基于gis的管网末梢水质模拟方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于GIS的管网末梢水质模拟方法，根据小区管网末梢节点与管段之间的流入流出关系，并结合有容节点和无容节点的特点，分别建立了有容节点和无容节点的余氯衰减模型，将已知的数据代入此模型，即可得到有容节点和无容节点的余氯浓度，进而获知水质状况。由于余氯衰减模型加入了对水质产生影响的各种参数，因而形成了算法科学、仿真度较高的水质评价方法，可快捷、全面地了解供水管网末梢的余氯衰减等变化情况，较准确、客观地对管网末梢水质做出科学评价。
【专利说明】
基于GIS的管网末梢水质模拟方法
技术领域
[0001] 本发明设及城市供水技术领域，具体设及一种基于GIS的管网末梢水质模拟方法。
【背景技术】
[0002] 达标水体从水厂到用户的输送过程中，由于水质自身在管网的变化和外部的二次 污染等因素的影响，将最终导致供水水质不同程度的下降。据调查，中国管网水质合格率较 出厂水下降0.88个百分点，其中浊度平均比出厂水高0.3NTU，细菌总数增加4倍左右.合格 率约为97%，而大肠杆菌更只有90%左右的合格率。人们日益认识到饮用水安全输配对水 质保障的重要性，可W说，水质保障技术的重屯、已逐渐由水厂向管网转移。
[0003] 给水管网系统的水质分析基本上包括两种方式，一种是直接的在给水管网中抽样 测试，另一种是利用计算机数学模型来进行水质模拟。直接在给水管网中抽样测试通常是 根据管网系统的具体应用和有关水质标准和规定，选择某些水质参数进行检验。运种方式 主要是为了管网水质监测的目的，具有广泛的应用领域。尽管它有不可替代的作用，但运种 方式仍然具有价格高，在实际管网监测过程中易受到实际工程条件限制的缺点。由于城市 给水管网具有面积大、分支多、铺设年代不一致、管材特性不同等特点，难W仅靠人工监测 方式对整个管网各管段水质产生实时、全面地了解。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于GIS的管网末梢水质模拟 方法，W便准确、客观地对管网末梢水质做出科学评价。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
[0006] 根据流入节点的水量是否在该节点逗留，将管网末梢的节点分为有容节点和无容 节点；
[0007] 对于有容节点，按照下式模拟余氯的浓度 [000引
[0009] 式中，S表示有容节点；
[0010] Vs表示t时刻有容节点S的实际胆水容积；
[OOW Cs表示t时亥贿容节点S内余氯的浓胺
[0012] Qi、U分别表示管段i的流量和长度，管段i为流向有容节点S的管段；
[OOU] Ci|x=L康示t时刻管段i的x = Li处的余氯浓度，x = 0处为管段i的水流起点；
[0014] Qj表示管段j的流量，管段j为从有容节点S流出后流入的管段；
[001引Is、Os分另懐示流入、流出有容节点S的管段集合；
[0016] r表示余氯的反应变化函数；
[0017] 对于无容节点，采用下式模拟余氯的浓度：
[001 引
[0019] c为无容节点的余氯浓度，t为主水源到无容节点所用的时间，k为余氯衰减系数， η为管段水力半径，kb为水体衰减系数，kf是传质系数，kw是管壁衰减系数。
[0020] 本发明根据小区管网末梢节点与管段之间的流入流出关系，并结合有容节点和无 容节点的特点，分别建立了有容节点和无容节点的余氯衰减模型，将已知的数据代入此模 型，即可得到有容节点和无容节点的余氯浓度，进而获知水质状况。由于余氯衰减模型加入 了对水质产生影响的各种参数，因而形成了算法科学、仿真度较高的水质评价方法，可快 捷、全面地了解供水管网末梢的余氯衰减等变化情况，较准确、客观地对管网末梢水质做出 科学评价。
【附图说明】
[0021 ]图1为水龄计算流程示意图；
[0022] 图2为实验小区的GIS图；
[0023] 图3为实验区A、B、C、D四个供水区分布示意图；
[0024] 图4为实验区二次供水用户终端节点选取示意图；
[0025] 图5为某节点连续48小时内的水龄模拟值变化情况；
[0026] 图6为某节点连续48小时内模拟值的余氯变化情况；
[0027] 图7为管网末梢点GA周期水龄变化情况；
[0028] 图8为管网末梢点GA流量的变化情况；
[0029] 图9为管网末梢点GA余氯实测值和模拟值的变化情况；
[0030] 图10为不同监测点在各时间点上的水龄变化情况；
[0031] 图11为不同监测点在各时间点上的余氯变化情况。
【具体实施方式】
[0032] 本项发明的侧重点在于结合GIS技术对二次供水配水系统中水力、水质变化的相 关指标进行动态模拟。根据监测点的有效数据，推测出管网中其它各处的水质状况，进而对 整个给水管网系统的水质状况进行有针对性的评估，提高管网末梢水质管理的水平，提高 城市供水的安全性、可靠性和经济性。
[0033] 管网水质数学模型已经逐渐被认同作为预测给水管网系统中水质随空间和时间 的变化而变化的有效工具。给水管网系统水质模型可分为二个主要类型，一是关注影响管 网水质的化学、物理特性的变化和转换过程，一是关注管网系统中微生物的控制。利用计算 机数学模型来进行水质模拟能够较精确获得管网末梢的水质变化情况。
[0034] 根据质量守恒和反应动力学理论，在一定的反应速率条件下，溶解性物质在管道 内的浓度变化是一个一维迁移反应方程。在管段相交汇处或有管网系统W外的水流注入的 节点处，认为流体是瞬时完全混合的。根据流入节点的水量是否在该节点逗留，将管网中的 节点分为有容节点(水流流入运类节点后要存胆一段时间再流出）和无容节点(流入该节点 的水立刻流出）。对于有容节点，如水塔、水池等，需考虑节点容水量中溶解性物质的反应变 化，假设在管网的调节构筑物中流体是完全混合的，余氯衰减变化采用W下模型计算：
[0035]
[0036] 式中，S表示有容节点；
[0037] Vs表示t时刻有容节点S的实际胆水容积；
[003引 Cs表示t时刻有容节点S内余氯的浓度；
[0039] 化、Li分别表示管段i的流量和长度，管段i为流向有容节点S的管段；
[0040] Ci|x=L康示t时刻管段i的x = レ处的余氯浓度，x = 0处为管段i的水流起点；
[0041] Qj表示管段j的流量，管段j为从有容节点S流出后流入的管段；
[0042] ls、0s分别表示流入、流出有容节点S的管段集合；
[0043] r表示余氯的反应变化函数；
[0044] 对于无容节点，节点的水流来自不同的水源，且进入该节点的流量也各不相同，余 氯衰减随时间变化情况一般按余氯衰减一阶反应模型进行计算。
[0045]
[0046] C为水体中余氯浓度(mg/L)，t主水源到某点(节点）的所用时间（秒）；k为反应速率 常数，也称总衰减系数，rh为管段水力半径(m);模型中把氯的衰减反应处理为一级反应，认 为氯在管网中的衰减可分为水体消耗化b水体衰减系数，单位为mirTi)和管壁消耗化f是传 质系数，单位为m/min;kw是管壁衰减系数，单位为m/min)两个组成部分。余氯衰减常数，因 管道材料、口径不同而异，k的范围介于10-3和10-5间，对于特定的供水管网系统，k值应通过 水质检测数据校正。
[0047] 余氯是一种水质基本指标，水龄不属于水质指标，但却是影响水质指标的重要因 素。W上是余氯衰减模型，下面介绍水龄计算模型。
[0048] 在供水管网中，节点的水龄等于流向该节点的所有水流水龄W流量为权的加权平 均值，而流向该节点任一管段的末端（即流入该节点的那一端)水龄即等于其始端水龄与水 流流经该管段所用的时间之和，故建立模型：
[0049]
[0050] MT---水源节点（定压节点)集合；
[0051] Μ---非水源节点(变压节点)集合
[0052] Sj---与节点j相邻的流向节点j的所有节点集合(即使得qu〉〇的所有节点i)
[0053 ] t i，t j--节点i、j的水龄(单位:s)
[0054] i---与节点j相邻的节点
[005引qij---节点i与j间的管段流量(单位:m3/s)
[0056] Lu-一节点i与j间的管段管长(单位:m)
[0057] vij--节点i与j间的管段流速(单位:m/s)
[0058] 经过平差计算即可得出91如1八山同时各个管段的流向也已知的情况下，可求出 Sj，故此时便可W利用已知的ti求得未知的tj。因为水源点的水龄已知，则可W将其代入上 式，顺次求出各个水龄未知节点的水龄值tj。计算时为防止重复求解同一节点，对所有的节 点赋予一属性solve,用W区分水龄已知和未知节点，规定:若节点j水龄已知或已求解，贝U solvej = l;否则，solvej = 0。显然，在求解前即有：
[0化9]
[0060]将solve的取值作为初始条件代入式水龄计算模型，进行求解。每次只对符合如下 条件的节点进行求解:该节点水龄未知，且水流流向该节点的所有相邻节点的水龄已知。一 般第一轮求解，只可能对一部分节点求解，并且是从与水源相关联的节点开始的。而进行第 二轮、第Ξ轮求解时，求解出水龄的节点数迅速增加，一般只要经过很少的遍历次数，就可 W遍历所有节点，求解出它们的水龄值。计算的流程图如图1所示(num为非水源节点总数，k 为总的遍历次数）。
[0061 ]下面W-个具体的实施例验证余氯衰减模型和水龄计算模型的效果。
[0062] -、实验区选取
[0063] 本发明选择某小区的二次供水设施及用户终端为试点（如图2所示），该实验区用 水均为生活用水，占地面积90000平方米，建筑面积30000平方米，共有1597户住户，用水人 口4970人。实验区共有两个进水口，其供水管网管材包括球墨铸铁管和钢塑复合管两种。该 小区用水性质单一，面积适中，监测点获取的数据精确度较高。在小区北口入口与小区A2栋 楼顶建设两套水质在线监测仪器。
[0064] 二、水龄分析结果
[0065] 实验区共有两个入水口，两个累房，四个供水区(A、B、C、D区），A、D区由同一个累房 供水(入水口 RAD，水池 S1、S2，水累组GAD、DAD)，B、C区由另一个累房供水(入水口 RBC，水池 S3、S4，水累组GBC、DBC)，其中十Ξ层及W下由低压累供水，十Ξ层W上由高压累供水，其管 网水力工况如图3所示。
[0066] Ξ、水质分析
[0067] 3.1余氯模拟分析
[0068] W常溫20°C、实验区水源余氯浓度为Img/L作为初始条件进行水质分析模拟，图6 显示自计算时间起实验区内某节点连续48小时内余氯的变化情况。
[0069] 3.2管网末梢余氯衰减与管网水龄的对应关系
[0070] 根据管网模型对试验区进行水龄和流量的计算与分析，在此基础上对管网末梢各 时间段余氯变化做出评价与比较。设供水管网模型中水源点的水龄为零，根据前面对水龄 反应速率的假设，对管网末梢点水龄和流量进行模拟计算，得到整个管网末梢余氯衰减与 管网水龄的对应关系，并选取一些代表性节点对其模拟结果进行分析。
[0071 ] (1)同一节点不同时间点的变化分析
[0072] W(A区十Ξ层W上用户终端为例，某连续24小时水龄的变化情况。从图7可看出该 点在连续时间点上水龄的变化呈先扬后抑的波动趋势，水龄最大值出现在即寸，主要原因是 实验区采用二次供水的形式，饮用水经水池储存、水累加压后，通过管道再供用户使用，管 网末梢点的水龄由两部分时间相加得到，一是自来水从水源处流至水池并在水池中停留的 时间，二是停留在水池中水再经管道流至管网末梢的时间。运两部分时间共同决定了管网 末梢点的水龄，其中生活饮用水在水池中停留的时间成为影响管网末梢水龄的最主要因 素。由于夜间用水量大幅减少，自来水在水池或管道中停留的时间增加而导水龄增长的速 度加快。伴随白天用水量的增加，9时处节点水龄小幅下降。随着午后用水量的持续增加，12 时至24时运段时间内节点水龄呈现明显回落趋势，并在21时达到该连续时段内的最低值。 用水高峰时段，随着用户用水量的增大，给水管道中的水流速度变大，使得水在管道中的停 留时间变短即水龄变小，同时水中余氯的衰减W及与管壁的反应相应减少，使得对应节点 的余氯浓度增大，反之亦然。可见，水龄的变化趋势与二次供水用户终端的用水量及自来水 二次供水水池的停留时间存在对应关系。
[0073] W该点某连续24小时内的变化为例(流量变化见图8，水龄变化见图7，余氯变化见 图9)，总结余氯与水龄、流量之间的对应关系：
[0074] 水龄在0时至6时运一时间段内增速最快，原因在于凌晨时间段用水量为全天最 低，生活饮用水在水池或管网中停留时间增加，导致水龄增速加快，余氯浓度在此时间段内 随水龄的增加而逐渐减少。在9时至12时运一时段内，随着早上用水高峰的到来，管网中的 水得到更新，水龄增速有所下降，余氯浓度小幅上升。用水量在12时至1卵寸运一时段内呈先 抑后扬的趋势，用水量在午后有所回落，下午15时至19时随着用水量持续增加，水龄增速放 缓，该时间段期末（19时）的余氯值高于期初（12时）的余氯值。在19时至24时运一时段内，用 水量处于一天中的高位阶段。运一时段流量呈先扬后抑的趋势，用水量自21时开始有所回 落，该点水龄小幅回升;余氯值在水量及水龄的影响下，在24时处达到新的峰值。
[0075] (2)不同监测点同一时间点的变化分析
[0076] 如图10、图11分别显示的是4个监测点在某连续24小时内不同的监测点（9:00)、 (12:00)、（19:00)、（24:00)内余氯和水龄的变化规律。
[0077] 从水龄曲线的走势看，GA和GD监测点在各时间点上的水龄明显高于GB、GC点，结合 实验区内供水管网的水力工况来看，产生运种情况的原因主要在于AD区的实际用水量小于 BC区的实际用水量，导致饮用水在水池或管网中停留时间较长，从而使得该区管网末梢的 水龄较大。从余氯曲线的趋势看，卵寸与12时、19时与24时的余氯曲线相似程度较高，运与一 天时间内卵寸至12时、19时至24时两个用水高峰段的出现有间接的关系。在二次供水的过程 中，用户终端的用水量对管网末梢的水龄和余氯存在一定影响。一般情况下，随着用户终端 用水量增大，水池或管网中的水得到更新，管网末梢水龄相应减少或增速放缓，管网末梢余 氯与该点水龄呈反比，但余氯的增加或减少可能存在滞后效应。当管道的水流速度增大时， 管网中对应节点的水龄变小、余氯浓度增大。运是因为在用水高峰时段，各用户的用水量增 大，给水管道中的水流速度变大，使得水在管道中的停留时间变短即水龄变小，同时水中余 氯的衰减W及与管壁的反应相应减少，使得对应节点的余氯浓度增大，反之亦然。
[0078] 四、模型验证与精度分析
[0079] 4.1二次供水蓄水池余氯模拟精度
[0080] 在水池余氯浓度模拟过程中，假设蓄水设施的物质是完全混合，在完全混合状态 下，通过水池的物质尝试是当前含量与任何进水含量的混合。从模拟效果来看，模拟值在时 间序列上的变化曲线与实测值保持基本一致，余氯残差均值为〇.l〇4mg/L(标准差为 0.092mg/L，均值标准误为0.023)，模拟效果良好。
[0081] 总体上余氯动态模拟的拟合情况较理想，36时的余氯残差值W及GD(D区十Ξ层W 上用户终端)点的余氯残差值模拟精度最高，分别为-0. 〇24mg/L(标准差0.378mg/L，标准误 0.134mg/L)和0.009mg/L(标准差0.043mg/L，标准误0.015mg/L)。
[0082] 综上，W住宅区的二次供水为例，管网末梢水龄的变化与供水方式有间接的关系。 实验区采用二次供水的形式，饮用水经水池储存、水累加压后，通过管道再供用户使用，管 网末梢点的水龄由两部分时间相加得到，一是自来水从水源处流至水池并在水池中停留的 时间，二是停留在水池中水再经管道流至管网末梢的时间。运两部分时间共同决定了管网 末梢点的水龄，其中生活饮用水在水池中停留的时间成为影响管网末梢水龄的最主要因 素。水龄随用水总量的变化W及水池水量的补充而产生相应的变化，最终体现在余氯波动 上的变化上。一般情况下，余氯浓度与水龄的变化趋势互补，即水龄短的时刻所对应的余氯 浓度大，水龄大的时段则余氯浓度较小。
[0083] 由试验结果可知，在用水高峰时段，用户的用水量增大，给水管道中的水流速度变 大，使得水在管道中的停留时间变短即水龄变小，同时水中余氯的衰减W及与管壁的反应 相应减少，使得对应节点的余氯浓度增大，反之亦然。由试验结果还可知，实验区水源点、管 网末梢点各处的余氯在实验时间内管网末梢水的游离余氯大于0. 〇5mg/L，且管网末梢点的 余氯(波动幅度为0.27mg/l-0.59mg/L)均优于国家标准要求。
[0084] 此外，在试验数据基础上采用一级衰减动力学模型构建余氯衰减动力学模型，从 余氯模拟值与实测值的曲线图可W看出，总体上余氯动态模拟的拟合情况较理想，与实际 吻合良好。
[0085] 上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用W限制本发 明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。
【主权项】
1. 一种基于GIS的管网末梢水质检测方法，其特征在于，包括步骤： 根据流入节点的水量是否在该节点逗留，将管网末梢的节点分为有容节点和无容节 占. 对于有容节点，按照下式模拟余氯的浓度式中，S表示有容节点； Vs表示t时刻有容节点s的实际贮水容积； Cs表示t时刻有容节点s内余氯的浓度； Qi、U分别表不管段i的流量和长度，管段i为流向有容节点s的管段； Ci | x=u表示t时刻管段i的X = U处的余氯浓度，x = 0处为管段i的水流起点； Qj表示管段j的流量，管段j为从有容节点s流出后流入的管段； Is、〇s分别表示流入、流出有容节点s的管段集合； r表示余氯的反应变化函数； 对于无容节点，采用下式模拟余氯的浓度：c为无容节点的余氯浓度，t为主水源到无容节点所用的时间，k为余氯衰减系数，rh为管 段水力半径，kb为水体衰减系数，kf是传质系数，kw是管壁衰减系数。2. 根据权利要求1所述的基于GIS的管网末梢水质检测方法，其特征在于， 还包括步骤:按照下式计算管网末梢节点的水龄：MT表示水源节点的集合，Μ表示非水源节点的集合，i表示与节点j相邻的节点，Sj表示与 节点j相邻的流向节点j的所有节点集合，ti，t j分别表示节点i、j的水龄，qi j表示节点i与j 间的管段流量，U j表示节点i与j间的管段管长，vi j表示节点i与j间的管段流速； 通过平差计算可得q小I^、VlJ。3. 根据权利要求2所述的基于GIS的管网末梢水质检测方法，其特征在于， 在求解管网末梢节点水龄的过程中，从与水源节点相关联的节点开始计算水龄，每次 只对水龄未知，且水流流向该节点的所有相邻节点的水龄已知的节点进行水龄计算。
【文档编号】G06F19/00GK105825047SQ201610140534
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】杨骥, 李勇, 张南峰
【申请人】广州地理研究所