基于EPANET-MSX的供水管网不同水源混合控制方法

赵付勇,张艺媛

(新疆吐鲁番市水利水电勘测设计研究院，新疆 吐鲁番 838000)

1 分配系统中混合水质建模

供水管网水质参数变化建模的基础数据是管道压力和流量数据。质量建模过程本身是一项非常复杂的工作，因为过程众多，必须在数学方程中加以考虑。在这些方程中，必须找到：(1)描述反应动力学模型的方程，考虑它们的顺序。(2)描述体反应和壁反应的方程。(3)描述系统中快速和慢速反应的方程。目前，研究人员正在努力建立适用于EPANET-MSX等水质模型的方程，以充分反映影响系统水质的过程。迄今为止，大多数的工作都是描述消毒过程的模型-氯衰减模型和副产物的形成。然而，许多提出的方程的实用性和普遍性尚未在供水模型中得到证实[1-2]。

分析管网水质变化的一个重点是分析不同水源混合对自来水水质的影响。资料[3-4]表明，这种水源混合或水源代替可能导致系统水质恶化。长时间以来，碳平衡不足被认为是供水系统中混水水质出现问题的主要原因[5]。目前，对输送过程中水质变化的分析，主要集中在与水接触的材料表面形成的防腐保护层。如果从多个水源向系统供水，则形成该层的过程会受到干扰，这可能导致管网中发生的腐蚀加剧，水质恶化。

为得到稳定的供水水质，需要按固定比例建立混合比模型，以保持水在其分布过程中的稳定性。在以Sa、Sb、Sc的起始浓度混合含有S组分的三种水时，占混合水总体积比例分别为xa、xb、xc，则该组分在混合水中的浓度为式(1)：

Sm=xaSa+xbSb+xcSc

(1)

根据式(1)可以确定水在不同阴离子、阳离子、溶解无机碳、酸度、碱度、离子强度和温度等情况下的混合成分。对于在混合过程中发生反应的物质，即H+、HCO3-、CO32-、CO2，其混合后的浓度必须在考虑化学平衡后才能确定。同样，在EPANET-MSX水质模型中，当不同来源和不同质量的水被输送到供水管网时，与供水管网中的其他反应相比，本任务中模型性能的验证通常是基于管网中氯的衰变反应，即对建模相对简单的反应。除此之外，在EPANET-MSX模型中，假设混合水的反应速率系数是两种混合水的反应速率系数的加权平均值来解释与分配系统中测量的实际氯浓度存在显著差异[5]。

2 模型设计平台

EPANET 允许用户执行三种类型的基本分析：水力停留时间、对物质扩散的跟踪以及对化学浓度变化的计算。可以在水混合分析中使用 TRACE 函数来确定在管网的任意节点上有多少水来自选定的水源。EPANET GUT允许检查每个节点上的一个源，进行一次模拟运行。这意味着检查多个水源水的混合比例易出现问题。为了定义每个水源水的比例，用户需要执行单独的模拟，用以读取一个水库的混合水比例。从结果分析的角度来看，能够以多种形式显示数据也很重要，例如混合比值的图形图表。

为了分析供水模型各个节点中所有水源的混合比，使用了将 EPANET 功能与 MATLAB相集成环境。这项工作的目的是搭建一个平台，用户可以在一次模拟运行中分析管网中的水混合情况，以图形形式显示结果并进行比较，然后使用系统计算各种变量的混合参数。

在EPANET GUI 中创建了用于分析样品的供水模型，然后将其导出到 INP 文件。在MATLAB环境中读取此文本文件中的模型，执行具有自动更改参数的多次仿真，并保存结果以进行下一步处理，如图 1 所示。

图1 在仿真环境中集成工具示意

3 案例分析

搭建模型中可以检查每个节点中不同来源水的混合比。在分析的示例中，对三个来源提供的简单环形供水系统进行了建模。图2显示了管网图和仿真结果，其中节点中确定的混合水量显示出饼图，即每个水源的混合比。

图2 三个水源节点中水的混合比

在搭建模型中，可以计算随时间推移每个节点的水混合值。该值会随着采用的换水需求模式或泵控制时间表而变化。

图3显示对于一个选定节点Ⅰ，来自每个水源的水体积比的变化。EPANET程序假定时间为0时管网中充满了水，结果显示水不是来自任何来源。由此可见，计算结果只有在一定时间后才变得稳定，此后整个供水管网中的水交换才会进行。

图3 选定节点Ⅰ供水模式

对于所分析的管网，由于管网中水的混合比随时间变化，在夜间只有两种来源水进行混合。因此为了获得可靠的数据结果，需记录每个时间节点的水源混合比例。数据分析结果是水泵泵速控制算法的基础。如图4所示，泵电动机的转速降低后水源Ⅱ供水模式中各来源水的比例。

图4 选定节点Ⅱ供水模式

在搭建的测试平台中，可以测试多种备选方案。使用此类解决方案有助于选择最佳方案,并确定大部分时间无法从各种来源获得供水的区域，这有助于减少混合不同质量水的负面影响。

4 结 论

通过对文献和EPANET-MSX功能库的研究，仍然无法对管网中的水质进行完全建模,尤其是当来自两个或多个不同来源的水在系统中混合时。局限性在于：(1)仍然没有足够的方程式来描述管网反应。(2)确定反应速率系数时存在问题(尤其是位于混合区的管道壁反应)。(3)在可变压力下水力模型的有效性检验。

本文对来自两个或多个水源的水供应管网时的混合水过程进行了分析。拟订的分析配置能够根据指南中包含的列线图，预测由混合过程导致的管网水质变化。当管网中混合水的质量和混合比例需要精确控制时，所提供的信息将有助于控制供水管网水质。