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供水管网水质模拟及污染源定位研究

作　者: 王梦琳
导　师: 吕谋
学　校: 青岛理工大学
专　业: 市政工程
关键词: 供水系统管网水质模拟突发污染模拟-优化反追踪模型 BP人工神经网络
分类号: TU991.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

为追踪管网内水质动态变化,并在供水管网突发污染发生时,快速准确定位污染源以辅助制定合理应对策略,保障供水安全,本研究以小规模供水管网模拟系统为实验平台,采用欧拉法、拉格朗日法模拟管网余氯质量浓度随时间、空间位置的变化,并通过实测数据反演余氯衰减系数;在正演分析的基础上,选择余氯浓度为污染物浓度指标,向系统出水端多点投加高浓度次氯酸钠溶液模拟城市供水管网突发污染事件,实验中测取多组管网平台监测点污染物浓度时变数据,在保证可靠准确性的基础上将监测数据作为反追踪模拟信息源,通过改进的基于拉格朗日算法的“模拟-优化反追踪数学模型”定位污染源,并据此分析了管网拓扑结构、优化时段、水力工况等因素对模型精度和效率的影响;通过对污染模拟事件40组监测数据(28组训练样本,10组检验样本)的分析整理,确定BP人工神经网络的输入和输出,通过模拟结果和理论分析总结该方法的优势和制约因素。在合理设置模型影响因素条件下,模拟-优化反追踪模型在本研究中的模拟结果准确率达93.3%;BP人工神经网络准确率达100%。两种算法在不同方面各有优势,但就目前的研究而言,模拟-优化反追踪模型表现了更高的鲁棒性和较广泛的适用性。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-9
第1章绪论  9-15
  1.1 本项研究的意义  9-10
  1.2 问题的提出  10-11
  1.3 国内外研究现状  11-14
  1.4 本课题的主要研究内容  14
  1.5 本课题的创新点  14-15
第2章供水管网水质正演模型及应用  15-29
  2.1 管网动态水质模型  15-17
  2.2 管网动态水质模型的求解方法  17-22
    2.2.1 欧拉有限差分法  17
    2.2.2 欧拉离散体积元法  17-18
    2.2.3 拉格朗日时间驱动法  18-21
    2.2.4 拉格朗日事件驱动法  21
    2.2.5 欧拉法与拉格朗日法的比较  21-22
  2.3 统计模型  22
  2.4 管网水质正演模型在预测管网余氯浓度上的应用  22-29
    2.4.1 余氯衰减模型  22-25
    2.4.2 余氯衰减系数K_b 值的确定  25-26
    2.4.3 余氯系数衰减K_w 值的确定  26-29
第3章供水管网水质反演模型  29-37
  3.1 I/O 模型  29-31
  3.2 模拟-优化污染源反追踪模型  31-35
  3.3 人工智能模型  35-37
第4章供水管网突发污染模拟试验  37-49
  4.1 试验装置和方法  37-40
    4.1.1 供水管网模拟系统试验平台分析  37-39
    4.1.2 水质监测点的选择  39-40
  4.2 污染物的选择及污染物特性  40-43
    4.2.1 污染物的选择  40-41
    4.2.2 所确定污染物特性  41-43
  4.3 试验数据采集与监测结果分析  43-49
    4.3.1 实验数据采集方法  43
    4.3.2 试验结果分析  43-49
第5章模拟-优化模型定位供水管网突发污染源  49-61
  5.1 利用模拟值定位污染源  49-52
    5.1.1 单一污染源定位分析  49-51
    5.1.2 多污染源的定位分析  51-52
  5.2 基于真实值的污染源定位研究  52-54
  5.3 模型影响因素与参数的设定  54-60
    5.3.1 优化步长  54
    5.3.2 迭代次数  54-55
    5.3.3 优化时间段  55-56
    5.3.4 管网拓扑结构的表达  56-59
      5.3.4.1 管网拓扑结构简化前后模拟结果比较  56-58
      5.3.4.2 管网拓扑结构对污染物扩散模式及模拟结果的影响  58-59
    5.3.5 其它  59-60
  5.4 结论  60-61
第6章基于BP 神经网络的供水管网单污染源定位  61-75
  6.1 人工神经网络模型  61-62
  6.2 BP 人工神经网络  62-65
    6.2.1 BP 人工神经网络理论模型  62-64
    6.2.2 BP 人工神经网络的设计  64-65
  6.3 BP 神经网络在供水管网单污染源定位上的应用  65-75
    6.3.1 数据的获取与分割  65-67
    6.3.2 输入的选择  67-73
    6.3.3 数据预处理  73
    6.3.4 模型运行结果及结论分析  73-75
第7章总结与展望  75-77
  7.1 总结  75
  7.2 展望  75-77
参考文献  77-84
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作  84-85
致谢  85

供水管网水质模拟及污染源定位研究

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