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基于余氯和THMs的管网水质服务水平模型研究

作　者: 虞介泽
导　师: 张土乔
学　校: 浙江大学
专　业: 市政工程
关键词: 供水管网二次加氯管网水质服务水平三卤甲烷(THMs) 水质监测点误差
分类号: TU991.21
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

为了对管网水质运行情况进行评价,优化管网水质,本研究中采用扩展余氯-I/O模型和THMs-I/O模型作为计算基础,建立管网水质服务水平-加氯总费用多目标优化模型。此外,由于水质监测点在反映实际管网水质服务水平时存在误差,故本论文对管网水质服务水平进行了修正。首先,为使余氯-I/O模型在余氯快慢反应共存时仍适用,并且提高THMs各组分的计算效率,本文推导了扩展余氯-I/O模型和THMs-I/O模型。采用管网末端的饮用水和水厂滤后水各自进行了加氯实验。结果表明当初始余氯质量浓度大于某个阈值后,快反应在0.5小时内基本完成,水质监测点的余氯质量浓度与加氯点上参与慢反应的初始余氯质量浓度符合线性比例关系。基于实验结果,本文提出了扩展余氯-I/O模型的适用条件。在中试管网中验证扩展余氯-I/O模型,结果表明扩展余氯-I/O模型优于传统的余氯-I/O模型。采用基于余氯消耗的THMs各组分生成模型拟合THMs各组分的质量浓度。考虑温度、初始余氯质量浓度和溴离子质量浓度为影响因素,采用正交实验观察三因素对模型中的THMs各组分线性比例系数的影响。实验结果表明,THMs各组分线性比例系数受溴离子质量浓度的影响最大,而受温度和初始余氯质量浓度的影响较小。在中试管网中验证THMs-I/O模型,结果显示实测值与预测值间的相对误差在9%以内。其次,为研究管网水质运行情况的评价模型,本文引入余氯服务水平概念,初步探讨了管网水质服务水平评价函数,改进了二次加氯优化模型。参考余氯服务水平和《生活饮用水卫生标准》,建立了THMs各组分的服务水平。考虑加权平均值、加权连乘值和加权标准差三类函数,用于建立关联余氯及THMs各组分服务水平的管网水质服务水平表达式。本文采用管网水质服务水平-加氯总费用多目标模型对管网水质运行情况进行评价。结合一管网算例,采用EPANET_MSX模拟余氯衰减和THMs各组分生成,利用实数编码的非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)进行优化,得到各种情况下的Pareto前沿面。计算结果表明,加权平均表达式为关联余氯和THMs服务水平的最优方式。二次加氯点布置于水塔出水口和管网末端即可,过多的二次加氯点不仅不能显著提高管网水质服务水平,还会加大加氯总费用。余氯衰减系数对pareto面的影响最大,故改善水质更换老旧管道是提高管网水质服务水平且节省加氯总费用最可行的方法。最后,本文研究了水质监测点在反映实际管网水质服务水平时存在误差的现象,探讨了管网水质服务水平的修正。模拟结果表明,随着水质监测点数量的增加,误差有减小的趋势,但不呈现单调递减。当水质监测点数量较多时,误差可忽略。论文比较了水质监测点覆盖率和水质监测点数量占管网节点总数的比率拟合误差的效果,结果显示后者较优。通过一大型管网验证,结果表明修正后的管网水质服务水平更加接近于实际管网水质服务水平。本论文得到了水体污染控制与治理重大专项：饮用水水质监控预警及应急技术研究与示范(2008ZX07420-004)、潮汐影响地区饮用水安全保障技术集成与示范(2009ZX07424-001)和山地丘陵城市饮用水安全保障共性技术研究与示范(2009ZX07424-004)以及国家自然科学基金(51208455)的资助。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-11
符号清单  11-14
目次  14-18
1 绪论  18-31
  1.1 研究意义  18-21
    1.1.1 饮用水水质现状  18-19
    1.1.2 微生物与消毒副产物危害  19
    1.1.3 管网氯消毒情况  19-20
    1.1.4 本课题的研究意义  20-21
  1.2 研究背景与现状  21-28
    1.2.1 二次加氯与水质监测点优化  21-23
    1.2.2 余氯衰减模型  23-26
    1.2.3 消毒副产物生成模型  26-28
  1.3 研究内容与方法  28-31
    1.3.1 研究内容  28-29
    1.3.2 技术路线  29-31
2 扩展余氯I/O模型及THMs-I/O模型  31-76
  2.1 引言  31-32
  2.2 实验原理  32-35
    2.2.1 扩展余氯-I/O模型  32-33
    2.2.2 THMs-I/O模型  33-35
  2.3 实验材料与方法  35-38
    2.3.1 实验材料  35
    2.3.2 实验仪器  35-36
    2.3.3 实验方法  36-38
  2.4 实验方案与步骤  38-45
    2.4.1 快反应阈值验证方法  38-40
    2.4.2 快反应阈值测定方法  40-41
    2.4.3 次氯酸钠溶液投加量确定方法  41-42
    2.4.4 基于余氯消耗的THMs各组分生成模型实验  42-43
    2.4.5 扩展余氯-I/O模型及THMs-I/O模型中试管网验证  43-45
  2.5 实验结果与讨论  45-75
    2.5.1 快反应阈值验证  45-60
    2.5.2 快反应次氯酸钠投加量确定公式  60-62
    2.5.3 二次加氯下快反应分析  62
    2.5.4 THMs线性生成模型参数拟合  62-70
    2.5.5 扩展余氯-I/O模型  70-72
    2.5.6 THMs-I/O模型  72-75
  2.6 本章小结  75-76
3 二次加氯下余氯服务水平及其优化  76-106
  3.1 引言  76-77
  3.2 余氯服务水平  77-79
  3.3 基于服务水平的加氯点选址及投加优化  79-96
    3.3.1 余氯衰减模型  79-81
    3.3.2 余氯响应矩阵  81-82
    3.3.3 加氯问题一般模型  82-83
    3.3.4 改进的加氯点选址模型  83-85
    3.3.5 基于余氯服务水平的余氯投加优化  85-96
  3.4 余氯服务水平-加氯总费用的多目标优化  96-104
    3.4.1 多目标模型  96-99
    3.4.2 多目标算法(NSGA-Ⅱ)简介  99-101
    3.4.3 算例验证  101-104
  3.5 本章小结  104-106
4 考虑THMs的管网水质服务水平及其优化  106-135
  4.1 引言  106
  4.2 THMs各组分服务水平及其参数定义  106-108
  4.3 管网中的THMs-I/O模型推导  108-119
    4.3.1 模型推导  108-112
    4.3.2 算例验证  112-119
  4.4 THM服务水平-余氯服务水平多目标优化  119-126
    4.4.1 优化模型  119-120
    4.4.2 模型求解  120-121
    4.4.3 算例分析  121-126
  4.5 管网水质服务水平-加氯总费用多目标优化  126-134
  4.6 本章小结  134-135
5 基于水质监测点误差的管网水质服务水平修正  135-165
  5.1 引言  135
  5.2 水质监测点误差分析  135-146
    5.2.1 基于扩展余氯-I/O模型的水质监测点选址模型  136-137
    5.2.2 水质监测点误差  137-138
    5.2.3 误差随水质监测点数量变化分析  138-141
    5.2.4 水质监测点误差随加氯点变化分析  141-146
  5.3 算例验证  146-155
    5.3.1 水源加氯时只考虑余氯服务水平的误差变化验证  146-151
    5.3.2 水源加氯时考虑管网水质服务水平的水质监测点误差变化验证  151-154
    5.3.3 余氯投加优化时只考虑余氯服务水平的水质监测点误差变化验证  154-155
  5.4 基于水质监测点误差的管网水质服务水平修正式  155-160
  5.5 大型管网验证  160-163
  5.6 本章小结  163-165
6 结论和展望  165-167
  6.1 结论  165
  6.2 创新点  165-166
  6.3 进一步工作的展望  166-167
参考文献  167-177
作者简历  177
攻读博士学位期间巳发表和录用的学术论文  177

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