北方某城市供水管网水质微观模型分析与应用

李 伟， 尹学锐， 郑胜达， 李春桐， 李俊江

(天津三博水科技有限公司，天津300100)

供水管网水质安全是供水行业极为关注的焦点，掌握供水管网中不同节点处的水质状态尤为重要，供水管网水质微观模型在计算分析和预测管网水质变化方面具有明显优势。基于供水管网水力微观模型的水质微观模型对研究供水管网中水力运行工况和水质指标的变化具有重要意义，在管网运行管理的过程中只有尽可能的掌握供水管网水力运行工况和水质指标参数的时空变动特征，才能对其数据进行分析，科学有效指导生产和管理。供水管网水质微观模型是在庞大而运行复杂的供水管网中，获得所需要的数据和管网运行工况变化规律的有效工具。利用有限的管网运行监测数据，建立精度较高的供水管网水质微观模型，预测模拟全管网任意节点处的水质指标变化，从而制定新的生产和运行方案，同时对其进行定量分析，为寻求最优的管网生产管理方案提供数据支撑。由于国内供水管网大多以环状和支状联合形式存在，水流工况和水质反应过程较为复杂，因此，本研究仅针对水龄增长和余氯衰减建立了相对完善的模型并进行供水管网水质分析。笔者阐述了管网水质微观模型原理及影响模型变化的参数设置，以期为供水管网水质微观模型的研究提供参考。

1 供水管网微观水质模型

供水管网水质微观模型是基于管网水动力学和管网反应动力学的机理建立的数学模型，反映了管网水质变化规律并量化了管网水龄和管网余氯浓度间的关系。在管网水力微观模型的基础上，通过设置影响管网水质变化的参数，延时模拟出供水管网水质参数在管网运行过程中的变化情况，按照涉及的水质参数，分为水龄增长模型和余氯衰减模型，最终以计算机可视化形式展示管网水质情况。

1.1 水龄增长模型

管网水龄是指管网水从水厂流到某一节点处所经历的平均时间，水龄越大表明水在管网中存留的时间越长，参与的物理化学反应越多，消毒物质浓度越低，消毒副产物的浓度越高，水质相对越差。水龄主要受到管网水力运行工况影响，包括管道中的水流状态、流速、管网的空间布局等。

(1)串联管线水龄计算

(1)

(2)并联管线水龄计算

(2)

(3)环状管网的水龄计算

在管网水质微观模型中，其环状管网节点的水龄计算机理是从水厂开始往管网末梢节点逐步循环计算，在模型应用过程中，通过对某一节点的水源追溯来获得该节点的水龄。

(3)

1.2 余氯衰减模型

供水管网余氯衰减模型是根据管网水动力学和物质反应动力学机制建立的数学模型。在管网水运动和物质反应的过程中，余氯浓度在管道水的主体反应和管壁上的物质反应中逐渐衰减，衰减速率的主要影响因素有管网加氯浓度、管网水力条件、管网水温度、管网水酸碱度、管壁物质及生物膜等。

不同级数的余氯衰减模型：

(4)

式中CL为余氯的极限浓度；kCl为余氯衰减系数；n为反应级数；CCl为余氯浓度。

由于供水管网在空间分布、水流工况和物质反应过程的复杂性，余氯衰减系数在不同环境的实际管网中难以率定。赵明等[1]通过开展管道水余氯衰减系数测定实验发现，余氯衰减系数随着管道直径的增大而减小，随着温度的升高而增大。Zhao等[2]研究发现，管网水力条件不仅影响余氯在管网水主体与管壁之间的传质系数，还可能导致管垢的脱落和沉积，进而影响管壁上的余氯衰减系数。Clark等[3]采用回归方法将反应速率系数表达为管道水余氯浓度、酸碱度、TOC浓度和水温的数学函数模型：

(5)

式中kCl为余氯衰减系数；CCl为管网水余氯浓度；a、b分别为余氯和氯反应物质的反应系数；T为管网水温度；TOC为管网水TOC浓度；pH为管网水酸碱度。

Rossman等根据管网水中余氯浓度在主体反应和管壁反应的水动力学机理和物质反应动力学机理，推导出了一级余氯衰减模型并应用于WaterGEMS软件中。

(6)

式中CCl为管网中某节点的余氯浓度；t为管网中该节点的反应时间；kb为管网水主体反应速率；kf为管网水主体和管壁上的传质系数；kw为管壁反应的余氯衰减系数；D为管道直径。

2 北方某城市供水管网水质微观模型

2.1 管网水质微观模型概况

北方某城市位于华北平原北部，东临渤海，北依燕山。供水管网水质微观模型规模为349.79×104km2，管径分布在DN200～DN1 800，供水量为190×104m3/d，由4座水厂联合供水，供水量分别为37.67×104，36.22×104，34.29×104和69.94×104m3/d。

供水管网水力微观模型是供水管网水质微观模型的基础。建立供水管网水力微观模型时先对供水管网拓扑结构进行全面的排错，包括孤立节点、孤立管段、管段管径错误、阀门口径错误、管线连接错误等；其次，对管网需水量进行分配，包括对已知点位蓄水量就近节点分配和产销差水量管网沿线平均分配；最后，对供水管网水力微观模型进行校核，控制98%的压力监测点的压力误差在±2 m以内，80%的压力监测点在±1 m以内，出厂流量误差控制在±5%以内，98%的管网流量监测点误差控制在±10%以内。在实际管网水力微观模型建设过程中，通过对模型的反复校核，100%的压力监测点的监测值与模拟值的偏差在±2 m以内，88%的压力监测点的监测值与模拟值的偏差在±1 m以内，100%出厂干管流量误差<±4%；100%的管道流量占供水总量0.5%以上干管流量误差≤±10%，满足管网水质微观模型的建设要求。

2.2 管网水质微观模型参数设置

考虑到管网规模较大，空间分布复杂，在管网水龄增长模型中设置120 h计算时常，计算频率为每小时1次。在余氯衰减模型中有4处加氯点，位于4个水厂，加氯量分别为1.3，1.2，1.3和1.2 mg/L。在管网水物质反应过程中，将管网水主体和管壁上的传质系数设为1.208e-009m3/s，管网水主体反应为一级反应，水主体反应速率设为-0.1(mg/L)(1-n)/d，管壁物质反应为一级反应，其管壁反应余氯衰减系数为-0.08 m/d，默认与管壁粗糙系数无关。

2.3 管网水质微观模型模拟结果统计与分析

2.3.1水龄增长模型模拟结果统计

通过对管网水龄增长模型的模拟发现，管网整体水龄分布在60 h以内，随着水龄的逐渐增长，其在管网中的占比越来越小，但同时存在部分水龄大于108 h的节点。

表1 管网节点水龄占比Tab.1 Water age ratio of pipe network nodes

2.3.2余氯衰减模型模拟结果统计

通过对余氯衰减模型的反复校核，保证了92%的余氯监测点监测值与模拟值的误差小于10%，满足了余氯衰减模型在管网水质管理中的应用要求。通过余氯衰减模型的模拟结果发现，95.94%的管网节点余氯浓度大于0.05 mg/L，有4.06%的管网节点余氯浓度≤0.05 mg/L。

表2 管网节点余氯浓度占比Tab.2 Residual chlorine ratio of pipe network nodes

2.3.3管网水质微观模型模拟结果分析

根据水龄增长模型和余氯衰减模型的模拟结果统计数据，有91.94%的管网水龄小于60 h，95.94%的管网余氯浓度大于0.05 mg/L。这表明供水管网整体水质情况较好，但依然有小于5%的管网水龄较大，余氯浓度较低，可以推断管网中存在小部分死水区域，管网水流动性较差且水质状况不佳。

3 结论

通过应用供水管网水质微观模型，可以从管网水龄和余氯浓度情况评估供水管网水质健康状态。建立供水管网水质微观模型后，建立水龄和余氯浓度彩色分析图，直观找到水龄较大、余氯浓度较低的管网区域。根据管网实际情况，设计不同的管网改造方案，预测模拟分析不同管网改造方案下，管网水质健康状态的变化情况，分析方案的可行性和有效性，发现并解决管网运行可能存在的水质安全问题，改善管网运行健康状态，加强管网的供水安全性和可靠性，为管网水质管理提供直观的数据支撑，为实现管网水质精细化管理，提高运营管理服务水平及保障供水安全性具有非常重要的意义。