加权平均，表达特定时间节点氯浓度。如果上游节点是加氯点，上游节点浓度即可获得；如果不是加氯点，可以运用同样的过程回溯到己知加氯点。I/O模型在管网中从消费节点回溯到氯投加点这便是递归过程的基础。依此方法可以建立输入节点和输出节点之间的关系：mnu()∑∑kkct=du(3-6)iijjj=1k式中:a()t——时刻t调度周期k输入节点j(二次加氯点)对输出节点i的ij影响系数；c()ti——节点i在t时刻的浓度mg/L；ku——二次加氯点j的投加浓度mg/L。jI/O模型能比传统模型提供更基础的信息，如提供输入、输出节点之间的各路径关系，将其分解为相应的延时和影响系数。输出节点的行为能通过任何源节点来推求计算，这种数学形式的表达对应用有利，如反馈控制。另外I/O模型由于路径表达清楚，所以有助于理解水质过程。3.42B余氯的动态模拟3.4.151B余氯管段衰减模型经过水厂消毒处理后进入城市管网的水中余氯浓度相对很低，此时用一级反应模型就能很好地模拟余氯在管网中的衰减变化，因此选用综合的一级反应模型(水体和管壁都是一级反应)来实现管网余氯的模拟：dc=−kc(3-7)dtkkfwk=k+(3-8)b()rhkf+kw-31- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文式中：k——水体和管壁反应的总余氯衰减系数；r——水力半径mm；hK——管道水体中余氯衰减系数；bK——传质系数；fkw——管壁反应余氯衰减系数。传质系数通常可用Sherwood数来表示：Dk=Sh(3-9)fd式中：Sh——Sherwood数；d——管径mm；-32D——余氯在水中的扩散系数(在20℃时，D=0.10×10m/d)[67]在层流层，Sherwood数可以用式(3-10)表示：0.0668(dL)Re×ScSh=3.65+(3-10)[]()231+0.04dLRe×Scud式中：Re——雷诺数，Re=；vvS——施密德(Schmidt)数，Sc=；cDL——管长m；2v——水的运动粘滞系数(在20℃时，M=0.09m/d)；u——水的流速m/s。利用上述关系式，kf可以表示为：⎡⎛ud2⎞⎤⎢0.0668⎜⎟⎥⎜⎟⎢⎝LD⎠⎥Dk=3.65+(3-11)f⎢23⎥⎛ud2⎞d⎢1+0.04⎜⎟⎥⎢⎜LD⎟⎥⎣⎝⎠⎦从式(3-9)可以看出，kf是水的流速、管长、管径及温度(扩散系数决定于温度的变化)的函数。针对余氯在管网中的衰减情况，作以下几点假设：a在一个水力时间段内（1小时），余氯沿管道水流的对流传输过程是一维传输状态；b在管网的混合节点处，余氯在节点断面上的混合是完全和瞬时的，在节点不考虑余氯的纵向传播和扩散；-32- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文c管网中余氯的衰减反应遵循一级反应动力学规律;d物质在混合后才从节点流出管网及流入下游管段，流出节点的浓度是均一的；e水体衰减系数和管壁衰减系数在本次模拟中认为是不变的，为常数;f二次加氯点，仅对该点和水流下游节点的余氯浓度产生影响，流量的改变很小，可以忽略不计；g假设水厂与水箱的加氯点均在出水口处，并且为固定加氯点。3.4.252B余氯衰减模型的选择由于一级模型形式简洁，对实测数据的吻合程度也较好，在实际中的应用较其他模型广泛，所以本文采用一级衰减模型。本论文选用EPANET管网模拟软件包中使用的一种较为复杂的管壁和水体一级衰减动力学模型，该模型由[66]Rossman等总结提出，它结合了氯从水体传输到管壁的物质转移机理，管壁衰减系数成为速度、管径、管长、扩散率、粘性的函数。模型表达式如下：C=Cexp(−kt)(3-12)t0式中C——t时刻氯的浓度mg/L；tC——初始氯浓度mg/L；0t——传输时间h；-1k—一级衰减反应速率系数h。3.523B供水管网余氯浓度的计算在供水管网中，从起点到终点的水流方向数与管网的环数有关。下面给出从管网中某一起始点到目标点J的余氯浓度计算方法。对于沿任意一水流路径流至终点J，则有如下关系式：⎛m⎞Cji=CAexp⎜⎜∑()−Kijtij⎟⎟(3-13)⎝j=1⎠式中C——起始点余氯浓度mg/L；AC——沿第i条水流路径，终点J的余氯浓度mg/L；jim——管段数；t——沿第i条水流路径，第j根管段水的滞留时间h；ij-33- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文K——沿第i条水流路径，第j根管段的余氯浓度减少速率常数。ij沿各水流路径流过各管段的滞留时间不同，到达J点的Cji值也不同，水在J点混合后，其余氯浓度为：n⎛m⎞CA∑∑qmiexp⎜⎜()−Kijtij⎟⎟+qscsi==11⎝j⎠C=(3-14)JQJ式中：C——节点J混合后的余氯浓度mg/L；Jn——水流路径数；3Q——从节点J流出的流量m/s；J3q——沿第i条水流路径，第m根管段的管段流量m/s；mi3q——进入节点J的外部水源流量m/s；sc——进入节点J的外部水源氯浓度mg/L。s根据3.4.1节假设e可以得出：二次加氯点的加氯量等于流出该节点的总流量与二次加氯浓度的乘积，则节点混合后的浓度方程(3-14)可改写为：n⎛m⎞CA∑∑qmiexp⎜⎜()−Kijtij⎟⎟i==11⎝j⎠C=+c(3-15)JsQJC式中：J——节点J混合后的余氯浓度mg/L；CA——起始点余氯浓度mg/L；qmi——沿第i条水流路径，第m根管段的管段流量m3/s；tij——沿第i条水流路径，第j根管段水的滞留时间h；Kij——沿第i条水流路径，第j根管段的余氯浓度减少速率常数；QJ——从节点J流出的流量m3/s；cs——进入节点J的外部水源氯浓度mg/L。3.624B算例对2.6.3节中国际通用算例进行节点余氯计算，该管网的拓扑结构如图3-1所示，管段基本属性见表2-1，管网水力数据见表3-1和表3-2。-34- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表3-1各节点基准用水量Table3-1Basedwaterdemandofeachnode(L/s)节点编号用水量节点编号用水量10.00193.3525.362012.7339.382110.7245.36226.7055.36235.3663.35247.3772.68254.0286.0326-216.2699.38275.36103.35280.001123.30294.691210.72302.01131.343111.39141.343211.39151.34331.001613.40341.001713.40350.001813.40360.67表3-2节点用水量时变化系数Figure3-2Hourlyvarietycoefficientofwaterdemandateachnode时间(h)变化系数kh时间变化系数kh11.26130.9221.04140.6830.97151.4340.97160.6150.89170.3161.19180.7871.28190.3780.67200.6790.67211.26101.34221.56112.46231.19120.97241.26[68～71]文献都曾用该管网进行过水质模型的研究。该管网由一个泵站（位于节点1处）、一个水池（位于节点26处），36个节点和43根连接管组成，管-35- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文线总长11km。管网经过简化后只保留了管径为200mm及以上的干管，占实际管网的57%。为简化计算，将各管段主体水衰减系数取为-0.5，管壁衰减系数取为-1。水池投氯量取为2.0mg/L，用EPANET软件进行计算，所得各节点余氯浓度结果如图3-2中所示。图3-2各节点余氯浓度结果Figure3-2Theresultofchlorinedecayconcentrationofeachnode3.725B小结本章首先分析了供水管网的水力模型、水质模型，其次对余氯的动态模拟做了几点假设，在供水管网动态水力模型的基础上建立了余氯衰减的动态模型，假设余氯的总体衰减和水体衰减都服从一级反应。此外，本章还给出了配水管网中节点余氯浓度的计算方法，并用通用算例管网进行了节点余氯浓度的计算。-36- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章3B供水管网优化投氯分析由于城市的发展和扩建，供水水厂一般选址于城市供水管网的边缘位置，另外由于供水安全的需要，水厂也一般建设在市区的边缘位置。为了满足管网末梢的余氯浓度需要，往往需要在出厂水中保持较高的余氯浓度。虽然水中保持较高浓度的氯可以抑制微生物的生长，但是这样做的弊端也是明显的，增加了药耗和消毒副产物超标的危险。二次加氯前后氯浓度衰减规律及三卤甲烷生[8]成浓度对比关系哈工大赵洪宾教授做了研究，规律见示意图4-1。从图中可以看出二次加氯后降低了水厂加氯量和管网中三卤甲烷浓度。由于大型城市供水管网水力停留时间较长，从水厂出水到最终用户端往往经历数小时或者数天，为了使余氯浓度在整个供水管网中分布更加均匀，国外有些大城市采用二次加氯消毒的方法来保证管网的水质安全。图4-1余氯及其消毒副产物变化规律示意图Figure4-1Thevarietylawofchlorinedecayanddisinfectionby-products供水管网二次加氯是大型供水管网余氯优化控制一种重要形式，是一种高效的余氯浓度控制策略，但在中小型供水管网通常不需要考虑二次加氯。在传统模式下，大型供水企业不得不面临两难的选择：一方面，由于氯在管网中长时间停留而发生衰减消耗，如果净水厂不增加过量的消毒剂量，就不能满足管网中许多关键点的余氯浓度要求；另一方面，过高的氯浓度将会产生气味，从而增加消费者的投诉。另外，过量的氯将会导致消毒副产物（DisinfectantBy-Products，DBPs）增加，这些物质将会危害人体的健康。所以，供水企业不-37- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文得不在保持供水管网所有节点的余氯浓度要求和防止气味及消毒副产物增加这对矛盾中采取折衷。二次加氯是种高效的余氯浓度控制策略，该方法是分布式的补给技术，通过在供水管网中的氯投加高效点再次投加或补充氯，改变氯的浓度分布，提高供水水质。这种方法与仅在水厂消毒的传统方式相比较有如下优点：a减少DBPs形成的可能；b减少氯的总投加量；c导致供水管网消费节点限制范围内的余氯有更加均匀的时空分布；d减少从水厂到消费节点的消毒时间，降低消毒终端产物；e增加系统抵制和应对事故或蓄意污染物侵害的稳固性。4.126B供水管网水源优化投氯分析二次加氯是对于相对于供水管网中途加氯提出的，对于供水管网水源投氯量优化问题可以转化为分时段投氯即不同时段投加的氯量不同。由于用水量随时间变化，导致自来水在供水管网中的停留时间不同，消耗的余氯不同，采用统一的投氯方式使管网中的余氯分布不均匀，可导致消毒副产物的增加。程序直接用delphi语言用枚举法进行编成。程序流程图如图4-2。图4-2供水管网水源优化投氯程序流程图Figure4-2Watersupplynetworkoptimizationprocessflowchartforchlorine供水管网水源优化投氯程序代码见附录。-38- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文供水管网水源优化投氯算例分析，以2.6.3节中国际通用算例进行供水管网水源优化投氯分析。供水管网水源优化投氯程序设计步骤如下：1选择优化管网文件如图4-3。图4-3选择优化管网文件Figure4-3Choosetheoptimizednetworkdocuments2在优化投氯量中首先输入管道下限，进行优化投氯量计算。如图4-4。-39- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-4优化投氯量结果分析Figure4-4Tooptimizetheresultsofanalysisofchlorine3进行优化前后余氯数据比较。如图4-5。图4-5优化前后余氯数据分析图Figure4-5Optimizationanalysisofdatabeforeandaftertheresidualchlorine-40- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文供水管网水源优化投氯分析程序界面如图4-5。图4-5供水管网水源优化投氯分析程序界面图Figure4-5Watersupplynetworkoptimizationofproceduresforchlorinemapinterface通过运行程序可以得出，进行分时段投氯使管网中的余氯分布更加均匀，同时节省了投药量。4.227B供水管网中途配合投氯分析4.2.153B二次加氯方法的选择对于大型供水管网，只进行分时段投氯不能余氯均匀分布，要进行二次加氯才能使余氯分布较均匀。二次加氯是一种分布式的补给技术，通过在供水管网中的氯投加高效点再次投加或补充氯，改变氯的浓度分布，提高供水水质。二次加氯优化模型是一系列基于专业假设和方法而建立，通过优化方法求解的模型。二次加氯研究可以分为两部分内容，优化选址和优化余氯投加两部分。优化选址与优化投加可以同时进行，也可以分开进行。笔者认为加氯点选址优化与加氯量优化宜分开-41- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文进行，主要考虑的原因有：a加氯量优化是相对简单的工作，而加氯点选址涉及因素复杂；b加氯点选址优化一次完成，长期使用，而加氯量优化宜随时间和环境变化而进行调整；4.2.254B供水管网分级优化投氯理论研究二次加氯优化模型是一系列基于专业假设和方法而建立，通过优化方法求解的模型。根据决策变量的不同，该系列模型可分为优化布置模型和优化投加量的模型。优化布置模型可以分为覆盖模型1、2和优质水模型;优化投加量模型包括最小投氯量模型和最佳期望浓度模型。不同的想法可以有不同的组合方法，如Prasad联合优化布置模型中优质水模型和优化投加量模型中的一次形式模型组成多目标函数形式，可以同时实现二次加氯的点和量的优化。不同优化模型采用不同的优化算法获得优化解。到目前为止，遗传算法、多目标遗传算法、整数规划、线性规划、二次规划、混合整数线性规划、0-1非线性规划和混合整数一次规，己经得到应用。4.2.2.1覆盖模型1基于水力模型计算，在有限现场监测点的情况下，LeesDeininger算法可以根据用户用水量发现最佳的覆盖集，从而确定最佳的现场监测点。该方法实际是管网中的监测点应该覆盖最大的其他管网节点水量。引入“覆盖”或“覆盖节点”是为了建立联系，从而通过竹网的其他节点的监测结果评价管网水质。如监测节点i从节点j获得足够的水，即节点i覆盖节点j。因此，可以通过节点i的水质浓度推导出节点j的浓度。为了选择一次加氯点，需要象Lee和Deininger那样控制下游节点而不是上游节点。当选择一个节点为加氯点时，下游节点的水质可以通过一些假设而进行评价。借鉴以上方式可以建立优化问题为:nbMax∑ciyi(4-1)i约束条件为：nb∑xi≤ns(4-2)in∑Wc()i,jxi−yi≥0(4-3)i=1c式中：i——节点的水量；-42- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文nb——可能设置二次加氯点的节点数；ns——最大二次加氯点数；n——节点数；xi——是否在i点设置二次加氯点，0为不在该点设置，1为在该点设置加氯点；yi——一个覆盖点，0为不覆盖，1为覆盖。约束条件式(4-2)限制了二次加氯点的最大数量。约束条件式(4-3)限制了管网中不同的节点通过该约束条件，使得监测点j至少由一个二次加氯点i覆盖，可控制节点j的水量。4.2.2.2覆盖模型2覆盖模型2寻求确定最小化的二次加氯点，对于确定的节点和时段，这些加氯点能够提供完全的余氯覆盖。余氯覆盖序列由各个监测点和监测时段产生，并目保证各个监测点和时段至少由一个二次加氯点决定，因此导致完全覆盖。该模型的关键步骤是确定节点是否被覆盖。优化问题为:nbmin∑xi(4-4)i约束条件为：∑xi≥1j=1...nm,K=1...Kn(4-5)ki∈Njk{kmin}N=ic≥c(4-6)jjx={0,1}i=1,...n(4-7)ibkk式中:N为监测点j在时段k的余氯覆盖集;c为监测点j在时段k的余氯浓jjmin度mg/L;c为能够接受的最小余氯浓度mg/L。kman覆盖集N包括可能的二次加氯点i，该加氯点的浓度为c，并且由此推jmin导出的各节点j在时刻k的余氯浓度大于c。因此，覆盖集又可以定义为k{kminmax}minmaxN=ia≥η=c/c。残余参数η=c/c是个衡量余氯残留的设计jij参数，直接影响着优化模型的位置和数量。4.2.2.3优质水模型优质水模型基于管网水力和水质的模型。将余氯在限制范围内的总用水量，代替节点数量，作为优化的目标函数。24h内优质水的总量-43- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文称为总优质水量，所有节点的总优质水量必须在能够接受的浓度范围内。该模型表示为:n23maxTHQW=k∑∑vi(4-8)it==10约束条件为:minv=0当cpc(4-9)ii式中:v为节点i在1h内的优质水消耗量；K为单位转换系数；THQW为管网i中总优质水量mg/d。4.2.2.4节点覆盖法的基本原理如果一节点为i，其节点流量为di时，整个供水管网的供水量若为Q，则此刻管网中所有流量比例为di/Q的水量其水质状况是已知的。当供水管网在某一正常工况下工作时，可以认为水从水源节点出发流向各管网节点，水质随着流经时间的延长而不断下降，也即靠近(指流经时间)水源点的节点的水质必优于远离水源点的节点。这样，供水管网中的任何一个节点的水质便通过管段和管网中其它的部分节点建立了联系。也就是说，当在监测一个节点的水质时，这个节点的水质状况不但反映了该节点本身，也在一定程度上反映了与其有连接路径的部分节点的水质状况。4.2.2.5水质比例矩阵根据上述原理分析，用水质比例矩阵[W]来度量供水管网中任意两节点间通过管段的这种在水质上的联系。水质比例矩阵定义如下（设管网中节点总数为n）：⎡W(1,1)W(1,2)KW(1,n)⎤⎢()()()⎥W2,1W2,2KW2,n[]W=⎢⎥⎢MMMM⎥⎢⎥⎣W()()1,nW2,nKW()n,n⎦式中，元素W()i,j{}i,j∈{}n表示节点i的节点流量d中来自节点j的那一部分i所占的比例，W(i,j)可以分下面两种情况求得：(1)节点i和j直接相联a若节点j位于节点i的上游，且节点i的水全部来自节点j，则有W()i,j=l；并认为:当i=j时，有W()i,j=1；b若节点j位于节点i的下游，则有W(i,j)=0；c若节点j位于节点i的上游，且节点i的水部分来自节点j，则W()i,j可用-44- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文下式计算：Q(i,j)W()i,j=(4-10)∑Q()i,kk∈m式中：Q()i,j——管段(i，j)的管段流量；m——所有流入节点i的管段的集合。(2)节点i和j间接相联a若节点i和j间接相联，且没有水流路径连接该两点，这样两节点之间没有任何水质联系，显然有W()i,j=0；b若节点i和j间接相联，但有水流路径连接该两点，采用下式求得W()i,j；W(i,j)=∑W(i,k)W(h,j)(4-11)k,h∈ε式中ε——水流从节点i流向节点j所有流经中间节点的集合。上述求水质比例矩阵，在计算上是比较容易实现的。首先，管网的拓扑结构可以用第二章图论中一个有向图G(V，E)来表示，并根据管网水力计算结果写出管网的关联矩阵逐级搜寻上游节点及管段，直到搜寻两节点中所有路径为止，得出所有两两节点的所有供水路径。4.2.2.6加氯点优化模型分析加氯点优化模型可以分为优化水质模型和覆盖模型，优化水质模型是通过传统水力水质模型，直接构建节点间的水力水质联系；覆盖模型1是通过节点间的水量大小比例及水流路径建立整个管网节点间的水质关系；覆盖模型2是通过I/O模型建立供水管网中节点间的水质联系，路径关系清晰，水质过程表达准确。优化水质模型易于理解，但是对于水力、水质模型依赖性强，模型精度要求高；覆盖模型1是用水量信息代替水质信息，会产生偏差，如不能体现管段两节点流量变化不大、水流时间很长而造成水质变化的局限性；覆盖模型2影响系数确定较为复杂，容易受到水力周期波动影响。笔者认为对于有水力、水质模型基础好的可以应用优化水质模型，但一般的供水企业不具备好的模型条件，在我国还未见到成功应用的水质模型，覆盖模型虽然相对粗糙但实用，在目前相对准确水力建模中可以应用。为此选用覆盖模型1进行二次加氯点的优化选择，可以用节点水龄来弥补不同管段两节点流量变化不大、水流时间很长而造成水质变化的局限性。-45- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.2.35B加氯量优化模型的建立加氯量优化可以分为最小投氯量模型和最佳期望浓度模型。最小投氯量模型是将氯的定点定量问题转化为氯的总投加量最小化，各节点以余氯浓度上下限为约束条件。而最佳期望浓度模型是根据管网中余氯分布最好的方式便是均匀地达到某一期望水平，与期望余氯浓度的差值便成为衡量用户水质的标准。最小投氯量模型求解简单，但易受水力周期的影响。最佳期望浓度模型易于理解水力和水质之间的关系，不需要严格的水力周期，但计算量相对较大。4.2.3.1最小投氯量模型加氯量的优化属于运行优化，是在选定的加氯点的基础上，对各种运行工况确定最佳加氯量。所谓最佳加氯量是指在使管网中各节点余氯浓度满足要求时，管网中的余氯浓度不能过高，否则会增加消毒副产物的生成量，而一些研究表明水中余氯含量随氯投加浓度的增加而增加，确定加氯量优化目标函数为管网中氯投加浓度最小，即nbmin=∑Mi(4-12)i=1约束条件为管网中各节点余氯浓度满足水质标准，即：l∑cjexp()−kj,itj,iQjj=1c≤+c≤ci=1,2,L(4-13)minl0imax∑Qjj=1式中n——设置二次加氯点的节点数；bM——投加氯点i在投加周期k时段内总氯的投加量；ic——i点的上游点j点的氯浓度；jc——第i个加氯点的加氯量；0iQ——j点处的流量jk——j，i点间的总余氯衰减系数；j,it——j，i点间水的传输时间；j,il——i点上游点的个数；c——管网水中余氯上限值；maxc——管网水中余氯下限值。min从上述最小投氯量模型建立的思想可以看出，建立水质监测点是为了通过监测该点的水质来判断或反映上游节点的水质状况，它是对上游节点水质的-46- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文监测，因此水质监测点必须设在管网的下游。而二次加氯点与水质监测点不同，它主要是对下游节点的余氯浓度进行控制，以使下游节点的余氯浓度满足要求，因此二次加氯点必须设在管网的上游。所以对于二次加氯点的优化选择问题，需要控制的是下游节点而不是像Lee和Deininger所做的那样控制上游的节点。而它们的目的都是希望对管网的覆盖水量越大越好，这样就表明这些点对整个管网的监测性就越强。4.2.3.2最佳期望浓度模型氯会随着时间衰减，余氯在管网中的时空分布呈现很大的波动性。管网中余氯分布最好的方式便是均匀地达到某一期望水平，与期望余氯浓度的差值便成为衡量用户水质的标准即：T0n11∗2Z(T)=∑∑[]C()t−C0iT0t=0ni=1(4-14)式中T——规划范围的时间长度；0∗C——期望的余氯浓度。4.328B供水管网分级优化投氯的实现我国的供水运行管理水平同发达国家相比较，存在较大的差距，主要体现在管理体制、管理机构、政策法规、管理技术手段、设备条件、基础性工作等方面差距较大。由于供水管理水平落后，造成供水出现水质、水量和水压有时不能满足用户要求，安全可靠性较差。由于供水运行决策调度不科学，造成供水运行成本高，企业负担重。因此，作为城市供水运行管理的方向，设计了二次加氯优化分析程序，能够提高整个供水水质。程序的总体结构设计，二次加氯优化分析模块如图4-7所示，程序包括外部资源、数据输入、优化决策、数据输出四部分内容组成。本程序采用分层优化的思想进行研究，即二次加氯点优化在先，加氯量优化控制在后。水力平差采用EPANRET软件进行分析。二次加氯优化程序的模块示意如图4-7所示。程序的架构设计，程序设计的第一步就是确定程序的架构，它决定了各子系统如何组织以及如何协调工作。架构设计的好坏影响到程序的好坏，系统越大越是这样。程序的基本流程是：-47- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-7二次加氯优化程序模块示意图Figure4-7SecondchlorinationOptimizermodulediagram1选择要进行二次加氯的管网显示管网基本信息，如图4-8所示。图4-8选择管网文件Figure4-8SelectNetworkdocuments2选择供水管网二次加氯点，如图4-9所示。-48- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-9供水管网加氯点优化Figure4-9Chlorinationofwatersupplynetworkoptimizationpoint3根据二次加氯点进行加氯量的计算，如图4-10所示。图4-10供水管网加氯量优化Figure4-10Chlorinationofwatersupplynetworkoptimization-49- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4根据得到的二次加氯量进行管网水质分析即根据节点水龄对加氯点进行校核，确定最终的二次加氯点；5根据最终二次加氯点进行加氯量的计算；6对二次加氯前后管网节点的余氯进行比较，如图4-11所示。图4-11供水管网优化投氯前后余氯比较Figure4-11Waterpipenetworkoptimizationforchlorineresidualchlorinebeforeandaftercomparison供水管网优化投氯程序界面如图4-12所示。图4-12供水管网优化投氯程序界面Figure4-12Waterpipenetworkoptimizationofproceduresforchlorinesector-50- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文4.3.156B优化模型算法优化模型采用LINGO软件进行计算，LINGO是用来求解线性和非线性优化问题的简易工具。LINGO内置了一种建立最优化模型的语言，可以简便地表达大规模问题，利用LINGO高效的求解器可快速求解并分析结果。该软件的特点是程序执行速度很快，易于输入、修改、求解和分析数学规划问题。用L1NGO建模语言来建立优化数学模烈，其程序体大体分为四个部分即:集合段、数据段、初始段和目标与约束段。集合段包含：集合的名称，集合所包含的元素(或称成员，即组成集合的个体)，集合的属性(与该集合有关的变量及常量，相当于数组)；数据段的作用在于对集合段的属性输入必要的常数数据；初始段在于对集合段的属性定义迭代初值；目标与约束段则定义了目标函数和约束条件等。LINGO模型的构成分为4个段：集合段、数据段、初始段和目标与约束段，如图4-3所示。集合是LINGO建模语言的基础，是程序设计最强有力的基本构件。集合是一群相联系的对象，如一个集可能是一系列节点、时间等，借助于集，能够用一个单一的、长的、简明的复合公式表示一系列相似的约束，从而可以方便地表达规模较大的模型。数据部分提供了模型相对静止部分和数据分离的可能性，这对模型的维护和维数的缩放非常便利。初始部分是LINGO提供的另一个可选部分，对实际问题建模时，初始部分并不起到描述模型的作用，在初始部分输入的值仅被LINGO求解器当作初始点来用，并且仅仅对非线性模型有用。目标与约束段则是对所要求解问题的描述。4.3.257B算例分析实例采用2.6.3节中美国南部康涅狄格州中南水务局配水管网进行供水管网优化投氯计算。在计算时，管网各部分的水温和pH值始恒定的，取水温约为20，pH值为7.0。另外两个重要的水质参数是余氯浓度在管网中衰减变化的机理模型中需要的参数:kb、kw，他们都需要经过实验来确定，且每根管段都不同。然而，为了考虑问题的方便，本论文中采用了相同的经验值k=−0.55、k=−1。bw4.3.2.2实例管网二次加氯优化分析根据4.2.2节提出的加氯点优化选址方法，用lingo进行计算，得到加氯点为节点7、29。-51- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文只进行水源投氯时供水管网余氯等值区域分布如图4-14。根据加氯量优化模型求得个加氯点的加氯量为节点1为1.2mg/L、节点7为0.8mg/L、节点26为4.5mg/L、节点29为0.95mg/L。供水管网余氯等值区域分布如图4-16所示。Lingo模型的构成：4个段集合段(SETSENDSETS)数据段(DATAENDDATA)初始段(INTENDINT)目标与约束段图4-13Lingo模型的构成Figure4-13Lingomodelofa图4-14水源投氯供水管网余氯等值区域分布图Figure4-14Chlorineforwatersupplynetworkofregionaldistributionofresidualchlorineequivalent-52- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图4-15供水管网优化投氯后管网余氯等值区域分布图Figure4-15Watersupplynetworkstooptimizenetworkafterthechlorineresidualchlorineequivalentregionaldistributionof根据管网节点水龄对加氯点进行校核，管段与节点水龄如图4-7。图4-16节点水龄与管段水龄等值区域分布图Figure4-16NodeswaterTSEandtheregionalequivalentoftheoldwaterdistribution由图中可以看出节点14附近的水龄值较大，余氯也较高，所以把节点14-53- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文也设为二次加氯点。再进行加氯量分析得出加氯点加氯量为14位0.5mg/L、1为1mg/L、26位3.5mg/L、29为0.9mg/L、7为0.5mg/L。节点和管段余氯如图4-17。由图4-17可以看出节点余氯分布较平均。图4-17供水管网优化投氯后节点水龄与管段水龄等值区域分布图Figure4-17Waterpipenetworkoptimizationofchlorineforwateraftertheageofnodesandtheregionalequivalentoftheoldwaterdistribution4.429B二次加氯优化结果分析为了将二次加氯优化结果与一次性加氯的结果进行对比，计算只在固定加氯点即节点1（泵站出口）和节点26（水箱出口）进行加氯时的投氯量，采用Lingo软件编程，求解结果如下：只限制管网中除固定加氯点外各节点余氯浓度在c以上，即约束条件为min-54- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文l∑cjexp()−kj,itj,iQjj=1+c≥ci≠1,26(4-16)l0imin∑Qjj=1采用Lingo软件编程，求解结果如下：minM=7.8mg/L1.3mg/Lc=，c=6.5mg/L01026二次加氯优化前后氯投加量对比情况见表4-1。表4-1氯投加量对比Table4-1Comparisonofaddingchlorinequantity(mg/L)加氯点投加浓度加氯点投加浓度加氯点投加浓度11.311.211266.5264.5263.5－－70.870.5－－290.95290.9－－－－140.5总投加浓度7.8－6.95－5.9从表4-1和图4-14中可以看出，只在固定加氯点进行一次性加氯时，当为了避免消毒副产物的增加对人体健康造成的威胁，当为了保证所有用水节点余氯浓度在最小值0.2mg/L以上时，出现了较多用水节点的余氯浓度超过了人们所能承受的消毒副产物造成风险的范围4.0mg/L，这种情况都是用户所不希望的。而进行二次加氯优化后，各节点余氯浓度都达到了饮用水生物稳定性和卫生安全的要求，管网中高浓度值的个数减少，同时各节点余氯浓度的分布也更趋于均匀，这一点可从图4-8中更加清楚地看出。4.530B小结本章对城市供水管网投氯优化进行了研究，分别采用对于供水管网水源进行分时段优化投氯和供水管网中途进行二次加氯。同时将优化模型应用于一个实例管网，得出了较好的结果。不仅满足控制点余氯浓度的要求，而且与仅在水厂出口增加投氯量以满足控制点余氯浓度的要求相比，管网中各节点余氯浓度普遍下降，浓度分布比较均匀，降低了由于管网中余氯浓度较大造成消毒副产物的产生量增大引起的风险，同时管网总投氯量降低，药耗减少。-55- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第5章4B哈尔滨道里区供水系统优化投氯工程实践本课题是“哈尔滨市供水管网数字化管理与优化分析系统”横向课题在工程实践中的应用，所有研究的开展均建立在哈尔滨市供水管网微观模型的基础之上。5.131B哈尔滨市供水基本情况哈尔滨市是黑龙江省的省会，位于黑龙江省西南部，地处松嫩平原东端。市区现辖道里、道外、南岗、香坊、平房五个区，建成区面积285平方公里，人口315万。哈尔滨是我国的重要工业基地之一，工业产业结构已形成以机电工业为主体，轻工、纺织、医药、食品、冶金、电子、建材和化工为骨干门类比较齐全的工业体系。哈尔滨市市区有松花江和阿什河两条主要河流。松花江在市区建成区的北部，由西向东流经市区，该江段河谷宽阔，主河槽宽400-600m，常水位时水深4-7m，水量丰富，最大流量15700m3/s，最小流量138m3/s，年平均流量1200m3/s。松花江是哈尔滨城市供水的重要地表水源，也是唯一的地表水水源。由于松花江污染的取水量约占全市供水量的75%，其中四方台水源地（一水厂）和朱顺屯水源地（二水厂）的取水量约占66%。哈尔滨市区原供水水源大部分取自松花江，随着经济的发展，城市规模不断扩大用水需求量进一步增加，同时人民生活水平逐步提高，对日常生活用水提出了更高质的要求，在此情况下，哈尔滨市政府计划启动磨盘山水库供水工程，此工程分二期建设，一期工程（计划于2005年年底之前完成）包括水库建设，敷设输水管线，及建造日净水能力45万立方米水厂及配水管线；二期工程（计划在2010年全部完成）将全部完成日净水能力90万立方米水厂以及配套配水管线。磨盘山水库供水工程正式运行后将给哈尔滨市现有的城市管网及配套的基础设施带来前所未有的压力。由于分区供水，本文仅对哈尔滨市典型供水区域道里区进行研究，因为道里区事单一水源。-56- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图5-1哈尔滨市管网布置图Figure5-1LayoutofthenetworkinhaerbinCity-57- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.232B二次加氯优化的应用简化后的管网共有821个节点，1016根管段，管段基本属性见表5-1。以管网平均日用水量为例，用EPANET进行管网水质计算。各节点流量见表5-2所示（由于篇幅有限，表5-1和表5-2都只列出了其中的一部分）。图5-2简化后的道里区管网图Figure5-2Thepredigestedchartofdaoliwatersupplynetwork对于各管段的余氯衰减系数，由于没有进行实测，所以通过经验取值，相同管径的管段取相同的k值，各管径对应的衰减系数如下表所示：-58- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-1管段基本属性Table5-1Basicpropertiesofthepipes管段编起始节终止节管径管长(m)CH-W号点点(mm)1131121311120010028212000800100385411014001004210621000140010051096419081200100641534101200100785485548.81400100885510602495.81400100985686748.41400100108579801930.41400100MMMMMM1007387738782102001001008387638741552001001009387739792502001001010387539226320010010113881388098200100101238793882503001001013388238831823001001014392039801842001001015392139781532001001016397839791889700100表5-2各节点流量3Table5-2Waterdemandofeachnode(m/h)节点编号节点流量1-5374.5822.72412.77534.55610.6871.182.1390.53101.47MM819128.8982041.9482137.3282328.1882220.8582150.02-59- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文表5-3各管段k值的估算结果Table5-3Theestimatedvalueofkofeachpipe管径(mm)衰减系数k(d-1)管径(mm)衰减系数k(d-1)2006.818003.264006.5210002.615005.2112002.176004.3414001.637003.72－－节点余氯浓度的最大值根据美国1998年12月颁布的第一阶段消毒/消毒[73]副产物法规中规定：采用液氯消毒，水中的游离氯不得高于4.0mg/L，所以取为c=4.0mg/L；虽然卫生部2001年颁布的《生活饮用水水质卫生规范》max明确规定：加氯消毒时，管网末梢水不应低于0.05mg/L，但由于对管网进行了简化，最小管径为200mm，所以本文将管网末梢余氯浓度最小值仍取为c=0.2mg/L。min5.33B二次加氯优化结果及分析根据第4章所述的方法进行计算，确定管网中二次加氯点为节点2629和节点3567，如图5-3所示。优化前后管网中的加氯量见表5-4所示，节点余氯浓度分布等值线图如图5-4所示。表5-4氯投加量对比Table5-4Comparisonofaddingchlorinequantity(mg/L)加氯点投加氯浓度加氯点投加氯浓度12.7510.9－－26200.8－－35670.5总投加浓度2.75－2.4-60- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图5-3二次加氯点优化结果Figure5-3Theresultofrechlorinationsitesa)优化前余氯浓度分布等管段色阶图b)优化后余氯浓度分布等管段色阶图图5-4余氯浓度分布等管段色阶图对比图Figure5-DistributionoftheresidualchlorineconcentrationofHistogramComparisonChart-61- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.434B本章小结本章供水管网中途优化投氯应用于实际管网——哈尔滨道里区供水管网。优化得出了较好的结果，在满足控制点余氯浓度要求的同时，不仅总投氯量有明显下降，并且管网中各节点的余氯浓度分布更趋于均匀化，与预期非常吻合。-62- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结论城市供水必须满足用户对饮用水水量和水质两方面的要求，随着我国城市供水能力和设施水平的显著提高，城市供水的战略重点已由增加水量转向改善水质。目前，我国绝大多数水厂都是采用氯消毒来保证饮用水的水质，而且仅在水厂出口进行一次性投氯，这种做法通常不足以保证余氯浓度在管网中的较好分布，而且有可能导致管网中局部区域余氯浓度较高造成消毒副产物的增加。针对这种情况，本文对城市供水管网的二次加氯进行了研究，研究内容和成果如下：1.对氯消毒的机理进行了研究。氯消毒实质是氯、氯化合物与微生物细胞、有机物相互作用所进行的氧化—还原过程。2.对影响余氯在管网中衰减的因素进行了研究，分析了余氯衰减模型的发展，其衰减通常分为管壁衰减和水体衰减。通过对众多余氯衰减模型的研究，发现一级衰减模型较其它模型使用广泛而且模拟效果也较好，所以本文采用一级衰减模型来模拟管网中各节点的余氯浓度，该模型结合了氯从水体传输到管壁的物质转移机理，管壁衰减系数为速度、管径、管长、扩散率、粘性的函数。并用EPANET软件对一个算例管网进行了节点余氯浓度的动态模拟计算。3.对供水管网优化投氯进行了研究。提出了供水管网水源优化投氯和供水管网中途优化加氯。供水管网中途优化加氯分别采用覆盖模型1和最佳期望浓度模型，即首先对二次加氯点的位置进行优化，再对加氯量进行优化。选用覆盖模型进行二次加氯点的优化选择，用节点水龄来弥补不同管段两节点流量变化不大、水流时间很长而造成水质变化的局限性。加氯量优化模型采用最佳期望浓度模型，氯会随着时间衰减，余氯在管网中的时空分布呈现很大的波动性，管网中余氯分布最好的方式便是均匀地达到某一期望水平，采用对求解非线性优化问题功能强大的Lingo软件来编程求解。并将该优化模型应用于EPANET中的一个实例管网和哈尔滨道里区实际供水管网，从优化结果来看，所选的二次加氯点及优化加氯量，不仅满足了控制点余氯浓度的要求，而且与仅在水厂出口增加投氯量以满足控制点余氯浓度的要求相比，管网中各节点余氯浓度普遍下降，浓度分布比较均匀，降低了由于管网中余氯浓度较大造成消毒副产物的产生量增大引起的风险，同时管网总投氯量也降低了，节省了药耗。由于诸多因素的限制，本文还有许多需要改进的地方：-63- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.本文仅对某一典型用水工况进行了二次加氯优化的研究，实际上管网中的用水量是时刻在变化的，如何建立供水管网多工况组合动态二次加氯优化模型是今后要研究的方向。2.用水量信息代替水质信息，会产生偏差，如不能体现管段两节点流量变化不大，水流时间很长而造成水质变化的局限性。3.本文在考虑中途加氯优化时没有考虑经济因素的影响，实际上修建一个二次加氯站其费用包括土建费、设备费、运行费及维护管理费是非常昂贵的，今后应将这种影响考虑到二次加氯的优化中，得出符合实际情况的实用二次加氯优化结果。-64- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文参考文献1李延平,蔡祖根.生活饮用水卫生标准实用指南.福州,东南大学出版社,20022卫生部.《生活饮用水卫生标准》,GB5749-85.1986年10月10日实施3卫生部.《生活饮用水水质卫生规范》.2001年9月1日起执行4中华人民共和国卫生部，生活饮用水卫生标准，(GB5479-2006),2006.12.295乐林生.上海供水水质现状、目标与对策.“饮用水安全保障技术与管理”专家报告文集.北京，20036张金松等.城市供水的水质现状与发展规划.“饮用水安全保障技术与管理”专家报告文集.北京，20037赵志刚，万众华.管网水质与实时检测.市政技术.37~388赵洪宾.给水管网系统理论与分析.中国建筑工业出版社,2003.99李欣.配水管网水质变化的研究.哈尔滨建筑大学博士学位论文,199910李欣，赵洪宾，齐晶瑶.给水管道生长环的冲洗与防治.哈尔滨建筑大学学报2002，35(6)：30~3211岳舜琳.我国给水氯化消毒的现状及存在的问题.给水排水，1993，19(11)：15~1712王华成，吕锡武.微污染水源水饮用水处理研究进展.净水技术，2005,24(1):30~3213R.M.Males,R.M.Clark,P.J.Wehrman.AlgorithmforMixingProblemsinWaterSystems.HydraulicEngineering.1985,111（2）:206~21914J.C.P.John,R.W.Nicholas.Performanceofcariouskineticmodelforchlorinedecay.WaterResourcesPlanningandManagement,2000(126):13~2115M.C.Robert,S.Mano.Predictingchlorineresidualsindrinkingwater:secondordermode.WaterResourcesPlanningandManagement,2002,128(2):152~16116H.M.Steran,S.P.Roger.A.W.Clive.Calibrationandcomparisonofchlorinedecaymodelsforatestwaterdistriburtion.WaterResourcesPlanningandManagement,2000,34(8):2301~230917LiXin,GuDarming.Modelingofresidualchlorineinwaterdistributionsystem.EnvironmentalScience.2003,15(1):136~14418罗红毅.饮水消毒剂及其副产物对人体健康的影响.西藏科技.2005，(11)：-65- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文42~4319吴一蘩，高乃云，乐林生.饮用水消毒技术，北京:化学工业出版社，2006.1.20董丽丽，黄骏雄.饮用水消毒副产物及其分析技术.化学进展.2005，17(2)：350~35821J.J.Rook.Formationofhaloformsduringchlorinationofnaturalwaters.WaterTreatment.1974,(2):234022T.A.Bellar.Theoccurrenceoforganhalidesinchlorinationdrinkingwater.AWWA.1974,(12):703~70623王琳，王宝贞.饮用水深度处理技术.第1版.北京:化学工业出版社，200224S.W.Karananer.Theoccurrenceofdisinfectionby-productsinU.S.drinkingwater.AWWA,1989,(8):41~5325黄君礼.国内主要水厂卤仿的调查.环境化学.1987，(4)：80~8626N.B.Hallam,J.R.West,C.F.Forster.TheDecayofChlorineAssociatedwiththePipeWallinWaterDistributionSystem.WaterResearch.2002,(36):3479~348827A.Waniek,M.Bodzek,K.Konieczny.TrihalomethaneRemovalfromWaterUsingMembraneProcesses.PolishJournalofEnvironmentalStudies,2002,11(2):171~17828许海宁，仇荣亮，饮用水中二卤甲烷形成机理与处理现状.上海环境科学，1999，18(12):568~57029董丽丽，黄骏雄.饮用水消毒副产物及其分析技术.化学进展.2005，17(2)：350~35830郭士权.饮用水中消毒副产物的形成与去除.重庆建筑工程学院学报.1994，16(3):：92~9631赵洪宾.给水管网“生长环”对水质水压的影响.安徽建筑工业学院报.1994,(4):12~1432吴文燕.给水管网系统水质模型的研究.哈尔滨建筑大学博士学位论文.199933李欣.配水管网水质变化的研究.哈尔滨工业大学博士论文.199934H.Cross.Analysisofflowinnetworksofconduitsorconductors.UniversityofIllinois.EngeeringExperimentalStation.1936:286~31235C.C.Sulla.Convergenzadelmetodaodicross.AttiVIIIconvegnodildraulicaecostruzioniIdrauliche.Pisa.1936:287~31236U.J.Shamir,C.D.Charles.Waterdistributionsystemsanalysis.Journarof-66- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文HydraulicDivision.1972,98:1157~117037D.J.Wood,C.O.A.Charles.Hydraulicnetworkanalysisusinglineartheory.JournaloftheHydraulicsDivision.1972,98:1157~117038M.A.Collins,L.Cooper,R.Helgaso.Solvingthepipenetworksanalysisproblemusingoptimizationtechniques.ManagementScience.1978:747~76039R.M.Males,R.M.Clark,P.J.Wehrman.AlgorithmforMixingProblemsinWaterSystems.HydraulicEngineering.1985,111(2):206~21940A.R.Simpson,G.C.Dancy,L.J.Murphy.GeneticAlgorithmsComparedtootherTechniquesforPipeOptimization.WaterResour.Plng.andMgmt.1994,120(4):423~44341W.M.Grayman,R.M.Clark,R.M.Males.ModelingDistributionSystemWaterQuality:DynamicApproach.WaterResour.Plng.andMgmt.1988,114(3):295~31242C.P.Lious,J.R.Kroon.ModelingthePropagationofWaterborneSubstancesinDistributionNetworks.AWWA.1987,79(11):54~5843L.A.Rossman,P.F.Boulo,TomAltman.DiscreteVolume-elementMethodforNetworkWater-qualityModels.WaterResour.Plng.andMgmt.1993,119(5):32~4044M.H.Chaudhry,M.R.Islam.ImprovingEfficiencyandReliabilityinWaterDistributionSystems.KluwerAcademicpublishers.1995:233~24145D.L.Boccelli,M.E.Tryby.OptimalSchedulingofBoosterDisinfectioninWaterDistributionSystems.WaterResour.Plng.andMgmt.1998,124(2):99~11146徐洪福，赵洪宾.输配水系统中水体余氯的衰减规律研究.中国给水排水，2003，19(8):15-1847徐洪福.城市供水管网水质变化规律与控制措施研究:博士学位论文，哈尔滨工业大学，200348吴一蔡，高乃云，乐林生.饮用水消毒技术.北京：化学工业出版社.200649M.Lungwitz,S.Hopfgarten,K.Chen,M.A.Brdys.ModelingandSimulationofChlorineConcentrationinWaterSupplySystemsforControlPurposes.Proceedingsofthe39thInternationalScientificColloquium,Ilmenau,Germany.199450S.Schneider,M.A.Brdys,H.Puta.ModelingofChlorineConcentrationinWaterSystemsDirectedtoIntegratedOperationalControl.IntegratedComputer-67- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文ApplicationsinWaterSupply.1993:143~15951L.W.Mays.WaterDistributionSystemsHandbook.NewYork:McGraw-Hill,1999:1309~132152严煦世，范瑾初.给水工程.中国建筑工业出版社，199953X.Chen,P.S.Stewart.ChlorinePenetrationintoArtificalBiofilmisLimitedbyaReaction-disffussion.InteractionEnvir.Sci.andTechnol.1996(6):2087~208354J.J.Vasconcelos,L.A.Rossman,W.M.Grayman.Kineticsofchlorinedecay.AWWA.1997,89(7):54~6555J.C.Powell,N.B.Hallam,J.R.West.Factorswhichcontrolbulkchlorinedecayrates.WaterResearch.2000,34(1):117~12656李欣，宋学峰.配水管网水质变化的研究(II)一余氯消耗动力学机制的研究.哈尔滨建筑大学学报，1999，32(3):52-5657齐晶瑶，李欣，赵洪宾.供水管道内余氯消耗机理的探讨.中国给水排水，2000，26(8):66-6958赵洪宾.给水管道的余氯消耗规律的初步研究.给水排水,1986,12(6):11~1559T.A.Bellar.Theoccurrenceoforganhalidesinchlorinationdrinkingwater.AWWA.1974,(12):703~70660R.M.Males,R.M.Clark,P.J.Wehrman.AlgorithmforMixingProblemsinWaterSystems.ASCE.1985,111(2):206~21961W.M.Grayman,R.M.Clark,R.M.Males.ModelingDistribution-SystemWaterQuality:DynamicApproach.ASCE.1988,114(3),295~31262R.M.Clark,W.M.Grayman.ModelingWaterQualityinDrinkingWaterSystems.AWWA.199863伍悦滨，赵洪宾，张海龙.用节点水龄量度给水管网的水质状况.给水排水，2002,28(15),36-3864许仕荣，周书蔡，基于节点水龄的供水管网水质监测点的优化布置.南华大学学报，2003，17(3)，13-1665孙惠泉.图论及其应用.北京：科学出版社，200466L.A.Rossman.EPANETuser’smanual:Version2.0U.S.EnvironmentalProtectionAgency.Cincinnati,Ohio.200067W.M.Kays.ConvectiveHeartandMassTransfer.McGraw-HillNewYork,199368P.C.L.Biswas,R.M.Clark.ChlorineConcentrationDecayinPipes.Water-68- 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Research.1993,27(12):1715~172469O.N.Ozdemir,A.M.Ger.RealisticNumericalSimulationofChlorineDecayinPipes.WaterResearch.1998,32(11):3307~331270L.A.Rossman,PaulF.Boulo,TomAltman.DiscreteVolume-elementMethodforNetworkWater-qualityModels.J.WaterResour.Plng.andMgmt.1993,119(5):32~4071O.N.Ozdemir,A.Ucak.SimulationofChlorineDecayinDrinking-waterDistributionSystems.Envir.Engrg,ASCE.2002,128(1):31~3972D.L.Boccelli,M.E.Tryby.OptimalSchedulingofBoosterDisinfectioninWaterDistributionSystems.WaterResour.Plng.andMgmt.1998,124(2):99~11173R.R.Trussell.SafeguardingDistributionSystemIntegrity.AWWA.1999,91(1):52-69-'