基于EPANET-MSX的供水管網(wǎng)不同水源混合控制方法

趙付勇,張藝媛

(新疆吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000)

1 分配系統(tǒng)中混合水質(zhì)建模

供水管網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)變化建模的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是管道壓力和流量數(shù)據(jù)。質(zhì)量建模過(guò)程本身是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，因?yàn)檫^(guò)程眾多，必須在數(shù)學(xué)方程中加以考慮。在這些方程中，必須找到：(1)描述反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的方程，考慮它們的順序。(2)描述體反應(yīng)和壁反應(yīng)的方程。(3)描述系統(tǒng)中快速和慢速反應(yīng)的方程。目前，研究人員正在努力建立適用于EPANET-MSX等水質(zhì)模型的方程，以充分反映影響系統(tǒng)水質(zhì)的過(guò)程。迄今為止，大多數(shù)的工作都是描述消毒過(guò)程的模型-氯衰減模型和副產(chǎn)物的形成。然而，許多提出的方程的實(shí)用性和普遍性尚未在供水模型中得到證實(shí)[1-2]。

分析管網(wǎng)水質(zhì)變化的一個(gè)重點(diǎn)是分析不同水源混合對(duì)自來(lái)水水質(zhì)的影響。資料[3-4]表明，這種水源混合或水源代替可能導(dǎo)致系統(tǒng)水質(zhì)惡化。長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，碳平衡不足被認(rèn)為是供水系統(tǒng)中混水水質(zhì)出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因[5]。目前，對(duì)輸送過(guò)程中水質(zhì)變化的分析，主要集中在與水接觸的材料表面形成的防腐保護(hù)層。如果從多個(gè)水源向系統(tǒng)供水，則形成該層的過(guò)程會(huì)受到干擾，這可能導(dǎo)致管網(wǎng)中發(fā)生的腐蝕加劇，水質(zhì)惡化。

為得到穩(wěn)定的供水水質(zhì)，需要按固定比例建立混合比模型，以保持水在其分布過(guò)程中的穩(wěn)定性。在以Sa、Sb、Sc的起始濃度混合含有S組分的三種水時(shí)，占混合水總體積比例分別為xa、xb、xc，則該組分在混合水中的濃度為式(1)：

Sm=xaSa+xbSb+xcSc

(1)

根據(jù)式(1)可以確定水在不同陰離子、陽(yáng)離子、溶解無(wú)機(jī)碳、酸度、堿度、離子強(qiáng)度和溫度等情況下的混合成分。對(duì)于在混合過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)，即H+、HCO3-、CO32-、CO2，其混合后的濃度必須在考慮化學(xué)平衡后才能確定。同樣，在EPANET-MSX水質(zhì)模型中，當(dāng)不同來(lái)源和不同質(zhì)量的水被輸送到供水管網(wǎng)時(shí)，與供水管網(wǎng)中的其他反應(yīng)相比，本任務(wù)中模型性能的驗(yàn)證通常是基于管網(wǎng)中氯的衰變反應(yīng)，即對(duì)建模相對(duì)簡(jiǎn)單的反應(yīng)。除此之外，在EPANET-MSX模型中，假設(shè)混合水的反應(yīng)速率系數(shù)是兩種混合水的反應(yīng)速率系數(shù)的加權(quán)平均值來(lái)解釋與分配系統(tǒng)中測(cè)量的實(shí)際氯濃度存在顯著差異[5]。

2 模型設(shè)計(jì)平臺(tái)

EPANET 允許用戶(hù)執(zhí)行三種類(lèi)型的基本分析：水力停留時(shí)間、對(duì)物質(zhì)擴(kuò)散的跟蹤以及對(duì)化學(xué)濃度變化的計(jì)算。可以在水混合分析中使用 TRACE 函數(shù)來(lái)確定在管網(wǎng)的任意節(jié)點(diǎn)上有多少水來(lái)自選定的水源。EPANET GUT允許檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)源，進(jìn)行一次模擬運(yùn)行。這意味著檢查多個(gè)水源水的混合比例易出現(xiàn)問(wèn)題。為了定義每個(gè)水源水的比例，用戶(hù)需要執(zhí)行單獨(dú)的模擬，用以讀取一個(gè)水庫(kù)的混合水比例。從結(jié)果分析的角度來(lái)看，能夠以多種形式顯示數(shù)據(jù)也很重要，例如混合比值的圖形圖表。

為了分析供水模型各個(gè)節(jié)點(diǎn)中所有水源的混合比，使用了將 EPANET 功能與 MATLAB相集成環(huán)境。這項(xiàng)工作的目的是搭建一個(gè)平臺(tái)，用戶(hù)可以在一次模擬運(yùn)行中分析管網(wǎng)中的水混合情況，以圖形形式顯示結(jié)果并進(jìn)行比較，然后使用系統(tǒng)計(jì)算各種變量的混合參數(shù)。

在EPANET GUI 中創(chuàng)建了用于分析樣品的供水模型，然后將其導(dǎo)出到 INP 文件。在MATLAB環(huán)境中讀取此文本文件中的模型，執(zhí)行具有自動(dòng)更改參數(shù)的多次仿真，并保存結(jié)果以進(jìn)行下一步處理，如圖 1 所示。

圖1 在仿真環(huán)境中集成工具示意

3 案例分析

搭建模型中可以檢查每個(gè)節(jié)點(diǎn)中不同來(lái)源水的混合比。在分析的示例中，對(duì)三個(gè)來(lái)源提供的簡(jiǎn)單環(huán)形供水系統(tǒng)進(jìn)行了建模。圖2顯示了管網(wǎng)圖和仿真結(jié)果，其中節(jié)點(diǎn)中確定的混合水量顯示出餅圖，即每個(gè)水源的混合比。

圖2 三個(gè)水源節(jié)點(diǎn)中水的混合比

在搭建模型中，可以計(jì)算隨時(shí)間推移每個(gè)節(jié)點(diǎn)的水混合值。該值會(huì)隨著采用的換水需求模式或泵控制時(shí)間表而變化。

圖3顯示對(duì)于一個(gè)選定節(jié)點(diǎn)Ⅰ，來(lái)自每個(gè)水源的水體積比的變化。EPANET程序假定時(shí)間為0時(shí)管網(wǎng)中充滿了水，結(jié)果顯示水不是來(lái)自任何來(lái)源。由此可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果只有在一定時(shí)間后才變得穩(wěn)定，此后整個(gè)供水管網(wǎng)中的水交換才會(huì)進(jìn)行。

圖3 選定節(jié)點(diǎn)Ⅰ供水模式

對(duì)于所分析的管網(wǎng)，由于管網(wǎng)中水的混合比隨時(shí)間變化，在夜間只有兩種來(lái)源水進(jìn)行混合。因此為了獲得可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，需記錄每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的水源混合比例。數(shù)據(jù)分析結(jié)果是水泵泵速控制算法的基礎(chǔ)。如圖4所示，泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低后水源Ⅱ供水模式中各來(lái)源水的比例。

圖4 選定節(jié)點(diǎn)Ⅱ供水模式

在搭建的測(cè)試平臺(tái)中，可以測(cè)試多種備選方案。使用此類(lèi)解決方案有助于選擇最佳方案,并確定大部分時(shí)間無(wú)法從各種來(lái)源獲得供水的區(qū)域，這有助于減少混合不同質(zhì)量水的負(fù)面影響。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)和EPANET-MSX功能庫(kù)的研究，仍然無(wú)法對(duì)管網(wǎng)中的水質(zhì)進(jìn)行完全建模,尤其是當(dāng)來(lái)自?xún)蓚€(gè)或多個(gè)不同來(lái)源的水在系統(tǒng)中混合時(shí)。局限性在于：(1)仍然沒(méi)有足夠的方程式來(lái)描述管網(wǎng)反應(yīng)。(2)確定反應(yīng)速率系數(shù)時(shí)存在問(wèn)題(尤其是位于混合區(qū)的管道壁反應(yīng))。(3)在可變壓力下水力模型的有效性檢驗(yàn)。

本文對(duì)來(lái)自?xún)蓚€(gè)或多個(gè)水源的水供應(yīng)管網(wǎng)時(shí)的混合水過(guò)程進(jìn)行了分析。擬訂的分析配置能夠根據(jù)指南中包含的列線圖，預(yù)測(cè)由混合過(guò)程導(dǎo)致的管網(wǎng)水質(zhì)變化。當(dāng)管網(wǎng)中混合水的質(zhì)量和混合比例需要精確控制時(shí)，所提供的信息將有助于控制供水管網(wǎng)水質(zhì)。