供水管网节点水龄变化规律研究 8页

'网络出版时间：2014-04-1511:52网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/37.1440.N.20140415.1152.002.html供水管网节点水龄变化规律研究*李璞，李红卫，吕谋，董深（青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛266033）摘要：运用EPANET2管网水力水质计算机模拟软件，对两种不同形式的管网进行分析，模拟了同一管网中不同位置的节点水龄变化，分析总结供水管网节点水龄的变化规律，为进一步研究节点水龄与余氯的变化关系，及供水管网中水质安全性评价和水质改善提供了参考。关键词：供水管网；节点水龄；线性规律中图分类号：TU99.1文献标志码：A文章编号：1673-4602(2014)02-0000-00Researchofsomerulesonnodeagechangeinwatersupplynetwork*LIPu，LIHong-wei，LVMou，DONGShen(SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，QingdaoTechnologicalUniversity，Qingdao266033，China)Abstract:ThispaperanalyzessimulatingwaternodeagechangesoftwodifferentformsofnetworkanddifferentpositionsinthesamenetworkbyinvokingthewatersupplynetworkhydraulicandwaterqualitycomputersimulationsoftwareEPANET2.Ontheanalysisofthelawsofwaternodeagechanges，theconclusionprovestobeareferenceforresearchesonchangerelevanceofresidualchlorineandwaternodeage，andwaterqualitysafetyevaluationandimprovementofwatersupplynetwork.Keywords:watersupplynetwork；waternodeage；linearrule供水管网系统是供水系统中的重要组成部分。由于供水管网系统本身机构庞大、复杂，运行工[1]况时刻发生变化，饮用水经过连续、漫长的输送管道到达用户终端时，滞留时间最长可达数日。2012年，中国水科院水资源所所长、中国工程院院士王浩认为，大多数城镇输水系统陈旧，由净水厂流经管网到达水龙头时，水质合格率会下降约10%。水从水源节点流至各节点的流经时间，即水[2-3]在管网中的停留时间，称为该节点的“节点水龄”。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3d；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7d；我国哈尔滨的供水在管网中停留时间近2d。实际管网中，水龄过长会使管网水余氯含量下降，水质无法保证；水龄过短，又可能引起管网水中余氯过高，饮用水的异味太重，进而导致用户对供水服务的满意度下降。可见节点水龄的长短表明各个节点上水的新鲜程度，是该节点上水[4]质安全性的重要参数。研究供水管网节点水龄的变化规律有助于研究供水管网水质变化情况，进而为改善供水管网水质提供依据。EPANET2由美国环境保护署（EnvironmentalProtectionAgency）国家风险管理研究实验室开发，主要应用于有压管网系统的水力和水质分析。它可对管网不经过简化处理直接建模，减少了计算所需要的时间和存储单元，具有管网平差、运行模拟、信息管理、运行管理等方面的功能。基于EPAENT2[5]应用的方便性和直观性，国内外广泛将其应用于供水管网的水质追踪、模拟及分析。笔者以EPANET2软件中一个简单管网算例Net3.net及某大城市局部供水管网为研究对象来进行模拟训练，研究节点水龄的变化规律。1计算方法计算供水管网节点水龄时，通常设水源即初始节点处的水龄为0。水从水源到达任一个节点通常具有一条以上的路径，每条路径所输送给该节点的流量也不一定相同，假设来自不同路径的水在————————————收稿日期：2013-09-05基金项目：国家自然科学基金资助项目（51078193）；国家重大水专项课题(2009ZX07422-006)作者简介：李璞（1987-），女，河北邢台人。硕士，研究方向为供水管网水质优化。E-mail：lipupu123@126.com。*通讯作者（Correspondingauthor）：吕谋，男，博士（后），教授。E-mail：lvmou1@163.com. 该节点进行权重混合，则任一个节点的水龄就等于水在该节点不同的水源供水路径所经历的不同时[6-8]间的加权平均值：N(n)(n)q0iT0in1iT;NLUiN(n)q0in1(1)(n)式中：Ti为节点i的水龄；T0i为沿节点i的第n条供水路径，水从水源流到节点i所经历的时间；(n)iQ0i为来自第n条供水路径的水量；LU为节点i所有上游供水路径的集合。EPANET2计算水龄时是将水龄作为水质的一种特例来处理，采用逐时段模拟的拉格朗日传输算法计算。在供水管网基本资料完整的基础上，用EPANET2计算节点水龄方便快捷。在供水管网中水龄的反应属于零级反应，即节点水龄的变化是线性的，与主流反应系数Kb和管壁反应系数Kw[9]的大小无关，具体证明可以从以下的节点水龄的变化规律中发现。2节点水龄的变化规律2.1简单管网Net3.net简单管网Net3.net共有92个节点，117个管段，1条河，1个湖及3个水池，其拓扑结构的具体形式如图1所示。用EPA计算时设置管网中所有节点包括水源的初始水龄值皆为0，水力模拟步长值为1，水质模拟的步长值为0.01，为了研究节点水龄的变化情况设置模拟总历时为240h。River60RIVER60113161LAKELake101233201271291211251391525925710112014111915314310310526326111715114910714715711514510911115911319716116316416619519319126526716716926917117318918720427118135179183118540184219203215217199201275273225207206208209205213211222950237255231247239241253249251243图1简单管网Net3拓扑结构观察简单管网节点水龄变化情况，选取任意节点Node601，绘制240h节点水龄变化如图2所示，由图可见节点Node601水龄最小值约为0，最大值约为8.3h，水流流入节点后，节点水龄成规律性变化的同时，随着用户用水量的变化，水龄会突然增大到最大值又突然减小到最小值，呈现突变性。2 图2Node601节点水龄突变性变化规律供水管网供需水量变化如图3所示，用户用水量低峰时段为4：00及16：00，用水量高峰时段为10：00及22：00，这与供水区域内人们日常的生活习惯有关。从节点Node123的节点水龄变化情况（见图4）可以看出节点水龄较低的点分别在4：00及16：00，节点水龄较高的点分别在10：00及22：00。可见节点水龄的变化会随着用户用水量的变化而变化，即用户用水量高峰期节点水龄也较大，用户用水量低峰期节点水龄也较小。图3供水管网供需水量变化图4Node123节点水龄变化规律选取临近水源的节点Node61，绘制240h节点水龄变化如图5所示。由图可见水流流入节点达到稳定后，开始呈现周期性变化，并在以后的管网供水周期内始终保持这种周期性变化，该周期长约为24h。这是因为临近水源的节点，水流流经的管段少，水龄受其他节点水龄和管径水龄的影响较小，随着管网供水的周期变化而出现周期性的变化。3 图5Node61节点水龄周期性变化规律选取远离水源的节点即末梢节点Node131，绘制240h节点水龄变化如图6所示。由图可见水流流入节点达到稳定后，在周期变化的同时逐渐呈现递增现象。这是因为管网末梢点远离水源，水流经过不同的管道路径及节点然后到达末梢节点，受到其他节点水龄和管径水龄的影响较大，水流达到末梢节点的时间和水量也不同，使得末梢节点水龄呈现周期递增的变化规律。延长总历时至600h，会发现当总历时达到430h时节点水龄大小不再发生变化，仅呈现出周期性规律，如图6所示。（a）运行240h（b）运行600h图6Node131节点水龄周期递增变化规律同样，由图6可以看出，在水流逐渐流入节点达到稳定性周期变化之前，节点水龄的变化基本上是呈线性变化的。再选取末梢节点Node243，改变模拟总历时为60h，节点水龄变化如图7所示，节点水龄随着时间的变化呈现线性变化，且变化系数接近1。这一点验证了节点水龄变化成线性规律这一观点。4 图7Node243节点水龄线性变化规律2.2某大城市局部供水管网[10-11]某大城市局部区域共有1091个节点，1148个管段，9个水源节点及3个水池，其拓扑结构如图8所示。Tank1AJ70136Age0.25AJ70165RHDL370.500.751.00mg/LAge0.25AJ808360.500.751.00mg/LP601P201P202AJ74031P301P302P401P402(AJ45962)图8某大城市局部供水管网拓扑结构用EPANET2计算时设置管网中所有节点包括水源的初始水龄值皆为0，水力模拟步长值为1，水质模拟的步长值为0.05，为了研究节点水龄的变化情况设置模拟总历时为240h。该局部管网中存在9个水源节点，距离这9个水源点最近的节点有9个。观察这9个节点的节点水龄变化情况，选取接近左下角水源的节点AJ45962，绘制240h节点水龄变化如图9所示。由图可见，临近水源的节点，在1h内水流流入节点后达到稳定，节点水龄达到一定值，然后维持这个值不再变化。与简单管网中临近水源节点的水龄达稳定后呈现周期性变化相近。图9AJ45962节点水龄变化规律5 观察管网中部位置的节点水龄变化情况，任意选取管网中部位置的2个节点AJ80836和AJ74031，绘制240h节点水龄变化，如图10和图11所示。由图可见复杂管网中部位置的节点水龄或是如AJ80836水龄的变化情况，先迅速增大然后缓慢增大，两个阶段都呈现线性增长，前者的变化系数接近1，后者的变化系数很小，接近0；或是如AJ74031水龄的变化情况，先逐渐增大到一个值然后维持这个值不变。这主要是由于复杂管网中，以流速为主的影响节点水龄变化的因素更多更复杂，且经过长时间实际的运行，管网的供需水量基本已达到平衡，在正常运行的情况下管网水质等不会发生突然变化，而是维持在一个稳定平衡状态。图10AJ80836节点水龄变化规律图11AJ74031节点水龄变化规律观察管网末梢位置及供水分界点处的节点水龄变化情况，选取末梢节点RHDL37及供水分界处节点AJ70165，绘制240h节点水龄变化如图12和图13所示。由图可见不论是管网末梢节点还是供水分界处节点，水龄都是先呈线性变化，与其他节点水龄线性变化相比变化系数更接近1，到达一定值后维持在这个值不再变化，这一点与简单管网末梢节点水龄变化情况也相近。图12RHDL37节点水龄变化规律6 图13AJ70165节点水龄变化规律3节点水龄与余氯的关系由以上内容可知，临近水源的节点水龄随着时间的增长呈现周期性变化，而远离水源的节点，尤其是管网末梢节点，水龄会随着时间的增长呈现周期性递增或是线性增长的规律。由此想到，以该大城市局部供水管网为研究对象，编写程序划分其9个水源的供水区域，运用EPA找到每个水源沿着水流方向从起始节点到管网末梢节点的所有节点水龄值，及其余氯值，发现从水源到管网末梢节点，余氯值随着节点水龄的增大而呈现类似指数减小的趋势，并且发现在管网供水区域分界线上，由于不同水源水的混合，个别节点的余氯会发生升高的情况，但整体趋势不变。国家标准规定用户[12]水中余氯≥0.05mg/L，自来水厂出水余氯≥0.3mg/L，即管网余氯的范围为0.05~0.3mg/L，由此可以由余氯的范围来找出节点水龄值的范围，从而为管网水质变化提供新的理论依据。限于篇幅，作者将在以后做进一步研究。4结论节点水龄是能够描述供水管网水质情况的一个基本参数。节点水龄的大小能够反映管网的水质好坏情况，从而可以找出某些水质需要多加注意的区域，对这些区域的管道多加冲洗，或是采取中途加氯，或是改造这些管道等措施来改善供水水质，也为观察管网水质变化提供了理论依据。笔者运用EPANET2模拟分析两种不同的管网——简单管网及复杂管网，观察并总结了不同管网、相同管网不同位置节点水龄的变化规律，为进一步研究节点水龄与余氯的变化关系，及供水管网中水质安全性评价及水质改善提供了参考。参考文献（References）：[1]严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统[M].北京：中国建筑工业出版社，2002：200-201.YANXu-shi，LIUSui-qing.Watersupplyanddrainconduitsystem[M].Beijing：ChinaArchitecture&BuildingPress，2002：200-201.[2]林生，程晓如.供水系统二次污染的原因与控制方法[J].净水技术，2008，27（6）：24-29.LINSheng，CHENGXiao-ru.Studyonthereasonsandthecontrolmethodsofsecondarypollutioninwatersupplysystem[J].WaterPurificationTechnology，2008，27（6）：24-29.[3]谢昆亮，马冲.哈尔滨市城市供水与用水现状[J].水利科技与经济，2012，18（11）：61-62.XIEKun-liang，MAChong.WatersupplyandusestatusofHarbin[J].WaterConservancyScienceandTechnologyandEconomy，2012，18（11）：61-62.[4]谈勇.饮用净水管网余氯与细菌总数的相关性研究[J].中国给水排水，2009，25（13）：105-107.TANYong.Researchoncorrelationofresidualchlorineandtotalbacterialcountinwaterdistributionnetwork[J].ChinaWater&Wastewater，2009，25（13）：105-107.7 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