北方某城市供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型分析與應(yīng)用

李 偉， 尹學(xué)銳， 鄭勝達(dá)， 李春桐， 李俊江

(天津三博水科技有限公司，天津300100)

供水管網(wǎng)水質(zhì)安全是供水行業(yè)極為關(guān)注的焦點，掌握供水管網(wǎng)中不同節(jié)點處的水質(zhì)狀態(tài)尤為重要，供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型在計算分析和預(yù)測管網(wǎng)水質(zhì)變化方面具有明顯優(yōu)勢。基于供水管網(wǎng)水力微觀模型的水質(zhì)微觀模型對研究供水管網(wǎng)中水力運(yùn)行工況和水質(zhì)指標(biāo)的變化具有重要意義，在管網(wǎng)運(yùn)行管理的過程中只有盡可能的掌握供水管網(wǎng)水力運(yùn)行工況和水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)的時空變動特征，才能對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，科學(xué)有效指導(dǎo)生產(chǎn)和管理。供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型是在龐大而運(yùn)行復(fù)雜的供水管網(wǎng)中，獲得所需要的數(shù)據(jù)和管網(wǎng)運(yùn)行工況變化規(guī)律的有效工具。利用有限的管網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立精度較高的供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型，預(yù)測模擬全管網(wǎng)任意節(jié)點處的水質(zhì)指標(biāo)變化，從而制定新的生產(chǎn)和運(yùn)行方案，同時對其進(jìn)行定量分析，為尋求最優(yōu)的管網(wǎng)生產(chǎn)管理方案提供數(shù)據(jù)支撐。由于國內(nèi)供水管網(wǎng)大多以環(huán)狀和支狀聯(lián)合形式存在，水流工況和水質(zhì)反應(yīng)過程較為復(fù)雜，因此，本研究僅針對水齡增長和余氯衰減建立了相對完善的模型并進(jìn)行供水管網(wǎng)水質(zhì)分析。筆者闡述了管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型原理及影響模型變化的參數(shù)設(shè)置，以期為供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型的研究提供參考。

1 供水管網(wǎng)微觀水質(zhì)模型

供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型是基于管網(wǎng)水動力學(xué)和管網(wǎng)反應(yīng)動力學(xué)的機(jī)理建立的數(shù)學(xué)模型，反映了管網(wǎng)水質(zhì)變化規(guī)律并量化了管網(wǎng)水齡和管網(wǎng)余氯濃度間的關(guān)系。在管網(wǎng)水力微觀模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置影響管網(wǎng)水質(zhì)變化的參數(shù)，延時模擬出供水管網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)在管網(wǎng)運(yùn)行過程中的變化情況，按照涉及的水質(zhì)參數(shù)，分為水齡增長模型和余氯衰減模型，最終以計算機(jī)可視化形式展示管網(wǎng)水質(zhì)情況。

1.1 水齡增長模型

管網(wǎng)水齡是指管網(wǎng)水從水廠流到某一節(jié)點處所經(jīng)歷的平均時間，水齡越大表明水在管網(wǎng)中存留的時間越長，參與的物理化學(xué)反應(yīng)越多，消毒物質(zhì)濃度越低，消毒副產(chǎn)物的濃度越高，水質(zhì)相對越差。水齡主要受到管網(wǎng)水力運(yùn)行工況影響，包括管道中的水流狀態(tài)、流速、管網(wǎng)的空間布局等。

(1)串聯(lián)管線水齡計算

(1)

(2)并聯(lián)管線水齡計算

(2)

(3)環(huán)狀管網(wǎng)的水齡計算

在管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型中，其環(huán)狀管網(wǎng)節(jié)點的水齡計算機(jī)理是從水廠開始往管網(wǎng)末梢節(jié)點逐步循環(huán)計算，在模型應(yīng)用過程中，通過對某一節(jié)點的水源追溯來獲得該節(jié)點的水齡。

(3)

1.2 余氯衰減模型

供水管網(wǎng)余氯衰減模型是根據(jù)管網(wǎng)水動力學(xué)和物質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)制建立的數(shù)學(xué)模型。在管網(wǎng)水運(yùn)動和物質(zhì)反應(yīng)的過程中，余氯濃度在管道水的主體反應(yīng)和管壁上的物質(zhì)反應(yīng)中逐漸衰減，衰減速率的主要影響因素有管網(wǎng)加氯濃度、管網(wǎng)水力條件、管網(wǎng)水溫度、管網(wǎng)水酸堿度、管壁物質(zhì)及生物膜等。

不同級數(shù)的余氯衰減模型：

(4)

式中CL為余氯的極限濃度；kCl為余氯衰減系數(shù)；n為反應(yīng)級數(shù)；CCl為余氯濃度。

由于供水管網(wǎng)在空間分布、水流工況和物質(zhì)反應(yīng)過程的復(fù)雜性，余氯衰減系數(shù)在不同環(huán)境的實際管網(wǎng)中難以率定。趙明等[1]通過開展管道水余氯衰減系數(shù)測定實驗發(fā)現(xiàn)，余氯衰減系數(shù)隨著管道直徑的增大而減小，隨著溫度的升高而增大。Zhao等[2]研究發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)水力條件不僅影響余氯在管網(wǎng)水主體與管壁之間的傳質(zhì)系數(shù)，還可能導(dǎo)致管垢的脫落和沉積，進(jìn)而影響管壁上的余氯衰減系數(shù)。Clark等[3]采用回歸方法將反應(yīng)速率系數(shù)表達(dá)為管道水余氯濃度、酸堿度、TOC濃度和水溫的數(shù)學(xué)函數(shù)模型：

(5)

式中kCl為余氯衰減系數(shù)；CCl為管網(wǎng)水余氯濃度；a、b分別為余氯和氯反應(yīng)物質(zhì)的反應(yīng)系數(shù)；T為管網(wǎng)水溫度；TOC為管網(wǎng)水TOC濃度；pH為管網(wǎng)水酸堿度。

Rossman等根據(jù)管網(wǎng)水中余氯濃度在主體反應(yīng)和管壁反應(yīng)的水動力學(xué)機(jī)理和物質(zhì)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理，推導(dǎo)出了一級余氯衰減模型并應(yīng)用于WaterGEMS軟件中。

(6)

式中CCl為管網(wǎng)中某節(jié)點的余氯濃度；t為管網(wǎng)中該節(jié)點的反應(yīng)時間；kb為管網(wǎng)水主體反應(yīng)速率；kf為管網(wǎng)水主體和管壁上的傳質(zhì)系數(shù)；kw為管壁反應(yīng)的余氯衰減系數(shù)；D為管道直徑。

2 北方某城市供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型

2.1 管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型概況

北方某城市位于華北平原北部，東臨渤海，北依燕山。供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型規(guī)模為349.79×104km2，管徑分布在DN200～DN1 800，供水量為190×104m3/d，由4座水廠聯(lián)合供水，供水量分別為37.67×104，36.22×104，34.29×104和69.94×104m3/d。

供水管網(wǎng)水力微觀模型是供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型的基礎(chǔ)。建立供水管網(wǎng)水力微觀模型時先對供水管網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的排錯，包括孤立節(jié)點、孤立管段、管段管徑錯誤、閥門口徑錯誤、管線連接錯誤等；其次，對管網(wǎng)需水量進(jìn)行分配，包括對已知點位蓄水量就近節(jié)點分配和產(chǎn)銷差水量管網(wǎng)沿線平均分配；最后，對供水管網(wǎng)水力微觀模型進(jìn)行校核，控制98%的壓力監(jiān)測點的壓力誤差在±2 m以內(nèi)，80%的壓力監(jiān)測點在±1 m以內(nèi)，出廠流量誤差控制在±5%以內(nèi)，98%的管網(wǎng)流量監(jiān)測點誤差控制在±10%以內(nèi)。在實際管網(wǎng)水力微觀模型建設(shè)過程中，通過對模型的反復(fù)校核，100%的壓力監(jiān)測點的監(jiān)測值與模擬值的偏差在±2 m以內(nèi)，88%的壓力監(jiān)測點的監(jiān)測值與模擬值的偏差在±1 m以內(nèi)，100%出廠干管流量誤差<±4%；100%的管道流量占供水總量0.5%以上干管流量誤差≤±10%，滿足管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型的建設(shè)要求。

2.2 管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型參數(shù)設(shè)置

考慮到管網(wǎng)規(guī)模較大，空間分布復(fù)雜，在管網(wǎng)水齡增長模型中設(shè)置120 h計算時常，計算頻率為每小時1次。在余氯衰減模型中有4處加氯點，位于4個水廠，加氯量分別為1.3，1.2，1.3和1.2 mg/L。在管網(wǎng)水物質(zhì)反應(yīng)過程中，將管網(wǎng)水主體和管壁上的傳質(zhì)系數(shù)設(shè)為1.208e-009m3/s，管網(wǎng)水主體反應(yīng)為一級反應(yīng)，水主體反應(yīng)速率設(shè)為-0.1(mg/L)(1-n)/d，管壁物質(zhì)反應(yīng)為一級反應(yīng)，其管壁反應(yīng)余氯衰減系數(shù)為-0.08 m/d，默認(rèn)與管壁粗糙系數(shù)無關(guān)。

2.3 管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型模擬結(jié)果統(tǒng)計與分析

2.3.1水齡增長模型模擬結(jié)果統(tǒng)計

通過對管網(wǎng)水齡增長模型的模擬發(fā)現(xiàn)，管網(wǎng)整體水齡分布在60 h以內(nèi)，隨著水齡的逐漸增長，其在管網(wǎng)中的占比越來越小，但同時存在部分水齡大于108 h的節(jié)點。

表1 管網(wǎng)節(jié)點水齡占比Tab.1 Water age ratio of pipe network nodes

2.3.2余氯衰減模型模擬結(jié)果統(tǒng)計

通過對余氯衰減模型的反復(fù)校核，保證了92%的余氯監(jiān)測點監(jiān)測值與模擬值的誤差小于10%，滿足了余氯衰減模型在管網(wǎng)水質(zhì)管理中的應(yīng)用要求。通過余氯衰減模型的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，95.94%的管網(wǎng)節(jié)點余氯濃度大于0.05 mg/L，有4.06%的管網(wǎng)節(jié)點余氯濃度≤0.05 mg/L。

表2 管網(wǎng)節(jié)點余氯濃度占比Tab.2 Residual chlorine ratio of pipe network nodes

2.3.3管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型模擬結(jié)果分析

根據(jù)水齡增長模型和余氯衰減模型的模擬結(jié)果統(tǒng)計數(shù)據(jù)，有91.94%的管網(wǎng)水齡小于60 h，95.94%的管網(wǎng)余氯濃度大于0.05 mg/L。這表明供水管網(wǎng)整體水質(zhì)情況較好，但依然有小于5%的管網(wǎng)水齡較大，余氯濃度較低，可以推斷管網(wǎng)中存在小部分死水區(qū)域，管網(wǎng)水流動性較差且水質(zhì)狀況不佳。

3 結(jié)論

通過應(yīng)用供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型，可以從管網(wǎng)水齡和余氯濃度情況評估供水管網(wǎng)水質(zhì)健康狀態(tài)。建立供水管網(wǎng)水質(zhì)微觀模型后，建立水齡和余氯濃度彩色分析圖，直觀找到水齡較大、余氯濃度較低的管網(wǎng)區(qū)域。根據(jù)管網(wǎng)實際情況，設(shè)計不同的管網(wǎng)改造方案，預(yù)測模擬分析不同管網(wǎng)改造方案下，管網(wǎng)水質(zhì)健康狀態(tài)的變化情況，分析方案的可行性和有效性，發(fā)現(xiàn)并解決管網(wǎng)運(yùn)行可能存在的水質(zhì)安全問題，改善管網(wǎng)運(yùn)行健康狀態(tài)，加強(qiáng)管網(wǎng)的供水安全性和可靠性，為管網(wǎng)水質(zhì)管理提供直觀的數(shù)據(jù)支撐，為實現(xiàn)管網(wǎng)水質(zhì)精細(xì)化管理，提高運(yùn)營管理服務(wù)水平及保障供水安全性具有非常重要的意義。