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供水管网水质模型校正及水质监控研究

作　者: 王鸿翔
导　师: 张土乔；David Z.Zhu
学　校: 浙江大学
专　业: 市政工程
关键词: 供水管网水质模型校正余氯衰减系数不确定性采样点布置二次加氯
分类号: TU991.2
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 624次
引　用: 4次
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内容摘要

本文围绕给水管网水质模型校正问题进行了相关基础性研究,并通过对二次加氯站布置研究讨论了水质监控的相关问题。首先,基于多组分物质混合理论,利用EPANET2.0和EPANET-MSX工具包编程模拟计算,采用蒙特卡罗模拟的方法对影响水质模型准确性的主要参数进行了不确定性分析,结果表明,各水源不同水质主体余氯衰减系数K_b和管壁余氯衰减系数K_w较之其它参数对于水质模型节点余氯浓度不确定性影响程度较大;在此基础上,对两个水源不同水质的水流在管网中混合运行后的各管段主体水流余氯衰减系数进行了确定估计,并基于该方法对多个水源不同水质供水管网管道的主体水流余氯衰减系数的确定进行了扩展,经过算例验证表明,该研究为管网水质模型中主体水流余氯衰减系数的确定提出了一种更为快捷的方法;基于管壁余氯一级衰减模型,建立了多工况下管壁余氯衰减系数校正的优化模型,采用Max-Min蚁群算法求解给水管网管壁余氯衰减系数校正数学模型,算例证明了该校正模型方法的正确性和可行性,为更加准确地描述管网水质模型和更好地解决水质问题,提供了新的研究途径。其次,基于D-优化方法和一次二阶矩(FOSM)理论,定量研究了给水管网水质模型管壁余氯衰减系数和模型预测值的不确定性问题,研究表明,在节点流量较大情况下,采集校正数据得出的校正参数的不确定性比较小,模型预测值不确定性相对较大,供水管网水质模型不确定性研究为水质模型系统全面校正提供了一定的依据和方法;基于水质模型参数及模型预测值不确定性研究,提出了以模型参数不确定性最小及采样点设计花费最小为目标函数,建立了水质模型校正的采样点优化布置多目标数学模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对该模型进行了求解研究。通过算例分析,结果表明该方法有效可行,对于水质模型校正的采样设计问题具有一定的参考价值。再次,以管网供出的达标水量最大为目标函数,结合加氯站布置的部分影响原理,建立了二次加氯选址的数学模型,采用粒子群优化算法对一级二次加氯点布置优化进行了优化选址,取得了较好效果;引入管网余氯与来自水源有机物反应衰减的水质模拟模型,以管网中包括水源地在内的各加氯站总加氯量最小为目标函数,考虑余氯与有机物反应后各节点余氯浓度及所对应副产物浓度符合要求为约束,建立了二次加氯投加量的优化模型,采用遗传算法对该模型进行了优化求解。基于以余氯浓度值为基础的管网水质服务水平的理论,对二次加氯前后管网水质服务水平情况进行了评价比较,结果表明,采用二次加氯站优化结果相对未设置二次加氯站之前,不仅提高了服务水平,有效地减小了投加氯总量,而且避免了余氯量过大及由此可能产生的负面作用,为管网水质模型和水质监控管理运行提供了参考依据。最后,在实例研究中实现了管网的水质模型主体余氯衰减系数和管壁余氯衰减系数确定和校正,对基于水质模型校正的采样点优化布置问题进行了求解,并在准确校正水质模型之后,对管网二次加氯站进行了优化选址和投加量方案的优化,分析计算结果表明,本文提出的相关模型和方法具有较好的实用性。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
目录  10-13
第1章绪论  13-31
  1.1 研究背景和意义  13-16
    1.1.1 研究背景  13-14
    1.1.2 研究目的和意义  14-16
  1.2 国内外研究现状  16-29
    1.2.1 给水管网水质模型校正研究  16-24
    1.2.2 给水管网水质模型校正的采样点布置研究  24-27
    1.2.3 给水管网二次加氯站布置  27-29
  1.3 研究主要内容  29-31
第2章给水管网水质模拟基础  31-55
  2.1 给水管网水力与水质模型  31-41
    2.1.1 给水管网水力模型  31-35
    2.1.2 给水管网水质模型  35-40
    2.1.3 给水管网水力模型与水质模型的关系  40-41
  2.2 给水管网模型校正基础  41-43
    2.2.1 管网模型校正定义及目的  41-42
    2.2.2 管网模型校正数据  42
    2.2.3 管网模型校正过程及方法  42-43
  2.3 给水管网物质运移模拟  43-48
    2.3.1 给水管网物质变化反应模型  43
    2.3.2 给水管网物质运移变化模拟  43-46
    2.3.3 给水管网余氯消毒的反应机制  46-48
  2.4 给水管网多种物质相互作用模拟基本概念和方法  48-54
    2.4.1 给水管网水中多种物质的物化反应  49-51
    2.4.2 给水管网多种物质混合求解方法  51-54
  2.5 本章小结  54-55
第3章给水管网水质模型参数校正  55-88
  3.1 给水管网模型校正  56-61
    3.1.1 给水管网水力模型校正  56-58
    3.1.2 给水管网水质模型校正  58-61
  3.2 基于蒙特卡洛水质模型参数不确定性研究  61-66
    3.2.1 水质模型不确定性因素分析  61-62
    3.2.2 蒙特卡洛不确定性分析方法  62-65
    3.2.3 参数不确定性的蒙特卡洛模拟步骤  65-66
  3.3 给水管网主体余氯衰减系数校核  66-72
    3.3.1 主体余氯衰减系数确定方法  66-67
    3.3.2 多水源不同水质混合的主体余氯衰减系数确定  67-72
  3.4 给水管网管壁余氯衰减系数校正  72-76
    3.4.1 管壁余氯衰减动力模型  72
    3.4.2 管壁余氯衰减系数校正目标函数  72-73
    3.4.3 管壁余氯衰减系数校正优化方法  73-76
  3.5 算例分析  76-86
    3.5.1 算例数据  76-77
    3.5.2 计算结果分析  77-86
  3.6 本章小结  86-88
第4章基于水质模型校正的采样点布置研究  88-108
  4.1 管网模型校正与采样点选取的关系  88-89
  4.2 水质模型不确定性评价研究  89-94
    4.2.1 水质模型不确定性评价基本理论  89-92
    4.2.2 水质模型不确定性评价模型  92-94
  4.3 采样点布置优化模型建立  94-97
    4.3.1 水质模型校正精度分析  94-96
    4.3.2 采样点优化布置目标函数和约束条件  96-97
  4.4 采样点布置优化模型求解  97-101
    4.4.1 多目标遗传算法  97-100
    4.4.2 基于NSGA-Ⅱ采样点布置优化模型求解  100-101
  4.5 算例分析  101-107
    4.5.1 算例数据  101
    4.5.2 计算结果分析  101-107
  4.6 本章小结  107-108
第5章给水管网二次加氯研究  108-130
  5.1 常规加氯方法存在的问题  108-109
  5.2 二次加氯研究的理论方法  109-110
  5.3 余氯与有机物反应衰减模型  110-113
  5.4 二次加氯点优化选址  113-118
    5.4.1 加氯点优化选址目标函数  113-115
    5.4.2 模型求解  115-118
  5.5 二次加氯的投加量优化  118-121
    5.5.1 二次加氯量优化数学模型  118-119
    5.5.2 二级加氯量优化求解方法  119-121
  5.6 基于余氯浓度的服务水平评价  121-122
  5.7 算例分析  122-129
    5.7.1 算例数据  122-125
    5.7.2 二级加氯优化算例结果  125-127
    5.7.3 二次加氯站布置前后服务水平对比  127-129
  5.8 本章小结  129-130
第6章实例研究  130-142
  6.1 引言  130
  6.2 管网描述  130-134
  6.3 水质模型参数确定与校正  134-137
    6.3.1 给水管网主体余氯衰减系数确定  134-136
    6.3.2 给水管网管壁余氯衰减系数校正  136
    6.3.3 校正结果的验证  136-137
  6.4 基于水质模型参数校正的采样点布置  137-139
  6.5 管网二次加氯研究  139-141
  6.6 本章小结  141-142
第7章结论与展望  142-145
  7.1 结论  142-143
  7.2 展望  143-145
参考文献  145-155
发表的学术论文目录  155-156
个人简历  156

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