突發(fā)外源污染入侵的非穩(wěn)態(tài)管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址研究.pdf

1、供水管網(wǎng)外源性突發(fā)污染入侵下，水質(zhì)安全問題是一個(gè)多目標(biāo)復(fù)雜問題。管網(wǎng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、水流慣性、水力瞬變等特征，而目前的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址多以穩(wěn)態(tài)、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)水力模擬為基礎(chǔ)進(jìn)行，與實(shí)際管網(wǎng)的運(yùn)行工況存在較大差異。本文在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)工況的基礎(chǔ)上，在時(shí)間步長(zhǎng)的銜接點(diǎn)對(duì)管網(wǎng)水流微元所攜帶的水力信息進(jìn)行了微觀研究，并將其定義為本文的非穩(wěn)態(tài)水力工況。為解決非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況下的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化問題，本文以廣東省TX鎮(zhèn)的實(shí)際管網(wǎng)為研究對(duì)象，開展了基于非穩(wěn)態(tài)水力

2、工況的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址模型的構(gòu)建及其求解模式的研究。通過收集該鎮(zhèn)供水管網(wǎng)系統(tǒng)的管網(wǎng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)搭建管網(wǎng)水力模型，對(duì)非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，建立基于非穩(wěn)態(tài)水力瞬變工況的選址通用模型，利用自適應(yīng)粒子群k-medoids聚類算法確定了求解模式，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化選址提供方案決策輔助及提高供水管網(wǎng)的管理有較好的現(xiàn)實(shí)意義。
　　首先，改進(jìn)水力流通的計(jì)算方法以求解非穩(wěn)態(tài)水力工況，包括:水力流通路徑、水力流通時(shí)間、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到污染物時(shí)

3、管網(wǎng)對(duì)外供出的受污染水的體積、污染物物質(zhì)的量與污染物的濃度。通過計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，非穩(wěn)態(tài)水力工況下管網(wǎng)水流運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，表現(xiàn)為:(1)兩兩節(jié)點(diǎn)間的水力流通可行性因時(shí)刻的不同而改變，水力流通可行與否除受到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響外，還受到各管段水流方向的影響，即各水源供水狀況的影響;(2)在水力流通可行的兩節(jié)點(diǎn)中，上述五個(gè)方面的數(shù)據(jù)均因時(shí)刻的改變而產(chǎn)生變化;(3)兩兩節(jié)點(diǎn)間的水力流通可行總數(shù)隨時(shí)刻的變化而變化，并且變化幅度較大。因此，用

4、穩(wěn)態(tài)工況代替非穩(wěn)態(tài)工況的誤差不可忽視。經(jīng)過改進(jìn)水力流通的計(jì)算方法，能夠有效的求得非穩(wěn)態(tài)水力工況下數(shù)據(jù)，更貼近實(shí)際管網(wǎng)運(yùn)行工況。
　　其次，結(jié)合非穩(wěn)態(tài)水力工況的特點(diǎn)，通過對(duì)不同優(yōu)化目標(biāo)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址模型進(jìn)行數(shù)學(xué)建模并總結(jié)共同性，可構(gòu)建供水管網(wǎng)兩兩節(jié)點(diǎn)間一一對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化三維存儲(chǔ)矩陣從而建立通用數(shù)學(xué)模型。標(biāo)準(zhǔn)化三維矩陣的建立能夠有效地解決非穩(wěn)態(tài)下供水管網(wǎng)水力瞬變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問題。對(duì)不同的優(yōu)化目標(biāo)將其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建三維矩陣即可

5、形成不同優(yōu)化目標(biāo)的選址模型，具有很強(qiáng)的通用性及工程實(shí)用性。
　　再次，提出了基于自適應(yīng)粒子群k-medoids聚類算法對(duì)通用數(shù)學(xué)模型的求解模式。針對(duì)供水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的特點(diǎn)，對(duì)自適應(yīng)粒子群k-mmedoids聚類算法做了實(shí)用性優(yōu)化，并確定聚類中心數(shù)與小世界鄰域閥值，使該算法能夠?qū)νㄓ脭?shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，進(jìn)而形成求解模式。基于Matlab平臺(tái)，編譯求解模式函數(shù)代碼，并結(jié)合通用水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選址模型，可應(yīng)用于各城市供水管網(wǎng)計(jì)算求解，有效應(yīng)

6、對(duì)實(shí)際供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置時(shí)所需的各種不同優(yōu)化目標(biāo)，輔助決策層部署監(jiān)測(cè)點(diǎn)方案。
　　最后，針對(duì)該城鎮(zhèn)供水管網(wǎng)，分別就平均監(jiān)測(cè)用時(shí)、平均污水出流量、平均污染面積、平均注入污染物物質(zhì)的量與平均注入污染物濃度為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行突發(fā)污染水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)優(yōu)化選址進(jìn)行建模與求解。通過案例分析了上述五個(gè)優(yōu)化目標(biāo)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量之間的關(guān)系，以及有效監(jiān)測(cè)率隨監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量變化的趨勢(shì)，并針對(duì)五個(gè)優(yōu)化目標(biāo)分別提出了水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置方案，綜合考慮前三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的情況下確定了多