供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址研究

程小溪

摘 要：在我國(guó)水污染問(wèn)題日益明顯、飲用水的安全隱患增多、突發(fā)性水污染事件發(fā)生頻繁的形勢(shì)下，我國(guó)的飲用水出現(xiàn)了不同程度的水質(zhì)變化，而這一問(wèn)題已經(jīng)成為了制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)安定的重要因素，所以重視飲用水監(jiān)測(cè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，在此過(guò)程中，在供水管網(wǎng)設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是對(duì)飲用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)的有效手段，而水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地址的選取是一個(gè)需要解決的主要問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)；優(yōu)化選址

引言

城市飲用水的安全問(wèn)題一直是社會(huì)各界廣泛關(guān)注的重點(diǎn).出廠水在通過(guò)復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到用戶的過(guò)程中，由于內(nèi)部或者外部的污染因素，水質(zhì)有可能發(fā)生惡化，在管網(wǎng)中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)而監(jiān)控整個(gè)管網(wǎng)的水質(zhì)狀況是保證供水安全的一種有效方法，目前，水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取一般為：消火栓、蓄水池、加壓站、商業(yè)建筑、公共建筑、民用建筑等，其中商業(yè)建筑和民用建筑取樣頻率最高，主要考慮到其取樣的方便性，如何合理地選擇水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍然是有待進(jìn)一步研究的課題。

1 供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址的意義

對(duì)供水管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)能夠保障飲用水水質(zhì)的安全。在供水管網(wǎng)中，部分點(diǎn)處的供水壓力降低只會(huì)降低對(duì)少數(shù)用戶的供水速度，而供水管網(wǎng)中的水質(zhì)一旦出現(xiàn)自身惡化或者是由于質(zhì)惡化等原因引起的突發(fā)性水質(zhì)污染將會(huì)在很大程度上威脅公眾飲水安全以及身體健康。事實(shí)上，在供水管網(wǎng)中設(shè)置盡可能多的監(jiān)測(cè)器來(lái)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)則能夠最大化地確保公眾飲水安全和身體健康，但是這種做法由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投資費(fèi)用過(guò)大而導(dǎo)致了在經(jīng)濟(jì)層面不可行。同時(shí)假設(shè)供水管網(wǎng)中的水質(zhì)不會(huì)發(fā)生變化，在水源處安置檢測(cè)器就可以解決水質(zhì)監(jiān)測(cè)問(wèn)題。當(dāng)前供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選址大多是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行，并沒(méi)有達(dá)到理論高度。

2 供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址方法

2.1常規(guī)供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址

常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址是為了滿足正常監(jiān)控條件下供水管網(wǎng)中水質(zhì)狀態(tài)，由于正常情況下供水管網(wǎng)中的水質(zhì)是漸變的，所以常規(guī)水檢測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址的主要目的在于找到能夠?qū)┧芫W(wǎng)水質(zhì)做出最大限度反應(yīng)的節(jié)點(diǎn)來(lái)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。LeeBH等人在管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)流理論的基礎(chǔ)上提出了覆蓋水量法，這種方法首先假設(shè)距離水源距離越遠(yuǎn)并且經(jīng)過(guò)時(shí)間越長(zhǎng)，供水管網(wǎng)中的水質(zhì)指標(biāo)就會(huì)越低。換而言之，如果供水管網(wǎng)中的某一節(jié)點(diǎn)水質(zhì)較好，那么該節(jié)點(diǎn)上游的水質(zhì)也不會(huì)有問(wèn)題，即這一節(jié)點(diǎn)的水質(zhì)可以指明節(jié)點(diǎn)上游的水質(zhì)。在此假設(shè)下通過(guò)對(duì)水力進(jìn)行分析來(lái)得到不同節(jié)點(diǎn)的路徑，然后根據(jù)得到的路徑獲得由元素w（i.j）構(gòu)成的矩陣。（w（i.j）指的是由上游的節(jié)點(diǎn)j流向下游的節(jié)點(diǎn)i的水量與所有流向i的總水量的比例），最后以一定的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)將矩陣轉(zhuǎn)換為整數(shù)規(guī)劃的問(wèn)題，從而確定能夠最大化獲得水質(zhì)信息的節(jié)點(diǎn)并在節(jié)點(diǎn)設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這種方法適用于供水管網(wǎng)水質(zhì)自然漸變情況下的檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置，對(duì)于外界因素導(dǎo)致的突發(fā)性水質(zhì)實(shí)踐中并不適用。Kumar等人在對(duì)lee的方法作出繼承的基礎(chǔ)建立了矩陣w并運(yùn)用貪婪啟發(fā)式算法對(duì)矩陣w進(jìn)行了重新的排列，從而是矩陣w在使用上更加方便。AL—Zahrani等在對(duì)lee的方法作出繼承的基礎(chǔ)上建立了矩陣w并通過(guò)遺傳算法的運(yùn)用來(lái)計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化后的選址布置。

這種覆蓋水量法不僅不適用于非常規(guī)的供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址，同時(shí)從工程學(xué)角度看，這種方法也存在幾個(gè)明顯的缺陷。第一，這種方法對(duì)供水管網(wǎng)中水力停留時(shí)間以及水質(zhì)空間分布欠缺考慮；第二，事實(shí)上，由于供水管網(wǎng)中存在擴(kuò)散效應(yīng)，所以節(jié)點(diǎn)下游的水質(zhì)也會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)上游的水質(zhì)造成影響，但是在覆蓋水量法中只對(duì)節(jié)點(diǎn)上游水質(zhì)對(duì)節(jié)點(diǎn)上游水質(zhì)的影響作出了考慮而忽略了節(jié)點(diǎn)下水質(zhì)對(duì)節(jié)點(diǎn)上游水質(zhì)的影響；第三，在對(duì)多個(gè)工況環(huán)境中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址進(jìn)行求解時(shí)，覆蓋水量的時(shí)間分布特征會(huì)對(duì)節(jié)點(diǎn)具有的代表性造成影響，而這種方法并沒(méi)有對(duì)這種影響作出考慮。針對(duì)這些問(wèn)題Harmantt在目標(biāo)函數(shù)內(nèi)將供水管網(wǎng)中水力停留時(shí)間因素添加減去，從而讓具有較長(zhǎng)存在時(shí)間的節(jié)點(diǎn)也有了成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的可能。woo等人通過(guò)權(quán)重計(jì)算法的運(yùn)用對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的修改，其中水質(zhì)越差的節(jié)點(diǎn)權(quán)重越高，所以存在時(shí)間越久的節(jié)點(diǎn)就越有可能成為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.2非常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址

覆蓋水量法可以說(shuō)是常規(guī)供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址工作中最為基礎(chǔ)且十分重要的理論之一，但是這種方法只能夠適用于正常情況下的水質(zhì)監(jiān)控點(diǎn)選取，而不能在突發(fā)性水污染事件中發(fā)揮出明顯作用。隨著突發(fā)性水污染事件的增多，人們對(duì)產(chǎn)生突發(fā)性水污染事件的可能性以及應(yīng)對(duì)突發(fā)性水污染事件的措施十分關(guān)注，所以提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址對(duì)突發(fā)性水污染事件的針對(duì)性成為了國(guó)內(nèi)外中國(guó)學(xué)者研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)課題。Kessler等人提出了一種能夠運(yùn)用于非常規(guī)污染事件水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址的方法，其中提出了監(jiān)測(cè)域、覆蓋域、監(jiān)測(cè)重復(fù)度三個(gè)定義。這種方法需要對(duì)一個(gè)服務(wù)水平進(jìn)行預(yù)選設(shè)定并建立管網(wǎng)模型，通過(guò)對(duì)水利模擬軟件的利用來(lái)模擬污染物的入侵并以模擬結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建有向圖，對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑做出計(jì)算并對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在通過(guò)污染物使整個(gè)供水管網(wǎng)所提供的水量受到污染。假設(shè)污染物從節(jié)點(diǎn)i被注入，當(dāng)污染物在通過(guò)節(jié)點(diǎn)j的時(shí)候供水管網(wǎng)已經(jīng)提供的水量少于q，則可以認(rèn)為在節(jié)點(diǎn)j設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)可以有效檢測(cè)到節(jié)點(diǎn)i發(fā)生的污染事件。這種方法可以獲得最佳的監(jiān)測(cè)點(diǎn)地址組合，并使水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)盡可能多的水質(zhì)污染事件。在地址的進(jìn)一步優(yōu)化中，如果兩個(gè)組合可以檢測(cè)到一樣多的水質(zhì)污染事件，則需要選擇具有較高檢測(cè)重復(fù)度的組合以確保水質(zhì)監(jiān)測(cè)的可靠性。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，人們對(duì)供水水質(zhì)的安全性問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注。為了在管網(wǎng)水質(zhì)發(fā)生問(wèn)題時(shí)做出及時(shí)處理，應(yīng)對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行有效地監(jiān)測(cè)。其中一項(xiàng)重要的任務(wù)就是如何在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾盟|(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使之能夠最大程度地反映整個(gè)管網(wǎng)的水質(zhì)狀況。

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