整数规划优化城市输配水系统二次加氯模型研究

陈超

摘 要：本文介紹了基于水质安全的二次加氯二级动态优化模型。第一级为加氯点选址优化，以满足管网余氯覆盖条件下加氯点数最少。第二级为加氯量优化，在一级优化选址结果的基础上建立基于“余氯理想浓度”的加氯量优化模型，使管网中的余氯分布在满足浓度要求的前提下尽可能均匀，加氯量尽可能少。

关键词：二次加氯 整数规划 二级优化模型

1 城市输配水管网水质现状

城市给水管网水质二次污染的来源主要为两个方面：管材与内表面特征（如防腐处理等）、水本身的不稳定性（如有机物含量与类型等）。目前常用的控制管网内细菌繁殖的方法是保持管网内具有一定的消毒剂余量，使消毒剂在管网中持续杀菌。以氯消毒为例，氯具有很强的杀灭细菌的作用，有实验表明，水中的余氯浓度与细菌总数呈负相关。因此，保持一定浓度的消毒剂余量能有效控制管网水质。此外，减少水在管网中的停留时间也能缓解水质的二次污染。

2 二级优化-加氯量优化模型

2.1.1模型基本形式

模型的主要思想来源于Bocceli等人在1998年提出的“二次加氯设计算法”。模型基本形式如下：

2.1.2 二次加氯优化的模型改进

2.1.2.1对模型基本形式的改进

（1）以加氯浓度表示加氯速率：即将取为浓度常数，单位为mg/L。相应地，反应影响系数代表的也是加氯点加氯浓度对监测点余氯浓度的影响程度。这里假设加氯操作是连续的，具体的加氯量只与流出加氯点的水量有关。

（2）从保障水质安全的角度出发，引入管网“理想浓度”参数c*：以管网水质稳定后的余氯浓度趋向于理想浓度c*为优化目标，用最小二乘法计算管网节点余氯浓度对理想浓度c*的接近程度，改进后的目标函数为：

将上式代替上面的目标函数，即得到初步改进后的二次加氯优化模型，称为“普通加氯量优化模型”。

（3）引入管网节点权重因子：根据Propato等人在2004年提出的“用水节点权重赋值”思想，加氯量优化目标函数式（3.18）还可进一步写成如下形式：

反映各节点在各时段不同的重要性，将上式联合改进的目标函数公式，则得到进一步改进后的二次加氯优化模型，称为“用水量权重加氯量优化模型”，式中各项意义同上：

3 结论

本文对城市输配水管网的二次加氯优化模型进行了研究。在保证水质安全的基础上使加氯成本尽可能小也是二次加氯的间接目标。提出的二次加氯优化采用二级优化模型。第一级为加氯点的优化选址，采用了最大集覆盖模型，用最少的加氯点覆盖尽可能多的管网节点，引入了余氯覆盖集、反应影响系数等概念，用贪婪算法结合编程求解。第二级优化在第一级选址优化结果的基础上进行加氯量的优化，引入了理想余氯浓度、用水量权重因子等概念，针对不同规模和特征的管网提出了“普通加氯量优化模型”和“用水量权重加氯量优化模型”。

参考文献

[1] 张红振，刘汉湖.我国城市供水的水质现状、问题及对策[J].净水技术，2005， 24（4）：5658

[2] 张秀绘，邵志宏，孙增花.水中含余氯量与细菌污染的相关性[J].中国消毒学杂志，2002，19（4）： 261～262

[3] 刘文君.给水处理消毒技术发展展望[J].无机化工信息，2005：11～14