供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址研究

程小溪

摘 要：在我國水污染問題日益明顯、飲用水的安全隱患增多、突發(fā)性水污染事件發(fā)生頻繁的形勢下，我國的飲用水出現(xiàn)了不同程度的水質(zhì)變化，而這一問題已經(jīng)成為了制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會安定的重要因素，所以重視飲用水監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義，在此過程中，在供水管網(wǎng)設(shè)置水質(zhì)監(jiān)測點是對飲用水進(jìn)行監(jiān)測的有效手段，而水質(zhì)監(jiān)測點地址的選取是一個需要解決的主要問題。

關(guān)鍵詞：供水管網(wǎng)；水質(zhì)監(jiān)測；監(jiān)測點；優(yōu)化選址

引言

城市飲用水的安全問題一直是社會各界廣泛關(guān)注的重點.出廠水在通過復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)輸送到用戶的過程中，由于內(nèi)部或者外部的污染因素，水質(zhì)有可能發(fā)生惡化，在管網(wǎng)中設(shè)置監(jiān)測點而監(jiān)控整個管網(wǎng)的水質(zhì)狀況是保證供水安全的一種有效方法，目前，水質(zhì)監(jiān)測點的選取一般為：消火栓、蓄水池、加壓站、商業(yè)建筑、公共建筑、民用建筑等，其中商業(yè)建筑和民用建筑取樣頻率最高，主要考慮到其取樣的方便性，如何合理地選擇水質(zhì)監(jiān)測點仍然是有待進(jìn)一步研究的課題。

1 供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址的意義

對供水管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行有效的監(jiān)測能夠保障飲用水水質(zhì)的安全。在供水管網(wǎng)中，部分點處的供水壓力降低只會降低對少數(shù)用戶的供水速度，而供水管網(wǎng)中的水質(zhì)一旦出現(xiàn)自身惡化或者是由于質(zhì)惡化等原因引起的突發(fā)性水質(zhì)污染將會在很大程度上威脅公眾飲水安全以及身體健康。事實上，在供水管網(wǎng)中設(shè)置盡可能多的監(jiān)測器來對水質(zhì)進(jìn)行檢測則能夠最大化地確保公眾飲水安全和身體健康，但是這種做法由于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)投資費用過大而導(dǎo)致了在經(jīng)濟(jì)層面不可行。同時假設(shè)供水管網(wǎng)中的水質(zhì)不會發(fā)生變化，在水源處安置檢測器就可以解決水質(zhì)監(jiān)測問題。當(dāng)前供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點的選址大多是依靠經(jīng)驗來進(jìn)行，并沒有達(dá)到理論高度。

2 供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址方法

2.1常規(guī)供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址

常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址是為了滿足正常監(jiān)控條件下供水管網(wǎng)中水質(zhì)狀態(tài)，由于正常情況下供水管網(wǎng)中的水質(zhì)是漸變的，所以常規(guī)水檢測點優(yōu)化選址的主要目的在于找到能夠?qū)┧芫W(wǎng)水質(zhì)做出最大限度反應(yīng)的節(jié)點來設(shè)置監(jiān)測點。LeeBH等人在管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)流理論的基礎(chǔ)上提出了覆蓋水量法，這種方法首先假設(shè)距離水源距離越遠(yuǎn)并且經(jīng)過時間越長，供水管網(wǎng)中的水質(zhì)指標(biāo)就會越低。換而言之，如果供水管網(wǎng)中的某一節(jié)點水質(zhì)較好，那么該節(jié)點上游的水質(zhì)也不會有問題，即這一節(jié)點的水質(zhì)可以指明節(jié)點上游的水質(zhì)。在此假設(shè)下通過對水力進(jìn)行分析來得到不同節(jié)點的路徑，然后根據(jù)得到的路徑獲得由元素w（i.j）構(gòu)成的矩陣。（w（i.j）指的是由上游的節(jié)點j流向下游的節(jié)點i的水量與所有流向i的總水量的比例），最后以一定的標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)將矩陣轉(zhuǎn)換為整數(shù)規(guī)劃的問題，從而確定能夠最大化獲得水質(zhì)信息的節(jié)點并在節(jié)點設(shè)置監(jiān)測點。這種方法適用于供水管網(wǎng)水質(zhì)自然漸變情況下的檢測點設(shè)置，對于外界因素導(dǎo)致的突發(fā)性水質(zhì)實踐中并不適用。Kumar等人在對lee的方法作出繼承的基礎(chǔ)建立了矩陣w并運用貪婪啟發(fā)式算法對矩陣w進(jìn)行了重新的排列，從而是矩陣w在使用上更加方便。AL—Zahrani等在對lee的方法作出繼承的基礎(chǔ)上建立了矩陣w并通過遺傳算法的運用來計算出監(jiān)測點優(yōu)化后的選址布置。

這種覆蓋水量法不僅不適用于非常規(guī)的供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址，同時從工程學(xué)角度看，這種方法也存在幾個明顯的缺陷。第一，這種方法對供水管網(wǎng)中水力停留時間以及水質(zhì)空間分布欠缺考慮；第二，事實上，由于供水管網(wǎng)中存在擴(kuò)散效應(yīng)，所以節(jié)點下游的水質(zhì)也會對節(jié)點上游的水質(zhì)造成影響，但是在覆蓋水量法中只對節(jié)點上游水質(zhì)對節(jié)點上游水質(zhì)的影響作出了考慮而忽略了節(jié)點下水質(zhì)對節(jié)點上游水質(zhì)的影響；第三，在對多個工況環(huán)境中的監(jiān)測點優(yōu)化選址進(jìn)行求解時，覆蓋水量的時間分布特征會對節(jié)點具有的代表性造成影響，而這種方法并沒有對這種影響作出考慮。針對這些問題Harmantt在目標(biāo)函數(shù)內(nèi)將供水管網(wǎng)中水力停留時間因素添加減去，從而讓具有較長存在時間的節(jié)點也有了成為水質(zhì)監(jiān)測點的可能。woo等人通過權(quán)重計算法的運用對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的修改，其中水質(zhì)越差的節(jié)點權(quán)重越高，所以存在時間越久的節(jié)點就越有可能成為監(jiān)測點。

2.2非常規(guī)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址

覆蓋水量法可以說是常規(guī)供水管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測點優(yōu)化選址工作中最為基礎(chǔ)且十分重要的理論之一，但是這種方法只能夠適用于正常情況下的水質(zhì)監(jiān)控點選取，而不能在突發(fā)性水污染事件中發(fā)揮出明顯作用。隨著突發(fā)性水污染事件的增多，人們對產(chǎn)生突發(fā)性水污染事件的可能性以及應(yīng)對突發(fā)性水污染事件的措施十分關(guān)注，所以提高監(jiān)測點選址對突發(fā)性水污染事件的針對性成為了國內(nèi)外中國學(xué)者研究的重點和熱點課題。Kessler等人提出了一種能夠運用于非常規(guī)污染事件水質(zhì)監(jiān)測點選址的方法，其中提出了監(jiān)測域、覆蓋域、監(jiān)測重復(fù)度三個定義。這種方法需要對一個服務(wù)水平進(jìn)行預(yù)選設(shè)定并建立管網(wǎng)模型，通過對水利模擬軟件的利用來模擬污染物的入侵并以模擬結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建有向圖，對兩個節(jié)點之間的最短路徑做出計算并對各個節(jié)點在通過污染物使整個供水管網(wǎng)所提供的水量受到污染。假設(shè)污染物從節(jié)點i被注入，當(dāng)污染物在通過節(jié)點j的時候供水管網(wǎng)已經(jīng)提供的水量少于q，則可以認(rèn)為在節(jié)點j設(shè)置檢測點可以有效檢測到節(jié)點i發(fā)生的污染事件。這種方法可以獲得最佳的監(jiān)測點地址組合，并使水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)盡可能多的水質(zhì)污染事件。在地址的進(jìn)一步優(yōu)化中，如果兩個組合可以檢測到一樣多的水質(zhì)污染事件，則需要選擇具有較高檢測重復(fù)度的組合以確保水質(zhì)監(jiān)測的可靠性。

結(jié)束語

綜上所述，人們對供水水質(zhì)的安全性問題越來越關(guān)注。為了在管網(wǎng)水質(zhì)發(fā)生問題時做出及時處理，應(yīng)對管網(wǎng)水質(zhì)進(jìn)行有效地監(jiān)測。其中一項重要的任務(wù)就是如何在適當(dāng)?shù)奈恢貌贾盟|(zhì)監(jiān)測點，使之能夠最大程度地反映整個管網(wǎng)的水質(zhì)狀況。

參考文獻(xiàn)

[1] 王皓瑋，曹磊.淺析咸陽市縣城自來水供水管網(wǎng)現(xiàn)狀及建議[J].居舍.2017（20）

[2] 孫光.供水管網(wǎng)監(jiān)測點的優(yōu)化布置研究[J].建筑與預(yù)算.2017（02）

[3] 陳小壇.探討供水管網(wǎng)二次污染成因及水質(zhì)安全保障措施[J].建材與裝飾.2017（28）