深井多水源供水管网系统管井涌砂事故模拟与评价 105页

'同济大学环境科学与工程学院硕士学位论文深井多水源供水管网系统管井涌砂事故模拟与评价姓名：颜合想申请学位级别：硕士专业：市政工程指导教师：刘遂庆20090301 摘要保障供水安全，是供水行业必须实现的基本目标，对于维护稳定和构建和谐社会具有重要意义。城市供水安全是现代化城市安全和防灾体系的重要组成部分。加强供水安全保障需要从供水水源、水厂运行和管网运行三个环节予以充分考虑。应对影响供水系统的各类事故和突发事件采取的安全措施和制定应急预案也是安全保障体系建设的重要组成部分。对于以深井井群作为供水水源的城市供水系统，管井涌砂是威胁城市安全供水的一个主要问题。许多水司都存在管井涌砂问题。由于管井涌砂导致了直接或者间接的经济损失，危害了城市供水安全。针对供水管井涌砂问题，研究供水管井合理使用与维护方法和管井涌砂治理措施，对延长管井寿命、合理利用及保护脆弱的地下水资源、缓解水资源短缺矛盾有着重要的意义；研究泥砂对供水管网的影响，评价管井涌砂的风险性，为供水企业管理提供科学的决策参考依据，对保障城市供水安全有着重要的意义。本文从供水管井涌砂的原因及防治对策、泥砂在供水管网中输移运动的数学模型及管井涌砂风险性评估三个方面展开研究。在国内外已有的研究基础上，分析了供水管井涌砂的原因并给出了相应的防治措施建议；基于泥砂在水流中运动的基本特性，研究了泥砂在管网中输移运动规律，结合供水管网水质模型的基本理论建立了泥砂在管网中运动输移的数学模型(以下简称：砂水模型)，并研究了相应的模型求解工具；建立了一套管井涌砂评价指标体系，采用基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型对供水管井的涌砂风险进行评估。根据本研究建立的砂水模型，基于EPANET2．DLL、EPANETMSX．DLL及ArcEngine，在VisualStudio．NET平台下开发了供水管网泥砂模拟软件WDSSTl．0。将砂水模型运用到一个实例管网中，利用泥砂模拟软件WDSSTl．0，完成泥砂在管网中的运动模拟。通过对模拟结果进行分析，可以掌握管井涌砂对管网造成的影响情况。采用基于遗传算法的投影寻踪聚类模型对实例管网中的管井进行涌砂风险进行评价，评价结果与实际运行情况较为一致，该方法具有较好的应用前景。 摘要砂水模型没有考虑泥砂的级配、淤砂的启动等因素，所以更精确的数学模型是下一步研究的方向，期望本研究能抛砖引玉。关键词：井群供水系统，管井涌砂，防治措施，砂水模型，投影寻踪聚类模型，软件设计开发ll AbstractABSTRACTWatersupplysecurityisthebasicobjectiveofmaintainingthewaterindustry．Itisgreatsignificanttomaintainstabilityandbuildaharmonioussociety．Urbanwatersupplysecurityisanimportantpartofsafetyanddisasterpreventionsystemofamoderncity．Watersupplysecurityshouldbewellconcernedfromwatersupplysources，treatmentplantsandwaterdistributionnetworks．Planningsecuritymeasuresandpreparingforcontingencyisalsoanimportantpartofthewatersecuritysystemtodealwithvarioustypesofaccidentandemergencyinwatersupplysystem．Inmulti-wellsourceswatersupplysystem，sandemissionisamajorthreattourbanwatersupplysecurity．Manywatersupplyutilitieshavetheproblemofsandemissionfromdeepwells，whichdirectlyorindirectlyleadstotheconsequencesofeconomiclossesandendangerthesecurityofwatersupply．Tosolvetheseproblems，studyingontherationalUSeandmaintenancemethodsandeffectivetreatmentmeasuresfortherationalmanagementofwatersupplywellisameaningfulact,thesecanalsodogreathelptoextendthelifeofwatersupplywellsandprotectvulnerablegroundwaterresourceswhicharebeneficialtoalleviatewatershortagecontradictions．Theimpactofsandinthewaterdistributionsystemisstudiedandtheriskofsandemissionfromwellsisevaluated．Thescientificbasisfordecision—makingforwatersupplycompaniesisprovided．Allofthesehavegreatsignificanceforurbanwatersupplysecurity．Itisdescribedfromthreeaspectswhicharethecausesandpreventionmeasuresofsandemission，themathematicalmodelofthesandtransportationinpipelinenetworksandtheriskassessmentsofsandemission．Basedontheresearchathomeandabroad，thecaUSeSofsandemissionfromwellsareanalyzedandthecontrolmeasuresareprovided．Basedonthebasiccharacteristicsofsandinwaterandthedisciplinesofsandtransportationinpipeline，themathematicalmodeloftransportationforwaterdistributionsystem(referredtoasIII Abstract”sandwatermodel”)isestablishedwhichcombinedwiththetheoryofwaterqualitymodelinwaterdistributionsystem．neprogramforsolvingthecorrespondingmodelisfinished．Theriskassessmentofsandemissionfromwellsinwatersupplysystemisdonewiththeprojectionpursuitclassificationevaluationmodelbasedongeneticalgorithmandasetofassessmentindicatorssystemforsandemissionfromwell．Accordingtothesandwatermodel，asoftwarenamedWDSSTl．0devotedtothesandtransportationinwaterdistributionsystemisdevelopedinVisualStudio．NETplatformbasedontheEPANET2．DLL"EPf姗TMSX．DLLandArcEngine．SandtransportationisperformedusingtheWDSSTl．0forarealwaterdistributionnetworks．Basedontheanalysisofsimulationresultswecanknowabouttheimpactscopeofsandthroughthenetwork．1nheriskassessmentofsandemissionfromwellsinthisnetworkwasalsoimplementedwiththeprojectionpursuitclassificationevaluationmodelbasedongeneticalgorithm．Theevaluationresultsarecoincidedwiththeactualsituation．Thisassessmentmodelhasgoodapplicationprospects．Sandwatermodelisestablishedwithoutconsideringthesiltgradingandsiltstartup，thusamoreprecisemodelisthedirectionoffurtherstudies．Itisexpectedthatmoreandmorepeoplecandomoreexcellentresearchworkforthissubject．KeyWords：watersupplysystemwithmulti—wellsources，sandemission，preventionandcontrolmeasures，sandwatermodel，projectionpursuitclassificationevaluationmodel，softwaredesignanddevelopIV 学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：弘合想、研年=}月J6日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：触拿想、唧年j‘月 第1章绪论1．1论文研究背景城市供水系统是保障城市系统正常运转的重要基础设施，是社会生产和人民生活的命脉，在城市经济建设中发挥着重要的作用。水资源是二十一世纪世界最短缺的基础性自然资源、战略性经济资源和公众性社会资源。水资源短缺问题是一个全球性问题，安全的饮用水与人类的健康和发展息息相关。据联合国资料，早在2000年底，全球有11亿人口缺乏安全饮水，24亿人没有基本的卫生设施，导致每年有350多万人死于与水和卫生有关的疾病【¨。喝符合世界卫生组织好水标准的健康水，可以杜绝80％的疾病来源。我国的供水安全形势不容乐观。随着经济的发展、人口的增长和城市化水平的提高，水资源紧缺问题目益突出，水体污染、水质恶化仍在加剧。全国有3亿多入口饮用水不安全，400多座城市缺水，同时有30％的城市水源地受到污染，突发性水污染事件对城市供水安全影响日益严峻121。松花江水污染事件与太湖蓝藻事件已经对对我们敲响了警钟。全球的气候变化也导致了水资源短缺矛盾的进一步加剧。自2008年10月下旬至今，我国北方由于干旱而导致了370万人饮水困难。中国研究人员预测：未来10年到15年内，中国北方地区仍将相对干旱(来自新华网)。跨进21世纪，我国城市供水行业发展迎来了新的机遇，同时也面临更大的挑战【3】。一是近年来水环境污染形势加剧，尤其是农药等有机物污染日益严重，城市水源短缺的矛盾突出，供水安全受到威胁。2004年环境工况报显示，47个环保重点城市中，有14个城市的集中式饮用水水源地的水质达标率不到80％。相关部门的调查报告显示，全国约有一半城市市区的地下水污染比较严重，地下水水质呈下降趋势。2005年初建设部组织开展的专项调查显示，部分城市的饮用水源存在不同程度的有机污染。二是城市供水水质仍存在一些不安全因素，部分城市水处理技术和工艺陈旧、管网问题较多，影响供水水质；另外，管理体制和管理手段落后，导致二次供水水质保障程度低。三是我国加入WTO之后，城市供水行业市场化进程明显加快，有利于加快城市设施建设、提高供水管理水平，但同时供水设施投资和经营主题多元化，也加大了供水管理和水质监管的难度。四是贯彻科学发展观对城市供水行业提出了更高的要求，要坚持以人 第1章绪论为本，不断提高城市供水水质，保障人民群众的饮用水安全，建设和谐社会。我国的水资源除水资源总量有限，且人均、亩均水量偏低外，由于我国幅员辽阔，地处亚欧大陆东侧，跨越高中低3个纬度，受季风气候和自然地理的影响，南北气候差异很大，致使我国水资源时空分布极其不均匀l引。空间分布上，东南多，西北少，由东南沿海向西北内陆减少；在时程分布上，70％～80％的降雨量集中在夏季，冬季降雨量极少。据此，在中国北方、干旱半干旱地区的许多地区和城市，地下水成为重要的甚至唯一的供水水源。管井是在开采利用地下水中应用最广泛的取水构筑物，它不仅适用于开采深层承压水，也是开采浅层水的有效形式。在利用管井丌采地下水的过程中，管井涌砂是进行管井维护管理常常遇到的问题。据统计，许多水司由于管井涌砂而导致了直接或者间接的经济损失和环境污染等不良后果，如管井提自订报废，泥砂对机械的损坏等，危害了城市供水安全。针对供水管井涌砂问题，研究其合理使用与维护方法，制定有效的防治措施，对管井进行科学管理、延长管井寿命、合理利用及保护脆弱的地下水资源、缓解水资源短缺矛盾有着重要的意义；研究泥砂对供水管网的影响，评价管井涌砂的风险性，为供水企业的管理提供科学的决策参考依据，对保障城市供水安全有着重要的意义。据此，本课题是一项具有现实意义和经济效益的研究课题。1．2国内外研究进展地下水资源埋藏性好，不容易被污染，水质较好，几乎不需要或者只做简单处理就可以达到国家的城市供水水质标准。大多水井是通过水泵取水，)力Ⅱ药消毒后就可以输送到管网中去，供应用户使用。供水管井通常是指用凿井机械丌凿至含水层中，有井管保护井壁、垂直地面的直井。管井能建造在任何岩性的地层中，适用于埋藏在各种深度和厚度大、层数多的含水层，且施工方便，因此在实际生产中得到的广泛的应用。目前国内外对管井供水的研究主要涉及到成井的施工工艺、管井供水的水质、合理供水量、管井涌砂及旧井改造技术等方面的研究。本文主要针对管井涌砂问题展开研究，内容涉及到供水管井的涌砂的成因、涌砂的防治措施、管井涌砂风险性及泥砂在供水管网中输移扩散模拟的等，所以本研究的基本理论综述包括供水管井维护管理和供水管网水质数学模型的相关内容。2 第1章绪论1．2．1供水管井的研究现状据资料记载显示【5．61，在公元前1900年，闪族人在中东地区开始打井取水，这口井还被命名为“誓约之井"。在我国可考证的资料显示，在西周时期公元前1111年，已有“井田之制”的记载。将一里土地按井字分割成九等分，中间一块视为公田，内设公井一口，供水给四周的八块田灌溉使用。这是我国有史记载的最早使用地下水灌溉的事实。虽然人类很早就丌始使用水井，但是人类丌始致力于水井的管理维护技术与研究是在1970年之后。在传统上井体维护是属于简单的机械工程，很少在技术与理论上进行深入，原因就是在1970年以前认为地下水很少有细菌的存在，国际上很少有人了解到井体的腐蚀与淤塞是由于细菌分泌衍生而导致17J的。20世纪70年代以后，随着地下水在生活中重要性的凸显，人们渐渐认识到了井体结构的重要性。地下水水质恶化对井体的破坏，逐渐被国外的学者与工程师所注意。NationalWaterWellAssociation(NWWA)在1973年论述了管井的维护技术【8】。1991年法国的GEOEHERMA学会调查了全国的井体19】，发现了影响井体结构的三个主要问题，分别是涌砂、积垢和腐蚀，调查报告中指出因井管腐蚀淤砂造成井体恶化的占有问题的水井的25％，因抽水过量和洗井造成井体恶化的占25％，因设计和施工不当造成恶化的占25％，因天然条件造成恶化的占25％。美国俄亥俄州州立大学(OhioStateUniversity)的CorrosionCenter的MareGFontana认为管井腐蚀是一种物理．化学．生物的综合反应，与金属邻近的环境要素如介质的氧化能力、温度、流速等有判101。硫酸还原菌不仅造成井管腐蚀淤塞，还是导致地下水产生恶臭、增加浊度与色度的原因【111。Driscoll认为由于水质导致井体淤塞是井体破坏的主要原因之一，并且指出由物理性的小颗粒阻塞含水层的孔隙，形成阻塞是井体破坏涌砂的主要原副12J。KirmeyerandLogsdon通过研究发现碳酸铁沉淀能够覆盖在铁管壁上，可以阻隔水与金属的表面接触，防止金属被腐蚀。这就是在碱度较高的地下水中，管井不易被腐蚀的原因。不适当的洗井程序(如用钢刷去刷)会使得碳酸铁保护层从管井表面刷除，反而使洗井后的井体被腐蚀【13】。水中的悬浮性颗粒是地下水使用的重要限值。美国环保署与国际水井协会(USEnvironmentalProtectionAgencyandtheNationalWaterWellAssociaton)对管井悬浮性颗粒提出了浓度规定，饮用水、工业冷却用水与灌溉用水，其所含悬浮性颗粒浓度分别不得超过5mg／L、10mg／L和15mg／L。Driscoll也指出水中的悬浮性颗粒浓度低于8mg／L的出水才是没有出砂的地下水，并认为悬浮性颗粒包括水中的砂粒、粉粒与黏粒，浑浊度超过3 第1章绪论10NTU的出水会导致井体产生结构阻塞。1965年LayreTexas公司的Jensen和Ray提出井体摄影是呈现井体破坏的最佳工具。井体摄影广泛用于管井的修复工程中。英国的水研究中心(WaterResearchCenter)在一份对非洲乌干达的地下水调查报告中指出，井管材质的选择不当是当地井体的破坏的主要原因。Barcelona和Helfrich经过研究建议，在具有腐蚀性的地下水井中最适合的管材是不锈钢，具有最好的抗腐蚀性和长期的抗压性。Detay指出酸碱对镀锌铁具有强烈的腐蚀性。1994年，美国的UniversityofWisconsin的Yesiller发明了一种利用超声波检测井管外土层的水与空气含量的技术，可以判断井体外的水封情况。该检测方法适合PVC与不锈钢材质，并且是一种非破坏性检测方法，不会对现有井体结构造成不良影响1141。国外于20世纪初管井过滤器开始采用填砾层，至60年代中期已形成比较成熟的经验。英国给水工程师协会研究指出【15l，管井填砾的规格，以填砾的D50粒径为含水层d50粒径的5-6倍的均匀填砾为标准，能获得良好的出水量和最低的出水含砂量。美国的深井填砾实验室通过井的塑料包层试验，研究了填砾时的下沉状态，磨损情况及不同温度、压力及流速状态下的填砾质量；通过流体试验测试了不同流体粘度、温度等因素对填砾质量的影响：通过井的模拟找出填砾时所需用的最合适的流速和不同流体的性质。国内对供水管井的技术及理论研究起步较晚。我国于20世纪20年代末开始使用填砾层，但是成井数量少，且质量较差【151。1952年经过开始填砾法的试验研究后，到1954年取得初步成功，经过10多年的试验与生产相结合，60年代末完成1200米以内较成熟的管井填砾施工方法。经过对京、津两地近百口井的调查，分析井的出水量、出水含砂量和使用寿命等发现，主要含水层的填砾直径D50为砂层标准粒径dso的7倍时，井的出水量最大，含砂量最低。对于供水管井的出水含砂量在我国尚无严格的统一规定。张锡范对我国供水管井井水含砂量标准进行了研究，探讨了供水管井含砂量标准制定的依据及制定标准的影响因素，首次提出了“井水含砂量特征曲线”，解释了井水含砂量标准宜以稳定值为控制指标的理论依据Il酬。卢予北在国内首次了提出了旧井处理工程的概念，介绍SJ．2型水井检测彩色电视系统，并分析了旧井问题的成因提出了治理的技术措施，对我国供水管井的有效利用起了积极的推进作用【l。7"18l。刘爱峰、徐润等从原理的层面上探讨了含水层渗透性和填砾规格对供水管井涌砂的影响【19l。周小彬通过对新疆南部喀什地区粉细砂地层的成井工艺及管4 第1章绪论井涌砂原因进行了分析，提出了预防管井涌砂的具体措施，对于粉细砂地层进行凿建水井的施工具有积极的实践意义1201。张增礼从凿井过程及运行管理过程分析了水井涌砂的成因，并研究了相应的预防治理措施【211。邝乐龙与华解明等分别独立分析了由于过量抽水而引起管井涌砂的原因，并提出了供水管井合理出水量的确定方法【22,23】。虽然国内对于管井技术的研究与发达国家相比还存在一定的差距，但是国内工程专家与学者一直致力于供水管井的各种问题的试验研究，并．取得很大的研究成果。1．2．2供水管网的水质模型研究现状建立管网水质模型是指模拟水中物质(包括余氯、污染物及微生物等)在管网中随时间、空间的变化分布或者模拟某种水质参数产生变化的机理。供水管网水质模型的研究可以追溯到1980年Wood提出的基于稳态水力模型的水质模型。1986年Clark等提出了能够在时变条件下模拟水质变化的模型，Grayman等在1988年提出了一个类似的水质模型。国内对供水管网水质的模拟研究起步较晚，上世纪80年代中期，我国哈尔滨工业大学的赵洪宾教授在研究管道内壁结垢的基础上提出了“生长环"的概念，并通过现场试验推导了余氯在配水管网的衰减模型124J，到90年代未建立了几种配水系统的水质模型，吴文燕博士对余氯的管网的变化规律进行了模拟和校核，李欣博士【25l也对余氯衰减模型和消毒副产物的前驱物进行了较深入的研究，童祯恭126l博士提出了计算机模拟法获取余氯衰减模型的系数，马力辉127】博士提出了CORS．RBF．GA算法来实现水质模型系数的高效校核，并对供水管网余氯优化控制决策支持系统进行了研究。管网水质模型建立在水力模型的基础上的，按照管网水力模型模拟状况，管网水质模型可以划分为稳态模型和动态模型。(1)管网稳态水质模型管网稳态水质模型是在静态水力条件下利用质量守恒定律，确定溶解物(污染物或消毒剂)浓度的空间分布。典型的稳态水质模型是Wood于1980年提出的的，模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程：(∑Qc)加一(∑Qc)删=Q嘣c硎(1．1)式中：Q一进入或者流出节点的流量：5 第1章绪论C_进入或者流出节点的浓度；Q味、Ce瑚这个节点处进入或者流出系统的流量和浓度。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手段。实际运行的管网中，各个管段的水流状态都是随时间而变化的，很难达到恒定状态，稳态水质模型只能提供周期性的评估能力，对管网水质预测缺乏灵活性。(2)管网动态水质模型管网动态水质模型是在配水系统水力工况变化的条件下，动态模拟管网中的物质移动和转变。Lious和Kroon提出了一种可计算配水管网水中物质的衰减和生长模型，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，管网中的水平流动，随时间的流动和增长，管段连接处的混合。其描述方程如下：1)管网中物质对流传输过程管网中的对流传输过程可以用一维移流扩散方程描述：掣+半=E掣州和)】(1．2)以缸缸‘‘‘1。、因为随流传输项堕墨兰尘旦Q远大于分子扩散项E—02Ci(x,t)，所以上面的dXdX。方程式又可以简写为：_19Ci(-x,t)+ui鼍生：Jf⋯℃tc"37x，t)～l(1．3)—■=_一—÷—一2，【l·jJ式中：Ci(x，t)一管段i在X处t时刻的物质浓度；ui_管段i的流速；RI(x，t)】一管段中反应物的反应表达式，对与非反应物质其值为零。2)节点混合方程管线端点处的物质浓度，由物质自身的质量平衡决定，假设物质在节点瞬时完成混合，则：善Q』cjLq+Q埘c捌吼_0_卫丽矿04’式中：Cilx：俨管段i起始点的物质浓度；qlx：u一管段j结束点的物质浓度； 第1章绪论X．一管段的长度；J．流入节点k的管段组；I．流出节点k的管段组；Ck．甜—进入节点k的外部水源物质浓度；Qk，cxr—进入节点k的外部水源流量；Qk．。。广流出节点k的节点流量；Qi一管段i的管段流量；3)储水构筑物内部浓度计算警2荟Q：『一荟g(1．5)dt氲“向t一、。型Ot一∑Qi‰一∑Q，G一尺(G)(1．6)鲁”甲“商叫1—7、7式中：Vr_构筑物在t时刻的蓄水体积；C1一构筑物内部在t时刻的浓度5Qr蓄水构筑物出水管的集合；Ir一蓄水构筑物进水管的集合。4)对于物质浓度的变化(即是R(C))一个简单的速率过程描述：一dC；kC(1．7)班、’按照所研究的水质参数，可以分为余氯衰减模型、消毒副产物模型及微生物模型。下面对常见的余氯模型及消毒副产物模型作简单的介绍。(1)余氯衰减模型大部分厂水采用氯作为消毒剂，并以管网水中的余氯浓度作为检测管网水质状况的指示剂。国外在上世纪70年代开始对余氯在管道中的衰减规律进行研究，主要提出了一级反应机理模型和二级反应机理模型。一级模型基本上反应了余氯在管网中的衰减特征，并由于其简单而被广泛认同。但实际上，一级衰减模型不能反映余氯急剧消耗的情形，而二级模型不能完整的描述整个衰减过程。许多学者对余氯的一级和二级模型提出了修正。具有典型代表性的是Rossman等提出的基于质量传输的余氯衰减模型，其认为氯管道水流传输的消耗来自于两方面：管道主体水和管壁。并且假设氯在管壁处的反应是关于管壁浓度的一级反应，基于以上假设建立的模型为：7 第1章绪论百OC=卅詈邯一丽kwk丽iC(1．8)式中：C一体积流中余氯浓度；t_时间：u一管道中的平均流速；x一沿管段的距离；kb．主体水流中的衰减系数；kr质量传输系数；k、一单位长度时间的管壁衰减系数；rb．一管段的水力半径。英国的学者Jadas-Hc’cat通过实验提出了两阶段模型，AWWA研究发现余氯的衰减主要由于来源于主体水与管壁反应消耗，英国伯明翰大学的FangHua提出了一级二级模型组合的半经验公式：了dC一一klC—k2C2(1．9)式中，kl与k2可以通过实验测定。加拿大Laval大学的Rodringuea等还提出了‘：人工神经网络"模型(ANNmodel)，从另一个角度研究了余氯在管段中的衰减机理，并与传统的一级模型进行了比较，模拟表明在水温较低时，一级模型具有较好的模拟效果，而在水温较高时ANN模型则表现出更好的预测性。(2)消毒副产物模型氯消毒的在饮用水处理的应用始于20世纪初。因其技术成熟、成本低廉及有较好的后续消毒效果等优点而得到广泛的应用I捌。随着水质的污染恶化，原水中基本都含有有机污染物，在氯消毒的过程中，有些有机污染物与水中的氯发生化学反应生成对人体有害的致癌消毒副产物(DisinfectionBy．Products，DBPs)，严重危害人类的健康。美国学者【29IBellar在1974年首次在氯消毒后的饮用水中检测出三卤甲烷和其他卤代物(tfihalomethans，THMs)。消毒副产物种类繁多，三卤甲烷(THMs)是目前饮用水加氯消毒产生量最大的消毒副产物，代表挥发性的有机卤代物；卤乙酸(haloacetieacids，HAAs)代表非挥发性有机卤代物。1976年，美国国家癌症协会发现，氯仿对动物具有致癌作用。研究证实，卤乙酸(HAAs)的致癌风险较三卤甲烷(THMs)大10倍以上，其它消毒副产物的Ames实验也多呈阳性，存在着很强的致突变性。流行病学研究发 第1章绪论现，饮用水氯化消毒的量与膀胧癌、直肠癌等的发病率之间有相关性【301。为此，许多国家在饮用水标准中规定了饮用水的相关的消毒副产物的上限浓度。在THMs数学模型方面，Clark通过研究发现THMs与氯消耗之间具有函数关系，并建立了数学模型31。3】DBPi=4[co—iCKoOex-岬K)f)](1．1。)式中：Ai一消毒副产物i的形成比例系数；K一无量纲常数；u一反应速率。李欣博士提出了输配水管网中三卤甲烷浓度分布的水质模型【25J：TTHM—co+【THMFP—Cj](1-exp(kt))(1．11)式中：K-一三卤甲烷增长系数；THMFP一三卤甲烷生成潜能；C旷-出厂水的三卤甲烷浓度。Sung，Matthews等通过研究提出如下模型341：TTHMs，a[OH一】’{Coil—exp(-kOl}“(％)“(口lgae)P式中：Co[1一exp(-kt)】一从氯投加点到取样点的氯消耗量；啡输时间；algae一藻类浓度；a、j、m、n、旷指数系数。Shimazu建立如下模型来模拟管网中消毒副产物【35】：DBPs=舢只一。0一exp(-k(t+c)))式中：DBP。。广管网中消毒副产物浓度；k_消毒副产物增长率。Elshorbagy等通过计算出溴仿(Br)然后利用构造比例系数SN，算算出各自比例，然后实现氯和四类THM的预测【36l：s．，；—[CHClo—_u)Bru]”ITTHMl9(1．12)(1．13)通过优化计(1．14) 第1章绪论David等对腐殖酸(HA)，富里酸(FA)氯化后THMs形成能力(THMFP)进行了研究，发现THMFP与HA或FA中的活性芳香组分(AAR)含量有很好的相关性，建立了一元线性模型【37l：z蒯FP=10+17(AAR)(1．15)目前国内真正把消毒副产物模型应用于指导实际生产并发挥出应有经济效益和社会效益的报道基本没有，研究及其应用有待更进一步的深入l捌。1．3论文研究目的与意义1．3．1论文研究的主要目的保障城市供水安全是本研究的目标。本研究主要以井群供水的供水系统为研究对象，一方面，分析供水管井的涌砂现象的原因从而提出相应的防治对策：另一方面，尝试建立了泥砂在管道中的输移运动的数学模型，运用信息化手段模拟泥砂在管网中运动，重现或者预测管井涌砂后对供水管网的影响，并采用基于遗传算法的投影寻踪聚类的评价模型对管井涌砂的风险性进行评估，为安全供水管理运营提供科学决策依据及技术支持，保障供水系统的供水安全。1．3．2论文研究的意义(1)指导生产城市供水系统管理信息化是供水企业未来发展的趋势，本文的研究成果有助于供水企业管理理论与实践相结合，作为科学、高效的辅助管理手段，进行供水管网及供水管井井群的日常运营管理维护。(2)社会效益保证城市饮用水的水质是保障城市居民的生活质量的基本之一，保护人们健康、促进社会进步、构建和谐社会的重要组成部分，也是全面实现小康生活水平建设的重要体现。保障供水管井安全供水对于以深井井群为水源的城市供水系统安全供水的实施具有重要意义。(3)经济效益保证管井供水安全供水具有重大的经济价值。合理地使用并维护供水管井，可延长供水管井的使用寿命，从而形成社会投资效益的良性循环【171。模拟泥砂在管网的输移扩散运动，可以了解管井涌砂事故发生后管井出砂对管网造成的10 第1章绪论影响，从而采取合理的应对措施，如制定管井涌砂应急预案及对管道进行冲洗方案。通过采用基于遗传算法的投影寻踪聚类模型对管井的涌砂风险性进行评价，可以掌握管井的运行的客观状况，有助于供水企业对供水管井的科学管理，提高经济效益与社会效益。(4)理论价值在进行泥砂在管网中的输移扩散数值模拟的研究中，尝试建立了泥砂颗粒在供水管网中运动的数学模型，并编制了模型求解工具，虽然模型有很多亟待改进地方，但作为该研究方向的第一次尝试，是对管网中水质数学模型的补充，希望本研究能起到抛砖引玉的作用。1．4论文的研究内容及结构1．4．1论文研究内容本文主要从三个方面论述以深井井群作为水源的城市供水系统的供水安全保障技术：一是研究供水管井涌砂的原因，进而提出相应的维护方法与防治对策；二是研究泥砂在管道中的运动传输的数学模型，并运用计算机技术模拟泥砂在管网中运动，预测或者重现管井涌砂后对供水管网的造成的影响；三是采用智能的评价模型对供水管井涌砂的风险性进行评估。以保障城市安全供水为目标，针对供水管井涌砂问题展开研究，三个方面的内容三位一体，密切相关。管井涌砂风险的评价是以管井涌砂原因分析为基础的，剖析了管井涌砂的具体原因，才能确定管井涌砂风险的评价指标集，进而采用基于遗传算法的投影寻踪聚类模型进行评价；研究泥砂在供水管网中的模拟可以了解管井涌砂对供水安全的危害，这样可以更有效地进行管井维护；通过涌砂风险性评价也可以为管井的科学维护管理提供科学的决策依据。具体内容包括以下几方面的：(1)研究深井多水源复合供水系统的供水管井的涌砂的原因并提出相应的防治对策；(2)研究泥砂在管道中的运动传输规律，建立泥砂在管网中运动的数学模型，模拟泥砂在管网中的输移扩散状况，分析管网受影响状况；(3)通过基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型对管井涌砂风险性进行评价，为管井的科学管理提供科学的参考依据；(4)设计并编制供水管网系统泥砂运动的模拟软件WDSSTl．0。 第1章绪论1．4．2论文研究框架结构围绕保障安全供水的主题，研究管井涌砂问题，保障供水管井安全供水，论文的主体的研究框架如图1．1所示：图1．1论文研究路线图12 第2章供水管井涌砂研究第2章供水管井涌砂维护研究2．1城市安全供水联合国确定2005．2015年为“生命之水"行动十年。2005年3月22日是世界水同，联合国当天启动了“生命之水”国际行动十年，推动各国共同努力，争取到2015年将缺乏安全饮用水和基本卫生设施的人口减少一半。这是联合国千年发展目标之一。党的十六届三中全会提出了坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，促进经济社会和人的全面发展的重大战略思想，为城市供水行业的技术进步和城市供水事业的发展指明了方向。保障城市安全供水是贯彻落实以人为本，全面、协调、可持续发展观的具体体现。为了进一步提高城市供水水质，保障人民群众的饮用水安全，改善供水服务，依靠科技进步和科学管理推动城市供水行业的发展，建设部组织编制了《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》，该规划确定2020年远景需要达到的四大目标，即：“保障供水安全、提高供水水质、优化供水成本、改善供水服务"。保障供水安全，是供水行业必须实现的基本目标，对于维护稳定和构建和谐社会具有重要意义。城市供水安全是现代化城市安全和防灾体系的重要组成部分。加强供水安全保障需要从供水水源、水厂运行和管网运行三个环节予以充分考虑，从水质、水压合格和水量满足需求及水源保证等几个方面建立供水的安全保障目标。对于应对影响供水系统的各类事故和突发事件采取的安全措施和制定应急预案也是安全保障体系建设的重要组成部分。2．2水质标准了解水质标准是深刻认识和研究管井涌砂问题的前提。同时也从一个侧面反映研究管井涌砂问题的重要性与迫切性。从城市供水的整个过程分析，涉及泥砂的水质标准主要有两个方面：水源水质和供水水质。2．2．1水源水质标准为保障人民群众的饮用水安全，对城市供水水源水质有严格的规定。我国《城市供水水质标准》(CJ／T206)作了明确的条款规定。选用地表水作为供水水源时，应符合《地表水环境质量标准》(GB3838)要13 第2章供水管井涌砂研究求。其中水源水质的基本项目应达到I类～III类水质量要求，并满足补充项目标准限值和当地有关部门规定的特定项目限值要求；水源水质超标的，超标项目经自来水厂净化处理后，必须达到国家和行业的城市供水水质标准相关要求。选用地下水作为供水水源时，应根据《地下水质量标准》(GB／T14848)的相关要求，其水源水质应达到I类一III类水质量要求。2．2．2供水水质标准满足“饮用水水质标准”的水就是安全的饮用水。饮用水水质标准是一个国家技术经济及水资源状况的综合体现。全世界不同的国家地区有不同的饮用水水质标准，其中具有权威性、代表性的国际水质标准有三部：世界卫生组织(WHO)的《饮用水水质准则》、欧盟(EC)的《饮用水水质指令》和USEPA的《国家饮用水水质标准》(2001)。其他国家均以这三大水质标准为参考制定本国国家水质标准。目前，国际水质标准的发展趋势可以归结为以下五个方面：(1)对微生物的健康风险普遍给予了高度重视；(2)对消毒剂与消毒副产物愈来愈重视；(3)对有毒有害物质指标制定更趋严格：(4)对保护人体健康的水质指标更加重视；(5)风险效益投资分析成为制定水质规划的重要步骤。我国的饮用水水质标准，从建国以来经历了多次的修订。水质指标从开始的15项增加到现在的106项。新的水质标准《生活饮用水卫生标准》(GB5749．2006)中水质指标由GB5749．85的35项增加至106项，其中微生物指标由2项增至6项：饮用水消毒剂由1项增至4项：毒理指标中有机化合物由5项增至53项；感官性状和一般理化指标由15项增至20项；放射性指标中修订了总a放射性。从水质指标数量上看，我国新的标准《生活饮用水卫生标准))(GB5749．2006)已经有了长足的进步。2．3供水管井涌砂对供水系统的影响供水管井出水含砂量的高低直接关系到管井的正常运行和使用寿命。我国许多地区的管井，因为井水含砂量过高，导致抽水设备损坏、泵房地基下沉、井管弯曲以至断裂等一系列问题，部分管井使用很短时间即趋于报废，不仅造14 第2章供水管井涌砂研究成了经济损失，而且也影响了正常的生产。因此，在供水管井设计、施工及运营中，严格控制管井出水含砂量是保证管井正常运行的关键。2．3．1涌砂现象涌砂是管井抽水时，水中含有的悬浮性颗粒过多的现象。管井涌砂是井体出现问题的前兆。我国每年打供水管井约20"--"30万个，每年报废管井约10--一15万个138l。其中管井涌砂是导致管井报废的一个重要原因。研究资料显示116l，我国的许多水司都曾经遇到过供水管井涌砂的问题。如银川市自来水总公司永宁供水公司为了应对管井涌砂事故，专门制定了管井涌砂应对预案；齐齐哈尔水司北水厂的水源管井不同程度的出现了涌砂砂现象等【39J。井水含砂是必然的，关键在于出水含砂量多少。对于判断供水管井涌砂的标准，不同的专家学者或者国家在具体数据上略有差异。Driscoll认为：水中的悬浮性颗粒包括水中的砂粒、粉粒和黏粒，并且只有当出水的悬浮性颗粒浓度低于8mg／L，才能称作是无砂地下水【12】。水中悬浮性颗粒是地下水使用的重要限值。美国环保署与国际水井协会(U．S．EnvironmentalProtectionAgencyandtheNationalWaterWellAssociaton)规定：饮用水、工业冷却用水与灌溉用水，其所含悬浮性颗粒浓度分别不能超过5mg／L、lOmg／L及15mg／L。超过15mg／L的地下水可能是井管已有严重腐蚀或是井体崩溃现象。目前，我国对管井涌砂界定还缺乏统一的标准。《供水管井技术规范》(GB50296．1999)只是规定管井进行抽水试验结束前，出水含砂量应小于1／200000(体积比)。实际上，在实际生产中，由于缺乏统一的标准，导致了我国目前对管井出砂管理混乱的局面，甚至有些供水企业对出水不作仪器检测，只用肉眼分辨出水中的泥砂含量，管理维护方法手段欠科学。2．3．2对供水系统的影响供水管井涌砂问题对城市安全供水系统产生了极大的影响。一旦管井涌砂，轻者抽水设备损坏、泵房地基下沉、井管弯曲以至断裂等一系列管井运行问题，重者水井报废，地面塌陷，更甚者泥砂在管道中沉积堵塞管道或随水流输送到用户，严重影响用户用水水质和供水企业形象，造成直接或者间接的经济损失，影响人们的正常的生产和生活。根据不同的管理对象，管井涌砂对供水系统产生的影响可以归结如下：1．对管井自身的影响 第2章供水管片涌砂研究管井的直径一般在500mm左右，它由沉砂管、过滤器、井壁等部件组成。管井涌砂会造成含水层的颗粒组织结构发生明显的变化，井壁周围含水层坍塌，通透性差，补给能力下降，管井的动、静水位差增大，井的出水量随之减少，直接影响供水生产。含水层坍塌会引起井管倾斜、扭曲、错位甚至断裂，大量泥砂沉积井内，使井的过滤器堵塞，井的有效深度减小，出水量降低，严重者可导致管井报废，缩短管井的使用寿命。2．对抽设备的影响井体中出现涌砂，一部分会沉降到井底，一部分随着水流被水泵抽走。混在水中含砂可使水泵的叶轮、泵轴及轴承加速磨损，机泵的故障维修率增高，大修周期变短，使企业的维修费用增加，缩短设备的使用寿命。3．对净水厂构筑物的影响随水流的泥砂进入水厂的处理流程会对水厂的正常运作产生影响。具体表现为以下几个方面139J：(1)影响滤池的反冲洗周期。由于砂粒浮着在石英砂滤料的表面，形成一层lOmm．100mm的致密的粉砂层，使滤池的水头损失增加，反冲洗的虹吸管水位上升速度加快，形成虹吸反冲洗的时间变短，使滤池的反冲洗周期缩短，频繁进行反冲洗，不仅浪费水资源，增加了能耗，而且加大了供水的运行成本。(2)由于砂粒覆盖于滤料表面导师滤速下降，砂颗粒滞留在滤层当中，堵塞了滤料颗粒间的孔隙，滤速变慢过滤能力下降，反冲洗不彻底，时间一久，滤层局部或者大部分会形成板结，滤层中含泥量增大，在没有形成板结的区域反冲洗水的流量过大，使滤池的承托层和滤料层形成混砂现象，过滤时翻池区域变成了水质穿透区，大量的水从该区域通过，滤后水的水质和水量受到很大的影响。(3)由于地下水的水质较好，大部分水都符合国家饮用水的水质标准，所以在部分水厂中，实际上，地下水从井中抽出来后，并不需要进行净化处理，只要加氯(或者其他消毒剂)消毒后就可以输送到管网中供用户使用。对于水源井较集中的情况，供水管井群的出水将被集中到清水池中，经过加氯消毒后由二泵站输送到管网中去。对于此种情况，细粉砂随流提升后进入到清水池中，在清水池内沉积形成淤砂，降低清水池的储水能力，并且使得出水的水质变差。清除这些淤砂不但耗时耗力而且还影响正常的供水生产。(4)在已安装了自动控制系统的水厂中，砂的存在影响自控系统的正常运行，当远程控制停泵时，水泵出水管上的止回阀有时由于阀体内有砂，止回阀16 第2章供水管井涌砂研究关闭不严，大量的水回灌井内，一方面会造成能量的浪费，使电耗增加供水成本上升；另一方面还可能造成电机反转或是淹毁电器设备，造成生产事故，直接影响供水生产，造成严重经济损失。4．对输配水管网系统的影响在以地下水作为供水水源的供水系统中，除了将管井出水集中到清水池，加药消毒后由二泵站输送到管网中这一种方式外，还有些供水管井零星分散在输配水管网中，地下水从管井提升后直接输送到管网中去，办称作直供井。如果直供井发生涌砂，泥砂将会直接被输送到管网中去，砂在输水管道中，损坏管道上的阀门，尤其是带有闸槽的闸阀，砂沉积在阀体的槽内，水门关不严，使管道维修或管道安装的工作难度加大。对于流速较小的管道，泥砂会在管道中沉降并淤积，久而久之会附着在管壁底层，使实际管径变小，减少管道的过水能力，并且是管道内表面变得粗糙，使管道水头损失增大，增大输水能耗。另外，对淤砂管道的清洗也是在实际生产中一个难以解决的问题。5．对水质的影响管井涌砂对供水水质的影响显而易见，对于颗粒较大的泥砂，在水中肉眼可见，严重影响人们用水的感官要求，研究显示I91，管井涌砂会直接导致管井出水浊度增高。据报道，2008年四川汶川地震发生时，银川震感强烈。此次地震对自来水浊度造成了比较强烈的影响，水质跟踪监测和分析表明，该市六大水厂出厂水浊度全部在震后升高，浊度最高值达到了12NTU(平时同常保持在0．6~o．7NTU之间)，是历史上从未出现过的最高值。据水质专家分析，浊度升高的主要原因就是管井涌砂。另外，研究资料表明I明，悬浮颗粒固体能吸附细菌和病毒，妨碍消毒剂与微生物的接触或延迟消毒剂的作用，使微生物逐渐产生对药物的适应性，干扰消毒效果。6．对供水成本的影响不管是管井报废、出水量减少、机械维修还是管道淤砂，都会使供水成本增高，造成经济损失。7．对环境影响除上述影响外，水井大量涌砂时，还可导致地面沉降和周围建筑物的裂缝和倒塌，引发系列环境安全问题。17 第2章供水管，f：涌砂研究2．4供水管井涌砂的原因造成供水管井涌砂的原因纷繁复杂。从管井的选址，设计，凿井施工到投产后的R常的运行管理维护，某个环节处理不好都可能导致管井涌砂，含水层的地质结构及地下水水质也会导致管井涌砂。在之前的研究实践的基础上，对可能导致管井涌砂的主要原因归结如下：1．设计不合理导致的管井涌砂(1)井体含水层的颗粒的弱凝结性结构导致管井涌砂粗砂的含水层，其孔隙率可能高达40％，透水性良好。但是在许多冲积形成的含水层，其组成大部分是黏粒或者粉粒，与租砂的凝结力弱，这些细颗粒可能会流经孔隙，进入井体，导致井水浑浊，对井体的结构产生阻塞。(2)滤水孔的开置不当导致管井涌砂滤水管是井体功能的最重要的一部分。其功能是让含水层的地下水可以进入井中，又可以防止一些非凝结性颗粒进入井体，同时还有足够的机械强度支撑管重压力及土层的侧向压力，维持井体的正常使用寿命。管井材质的耐久性，开孔的大小是否恰当与滤水管的导水效率有着密切的联系。开孔面积大，可以增加通水效率，出水的流速过大，导致细砂的随流进入管井造成涌砂，同时开孔面积大也会降低滤管承压的机械强度。开孔的位置不当，会导致井体的透水效率与剪切力承受能力的降低。理想的滤水管是在周围连续性地开孔，以使含水层与井体的滤水孔有最大的接触面积。滤水管在制造的过程中，滤水孔的分布均匀性要好，其间距的差异应在0．03。0．08mm之间。如果差异太大，在抽水时，不同孔距的滤水孔承受的压力将有所差异，孔距小的滤水孔承受的压力较大，容易受水流磨损，造成磨损而导致井体涌砂。不同的滤水孔的确定与地下水的水质特性、含水层颗粒特性有关。在设计和施工的过程中，由于缺乏对地下水的水质及含水层的颗粒粒径进行详细分析，造成井体设计施工不当，导致同后井体涌砂。(3)滤水管的材质使用不当导致管井涌砂滤水管材质的选择不当会导致滤水管腐蚀穿孔，造成涌砂。使用会属材质的滤水管，任何金属切割凸凹的地方会引起腐蚀。有的金属滤水管经过表面处理(如镀锌铁管)，在做表面处理时覆盖的厚度不均匀和余属材质的电位差不同会导致定点穿孔腐蚀，迅速降低滤水管材质承压能力，增加氧化性淤塞，进而造成管井涌砂。(4)滤水管的长度设置不当导致管井涌砂1R 第2章供水管J}：涌砂研究滤水管的长度设置不当会导致井体涌砂。滤水管的长度设计及放置位置与含水层的厚度及含水层的透水系数有关。滤水管的长度设计要考虑水位的降落曲线。如果降落太快，那么滤水管在含水层中的比例要减少。在均匀非受压含水层(HomogeneousUnconfinedAquifer)滤水管设计长度约占含水层厚度的1／3—1／2，而且放置的深度要从含水层的地下起。这样是为了避免抽水时含水层上端进来不足造成波降。在非均匀非承压含水层(NonhomogeneousUnconfinedAquifer)由于央有细颗粒，导水效率低，滤水管只能放置在含水层厚度1／3的高度。在均匀承压含水层(HomogeneousConfinedAquifer)可以放置90％一95％的含水层厚度。非均匀承压含水层(NonhomogeneousConfinedAquifer)则可放置在80％～90％的厚度。承压含水层位置越深，其出水量会越大，但是为了防止地下水流速太快，造成滤管的冲蚀，水流的流速不能超过0．03m／s。(5)井管材质选择不当导致管井涌砂井管的材质与管井使用寿命密切相判17l。国内常用的井管有铸铁管、钢管(无缝、直缝和螺旋)、水泥管，有些地区也开始试用PVC．U塑料管。铸铁管主要用于300m以内的水井工程，钢管则用于深井或地热井。其井管本身存在的主要问题是：表面粗糙不平，管壁厚薄不均，材质不均和杂质含量高：滤水管主要以缠丝管为主，近年在地热井施工中多采用笼状管，这种滤水管是用缠丝管和桥式管焊接成环型状组合，再填装砾料后焊封上端。主要问题是：成本高，搬运和使用一段时间后砾料下沉，在初始充满砾料的封闭空间出现“空白"段，从而导致涌砂现象。在不少供水管井的建设中，因对此缺乏考虑，而造成不少管井的井管材质选择不当。在地下水具有腐蚀性的地区，使用镀锌铁管做为井管很容易导致井管的腐蚀，造成管壁穿孔，井管的机械承压能力降低，造成井体的塌坏。(6)井深的设计不当导致涌砂井深的选择最好是穿透一个含水层，到达地下的不透水层。如果管井不穿透含水层，由于出水引起含水层泥砂的扰动会导致井管的变形，引起涌砂。(7)填砾层的设计不当导致涌砂填砾在井体结构中的主要功能是过滤地下水的悬浮性颗粒，保持滤水管的通畅。填砾层担负着维持滤管承受井周围的侧向压力作用。填砾规格、填砾厚度、颗粒形状、成分及填砾层的放置高度等设计不当都会引起管井涌砂。填砾的形状直接关系到人工滤层的渗透性和含砂量的问题；填砾的高度不够会因砾料下沉而引起涌砂；填砾层的厚度不够会导致含水层对滤孔的挤压，造成滤管】9 第2章供水管井涌砂研究局部破损而出砂。2．因施工质量问题导致涌砂(1)砾料下沉导致管井涌砂常用的成井工艺是投砾和使用笼状管，如果施工时没有保证足够的预留高度，长期抽水后砾料会下沉密实，若不采取适当的措施，在围填层内将会出现空白段，这样会引起浑水或者涌砂。(2)施工细节处理不当导致涌砂一般的成井工艺按井的深度会有所差异，施工过程导致管井涌砂的原因也有所不同。1)浅层井成井工艺：钻孔—>扩孔一>冲孔—>下管一>冲孔换浆一>冲孔填砾一>洗井一>抽水。在成井工艺方面造成涌砂的主要原因有：①滤水管用过滤网密度太大，缠丝间距与含水层颗粒匹配不当：②砾料与地层颗粒匹级配比不合理；③井斜造成填砾厚度不均匀或“架桥"；④滤水管直接对准粉砂层；⑤砾料规格大小不一，不均匀度大于15％，未经筛选投入井内；⑥冲洗换浆不彻底，大粘度和高固相泥浆堵塞含水层，洗井时时间过长，浆细砂、粉砂引到滤水漏斗半径周围。2)oeN井、深井成井工艺：钻孔一>扩孔一>冲孔一>下管一>固井一>扩孔—》下筛管一>冲洗井->抽水。在成井工艺方面造成涌砂的主要原因有：①上部套管固井质量存在问题，达不到有效封闭上部含水层的目的；②筛管过滤密度过大，缠丝间距与含水层颗粒匹配不合理；③井斜或孔壁不圆滑和螺旋状孔段，在下管中途遇阻时，强扭强窜，将筛管过滤层窜破。(3)井管破裂导致涌砂1)管井在施工时，如果井管连接或者焊接不好会导致管井破裂。常见的破裂处是钢管焊接部位或螺纹连接处、变径位置、泵头位置和动水位上下位置。一般深井中，当焊接存在隐患时，在下管的过程中由于拉应力的逐渐增加或使用时的振动疲劳破环、井管下沉造成丌缝或断裂，同时在焊接时产生的应力容易引起应力腐蚀；2)管井管材劣质机械强度差，在井内受力后短期开裂：3)水泵存在密封隐患，长期使用由于密封问题产生的高速水流把井管击穿。20 第2章供水管片涌砂研究3．因管井运营管理不当导致涌砂(1)洗井方式的不当导致涌砂缺乏对井体结构及地下水水质特性的了解，冒然进行沈井会导致井体的破坏。例如用潜水泵进行超抽式洗井。这是最简易的沈井方式，在超抽的时候，抽走的往往是滤水管上端的水，这样抽水不均匀使得滤水管上端承受水的压力较大，上端的滤水孔较易被破坏。当上端的砾石圈在受压较大的情况下，会使部分较小的砾石进入井体，而在砾石圈中产生较大的孔穴，形成砾石拱桥，。当抽水停止后，拱桥处的滤水孔不受侧压，导致其他的滤水孔的承压更大，产生破裂而涌砂。这是井体进行超抽时，井体会突然崩溃的主要原因。使用吊简在井体中上下移动，造成水在滤水管水平方向的前进和后退，也是常用的井体淤塞清洗方法。但是这种方法有时也会因吊筒的上下移动使受侧压的滤水管被撞破造成涌砂。(2)超量抽水导致管井涌砂井的开采量过大，进水流速随之增大，以致超过了含水层颗粒稳定的最大允许流速，因而带动泥砂颗粒流向井壁，经过长时间的堆积，逐渐压缩堵塞，细粉砂亦会随流通过填砾层及滤孔，进入井内，造成涌砂。其本质原因是井内的压力平衡遭到破坏而致【1。7‘。(3)井管过滤器的腐蚀不当导致涌砂井管过滤器的腐蚀与结垢使过滤器间隙扩大会导致管井大量涌砂。腐蚀是金属物质与周围环境发生反应，是金属离开原来平衡的状态，进入周围的水溶液中。在供水管井的腐蚀现象中，常见的腐蚀为化学与电化学的腐蚀。化学与电化学腐蚀主要是氧化还原反应。水是一种强电解质，长期置于水中的金属，由于存在媒介的作用，容易产生电子转移，发生腐蚀，致使井管材料迅速被剥蚀，腐蚀的化合物一般是二氧化碳(C02)、氧气(02)、硫化氢(H2S)、盐酸(HCI)、氯(CI)、硫酸(H2S04)等。含氧地下水中，铁很容易被腐蚀，导致过滤器迅速被腐蚀，过滤孔隙变大。在井管和过滤器被腐蚀的同时，井管上也附着了红色的沉淀氧化铁，这就是富氧地下水中产生红色积垢的原因。在缺氧地下水中，由于硫酸盐的存在，铁被腐蚀，硫酸盐是地下水中常见的阴离子，在缺氧的环境中形成黑色的硫化铁是很平常的现象。21 第2章供水管井涌砂研究水中含溶解氧时会增加腐蚀的速度；进水速度增高时，腐蚀速度增加。在矿化度和PH值较低的水中，能使过滤器的金属逐渐被溶解腐蚀，致使井水的含砂量增高。综上所述，在实际生产实践中，导致管井涌砂是一个复杂的过程，上述内容主要从设计到投产运行的各个环节，针对管井可能导致涌砂的主要原因进行了分析。具体实际的情况会有所差异，很多时候造成管井涌砂并不只是某一方面的原因，而是多种因素综合引起的。2．5供水管井涌砂防治对策如前所述，造成供水管井的涌砂的可能的原因涉及到从管井设计到投入运行维护管理的整个过程，因此的管井涌砂的防治要把重点放在管井的设计、施工及运行管理上，尽可能减少或消除管井涌砂的可能性，对涌砂量大的管井，要通过经济技术比较，进一步论证对其进行技术修复改造或是报废，减少涌砂对供水系统的影响，保证供水安全。2．5．1管井涌砂预防措施研究资料指出【16】：管井出水含砂量的高低，显然是由管井设计，特别是滤管的选择、滤料规格的确定及管井施工质量所决定的。防治管井涌砂重在源头，防范在后。根据之前的研究成果，要确保管井成井的质量，预防管井涌砂，主要从以下几个方面加以控制：1．管井选址文献资料显示【19】，对于由微砂粒组成的含水层饱水后渗透性能力较差，极易产生液化，孔隙的连通性也相对微弱，建造在这种岩层的管井发生涌砂的几率比建造含水层为砂卵石、中粗砂及中细砂等岩层管井要高。在水源井设计时，依据水文地质报告，尽量避开有细粉砂的含水层，并控制含水层水流入管井的速度。2．井管与滤水管金属井管存在的质量问题和滤水管设计的合理性，将直接影响着水井的质量和使用寿命。在一般水井工程中，优先推荐使用PVC．U塑料井管和贴砾滤水管；在400m以上深井或地热井工程中推荐使用SHS涂层钢管。SHS是前苏联科学家Merzhanov于1976年提出并经过近20年发展起来的合成材料SHS(Self-p22 第2章供水管井涌砂研究ropagatingHighTemperautreSynthesis)，这种材料涂在普通钢管表面上，可以增加井管的耐腐蚀性和耐高温性，并且能起到很好的隔热性能。上述两种井管都能避免因腐蚀带来的堵塞和穿透井管的问题，从而提高了水井的使用寿命。对于滤水管，优先使用贴砾滤水管，理由如下：(1)可解决水井和地热井的涌砂问题，从而保证了成井质量和减少对设备的磨损；(2)与笼状管相比，大大降低了制造成本，提高了使用的安全性；(3)与普通缠丝管相比，减少了扩孔、投砾和冲孔换浆3个工序，从而达到减少工序提高效率的目的；(4)由于不投砾料，使贴砾管与井壁有一定的l’日J隙，在洗井工序中可使泥皮和井内沉渣快速洗出地表，减少了洗井时间；(5)即使是金属花管发生了局部腐蚀，但由于贴砾层具有一定的抗压、抗剪和抗拉强度，而不会发生出砾料和涌砂现象；(6)可避免投砾时发生“架桥”现象和因孔斜出现的填砾厚薄不均而引起的涌砂和出浑水问题。许多人认为井径越大出水量越大，为了防止细颗粒地层的涌砂问题和增加单井出水量，在实际水井结构设计时单纯地增加井径与填砾厚度。然而，文献【18·21】研究结果表明，孔径与出水量不是成正比直线关系，单纯增加井径对增加出水量的影响不大。适当控制滤水管的直径，就等于增加了钻孔直径，亦即增大了填砾厚度，这对增加用水量和控制涌砂十分有利。过滤器外径可以按照式(2．2)计算：D=Q·a／L。(2．2)式中：D一过滤器的外径，m；Q一井的设计出水量，1113／h；L一过滤器工作部分长度，m；a一经验系数(查表)。确保过滤器的有效过水面积大于最小过水面积。过滤器有效过水面积可按式(2．3)计算：只=m刀DL(．3),2式中：m一过滤管过水面积缩减系数，一般去取0．3—0．4；23 第2章供水管井涌砂研究D一过滤器的外径，m；k一过滤器工作部分长度，m。最小过水面积式(2．4)计算：Fmi。；am。，／v,(2．4)式中：Fmi。一最小过水面积，m2；Qm。]广井的最大出水量，m3／d：v一滤管允许流水速度，m／d。3．合理填砾填砾过滤器的优点较多，特别适用于中、细、粉砂层中的管井。管井过滤器外面填砾层的目的是为了增加过滤器的附近滤水层的颗粒尺度与渗透性，不仅能增大井的出水量而且能降低井出水的含砂量延长井的寿命。其优点如下：(1)增加井的出水量，在粉、细砂地区，管井增加的单位下降出水量非常显著；(2)减少井的出水含砂量；(3)因缠丝间隙的增加，丝外的滤水层孔隙加大，可以减少过滤器处的进水流速，特别对于水质不良，管外易结垢的地区，能减缓过滤器结垢的速度，延长井的使用寿命。我国津沽地区的生产实践表明【15】，使用管井填砾取得良好的效果。在管井生产实践中，合理地选择填砾的填砾规格、厚度颗粒形状成分等对保证管井的出水量延长管井的寿命起着重要的作用。在总结前人研究成果的基础上，对管井的填砾提出如下的一般性参考意见：(1)在中、细、粉砂含水层中建造管井应采用填砾过滤器，该型过滤器在粉砂含土等难于取水的含水层中有良好的作用，在粗砂含水层中填砾过滤也有一定的优越性；(2)填砾的规格根据填砾D50与砂层d50的比值决定，其比值应为6左右，如此能使井的出水量最大，出水含砂量最低；(3)填砾层的厚度一般为100毫米，为增加井的出水量可适当加厚填砾层的厚度。在粉、细砂层中最经济的填砾厚度是250毫米左右，在中砂层中为200毫米左右：(4)填砾的加工必须严格，大于和小于规定尺度的颗粒不能超过5％：(5)填砾的形状以圆形或卵圆形为宜，不应采用棱角多的颗粒，严谨使用24 第2章供水管井涌砂研究破碎石块作为填砾；(6)填砾的成分以圆形的石英质砂为好，适用于各类砂层，特别是水质良好的含水层。但是在中、粗砂层中，石英砂的直径往往不够大，所在水质较好的该类砂层中，可采用卵圆形的石灰岩砾石作填砾，一般石狄岩砾石不宜做酸处理，如必须做酸处理时，可考虑使用塑料制填砾；(7)在1500米以上的深井或100℃以上地热井中的填砾施工工艺可参照部分国外经验，做实验研究；(8)设计管井时，填砾规格、厚度和缠丝间隙可参照表2．1。表2．1管井填砾规格表含水层均匀填砾填砾厚度过滤器缠丝J’HJ版均匀填砾规筛分结果分类规格(mm)(mm)隙(mm)格(衄)卵石颗粒>3ram，占80％一90％15-2075—1002-312-25砾石颗粒>2．5mm，占80％～90％10-1275-1002-38～20砾石颗粒>1．25ram，占80％一90％6-875-1002_35-12砾石颗粒>lmm，占80％一90％5-675-1002以4-10粗砂颗粒>0．75mm，占60％4-51001．5-23～8粗砂颗粒>o．6mm，占60％341001．5-22．5—6粗砂颗粒>O．5mm，占60％2．5_31001．52．0～5中砂颗粒>O．4mm．占50％2．0-2．5100～2001．01．5—4中砂颗粒>0．3mm，占50％1．5-2．0100—2001．01-3巾砂颗粒>0．25mm，占50％1．0-1．5100—2001．O1-3细砂颗粒>0．2mm，占50％1．0-1．5100～2001．00．75-2细砂颗粒>0．15mm，占50％0．75-1．0100-200O．750．5-1．5粉砂颗粒>0．06mm，占50％0．5-0．75100-2000．750．5～1．O4．精心施工施工是确保成井质量的最关键环节，在总结生产实践经验的基础上，提出以下在施工过程中要注意细节：(1)成井首先要保证钻孔垂直度。井孔弯曲导致井管倾斜而影响深井泵轴的运转，弯曲严重时会造成下井管、下筛管和下泵体困难。强扭强窜会是井管、筛管、泵体受力不均匀而变形或损坏，固井孔垂直度要求在许可范围内，一般要求井孔垂直度每100米顶角不超过1．5Q。 第2章供水管井涌砂研究(2)下管前要进行探孔，消除弯曲、缩径、探头石及螺旋孔段，按照要求安置扶正器，使井管居孔中心，且保证井管顺利下入。(3)下管前对下入井内的井管、筛管、缠丝等严格检查，根据含水层位置配好井管，精确测量，按下管顺序排列、编号、做好记录。滤水管与含水层是否重合取决于用水量和滤水管长度，滤水管位置要尽量避丌粉砂层。(4)填砾之前应将砾料筛选、清洗，依照井径及填砾高度计算所需砾料的理论数量，一般附加1．1—1．3超径系数，且每lOOm要多填8m左右砾料，以保证密实下沉。填砾时要控制投砾速度，随时观察返水情况，发现返水终止，用活塞振荡下沉后方可再投。填入砾料数量可用式(2．5)计算：V=0．785(D2一d2)￡·K(2．5)式中：V～填砾数量，m3；D一井径，m；d一过滤器外径，m；b一填砾高度，m；K—超径系数，一般取1．1—1．3。(5)深井、中深井严格要求水泥封闭上部含水层段，故此，上部井段固井质量要保证，固井要用止水器，将井管与孔壁问环状间隙全部封闭。强调用水泥浆泵一次性联系注浆封好。(6)新井验收时，除了遵照国家颁布的规范中规定的质量标准外，还应该有一卷井体摄影记录，以供后来比较借鉴，供管井诊断之用。5．合理使用维护管井的R常运行维护管理对管井的寿命关系极大，如果使用维护不当，将使井的出水量减少，水质变坏，过滤器堵塞，管井涌砂等最后导致管井报废。做好管井的运行维护要做到如下几点：．(1)制定合理的R常维护制度根据国际水井协会(NationalWaterWellAssociation)建议，对于一个井体的维护，最好采用管井维护档案管理。通过管井维护管理档案可以充分掌握管井的基本资料、使用状况及问题。使用期间应仔细记录出水量、水位、温度、含砂量、水质的变坏情况，绘制各项的长期变化曲线。使用期间如出现水量突然减少、大量涌砂或水质恶化等现象，应即停止生产，进行详细的检查修理，并将检查修理状况详细记录在管井维护档案中。如26 第2章供水管片涌砂研究更换过滤器、封闭含水层、更换抽水设备、过滤器酸处理、洗井等措施处理时皆应将过程、方法、效果等做详细记录。管井在使用一定的时间后，过滤器因腐蚀、堵塞、滤层的变化等会影响井的产水量和水质要做定期的管井清洗。每年检查深井一次，如发现井底淤砂，应对淤砂进行合理清理。季节性供水井，因长期停置不用，容易产生出水量减少现象，应不定期抽水，如每两个星期抽水1～2天。在地下水矿化度较高、含铁过高时，除定期抽水外，应向井内加入少量盐酸，以减缓过滤器的堵塞。在强侵蚀性水中的井管，过滤器及抽水设备常因腐蚀而迅速损坏。可以采用阴极保护法对过滤器和水泵进行保护。(2)正确选用抽水设备管井抽水设备的选用，将直接关系到井的出水量、含砂量、过滤出去的允许进水流速，甚至影响到井和抽水设备的寿命。抽水设备的选用要满足下列要求：1)抽水设备的出水量，必须保证过滤器的进水流速不超过规定的设计流速。2)井的出水含砂量必须经常保持在1／2000000以下，如超过该标准应即减少抽水设备的出水量，使出水含砂量降低。如含砂量不能降至标准以下，则将会缩短井和抽水设备的使用寿命。一般出水含砂量超1／1000000，应考虑不用深井泵，用其他抽水设备代替，或停止生产进行修井。(3)确保合理的管井允许出水量每一个管井在井结构确定的情况下，有一个最大的允许出水量。避免超量抽水是保证管井良好运行，延长寿命的关键。研究资料显示1231，在供水管井的使用中，普遍存在着超量抽水的现象。合理的管井允许出水量必须满足两个流速参数：地下水从含水层进入井壁的进水流速(vj)和流经滤管进水面层的过滤管进水流速(V。)，亦即井壁进水流速和过滤管进水流速对管井在运行管理中是否涌砂和涌砂程度的大小是一个重要的参数指标119J。超量抽水直接导致井壁进水流速、过滤器进水流速超过允许流速值。当井壁进水流速超过允许值后，轻者便导致含水层中细微颗粒涌入管井内，产生管涌性涌砂，重者可将含水层中的细微颗粒连续的运移形成永久流动性涌砂。管井调查表明，在一些管井运行中，管井出水含砂量很高，当管井出水量减少后即得到明显的好转【221。1)允许过滤管进水流速(V。)根据国标《供水管井技术规范》(GB50296---99)修组的调查和复核计算，我27 第2章供水管井涌砂研究国大多数生产井的过滤管进水流速都未超过O．03m／s。因此出自减缓过滤管的堵塞对过滤管进水流速的要求，规定允许过滤管井水流速不得大于0．03m／s，即要求Vg<0．03m／s。2)允许井壁进水速度允许井壁进水流速的计算有多种计算公式，国标修订组从我国生产实践出发，并通过202余例生产井调查和核算，认为吉哈尔特公式√K／15(m／s)作为允许井壁进水流速，符合我国管井的实际情况，同时也是与我国允许井水含砂量的现状和新制定的井水含砂量标准相匹配的。井壁进水能力是管井抽水时地下水通过井身开采段的最大允许进水量，由式(2．6)计算：Qf=石‘B。M‘屹(2．6)式中：Qi一出水量，m3／sDr开采段的井径，m；M一含水层厚度，m；V．_井壁进水流速，m／s。过滤管进水能力是管井抽水时地下水流通过过滤器外层进水面时的最大允许进水量，由式(2．7)计算：g----．石。n’4’L。K(2．7)式中：Q『_出水量，m3／s；I卜过滤器有效孔隙率，当地下水有侵蚀性及容易结垢时，考虑到砂砾堵塞过滤器缝隙，宜按50％计算；D广过滤器外径，垫筋缠丝过滤器应考虑其实际外径，m；L广一过滤器有效进水长度，考虑死头等因素宜按过滤管长度的85％计算，m；V广管井过滤器进水流速，m／s。管井设计出水量是指保证管井投产后良好运行和正常使用寿命的出水量。它包含了技术经济的合理性，不同于单纯的水文地质的管井出水量。合理的管井允许出水量必然要求管井内井壁进水流速和过滤管进水流速小于允许值。据此，综合上述，合理的管井出水量Q其实就是比较过滤管出水能力与井壁出水能力取其较小值，计算公式如下：Q=min(Q．f,幺)(2．8)28 第2章供水管片涌砂研究6．进行供水系统自动化与信息化建设随着科学技术的高速发展，自动化与信息化技术在供水管网系统的应用越来越广泛。自动化与信息化建设是城市供水系统技术进步的重要组成部分，实现供水系统的自动化与信息化，有利于提高水质、保障供水、优质服务和提高效率。建立给水信息化工程是城市信息化建设的基础性工作之一，是现代城市建设中非常重要的一环。建立在3C+S(Computer、Communication、Control、Sensor)技术基础上的管网动态仿真、实时监测、优化调度及智能决策等J下在逐步得到应用。SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)系统在国内的一些水司得到成功的应用，如佛山水司、银川水司等，把供水系统的信息化推向一个新的平台。但是与发达国家相比还有较大的差距，要与世界先进水平接轨，在技术的推广和深入应用方面还有很多的工作要做。建立供水系统信息化可以及时掌握管网运行现状情况，建立完整的供水系统信息档案。通过建立输配水管网GIS系统、SCADA在线监测系统、水质模型软件，以图形化信息数据为基础，建立必要的水质数据库，实现对供水系统水质的实时监测，提供在线的中短期水质预报，动态模拟管网水质I矧。供水系统的在线监测系统可以全面掌握供水系统实时水质工况，提高同常运行管理效率，是突发事件应对的保障。通过在供水管井的出水管上安装相关的水质监测设备可以及时了解管井出水出砂及相应水质变化状况，及时做出科学处理，保障供水安全。2．5．2管井涌砂治理措施治理管井涌砂问题，首先要对管井涌砂问题进行界定。由前面的论述可以知道，目前我国对管井在运营中管井出水含砂量缺乏统一的标准。文献115J指出投产运行后管井的出水含砂量必须经常保持在1／2000000(体积比)以下，换算成浓度为13．5m∥L。美国环保署与国际水井协会规定：饮用水、工业冷却用水与灌溉用水，其所含悬浮性颗粒浓度分别不能超过5mg／L、10mg／L及15mg／L。Driscoll也指出水中的悬浮性颗粒浓度低于8mg／L的出水才是没有出砂的地下水。通过比较发现，两者指标相差不大。综合我国国情，借鉴发达国家的标准，建议在管井的运行管理中，当井水出水含砂量超过1／2000000(体积比)时【15】，就应当做相应的检查，采取相应的措施进行处理，做到防忠于未然。1．减少抽水量 第2章供水管Jr涌砂研究众所周知，管井抽水流量对井水含砂量有直接的影响，就同一个井而言，管井抽水量越大，管井出水含砂量也越高，反之，抽水流量减少，井水含砂量即降低116】。所以对于出砂不太严重的管井，首先尝试减少抽水量，检测出水含砂量是否恢复到正常标准。如果该方法无效，再考虑采取进一步的工程治理措施。2．工程治理方法涌砂管井治理关键在于判断其涌砂成因和涌砂的位置，可通过短期(6,---24h1的抽水观察和利用井下电视检测来确定，并采用排除法逐一检查。首先利用井下电视直观确定是否因为井管破裂而引起涌砂，检测重点位置是静水位至动水位区间井管的连接处、下泵位置、动水位上下处、变径位置、井管所有连接f焊接)处。若没有发现问题，则可考虑是砾料下沉、井内压力平衡破坏、成井工艺等因素。工作步骤如下【17】：(1)了解、掌握原始资料和当时的成井情况，收集的资料有钻井柱状图、井管材料、砾料直径、滤水管类型、地层情况；(2)测量静、动水位和井内沉渣深度；(3)了解泵量、下泵位置及使用过程中的异常情况；(4)了解止水位置及最上层滤水管位置。了解上述情况后，抽水观察出砂(浑水)的时间，另外计算排出静水位至动水位水体积所需时间和各段砂层中的砂砾上升到井口所需时间。一般情况下，泵起动在l"-5min内就出砂(浑水)时，出砂位置在下泵位置附近：5"---"30min后出砂时，出砂位置在中、深部。必要时可采用分段抽水方法来详细确定出砂位置。出砂位置确定后，结合原水井结构，按表2．2方案进行合理选择。一般实管破裂可用小一级或二级的实管进行修补。对于滤水管位置出砂，则可选择贴砾滤水管或包网(80目)滤水管进行修补。具体方案应根据水井的实际情况，考虑成本、井斜、错位、安全、管径等选择最佳方案。另外，在下补管前还应进行探井，探井装置的外径应比补井管材的最大外径大lO,-一,20mm，长度4"--10m。补管的结构设计原则是安全、可靠、顺畅。其主要组成部分有管体、马蹄口(喇叭口)、变径和止水盘。管体可选择钢管、贴砾滤水管或PVC．U塑料管；马蹄口和喇叭口是保证下管和起下泵顺畅；变径位于补管最上部，主要用于提挂和安装止水盘(长度0．5"--"1．Om)，有时用于变径处；止水盘由环型钢板、螺孔、橡胶组成，密封钢板环中间的橡胶多于5层，必要时可在补管区间增加止水盘数量。 第2章供水管J{：涌砂研究表2．2涌砂治理技术方案出砂位置治理方法特点井口下部附近井口悬挂法难度小，安全可靠变径下部附近变径悬挂法井斜时难度大，安仝可靠变释上部附近变径坐底法难度小，安仝可靠井底上部附近井底坐底法井斜时难度大，安全可靠井内任何位置局部处理法成本低，技术含最高井底井管错位井内投砾法简易，成本低，效率高实管任何位置高爪灌浆法刁i改变井结构3．安装沉砂管当井水的含砂量较高而又不得不使用时，可以采用在出水管上装沉砂管的方法，处理管井出水中含砂量较高的问题。2．6小结本章从管井设计到运营维护整个过程，对供水管井涌砂的原因进行了较全面的剖析，针对各种可能潜在的原因提出了预防管井涌砂的防范措施，最后给出了针对管井涌砂的治理的操作流程与治理措施。31 第3章泥砂4：管网中运动的数学模型研究第3章泥砂在供水管网中运动的数学模型研究目前国内外学者对于水流泥砂两相流的研究主要集中在两个方面，一是河流海岸的泥砂的运动，二是管道输砂方面的研究【41胡J。国内学者对长距离的原水输水管道的泥砂沉积进行了观察数据统训45，4酬，并利用沉淀理论对沉砂量进行了估算，关于供水管网泥砂的运动状况研究鲜有所闻。借鉴国内外关于泥砂的研究成果及供水管网水质模型的基本理论，研究泥砂在供水管网水流中的运动状况，建立泥砂在供水管道中运动的数学模型，进而利用计算机技术对泥砂的运动状况进行模拟，分析供水管井涌砂对供水管网造成的影响。3．1泥砂在水流中运动的特征3．1．1水力学特性与运动状态1．泥砂的水力特性在河流泥砂的研究中，通常把组成河床和随水流动的小颗粒矿物质叫做泥砂。广义的涵义也包括砾石和卵石等。下面介绍泥砂的几个重要的水力学特性：粒径、粒配曲线、密实重率、干容重、水力粗度(沉速)。(1)粒径粒径是表示泥砂大小的一个量度，常常使用等容粒径来表达泥砂颗粒的大小。所谓等容粒径就是容积与泥砂颗粒相等的球体的直径。如某粒泥砂的容积为V，则这颗你泥砂的等容粒径d应为：RI／三d=(二)3(3．1)石泥砂的等容粒径通常简称粒径，工程中常用的单位为毫米(mm)。在实际工作中如果按上述方程去求粒径，显然很麻烦，国际上通用的方法常常是用筛析法，比重法等去确定泥砂的粒径。(2)粒配曲线在一个砂样中所包含的泥砂颗粒粒径常常不相等，研究中使用粒配曲线表达。这种粒配曲线常常画在半对数坐标纸上，横坐标示表达泥砂颗粒的粒径，纵坐标表示在所考虑的砂样中粒径小于横坐标上相应某一粒径的砂粒在总砂样中所占的重量百分比。常用的有两个：一个是中值粒径d50，中值粒径是在粒配32 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究曲线上与纵坐标50％相应的粒径。另一个是平均粒径dpj，把一个砂样按颗粒粒径分成若干组，定出每组的上、下极限粒径dmax和dnIin以及这一组泥砂在整个砂样品中所占的重量百分比Pi，然后求出各组砂的平均粒径为：噍；(毕)(3．2)或者1一di；=．It(d。。+d。抽+√d。如d。。)(3．3)则砂样的平均粒径为：y刷；如2哥妈4’粒径是泥砂的一个重要特性，该特性不仅直接代表了泥砂颗粒的粗细程度，而且与泥砂的其他特性紧密相关。(3)密实重率泥砂的密实重率(也简称重率)％是泥砂各个颗粒实有的重量与泥砂各个颗粒实有的体积的比值。泥砂的重率一般范围都在2600kg／m3。在讨论一般问题时，常取=2650kg／m3。泥砂颗粒在水流中运动的时候，运动状态往往和泥砂的重率％和水的重率丫的相对数量有关，常采用重率系数a来代表这个相对数量，并令1，一"，a；生—上(3．5)，，若以p。及p分别代表泥砂的密实密度(简称密度)和水的密度，则口；＆二旦(3．6)pa为无因次值，在讨论一般问题时，常取a=1．65。(4)干容重干容重Y’是砂样烘干后(100℃一105℃)的重量和原状砂样的整个体积(包括泥砂颗粒实体和空隙)的比值。7’的变化比较大从300kg／m3到1700kg／m3不等。(5)水力粗度(泥砂沉速)因泥砂的重率大于水的重率，在水中的泥砂颗粒，将受到重力作用而下沉。在开始自然下沉的一瞬间，初始速度为零，抗拒下沉的阻力也为零，这时只有有效重力起作用，泥砂颗粒的下沉具有加速度。随着下沉速度的增大，抗拒下沉的阻力也将增大，终于会使下沉速度达到某一极限值。这个时候泥砂的所受到的重力和阻力恰恰相等，泥砂将以等速的方式继续下沉。泥砂颗粒在静止的清水中下沉的时候所具有的上述极限速度，叫做泥砂的水力粗度∞(也叫做泥砂33 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究的沉速)。2．泥砂的悬移与推移运动这里的论述的泥砂在水流中的运动状况主要是指河流泥砂研究领域中概念。管道中的泥砂运动实际上就是这种研究中的一种特例情况。河床上的泥砂既有可动性，也具有对运动的抗拒性。因此，在一种水流状念下，泥砂会保持静止状态；在另一种水流条件下，泥砂会随水流运动。泥砂在水流中的运动状态，可以区别为两大类型：推移质和悬移质。泥砂一颗一颗的沿河床滚动，滚一阵，停一阵，呈间歇行。运动着的泥砂与静止的泥砂，经常彼此置换。前进的速度，远较水流速度为小，有时也跳跃前进，这种在水流中滚动着(包括层移)或跳跃fj{『进的颗粒统称推移质。另外一种就是泥砂在水流中浮游前进，顺水流前进的速度与水流速度基本相同，这种随流前进的颗粒统称悬移质。3．1．2泥砂在供水管道的临界不淤流速泥砂进入到输配水管道后，随着水力条件的改变有可能出现泥砂沉降淤积的现象。在砂水两相流中，常用临界不淤流速来描述这种淤积的临界条件。临界不淤流速是指管道内恰好无沉积的悬浮工作状态时的流速，也称第一临界流速【41，46,471。当管道中的流速大于临界不淤流速时，泥砂以悬移质输移扩散：当管道中流速小于临界不淤流速时，泥砂出现沉降淤积。各国的研究者对临界流速提出了各自的计算公式和方法【41’43,46,471，本研究采用至今仍被广泛使用于两相流的著名的克诺罗兹临界流速公式【州81，即(1)当五sO．07mm时雎。一0．2(1+3．43x[ChoJ5)卢(3．7)(2)当0．07mm1．5mm时 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究驴1．9(0．35+2．15癍)J去卢1(3．⋯式中：u广为临界流速，m／s；C一重量稠度，C=S。x100，S。为重量比含砂量；h_临界水深，m。这里按输水管径计算；d一泥砂的平均粒径，mm；D、B1一为矿粒比重的影响系数。p和p1是针对旦>2．7的情况而言的，Y丝一1卢。苦pl=其中丫。为泥砂密度，Y为水密度。(3．12)(3．13)3．1．3管道泥砂的沉速水体中如果同时存在许多泥砂颗粒(即有一定的含砂浓度S)，在对任何一颗泥砂来说，其他颗粒泥砂的存在将对它的沉降产生影响。本文的研究的管网中的泥砂就是这样的种状况。国内外的学者对此做了相关的研究并取得一定的成果【49规】。可以分为四种情况来考虑：非粘性粗颗粒泥砂的群体沉速、粘性颗粒泥砂的群体沉速、粗颗粒泥砂在年颗粒浆液中的沉速、非均匀颗粒混合砂的群体沉速。本文的研究主要涉及到非粘性均匀颗粒泥砂的情况，这里只对非粘性均匀颗粒泥砂的群体沉速做简要介绍1531。(1)低含砂量的情况Cunningham、Uchida、蔡树棠等学者对低含砂量下颗粒的沉降规律进行了研究1531，得到了形式大致相同的沉速公式为堕：1+七堡；1+1．24kSy2(3．14)tO"S式中：∞旷_单颗粒泥砂在无限大的清水水体中的沉速；35 第3章泥砂4：管网中运动的数学模型研究酚一浑水中的沉速；1【．为常数，数值在O．7至2．2之间；S一体积含砂量。(2)高含砂量的情况Richardson和Zaki(1954)提出了如下表达式：旦；(1一S，)朋(3．1。5一)——=Il一．，厂Lj．J990式中：m—经验指数，须通过试验来确定。Richardson和Zaki提出m值在2．39—4．65之间。试验表明，m值随颗粒雷诺数的增大而减小，即在含砂量不变的情况下，颗粒间的水动力因子影响随着颗粒周围的流场由层流过渡到紊流而逐渐减弱。也可以理解为在体积含砂量不变的情况下，颗粒粒径越大，颗粒个数就越少，距离就越大，互相影响也越小。Ill值较大的试验结果一般是用细颗粒取得的，细颗粒引起流体粘性的增大可是得到较大的m值的原因之一。对于沉速在Stokes范围内的细颗粒，万兆惠(1975)推导得到旦；坠(1一S。2(3．16)一=—‘Il一～’一_nJ刃O"／3式中：1)r清水运动粘滞系数；卜浑水运动粘滞系数。若采用费祥俊的粘滞系数公式，则有旦。(1一S，)2(1一导)2(3．17)口0J”式中：Sv。n-体积比极限含砂量。3．1．3有压输水管道泥砂淤积量有压管道中的细颗粒、低含砂量的泥砂淤积问题是生产中出现的新问题，其形念及沉降过程与沉淀池的沉降有一定的相似146-50,541，由于管道的流速不高且含砂量低，本研究采用沉淀池淤积的一般公式进行淤积量的计算№5引。这里假设泥砂均匀分布在整个管道断面上。截取一小段长为L的管段来分析： 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究／———＼、詹／{≤冀鞘／．一。’一n，Z日、．、∥j；：=。矽芝麴≮三．|；：矗≯!；l。’ll一翌：山!I_址_⋯1‘AA?F匠=_——]lfwSS·一一L一———-—-—-—-—-—-————图3．1管道断面图图3．2截取的分析片段如图3．2，断面A的泥砂的含砂量为S，运动了长度L后到A，断面，含砂量为变为S’。根据浅池沉淀理论，距离管底h以下的断面(如图3．1阴影面积部分)的泥砂沉降到了管底并淤积。假设图3．1中阴影部分的面积为S1，令泥砂淤积率为k，则有鱼：旦(3．18)一=一～．】．_n，wUsin口。旦(3．19)k=旦；—20+s—in20兀R2兀(3．20)S’=(1-k)s(3．21)式中：城砂沉降高度，m；、卜浑水泥砂沉速，m／s；u-管道平均流速，m／s；lk为管道半径，m；S、S’一断面含砂量，mg／L。考虑泥砂浓度对沉速的影响，并且供水管网中水的含砂量比较低，式中的泥砂的浑水沉速W采用式(3．16)计算。式(3．16)中的清水泥砂沉速则采用张瑞瑾公式(3．22)计算：37 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究％2卜95d)2+1．09∥(孚)-13．95詈(3．22)式中：w旷单颗天然砂在在清水中沉速，m／s：1卜清水动力粘滞系数，Pa·s；(1_泥砂颗粒粒径，m；7广泥砂密度，mg／L；g_地球重力加速度，m／s2。3．2泥砂在管道中运动的一维数学模型的建立城市供水系统的管网的管径远小于管长，故供水管网的水砂运动可以简化为一维流动【5矾。管网中直供井的出砂一般是砂溶解于水中，经水泵提升后进入城市供水管网的，可以认为泥砂在管网中的运动是悬移质泥砂输移扩散。模型的建立基于以下的假设：(1)泥砂颗粒粒径较均匀；(2)泥砂垂向分布均匀；(3)泥砂沉降后，淤积与管道底部，不再返回主体水中；根据扩散理论，悬移质在垂线分布的均匀程度决定于参数Z1571，Z。』L(3．23)KU．当ZUc)(L<2RU／w)(3．25)式中：S旷一泥砂浓度，mg／L；U．一水流流速，m／s；其他符号含义同前。临界流速llc的计算采用克诺罗兹临界流速公式，即式(3．7)．式(3．13)。值得注意的是L的取值不能太大，也不能太小，太大精度降低，太小在求解时难收敛。该参数可以作为模型率定时的调整参数。3．2．2节点方程假定流体流人节点，混合是完全的、瞬间完成的，即不考虑混合时间等因素，那么对于管网中的某一节点有：管段流人量+水源流人量=管段流出量+节点流出量从而得到节点混合方程：∑螭h+Q墨吼-0-坠盯妈26’式中：siIx：r管段i起始点的含砂量，mg／L；SjI。：u一管段j结束点的含砂量，mg／L；X-一管段的长度，m；J一流人节点k的管段组； 第3章泥砂在管明中运动的数学模型研究I一流出节点k的管段组；S湖入节点k的外部水源含砂量，rag／L,Q广进人节点k的外部水源流量，Us：Ql一流出节点k的节点流量，珧；Qi-管段i的管段流量，Us。3．3砂水数学模型的求解3．3．1水质模型求解方法根据所采用的坐标系统的不同，供水管网的水质模型求解方法可分为欧拉法和拉格朗日法160I。文献【6l】对常见的供水管网水质模型进行了比较分析。欧拉法是以水在管网中流动的运动空间为对象，将坐标固定。研究不同时刻管网的水质分布。即基于给水管网的整个空间拓扑结构，把管道系统分成一系列固定的，相互联系的控制单元体，当水流流过它们时，记录其在边界上或单元体体积内的变化，研究的是管网中的浓度场。它的优点在于能够迅速达到场的稳定状态，缺点在于当管网的规模较大时划分的单元体较多会费时。欧拉法包括有限差分法(Finite．DifferenceMethod，FDM)和离散体积法(DiscreteVolumeMethod，DVM)。拉格朗R法是以流动的水流片段作为参考坐标系，跟踪每个水质片段在管网系统流动过程中其水质随时阳J的变化规律。在分析时I’日J内将管网水划分成水流柱，前后两段水流柱不发生混合，它们之间存在分界面。通过对小块水流柱的跟踪，了解水流中物质在不同的水力情况下的运动规律，进而求解出水质方程。它的优点在于得到的分析结果比较多，算法实现比较容易，特别是在分析节点水龄时较为简单直接。缺点在于对于流速偏低的管段计算比较费时，系统计算需要经过一段时间才能达到稳定的状态。拉格朗日法包括事件驱动法(Event．DrivenMethod，EDM)和时间驱动法(Time．DrivenMethod，TDM)。水质在管网中的实际的时空变化情况都是连续的，但实际在管网水质模型求解的过程中，无论是欧拉法还是拉格朗日法，都必须将水质连续变化的进行空间和时间离散，采用数值的方法进行求解，如欧拉法的FDM和DVM。各种不同解法只是离散的原理和技术有所差别。下面对目前常用的管网水质模型求解方法进行介绍。 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究3．3．1．1求解水质模型的FDM法FDM使用有限差分的形式在时间和空间上对水质模型进行求解。FDM先是被应用与求解河流水质模型【621。90年代Chaudhry和Islam将该方法应用与求解管网的水质模型【63】。它把溶解物质的一维推移方程转化为有限差分形式，体积元素在某时刻的浓度可以用它上游相邻体积元素在前一时刻的浓度并考虑反应来计算，得到一组以该时刻体积元素浓度为未知数的代数方程，结合初始条件和边界条件求解，其结果用于下一时刻的计算。FDM的准确度取决于水质时间步长，并且容易发散。3．3．1．2求解水质模型的DVM法DVM是基于物质与管道之间的质量守恒关系，这种关系考虑了平流传输和反应动力学。DVM最早应用于模拟明渠流中的水质变化畔】。Graymanl和Rossman将该方法应用于给水管网水质模型求解【651。DVM把给水管网看作是由有限的一些链接组成，这些链接是有向的、一维的，并且是由节点连接在一起的，该方法将每根管道分割成一系列大小相等，完全混合的体积片段，并且分配了初始水质浓度。在每个连续的水质时间步长末端，所有水流片段内的浓度将被更新，随后被转移到相邻的下游水流片段中。当相邻片段是一个节点时，水流和水中物质同其他汇入管道一起进入该节点。当该水质步长时间内所有管道中的反应结束后，计算每个节点混合后的浓度并赋予给离开节点水流的第一个片段。水中物质在每个水质时间步长内沿着管网的传播可以归结为4个过程：(1)动力学反应过程，每个体积元素内的质量经历着一个动力学浓度变化；(2)节点混合过程，物和体积在节点处混合在一起；(3)平流输移过程，物质在相邻体积元素内移动；(4)分配过程，节点浓度被连接到左右出流链接第一端体积元素。如图3．3所示。不断重复这些过程直到下一个水力工况发生，管网中的水流片段将重新分配，水中物质将由上一时间步长的片段重新分配到新的水流片段中继续计算。对某一个特定水质时间步长，将管道内水流动时间除以水质时间步长，并对计算结果取整，所得到的就等于管道中水流片段的数目。41 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究初始状态反应之后水流进入节点●水流i甘线传输——<，■■■■■■●／)——水流流出节点图3．3离散体积法水流片段运动图DVM方法的精确度取决于水质步长的大小。由于相邻水流片段永远不会发生混合，所以每个水力时间步长内该方法不会出现运算数值发散的状况。在下一个水力步长开始时，所有管道需要重新排列水流片段，此时部分管道会因为流速增大而导致水流片段数减少的情况发生，这时管道内会发生部分程度的混合。在某一个时间步长内，如果水流在管道内的流动时间与水质时间步长的比值为非整数，则水流片段数等于结果的取整值，这时就会出现水流体积小于管道体积的情况，容易出现状态变化错误。3．3．1．3求解水质模型的TDM法拉格朗日方法(1agrangianapproach)是以流场中每一流体质点作为描述对象的方法，它以流体个别质点随时间的运动为基础，通过综合足够多的质点(即质点系)运动求得整个流场的变化。TDM方法最早应用于明渠流管网中的水质模拟，随后LionandKroon和Rossman将该方法应用子给水管网中【6l，矧。该方法追踪管网中每个管道中所有水流片段的浓度变化。由于水质步长很明显短于水力步长，使得水流能在管道内发生反应。随着时间的推进，当水进入管道时大多数上游水流片段的体积将42 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究变大，而当水离开管道时下游水流片段的体积将变小。在它们之间的片段体积将不变，如见图3．4所示。初始时管网的每根管道仅由一个水流片段组成，片段水质等于上游节点的水质。在每一个水质时间步长的结尾时发生下列步骤：(1)每一水流片段的水质更新将被更新，以反映在这一个时间步长内发生的任何反应：(2)来自于管道的首个水流片段的水进入节点，在节点混合后产生新的水质值。每片段贡献的水流体积等于管道流量和时间步长的乘机。如果该体积大于原先片段的体积则该片段全部进入节点，后面的片段成为该管道首个片段，并继续来贡献这个体积，如果这个片段内的体积仍不能贡献水流体积，再由后面水流来贡献水流体积，直至水流体积完全进入节点；(3)管道节点处，外部流入的水流也将影响水质。调蓄水池的水质更新取决于水池的混合模型：。．(4)水流从节点，水池，水库流出后在管道中产生新的水流片段。每片段的体积等于管道流量和时间步长的乘积。该片段的水质等于该节点的最新水质计算值。如果水质差异低于允许极限值，则在该时K步长后流出管道末端片。，段的水流体积将随着流入量的体积而不断增大。在下一个水质时间步长内重复该程序，直至该水力时间步长结束。在下一个水力步长的开始若任何管道水流方向发生改变，则管道中的所有片段的顺序将颠倒。TDM方法不会出现任何数<值发散的现象。方法的精确度取决于时间步长大小和用于限制新水流片段产生的许极浓度限值。43 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究时刻to二[]j二臣工丑卫二、)时刻t+△‘图3．4时间驱动法水流片段运动图3．3．1．4求解水质模型的EDM法事件驱动模拟机制，在模拟启动之前，不要求事先规定离散的空间单元和水质时间步长，而是通过分析输配水管网的水质特性，依据管网水质变化模型和机理模型，定义某些在管网水力、水质变化过程中有特殊意义的“事件”，由“事件”相继的发生，自动确定合理的空间和时间离散点，管网系统的水力和水质状态只在这些离散的点上发生变化，从而实现管网水质的动念模拟。EDM构造一个“时间序列表"来有规则地列出每根管道首个片段在整个模拟阶段的存在时间，即在现有流速和体积基础上，首个片段从产生到完全进入下游节点所消耗的时间。在列表中的第一个水流片段首先发生下一个“事件”，该片段存在的时间最短。在这个“下一个事件”的时刻执行下列步骤：(1)“事件’’发生所在的片段被摧毁，模拟时间被更新；(2)发生“事件”的片段进入下游节点，该片段将同其他进入下游节点的首个片段进行混合并产生一个新的节点浓度，之后该水流片段后面的片段代替该片段成为首个片段；(3)如果发生“事件"的节点浓度变化大于水质规定公差，该节点所有 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究下游管道起端将产生新的水流片段，并且片段水质浓度等于节点浓度，所有首个片段的存在时间将被调整，事件将被记录。这个过程将延续到当前水力时间步长的结束，这时所有水流片段位置和浓度将被更新。在下一个水力事件的开始，水流方向发生改变的管道中的水流片段次序将被改变。新的事件次序表将被产生，事件将按顺序发生。EDM不会出现运算数值发散和状态变换错误。与其他方法不同，它的精确度不是依靠任何时间步长的限制，而是用于限制水流片段产生的水质浓度规定阈值【67l。3．3．1．5水质模型求解方法比较对于同样的实例数据和选用类似的水质指标变化流态模型和机理模型，各种主流的动态仿算法(欧拉法和拉格朗日法)在模拟结果的数值上十分接近。拉格朗日法适用于管网内化学物质的模拟，欧拉法则适用于水龄的模拟，但从总体上看拉格朗日法在计算的时间和空间效率上是更优的。Rossman[61l通过对以上四种数值计算方法比较得出：对某实际管网物质浓度的计算，四种算法的准确率大体相当；欧拉法相对简单，计算时存储效率较高；在模拟管网中化学物质的转输时，从计算机内存使用及计算效率方面来看，用拉格朗日法较好。基于对上述各种方法的比较，本研究采用TDM法，在完成水力计算的基础上，求解水质模型。用时间步长控制求解精度，追踪管网中每个管段水质计算片段的泥砂浓度变化，在每个水质计算片段内，根据计算的浓度值及流速等参数确定泥砂的运动状态，进而计算泥砂在管道的淤积量。随着时间的推进，完成泥砂在管网中输移运动的模拟。3．3．2砂水数学模型求解工具采用EPANET2及其水质扩展模块EPANET-MSX(Multi．SpeciesExtension)作为辅助工具求解泥砂运动数学模型。EPANET是美国环保总署发布的一个非商业开源软件，主要用于有压管网系统(包括水池、水泵、水塔和管道等)的水力计算和水质分析【鲫。至今为止EPANET2．0本身对水质分析功能较弱，只能模拟单组分污染物质，物质的变化模式也比较单一，不能完成多组分或变化复杂的物质的模拟。EPANET-MSX对EPANET2的水质模拟功能进行了补充扩展1591。 第3章泥砂在管网中运动的数学模型研究本研究在VisualStudio．NET平台上使用C糟言进行编码，基于EPANET-MSX完成泥砂模拟模型求解程序的编制。3．4小结本章简要地介绍了泥砂在水流中运动的基本特性，研究了泥砂在供水管道输移运动的状态，借鉴于浅池沉淀理论推导出泥砂在管道中沉降规律，最后基于管网水质模型的基本理论建立了泥砂在管网中输移运动的一维数学模型，并在EPANET-MSX的基础上进行二次开发，编制了数学模型求解工具。 第4章供水管井涌砂风险评价《城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景目标》中提出了“保障安全供水、提高供水质量、优化供水成本、改善供水服务’’的总体目标。其中在对供水水源保护的条例中提出：饮用水水源地依法设立水源保护区，定期或在线对水质进行监测和评价；加紧研究制定适于本市城市具体情况的供水水源水质应急和预警方案，加强城市供水水源安全管理工作，保证供水水质，当水源污染事件时，供水企业应当尽快预警并迅速采取有效的处理措施。对于以管井为供水水源的供水系统，含砂量是影响水质的主要指标。一般管井多采用一级泵站直接投产的方式供水，在供水企业中亦称“直供井”。当直供井发生涌砂时，泥砂直接进入输配水管网系统，严重影响供水水质，威胁供水安全。通过对管井涌砂的风险性进行评价，可以全面的了解与把握管井涌砂的潜在风险，进而在供水系统管理中做到有的放矢，增加管理手段的有效性，提高管理的效率。4。1系统评价概述系统是由系统输入、系统转换和系统输出组成的集合。根据系统与系统环境的相互作用，运用系统输入．系统输出的关系分析，形成了系统优化、模拟、预测、评价和决策分析等一系列处理一般系统问题的通用方法16引。评价泛指从各个角度估测研究对象的相应价值(满足主体给定要求的程度)，并对这些价值一个综合价值来描述。系统评价就是按照给定目标，对研究对象进行分类和排序的过程。评价系统主要由评价者、评价目标、评价对象、评价指标、评价标准、指标权重和评价模型七类要素组成。系统评价是系统分析的后期和系统决策的前期工作，在系统工程理论中处于“枢纽’’地位。其在以综合全面的观点判断系统运行的历史轨迹和当前状态，预测系统未来的发展趋势，建立必要的评价信息，制定并实施相应对策和行动方案，促进系统协调运行等方面具有重要意义，在经济、社会、资源、环境等各个领域具有广泛的应用价值。系统评价的实质就是建立评价方法，把一个多层次、多指标问题综合成单47 第4章供水管』F涌砂风险评价层次、单指标的形式，阐明综合评价模型的形成机理和结构形式。从方法论的角度看，系统评价方法论就是处理各类系统评价问题的一般步骤169】：(1)确定评价目标和评价对象系统；(2)建立评价指标体系，对复杂评价系统的评价指标体系，一般需要建立评价指标的层次结构模型；(3)评价指标体系定量化；(4)评价指标的无量纲化(标准化)；(5)建立评价模型(评价函数)，把一个多指标问题综合成一个单指标形式，包括确定个评价指标的权重和个无量纲评价指标及其权重的组合形式；(6)把评价对象的评价指标值代入评价模型，得到各评价对象的综合评价指标值，据此对各评价对象在总体上进行分类排序；(7)反馈与控制，即根据评价结果，有时需要对以上有关步骤进行相应的调整、修正和多次迭代过程。其中，评价模型的建立是系统评价的核心工作，从数学变换的角度看，各评价对象是由评价对象各指标所组成的高维空间的一些点，系统评价模型就是一种从高维空间到低维空间的映射，要求这种映射能保持评价对象样本在高维空间的某种结构，其中最重要的是与分类排序有关的结构。根据有无评价标准，系统评价分为：(1)聚类评价：没有评价标准下的评价；(2)等级评价(模式识别评价)：给定评价标准或模式下的评价。对于系统评价的方法，系统科学家运用定量分析技术开发了数百种评价方法，主要分为以下几大类：(1)多目标(属性)效用(价值)综合方法：通过建立目标一指标体系，从下层属性开始以一定的规则进行多效用组合，从而对对象进行评价；(2)层次分析法(AHP)：根据具有层次网络结构的目标一指标体系，通过两两对比，综合得出各评价对象的权重，它是定性与定量相结合的方法；(3)模糊综合评判法：以模糊数学为基础，将边界不清的因素定量化，以进行综合评价；(4)数据包络分析法(DEA)：根据评价对象的输入和输出数据，利用DEA分析求得有效生产前沿面，根据评价对象是否在前沿面上决定其是否规模有效或技术有效； 第4章供水管JI：涌砂风险评价(5)仿真方法：运用较多的是系统动力学方法、蒙特卡洛(MonteCarlo)模拟、GPSS仿真，是从系统的、动态的角度对实施后产生的影响进行评价；(6)计算智能方法：通过对给定样本的学习，基于生物体系的生物进行、细胞免疫、圣经细胞网络等机制，用数学语言的抽象描述，获取专家知识、经验、主观判断，建立接近人类思维模式的定性与定量相结合的综合评价方法；(7)混合方法：混合使用几种评价方法，如FHW方法即融合模糊、灰色、物元、AHP法于一体，对比较难以定量分析的对象进行评价；(8)组合评价方法：不同的评价方法从不同的角度进行综合评价，仅用一种方法进行评价，结果可靠性不高，有时有必要选用多种方法进行评价。由于各种方法的机理不同、方法的属性层次不同，在应用方法之间的评价结论存在差异，在这种情况下，常常选用多种方法进行评价，然后激昂多种评价结果进行组合，从多个角度综合考虑，对评价对象进行组合评价。常规的系统评价方法偏向于经典数学方法，用来处理复杂的实际问题日趋困难。过分地依赖运筹学所建立起来的数学决策模型容易使问题失真。常规的系统评价方法的主要不足是他们很难结合或利用专家和决策者在系统评价时所做选择和判断过程中所蕴含的经验、知识和智慧，很难利用系统评价过程中的思维规律和人脑的智能特征，很难进行定定性分析和定量的综合集成。这些常规的方法常常只能给处理实际复杂系统评价问题提供部分工具。另一方面，人类在长期的生产实践中，积累了大量的理论认识、经验认识和介于理论认识与经验认识之间的半经验半理论认识，实际复杂系统评价的成功实践过程都是综合利用了建立在这三类评价认识的基础之上的、具有显著智能特征的综合评价方法。这类方法是与理论与经验的补充，定性与定量计算相互集成，基于形式逻辑的演绎思维和基于非形式逻辑的归纳思维和创新思维相互结合。在难于或不适宜建立数学模型的场合，要利用人的知识经验和人工智能、模糊识别、知识工程等方法建立知识模型，越过数学模型的障碍，直接将知识模型转化为计算机模型，这样采用知识模型与数学模型相结合形成广义模型，处理系统综合评价问题。模拟智能方法(亦称广义智能方法，是指用符号及其运算来表达智能特征、智能过程、智能结构、智能行为的各种方法)已成为建立和发展这类广义模型的有效方法之一。擅长于处理专家的经验知识和思维特征，模拟智能的过程、结构和行为，挖掘评价问题中客观信息和主观信息的遗传算法、人工神经网络、模糊集理论、蒙特卡罗方法等模拟智能方法在系49 第4章供水管井涌砂风险评价统评价的应用取得了广泛而富有开拓性成果。这些模拟智能方法实际上亦称以简洁而严密的形式描述实际问题完整内容的有力工具。将智能模拟方法应用到系统综合方法中可以衍生出很多评价方法。如基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型和等级评价模型、神经网络评价模型、shepard相似评价模型、属性识别综合评价模型、模糊综合聚类模型等。4．2供水管井涌砂风险性综合评价4．2．1评价的必要性与目的1．评价的必要性以深井多水源复合供水的城市供水管网系统，对于管井本身来说，管井出水含砂量是关系到管井寿命及质量的主要指标。管井涌砂问题是供水管井日常运行管理中遇到的常见问题。在我国的许多以管井为水源的城市供水系统中，供水管井一般都是以一级加压投产的方式供水的，亦即是供水管井直接连接到输配水管网系统中，直接向管网供水，在这种情况下，一旦管井发生突发性的涌砂事件，就会对管网的水质造成恶劣的影响，对城市供水的安全性造成威胁。管井涌砂不但关系到管井本身的使用，更重要的是管井涌砂直接关系到城市供水的水质，对城市的安全供水造成危害。管井在运行状况及发生涌砂时对管网可能造成的影响是进行供水系统进行只常管理的基本信息，基于涌砂的供水管井的JxL险性综合评估可以掌握这些基本的信息。通过对管井的现状进行评价可以掌握管井的涌砂风险的相对概率，进而在日常运行管理中做到有的放矢，结合管网泥砂运动的模拟，可以提高管理科学性与管理效率。2．评价的目的系统评价的目的在于以全面综合的观点判断系统的历史轨迹和当前状态，预测未来的发展趋势，建立必要的动态监测和预警信息系统，制定实施相应的对策和行动方案，促进系统协调运行。简而言之，系统评价的目的在于提高对系统的认识水平和决策管理水平。对供水管网的科学综合评价是城市供水系统的信息化建设的一部分，是提高管理效率的有效手段。基于涌砂的供水管井风险性综合评价的目标就是通过评价供水管井的涌砂潜在风险性，为供水管井的科学管理提供可靠的信息，使系统协调运行，保障城市供水安全。 第4章供水管井涌砂风险评价4．2．2评价指标体系的确定系统评价是一个既需要综合集成定性信息和定量信息，又需要综合集成主观信息和客观信息的复杂过程。系统评价问题包含了基于定性分析和定量计算的综合集成的数学模型构造与求解方法、计算机程序设计、系统模型的灵敏度分析与反馈控制等丰富内容。评价指标体系既是判断评价对象价值标准的方式，也是表达系统总目标的具体途径，因此评价指标体系在系统评价的过程显得十分重要。把系统评价目标按总目标、准则层、指标层逐步展开为各级子目标，得到具有递阶层次结构的评价指标体系I硎，各级子目标统称为评价指标。这种由系统评价总目标展开为评价指标集的过程称为评价指标体系的建立过程。这些指标用刻画系统所有某种特征大小的度量，或用于测度各个评价对象从不同目标层次、不同评价方面符合系统评价目标的程度。目前常用的确定评价指标体系的方法有专家咨询法、决策树生成法、基于多元统计的指标筛选法等。4．2．2．1系统评价指标集确定原则评价指标系统要能反映系统风险的变化情况并能满足评价研究的研究目的。评价指标的选择要满足以下几个要求：(1)科学性：指标能够客观地度量系统的客观状况；(2)相关性：指标与评价对象、目标、系统的水力水质及运行状况相关；(3)综合性：根据具体情况，采用定性分析与定量计算集成的结合方式对评价对象进行综合评价：(4)可量化：指标能够通过现有资源和技术手段进行定量化；(5)现势性：指标能够反映评价对象目前的状况；(6)动态性：符合系统发展的要求并能够根据需要做出相应的修改。4．2．2．2评价指标集确定基于上述原则，要评价供水管井涌砂的风险性，主要通过分析其各方面的性能特性，评价其目前的“健康’’状态。供水管井涌砂的风险性可以通过对导致供水管井涌砂的影响因素分析来确定评价指标，包括管井的物理结构特性、水质特性及运行状态等。对于整个系统而言，本研究采用定性分析与定量计算相结合的方式综合评价供水管井涌砂的风险性。51 第4章供水管井涌砂风险评价研究的出发点在于预测预防管井涌砂的发生，并提出有效的应对措施，提高供水系统的安全性。管井涌砂评价的目的是为决策及管理提供科学的基础信息。对决策者而言，通常希望能够清楚地、直观地理解系统的各种运行状况，以做出科学的决策。根据第二章阐述的导致管井涌砂的因素来确定评价管井涌砂的评价指标，这些指标所描述的都是管井的比较固定的客观特征，如管井含水层的水质状况、管井的结构状况等。具体的指标集如表4．1所示：表4．1评价指标集目标层对织层指标层含水J去泥砂粒度评含水层水质价管井材质管井涌砂风险性供水管井指填砾标折旧率集超采率出水含砂量指标集反映的评价实际意义简述如下：(1)含水层泥砂粒度根据第二章的阐述，处于粉细砂层的供水管井的发生涌砂几率要比处于粗砂等的含水层的管井的高，泥砂颗粒越小，涌砂的可能性就越高，所以含水层的泥砂颗粒大小可以作为一个评测指标；(2)含水层水质具有侵蚀性的地下水对滤水管具有腐蚀作用，滤水管的腐蚀是导致涌砂的一个因素：(3)管井材质不同的井管(包括滤管)材质具有不同的强度性能、防腐蚀性能等，管井常会因为管材的破裂而导致大量涌砂，所以管井材质也是导致涌砂的重要因素；(4)填砾管井填砾是否合理直接影响涌砂的一个重要因素，许多管井因为砾料下沉而导致管井涌砂；(5)折旧率该指标反映的是管井投产时问跟跟管井性能的关系，一般来说，管井投产使用时问越长，性能越差，其发生涌砂的可能性就越高：52 第4章供水管井涌砂风险评价(6)出水含砂量该指管井出水含砂量是衡量管井涌砂最直接的指标，超过运行允许含砂量就是管井大量涌砂的前兆。如果没有直接的含砂量指标，也可以用浊度指标替代。(7)超采率该指标反映的是实际的抽水量与管井合理出水量的关系，如果长期处于超采状念，管井很容易发生涌砂，这是在管井运行管理中造成涌砂的主要的原因之一。4．2．3评价方法的确定从数学的角度分析，系统评价可用以下步骤表达：(1)根据评价系统总目标a0，按照一定方法确定的评价对象集设为a：aj—fl(ao)(4．1)式中f1()为评价对象生成函数，i=1一m为评价对象的数目。(2)本文将总目标直接分解为评价指标集为{bjIj=1一n}：b，=A(ao)(4．2)式中f2()为评价指标生成函数，j=l-n为评价指标的数目。(3)用这些指标来测度各评价对象，得到评价指标集{ci．jli=l～m，j-l-n}cj，j11A(af，bf)(4．3)式中f3()为评价指标测度函数。对评价对象ai而言，{ci．jli=l-m，j=1一n)就是在评价指标集空间上的一个采样点。若评价指标系统中有定性指标bi，则需要定量化处理：ff4(Ci,?)，若bj为定性指标；^t7—1cf∥若bj为定量指标。式中f40为定性指标定量化函数。从而得到评价指标样本集为{t，』I‘，，ER，i=1一11，．『一1～n}。(4)在作系统评价时，评价指标样本集{‘，，Ixi。，∈尺，i=1-n，j『=1一刀}中各个指标的量纲可能不同，它们的数量级也可能相差很大，此时需要根据这些指标值符合系统评价目标的程度与方向进行一致无量纲化处理。Yj，』=兀瓴，』)(4．4)式中f5()为指标一致无量纲化函数，它是从评价指标样本空间到单指标目标53 第4章供水管井涌砂风险评价空间的实数值函数；为评价对象ili关于bj的单指标评价值，Yi．j值越大则该指标对评价结果的贡献越大。(5)各个评价指标值Xj．i在系统总体评价中作用和重要性一般不尽相同，需要用指标权重函数来表达：坼，f=无瓴，f)(4．5)式中f6()为指标权重函数。(6)综合各个单指标评价值及其权重，可得各评价对象ai的评价结果为：Zi=厶(咒∥M，』)，乞ER．(4．6)式中f7()为综合评价指标函数，它是从单指标目标空间到综合评价指标目标空间的一维实数值函数，Zi为评价对象ai的综合评价指标值。(7)系统综合评价模型一般形式可表达为：乙=艿(兀(厶(厶(^(口。)，L(a。))”，，6(厂4(，3(^(口。)，f2(a。)))))If(a。)，ZiER．(4．7)式中f()为(综合)评价模型，它是fl()～f7()的复合函数。其系统流程如图4．1所示。图4．1系统评价方法流程图系统评价方法论的核心就是阐明综合评价值指标函数的形成机理和结构形式，建立评价模型fO。对于供水管井涌砂风险性评价系统具有不确定性和非程序性，系统中既包含了大量的确定的时空信息及属性信息，也包含了大量不确定性的模糊性信息、灰色信息、混沌性信息和主观性信息，往往难以用精确数 第4章供水管JF涌砂风险评价值表示信息，它们常以经验性语言、知识或规则的形式出现，具体表现为专家的经验认识或半经验认识。基于常规的建模方法和常规的优化方法的偏向于经典的数学方法，这些方法的不足是很难结合或利用专家和决策者在评价过程中所蕴含的经验知识与智慧，难以进行定性分析与定量计算的集成，而恰巧，造成供水管井涌砂的评价指标值在目前的科学技术条件下难以用确定的函数来描述，而只能依赖于专家的经验认识来进行模糊的判断。常规的评价方法不能满足系统评价的需求。管井涌砂风险性评价的评价指标系统中没有确定的评价标准，因此系统评价属于聚类评价分析。管井涌砂的评价指标集均是定性指标与定量指标结合，指标值的确定依赖于专家的经验判断，具有模糊性和主观性，并且没有确定的评价标准。基于对管井涌砂评价指标系统的分析，本研究评价模型采用基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型。基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型是一种智能评价模型，该模型适用于直接由样本数据驱动的探索性评价分析。投影寻踪(projectionpursuit．PP)方法是针对目前常规的系统综合评价方法对某些高维、非线性、非正态评价问题的适应能力不强等局限性而提出来的【70,71l。PP方法的基本原理是把高维数据通过某种组合投影到低维子空间上，对于投影得到的构形，采用投影指标函数(目标函数)来暴露供水管井系统某种分类排序结构的可能性大小，寻找出使投影指标函数达到最优(即能反映高维数据结构或特征)的投影值，然后根据该投影值来分析高维数据的分类结构特征(即投影寻踪聚类评价模型)。其中，投影指标函数的构造及其优化问题是应用PP方法能否成功的关键。该问题的复杂性在一定程度上限值了PP方法的深入研究与广泛应用。金菊良等采用遗传算法对投影指标函数的构造进行优化，形成了基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型，并展开了相应的应用研究。该方法在许多实际系统评价中得到了广泛的应用【70,72-79】。4．2．4基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型采用基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型对管井涌砂的风险性进行评估包括如下4个步骤：(1)评价指标值的归一化处理根据本章第二节建立的评价指标体系，对各指标的样本数据进行一致无量纲化处理。设各指标值的样本集(评价对象集)为{x木(i，j)Ii--1～m，j=1一n)。其55 第4章供水管井涌砂风险评价中x牛(i，j)为第i个样本第j个指标值，m、11分别为样本的个数(样本容量)和指标的数目。为消除各指标值的量纲和统一各指标值的变化范围，可采用式(4．8)进行极值归一化处理：xO，j『)；【X书(f，J)一工耐。(_『)】／【zm。(jf)一z耐。(．『)】(4．8)式中，Xmin(j)、xmaxG)分别为样本集中第j个指标值的最小值和最大值。(2)构造投影指标函数PP方法把11维数据{x(i，j)lj=l-n}综合成以a=(a(1)，a(2)，⋯，a(n))为投影方向的一维投影值z(i)，即z(i)=罗口(_『)zO，_『)，(i=l～n)(4．9)筒然后根据{z(i)li=l—n’的一维散布图进行分类。式(4．9)中a为单位长度向量。在综合投影值时，要求投影值z(i)的散布特征应为：局部投影点尽可能密集，最好凝聚成若干个点团：而在整体上投影点团之间尽可能散开。基于此，投影指标函数可构造为⋯Q(a)=S：Dz(4．10)式中，S：为投影值z(i)的标准差，D：为投影值z(i)的局部密度，即是；t∑(zC／)一E2)2／(咒一1)】oj(4．11)D：=∑∑(尺一r,j)u(R—rij)(4·12)Ez=罗zo)厶(4．13)％-4z“)-z(j)I(4．14)喇=f：i，高㈧㈣式中，R为求局部密度的窗口半径，它的选取既要使包含在窗口内的投影点的平均个数不太少，避免滑动平均偏差太大，又不能使它随着11的增大而增加太快，R一般可取值为O．1S：。(3)优化投影指标函数当各指标值的样本集给定时，投影指标函数Q(a)只随投影方向a的变化而变化。不同的投影方向反映不同的数据结构特征，最佳投影方向就是最大可能暴露高维数据某类特征结构的投影方向。可通过求解投影指标函数最大化问题 第4章供水管=}}：涌砂风险评价来估计最佳投影方向，即maxQ(a)=S：Dzs．t‘善矿u)|1(4．16)(4．17)这是一个以{a(j)b=1～n】_为优化变量的复杂非线性优化问题，用常规优化方法处理较困剌70，711。模拟生物优胜劣汰规则与群体内部染色体信息交换机制的遗传算法(GA)是一种通用的全局优化方法，用它来求解上述问题较为简便和有效。(4)聚类把由步骤3求得的最佳投影方向a木代入式(4．9)后即得各样本点的投影值z幸(i)。投影值z宰(i)与z宰(：i)越接近，表示样本i与样本j越倾向于分为同一类。按z宰(i)值从大到小排序，得到评价结果。4．3小结本章简要地介绍了系统评价的理论与方法，论述了进行基于管井涌砂风险性评价的必要性及评价目标，基于管井涌砂原因的分析，确定了进行管井涌砂的评价指标体系和评价方法一基于遗传算法的投影寻踪聚类评价模型。57 第5章实例分析5．1工程概况YCH市位于我国西北地区，东临黄河，西屏贺兰山，平均海拔1100米，属中温带大陆性气候，年均气温8．5。C，年均降水200毫米，年均R照2900小时，冬无严寒，夏无酷暑。该分区供水系统由一个地面水厂和8个直供井供水。直供井分散在输配水管网中，直供井根据管网用水量和服务压力直接向管网供水。供水管网最高日用水量约30000m3／d。管网所在地区地势较为平坦。管网模型简图如图5．1所示。●i蜊盯叫8m8·Twoll"l早啪l吼I一l1well3EIJwell5IIl|well401J1weI|6lIJ一“；welB{ID2’—＼、．一,12图5．1简化实例管网图 第5章实例分析管网中节点的基本属性如表5．1所示。表5．1节点属性表基本用水用水模式节点高程基本用水用水模式节点ID节点高程(Ⅲ)节点ID‘最(L／s)ID(Ⅲ)最(U／s)ID212．47124911．72149314．4l35012．27150517155113．6115l616165215．15152715．32l75612．3l156815．44185713．13157914．86195812．18l581015．381106213．94l621114．1811l709．961701212．911271lO．72l711312．881137210．861721416．36114739．75l731514．851157410．03174166．1611675lO．181751713．831177610．331761813．49l18779．721771913．04119789．81782013．061207910．581792l12．7512l8110．846l812213．021228210．15l822314．41238312．2021832414．261248412．28l842513．88l258512．71852618．051268612．741862720．061278710．2518759 第5章实例分析基本用水用水模式节点高程基本用水用水模式节点ID节点高程(m)节点ID量(L／s)ID(m)量(L／s)ID2816．98l28889．871882918．671299212．861923017．23l309314．071933116．71l319413．321943215．8l329613．57l963316．83l339714．391973416．081349812．3l1983515．361359916．51993614．613610016．33l1003715．16l3710114．7411013815．3l3810214．51l1023914．1413910314．47l1034214．97l4210416．41l1044313．6l4310516．05l1054412．7514410811．76l1084517．2314510913．5l1094615．1914611613．41l1164713．5214711710111748ll。614811817。65l1185．2泥砂在供水管网中的模拟泥砂在管网中的运动模型需要度确定一系列参数，这些参数通过实验获得。在进行模拟前对本模型参数作一下设定：(1)管井出水为较均匀的细砂，粒径为d=O．05ram，rs=2650kg／m3：(2)清水粘滞系数取v=lO击Pa·S(忽略温度的变化因素)：(3)污染点的出砂连续出砂浓度为1000mg／L；(4)涌砂持续时间设定为4小时。 第5章实例分析参数设定说明：泥砂浓度根据现场管理人员提供，浓度较大，属于突发性涌砂；管理人员每隔4小时会对管井出水进行含砂量砂检测，所以按最不利的情况进行假设，涌砂持续时间为4小时。5．2．1泥砂模拟well8处于管网中心位置的附近，模拟具有典型代表性，所以假设Well8发生涌砂。为了了解涌砂在不同的用水工况下泥砂对管网的影响，分别模拟管井在高峰用水、低峰用水时发生涌砂事故。模拟情形如表5．2所示。表5．2模拟情形表出砂地点山砂时间(h)出砂浓度沉降淤积备注(mg／L)情形1well80：00-4：001000发生沉降低峰刚水时段情形2W色1186：00—10：001000发生沉降高峰用水时段情形3W色1186：00—10：001000不发生沉降+高峰用水时段·：由于高峰用水管道中流速较大，发生沉降的几率很低。参数设定后，分别对Well8在不同情形下进行了48小时的延时模拟，得到各时段节点及管段的泥砂数据。限于篇幅，仅列出J1、J2及P1，P2模拟的48小时的泥砂数据，详见表5．3。表5．3模拟结果低峰用水出砂模拟情况(mg／L)高峰用水山砂模拟情况(mg／L)时问有泥砂淤_移{有泥砂淤积没有泥砂淤积(h)JlJ2P1P2JlJ2P1P2J1J2PlP2O0O0O01O0O020O030O0O0O040O0O0O0O50O0O0O0O639．54O22．45O0O00‘775．59O38．90O08O30．47．35O0O0O90O13．798．93O04．36O04．65100O0lO．3213．75O9．5l43．8415．49010．7346．6811O0OlO．063．75O9．2579．764．65010．6785．1361 第5章实例分析低峰用水出砂模拟情况(mg／L)高峰用水山砂模拟情况(mg／L)时间有泥砂淤积没有泥砂淤积(h)JlJ2P1P2J1J2PlP2JlJ2P1P212010．2402．79107．5703．44117．2130O10．180107．84O00．5120．87140O02．77O0O102．880120．8815O01．16O79．45O0O94．9416071．73O0．580O41．4l050．441705．330O．7012．28015．2818O00．490O03．09O04．031900．3lO00．080O．1420O0O0．36O1．4500．0102．4200．0l21OO．35O1．390O．01O2．45O0．02220O0．3400．48OO．0lOO．95O0．02230OO．20O．3100．01OO．670O．022400．220O0．55OO．02250OO．230OO．7O260O0O0O027OO．080OO．670O28O0O0O290O0O0300O0O0310O0O0O0O320O0O0O0330O0O0O0340O0O0O0350O0O0O0360O0O0O0O37O0O0O．2804．090O38O0O0O39O0O0O040O0O0O4l0O042O0O0O430O0440O0O0O450O0O0460O0O 第5章实例分析低峰用水出砂模拟情况(mg／L)高峰用水出砂模拟情况(mg／L)时间有泥砂淤积没有泥砂淤积(h)JlJ2P1P2JlJ2PlP2JlJ2PlP247O0O0O0480O0O05．2．2模拟结果分析根据模拟计算的结果，分别对三种模拟情况进行分析统计，详见表5．4。基于发生泥砂沉降的情形1和情形2的模拟结果，从整个过程分析，对比表5．4的数据可以发现，well8出砂发生在用水低峰时对管网的影响范围要比发生在高峰用水时的大，对用户节点和管段水质污染的比例分别高出3．41％和8．19％，原因是低峰用水时管网中流体流速较小，扩散速度慢，持续时间长。从扩散速度上分析，出砂发生在高峰用水时比发生在低峰用水时输移扩散要快，如图5．2、图5．3所示(图5．2、图5．3分别为用水低峰和用水高峰出砂5小时后管网中泥砂的浓度等值线图)，显然高峰用水时管网流速大，泥砂整体推移速度比低峰用水时快。从持续时间上分析，由开始出砂至管网中所有节点不再出砂的这段时间间隔，用水低峰时出砂持续了43h，高峰用水时出砂持续36h。对于高峰用水时，不考虑泥砂沉降的输移扩散比考虑泥砂沉降的污染范围更大，持续时间也更长。表5．4污染情况对比情形1情形2情形3节点管段节点管段节点管段总数881228812288122被污染数274624363041百分比30．68％37．70％27．27％29．51％34．09％33．61％ 第5章实倒分析l】上牯刊＼／几西_／{■男：’乙．一／L～叫凹52情彤1涌砂5h后浓度分布I一ll，／。—、潲≥{{L他一flLl／(屋■■／|【：固P_／’T—L／ll图53情形2浦砂5h扁浓度分布表55用户出砂量及出砂时间情形l情形2节点出砂赫I持续时l出砂量l持续时间P出砂量l持续时问(g)|问(h)l(E)(b)(z)(h)节点儿I2258642756．412870．302节点J2323722I862I17『27．7217·备注：Ⅲ户节点魁管网简化后的节点，并非某个具体用户点节点。表5．5列出了3种情形下用户节点儿、J2的总出砂量及出砂时问。对于用 第5章实例分析水低峰时发生涌砂事故，管网中的流速相对较慢，泥砂输移扩散慢，扩散范围小，用户节点J1靠近出砂深井well8，出砂量明显较大。而在高峰用水时出砂，管网中流速相对较大，泥砂输移扩散较快，节点的出砂量也明显减少。用户节点J2距离出砂深井well8较远，出砂量相对较少。当不考虑泥砂沉降淤积时，用户的出砂量比考虑沉降淤积的情形明显增大。5．3供水管井涌砂风险性综合评价5．3．1基于遗传算法的投影寻踪聚类模型的评价在使用投影寻踪方法对管井系统进行评价之前，必须对建立的评价指标体系的指标集进行单指标评价，也就是对通过定量化的方法对指标集进行定量化，确定指标值系统。根据第四章的分析，基于管井涌砂风险评价的评价指标系统中既有定量的指标，又有定性的指标。5．3．1．1评价指标系统指标值的确定对于定量指标，其本身就是一个实数变量，可直接用其观测值、实验值作为该指标的测度。本研究的评价指标系统，指标集中的折旧率指标、出水含砂量指标、超采率指标都可以直接采用观测值或计算值作为其测度来确定评价指标值。对于定性指标，通过数学、物理、逻辑、经验等变换形式，可将定性指标转化为定量指标，使得指标的状态一致18Ⅲ，其基本思路是首先明确定义各个评价指标，再根据指标定义和实际评价情况给指标赋值。常用的方法有排队打分法、体操积分法、两两比较法、连环比率法、模糊集法等。排队打分法，就是对m个评价对象的某个指标，采用m级积分制(如10分制)，最优者记为m分，最劣产品记为1分，各个中间对象按照相对优劣进行内插。体操记分法，就是请k位专家各自独立的对各个评价对象某个评价指标按10分制评分，然后舍去最大值和最小值，取中间(k．2)个分数的平均值作为该指标的测度值。两两比较法【81】，就某个指标对m个对象两两之间的优劣程度进行比较，定义aij取1、0．5、和O分别表示对象i比对象j无比优越、同等优越、极端不优越， 第5章实例分析aii可在三档中进行加细，aji=1．aij，则对象i的测度定义为：cj=善％／善aij善％，f|1～胍(5．1)连环比率法【821，就某个指标先就m个评价对象依次两两比较其优劣，定义fi=ai-i+1，表示对象j的优越性是对象i+l的倍数，其中i=l—m．1，令fm=l；然后修正各个fi值为野，即gm=1，gi=gi+lfj，其中i=m一1-11最后对野作归一化处理后得该指标对象i的测度为：，用cf=&／罗吼(5．2)／属模糊集方法【吲，是把定性指标bj的取值用建立在评价等级集V={vl，v2⋯．，vm}上的模糊集易f=(bjl,易『2’⋯，易『历)表示，其中bjk表示指标bj对评价等级vk的隶属度，j=l-n，k=l-m。对比上述几种量化定性指标的方法，本研究采用专家排队打分法对定性指标进行定量化。该方法既能体现专家的丰富的经验与智慧，又便于操作。综上所述，本研究的评价指标系统的各个评价指标值确定过程如下。设定评价指标值集X={xijli=l-8，j=1-7}，其中，指标下表j=1彳依次表示含水层泥砂粒度、含水层水质、管井材质、填砾、折旧率、超采率、出水含砂量。前面的4个评价指标(也即是j-14)均是定性指标，通过请专家对8个评价的直供井排队采用100分制打分，得到(xi．J，j=1—4)4个评价指标的指标值如表5．6所示：表5．6定性评价指标值样本序号评价指标(Xi．j)j=lj---2j=3j=4管井1i=l908090管井2i--2706010075管井3i-38510090管井4i=475859070管井5i=580959055管井6i-690759095管井7i_7609080管井8i-8100709050 第5章实例分析后面的三个评价指标折旧率、超采率、出水含砂量是定量指标，可以通过直接检测计算得到。管井的相关原始数据如表5．7所示。表5．7管井原始数据表设计出水晕目前、r均平均运行出水浊度管井序号投产日期出水罱备注(rn3／h)时间(h／d)(NTU)(m3／h)管井11989．10．3108．036323．50．1管井21993．11．239290160．1管井31980．12．1266．89280160．32007．7下套管管井41976．8．531．387200．5管井51996．12．21140．8478240．6管井61981．6．2478．5292180．21993．11下套管管井71979．7．2755．738723．50．45管井81996．4．11125．2864240．4根据管井的原始数据计算出评价指标值。计算方法如下：(1)折旧率：根据投产日期计算其折旧率，计算式如式(5．3)x15-t-to(5．3)式中，t表示评价日期，to表示投产日期，计算结果换算成以月为单位。(2)超采率：根据设计出水量，实际出水量及运行时间确定。计算式如式(5．4)xi。zf(Qf—Q。)zl(Qf—Qj)(5．4)式中，Qi表示实际的抽水量，Qo表示管井允许抽水量(管井设计出水量)，t表示处于超于超采状态的平均运行时间，u(y)为单位阶跃函数，当y=O时其函数值为1，当y耋差莹委量圭耋‘；o∞D芷o．詈羹堇芑蓄童詈耋季喜秀喜董善耋>>=>t主．．耋专喜差童董耋喜零l薹|专墨母>≥磊多苦；匝1Wfl右魁粼婿髅I．瞄莲工刁萼．薹．．专善量墨善C芒喜一苗一茎。喜霎蓁薹萋茎喜霎霎蓁萋奏声萋薹莹妻量量差茔{匝一=fl右魁糕螺垛_嘴襄 附录l系统类设计UML图Pipe．Lenght：float．Diameter．int-lsOpen：boolean．Roughnes&float．认nconcentration：float．sedjmentation；float．BuIICoe仟：float．WalICoeff：float．FlowRate：float-⋯⋯+AutoLengthCalc()：void4-FlowVelocityCalC《)：void+HeadLossCalc()：void+FlowRateCaIc()：void+⋯⋯O《propertyget》+getsedimentation()：float+getWQconcentration()：float+getRoughness()：float+getDiameter()：int+islsOpen()：boolean+getLenght()：float+getBullCoeff()：float+getWallCoeff()：floatⅨproperty茁l》+setsedimentation(fIoat)：void+setWQconcentration(floatl：void4-setRoughness(float)：void+setDiameter(int)：void+setlsOpen(boolean)：void+setLenght(float)：void4-setBullCoeff(float)：void+setWaIICoeff(float)：voidPump—FlowRate：float·Pumpld：string—EfficCoeff：float—EffiCPower：float—Head：fIoat—speed：float·EfficCurveld：string·PumpCurveld：string—PowerCurveld：string—Statusboolean·⋯⋯：+HeadLossCalcO：void4-⋯⋯()<>4-getFIowRate0．ofloat4-getPumpld()：string4-isStatusO：boolean+getPowerCurveIdO：string+getPumpCurveld()：string4-getEfficCurveId0：string+getspeedO：float4-getEfficPower()：float+getE仟icCoe仟()：float<)4-setPumpld(string)：void4-setStatus(boolean)：void+setPowerCurveld(stdng，：void4-setPumpCurveld(string)：void4-setEfficCuryeId(string)：void-iFsetspeed(float)：void 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果个人简历：颜合想，男，1984年11月生。2002．9～2006．7重庆人学城市建设与环境【：程学院给水排水T程专业获学士学位；2006．9～至今同济人学环境科学与．1：科学院市政．1：群专业攻读硕十学位。已发表论文：[1]颜合想，李龙云，信昆仑．基于GIS的从hutoCAD获取供水模型高程的研究．供水技术，2008。V01．2(6)：22—26．[2]颜合想，信昆仑．基于OpenGL的供水管网参数三维显示．全国城镇供水管网噩输配水系统安全与技术发展战略研讨会，2007，上海，360—366．[3]姚娟娟，颜合想，张智，张勤．重庆小城镇居民片J水状况研究．重庆建筑大学学报，2006，V01．28(6)：84-87．待发表论文：[1]颜合想，刘遂庆，信昆仑．深井供水管网中砂粒运动数学模型的建立及应用．中国给水排水(定于2009年第7期发表)．研究报告：[1]刘遂庆，信昆仑，颜合想等．城市排水监测技术与管理体系研究报告，2007年11月．'