CN102201023A - 一种供水管网中卤代烷生成量预测模型的建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种供水管网中卤代烷生成量预测模型的建立方法，在模拟软件EPANET已建立的常规的供水管网动态水力模型下连续测试一个周期内供水管网相关水源点出水时的卤代烷随时间动态变化模式，计算出平均卤代烷浓度值；将平均卤代烷浓度值和卤代烷随时间变化模式输入供水管网动态水力模型中，测试确定主体水反应系数和管壁处反应系数并输入模型；创建卤代烷生成量模型并模拟计算出管网中任一节点和管段在任何时刻的卤代烷浓度大小，在供水管网中选取监测点实测卤代烷浓度，并将实测值与模拟值的差值与模型校核标准比较；能精确监测实际管网中的任一节点、任一管段、任一时刻的卤代烷含量及整个管网卤代烷的分布状态。
Description
技术领域
本发明涉及市政工程领域中的供水管网，具体涉及对供水管网中卤代烷生成量预测模型的建立。
背景技术
水经氯消毒进入供水管网后，与水中有机前驱物质发生反应生成消毒副产物三卤甲烷，三卤甲烷（THM）是饮用水中含量最大的消毒副产物，具有致癌、致畸作用，会引起肝、肾等器官的病变。对三卤甲烷建立生成模型，可以方便地对供水管网中的三卤甲烷含量进行预测。
哈尔滨商业大学学报，2008，24(6)，《给水管网中三卤甲烷数学模型》一文．由赵志领、赵洪宾、高金良等介绍了三卤甲烷生成的数学模型，其建立步骤是首先确定了三卤甲烷是在主体水以及管壁生长环的共同作用下生成的，然后进行实验得出主体水中三卤甲烷生成的计算公式描述为：TTHM b =5.1[Cl] 2-27.42[Cl] +TTHM 0 +temp 0.62+23.64，在管壁处生长环作用下三卤甲烷生成的计算公式描述为：TTHM w = [Cl](L 1 V a +L 2 (ΔV) b ) ，将主体水与生长环作用下的三卤甲烷生成模型结合，将其数学模型用于某市供水管网，得到其三卤甲烷形成模型为：TTHM = TTHM b +TTHM w =5.1[Cl] 2-27.42[Cl] +TTHM 0 +temp 0.62+23.64+[Cl](L 1 V a +L 2 (ΔV) b ) ；最后通过在该市管网中实测，确定模型参数，得到三卤甲烷模型为：
TTHM=TTHM b +TTHM w=5.1[Cl] 2 -27.42[Cl]+TTHM 0 +temp 0.62+23.64+[Cl](8.6V 3.1+26.3(ΔV)1.3)。该模型的缺陷是：
1、仅给出了计算公式，并没有通过实际管网验证模型是否满足精度要求；
2、给出的计算公式仅能单独计算某个节点或某单个管段的三卤甲烷含量，却无法即时监测和动态模拟整个管网任一节点、任一管段的三卤甲烷含量变化及分布情况；
3、虽然确定了三卤甲烷的生成从主体水和管壁两个方面因素来考虑，但实际应用价值小，对于不同的管网数学模型都要重新设置，需要测量的参数多难度大。
目前，模拟软件EPANET应用于实际管网的模型有水力模型、余氯衰减和节点水龄模型，但尚未涉及到三卤甲烷模型。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的缺陷，提供一种供水管网中卤代烷生成量预测模型的建立方法，以模拟软件EPANET为平台，在供水管网动态水力模型的基础上建立卤代烷生成量的模型，动态模拟管网中任一节点、任一管段、任一时刻的卤代烷含量及整个管网卤代烷的分布状态，并可将其应用到实际管网中。
本发明采用的技术方案是依次采用如下步骤：1）在模拟软件EPANET已建立的常规的供水管网动态水力模型下连续测试一个周期内供水管网相关水源点出水时的卤代烷随时间动态变化模式，计算出该周期内的平均卤代烷浓度值，并绘制卤代烷浓度变化模式曲线图；2）将平均卤代烷浓度值和卤代烷随时间变化模式输入供水管网动态水力模型中，测试确定主体水反应系数K b 和管壁处反应系数K w并输入供水管网动态水力模型；主体水反应系数K b = R/ (C L -C)；管壁处反应系数K w= R/ [(A/V) C n] = R/ [(A/V) C]；R??是浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；C L??是卤代烷的界限浓度；C是平均卤代烷浓度值；(A/V)是管道内单位容积的表面积；3）创建卤代烷生成量模型并模拟计算出管网中任一节点和管段在任何时刻的卤代烷浓度大小，即模拟值；4）在供水管网中选取监测点实测卤代烷浓度，并将实测值与所述模拟值的差值与模型校核标准比较，若差值超过模型校核标准，则不满足模型精度要求，重新校核修正输入的各参数，对实测值与模拟值继续进行比较，直到两者差值满足模型校核标准即得出供水管网中卤代烷生成量预测模型。
本发明采用上述技术方案后的有益效果是：
1、采用模拟软件EPANET建立卤代烷生成量模型，该模型实际应用价值高，应用更加广泛。
2、主体水处和管壁处两个区域卤代烷的生成属于一级饱和增长动力学模型，能够动态模拟预测供水管网中任一节点、任一管段、任一时刻的卤代烷浓度变化分布情况，从而可精确监测实际管网中的任一节点、任一管段、任一时刻的卤代烷含量及整个管网卤代烷的分布状态，覆盖范围更广，更全面。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；
图1是本发明的流程图；
图2-5是本发明一个实施例图。
具体实施方式
本发明利用模拟软件EPANET为平台建立常规的供水管网动态水力模型，动态模拟供水管网任一时刻的水压、流量、流速、流向等基础数据；实测供水管网相关水源点出水卤代烷随时间动态变化模式；确定卤代烷生成模型动力学参数，即主体水反应系数K b和管壁处反应系数K w；动态模拟出各节点和各管段的卤代烷浓度；通过监测点的实测值修正模型精度，得出满足精度要求的卤代烷生成量预测模型。具体步骤如下：
参见图1，首先，在模拟软件EPANET已建立的常规的供水管网动态水力模型下，连续测试一个周期内供水管网相关水源点出水时的卤代烷随时间动态变化模式；计算出该周期内的平均卤代烷浓度值，并绘制其随时间变化模式曲线图；然后将平均卤代烷浓度值、卤代烷随时间变化模式输入供水管网动态水力模型中；测试并确定动力学参数主体水反应系数K b 和卤代烷管壁处反应系数K w并输入供水管网动态水力模型。
主体水反应系数K b 的确定方法如下：
通过管道中主体水和管壁处两个区域反应跟踪卤代烷的增长，在主体水处，自由氯与水中天然有机物反应；在管壁处，氯与附着在管壁上的藻类等其它前驱物质发生反应，存在管壁生长环作用。模拟软件EPANET具有模拟n级反应动力学的主体水反应功能，其中，反应的瞬时速率依赖于浓度，同时也考虑到卤代烷极端增长中存在着极限浓度反应，卤代烷属于一级饱和增长反应动力学模型，即：
K b = R/ [(C L -C) C (n-1)] = R/ (C L -C)
式中K b —主体水反应系数，K b ＞0；
R??—浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；
C—卤代烷浓度值；
n—反应级数，n=1；
C L??—卤代烷的界限浓度，C L ＞0，是指卤代烷相对于某种水体在主体水反应生成的一个趋于稳定的浓度值。
主体水反应系数K b 常随着温度的增加而增加，取决于原水的水质，由实验测出。主体水反应系数K b 可通过静置水样来测试，分析瓶中卤代烷随时间动态变化的量。
对于一级反应，自然对数(C L -C 0 )/(C L -C t )与时间t的曲线为一条直线，其中C L 为卤代烷的界限浓度，C t 为t时刻卤代烷的浓度，C 0 为零时刻卤代烷的浓度，于是K b 由该直线的坡度（斜率）来估计，相关系数为0.999以上即可。
管壁处反应系数K w 的确定方法如下：
靠近管壁处的水质反应速率可认为取决于主体水的浓度，卤代烷管壁反应级数n=1，属于一级饱和增长反应动力学模型，即采用以下公式：
K w = R/ [(A/V) C n] = R/ [(A/V) C]
式中：K w ——管壁处反应系数；
R??—浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；
(A/V)——管道内单位容积的表面积；
C—卤代烷浓度值；
管壁处反应系数K w取决于水温，与管龄和管材相关，由现场连续多次实测得出或者由模拟人员模拟实际情况设置。
对上述输入了平均卤代烷浓度值、卤代烷随时间变化模式、主体水反应系数K b 和卤代烷管壁处反应系数K w的EPANET供水管网动态水力模型创建卤代烷生成量模型。对创建的卤代烷生成量模型，选择模拟周期，水力水质步长，输出水质数据的时间间隔，在软件内部通过水质计算得出管网中任一节点和管段在任何时刻的卤代烷浓度大小，即得到模拟值。为验证模拟出的卤代烷浓度是否符合实际情况，需依据水质监测点布置原则和管网特征在供水管网中选取监测点实测卤代烷浓度，并将实测值与模拟值进行比较，计算两者差值（∣模拟值-实测值∣），并将其与模型校核标准进行比较；若差值大小超过模型的校核标准，即不满足模型精度要求，此时需对模型进行重新校核修正输入的各参数（平均卤代烷浓度值、卤代烷随时间变化模式、主体水反应系数K b 和卤代烷管壁处反应系数K w ），再对实测值与模拟值继续进行比较，直到两者差值满足模型校核标准，此时可认为模型已满足精度要求，模型建立完毕，得出供水管网中卤代烷生成量预测模型。
以下提供本发明的一个实施例。
实施例
连续测试一个周期内某水源出水三卤甲烷随时间动态变化模式，计算出的该周期内的平均三卤甲烷浓度值见下表1，绘制其随时间变化模式曲线图如图2所示；然后将平均卤代烷浓度值、卤代烷随时间变化模式输入已建立的供水管网动态水力模型中；测试并确定动力学参数主体水反应系数K b 和三卤甲烷管壁处反应系数K w见表1，并输入到供水管网动态水力模型中，创建卤代烷模型。为验证模型，在管网中选取多个监测点进行三卤甲烷实测。同一节点三卤甲烷实测值与模拟值对比见图3所示；任一监测点两者差值远远小于允许误差（30??g/L），因此利用此建模方法建立的三卤甲烷水质模型符合实际，能较准确地反映三卤甲烷在管网中浓度分布的真实情况，能够动态模拟管网中任一节点和管段的三卤甲烷浓度变化情况。
表1
平均三卤甲烷浓度/ |
主流区反应系数K b??/ d-1 | 管壁处反应系数K w /m/d |
| 16.2 | 0.12 | 0.01 |
通过供水管网三卤甲烷生成量模型的模拟，可以得到供水管网任何时刻、任一节点和管段的三卤甲烷浓度值。从三卤甲烷模型中还可以输出如图4、图5所示的单独某个节点、管段一个周期内三卤甲烷浓度随时间的动态变化情况，图4是某监测点在 24h内三卤甲烷生成量模拟结果图，图5是某管段在 24h内三卤甲烷生成量模拟结果图，模拟结果符合实际。
Claims (1)
1.一种供水管网中卤代烷生成量预测模型的建立方法，其特征是依次采用如下步骤：
1）在模拟软件EPANET已建立的常规的供水管网动态水力模型下连续测试一个周期内供水管网相关水源点出水时的卤代烷随时间动态变化模式，计算出该周期内的平均卤代烷浓度值，并绘制卤代烷浓度变化模式曲线图；
2）将平均卤代烷浓度值和卤代烷随时间变化模式输入供水管网动态水力模型中，测试确定主体水反应系数K b 和管壁处反应系数K w并输入供水管网动态水力模型；主体水反应系数K b = R/ (C L -C)；管壁处反应系数K w= R/ [(A/V) C n] = R/ [(A/V) C]；R??是浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；C L??是卤代烷的界限浓度；C是卤代烷浓度值；(A/V)是管道内单位容积的表面积；
3）创建卤代烷生成量模型并可模拟计算出管网中任一节点和管段在任何时刻的卤代烷浓度大小，即模拟值；
4）在供水管网中选取监测点实测卤代烷浓度，并将实测值与所述模拟值的差值与模型校核标准比较，若差值超过模型校核标准，则不满足模型精度要求，重新校核修正输入的各参数，对实测值与模拟值继续进行比较，直到两者差值满足模型校核标准即得出供水管网中卤代烷生成量预测模型。
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