摘要：選取節(jié)點(diǎn)余氯為狀態(tài)變量，主水體與管壁均用余氯衰減一級模型，利用epanet的水質(zhì)分析功能，對某城市管網(wǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，利用歸納函數(shù)對結(jié)果進(jìn)行評價(jià)，得出整個(gè)管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)余氯的評價(jià)值，并確定在設(shè)計(jì)工況和平均用水時(shí)工況下的初始氯投加量分別為0.75mg/L和0.8mg/L。
關(guān)鍵詞：epanet;余氯衰減;水質(zhì)模擬
氯是我國目前使用泛的一種飲用水消毒劑，余氯濃度也成為衡量管網(wǎng)水質(zhì)好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[1]。本文采用epanet對城市供水管網(wǎng)余氯衰減進(jìn)行模擬以及余氯性能評價(jià)，最終確定設(shè)計(jì)和平均用水時(shí)工況下的初始氯投加量。
一、供水管網(wǎng)延時(shí)余氯衰減模擬
1、epanet簡介
EPANET是美國國家(Environmental Protection Agency，縮寫：EPA)開發(fā)的開源軟件。通過EPANET，可以執(zhí)行有壓管網(wǎng)水力和水質(zhì)特性延時(shí)模擬的計(jì)算機(jī)程序，來模擬管網(wǎng)中的水頭、水質(zhì)、水量等多項(xiàng)指標(biāo)[2]。
2、余氯衰減模型
余氯是供水管網(wǎng)水質(zhì)評價(jià)的一個(gè)主要指標(biāo)，管網(wǎng)余氯衰減模型包括主體水余氯衰減模型和管壁余氯衰減模型。本例的余氯衰減模型采用的是主體水余氯衰減一級反應(yīng)和管壁余氯衰減一級反應(yīng)[3]。
氯在管網(wǎng)中的衰減反應(yīng)主要有兩方面：一方面是與水體中的無機(jī)物、有機(jī)物反應(yīng)，也稱為主體水流反應(yīng)，此反應(yīng)的衰減速率采用主體水衰減系數(shù) 來表示;而另一方面是與管壁的管材、細(xì)菌生物膜等的反應(yīng)，此反應(yīng)的衰減速率用管壁反應(yīng)速率系數(shù) 來表示。
該城市供水管網(wǎng)規(guī)模不是很大，水齡停留時(shí)間短，故整個(gè)管網(wǎng)采用統(tǒng)一的主體水衰減系數(shù)，經(jīng)過取不同值的實(shí)驗(yàn)，確定主體水余氯衰減系數(shù)在0.35 。由于管網(wǎng)規(guī)模不大，為了簡化計(jì)算，采用統(tǒng)一的管壁余氯衰減系數(shù)，按照球墨鑄鐵管的估計(jì)值，確定管壁余氯衰減系數(shù)為0.02 。
3、管網(wǎng)余氯衰模擬
本算例為某城市的供水管網(wǎng)，日供水量8萬 。給水管網(wǎng)共有節(jié)點(diǎn)45個(gè)，管段75條。在設(shè)計(jì)工況下，利用EPANET進(jìn)行余氯衰減模擬，源頭水質(zhì)設(shè)置為按濃度0.6 添加，模擬時(shí)間取72小時(shí)，水力步長采用1h，水質(zhì)步長采用15min。經(jīng)模擬得到12h的管網(wǎng)余氯濃度情況，其結(jié)果為節(jié)點(diǎn)余氯值在0.35 至0.6 之間波動(dòng)，其中余氯值為0.46 的節(jié)點(diǎn)占總節(jié)點(diǎn)的60%。
二、供水管網(wǎng)余氯性能評價(jià)
1、節(jié)點(diǎn)余氯性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)《城市供水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T206-2005)中微生物學(xué)指標(biāo)的相關(guān)規(guī)定：余氯(加氯消毒時(shí)測定)與水接觸30min后游離余氯≥0.3mg/L，管網(wǎng)末梢≥0.05mg/L。本性能評價(jià)中規(guī)定：當(dāng)節(jié)點(diǎn)余氯低于0.3mg/L時(shí)定義為不合格;節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.4mg/L時(shí)定義為一般;節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.5mg/L時(shí)定義為良好;節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.6mg/L時(shí)定義為優(yōu)秀;余氯進(jìn)一步增加由于消毒副產(chǎn)物增加和氣味的增加會(huì)使性能大幅降低，當(dāng)節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.7mg/L時(shí)再次定義為良好;節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.8mg/L時(shí)再次定義為一般;節(jié)點(diǎn)余氯達(dá)到0.9mg/L時(shí)再次定為不合格。同時(shí)定義余氯性能值：0、1、2、3、4(分別代表不合格、合格、一般、良好、優(yōu)秀)。
2、管網(wǎng)余氯性能評價(jià)
選擇歸納函數(shù)對管網(wǎng)的余氯性能進(jìn)行評價(jià)，由于給水管網(wǎng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的供水量不同，所以在管網(wǎng)中的貢獻(xiàn)也不相同，因此我們采用水量作為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)，對節(jié)點(diǎn)性能值進(jìn)行加權(quán)平均[4]。最終計(jì)算得出此給水管網(wǎng)余氯性能總評價(jià)指標(biāo)值為2.8675。從給水管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)余氯性能值方面分析，此給水管網(wǎng)余氯節(jié)點(diǎn)余氯性能為一般，處于可以接受的范圍內(nèi)。
3、不同工況下的初始投氯量
在設(shè)計(jì)工況下，初始投加量為0.6mg/L，管網(wǎng)的余氯性能顯然沒有達(dá)到，原因是投加量偏少，為了得到設(shè)計(jì)工況下的初始投加量，初始氯投加量按0.05 mg/L遞增，其他條件不變，得到結(jié)果：初始氯投加量為0.75mg/L時(shí)，管網(wǎng)余氯性能評價(jià)值達(dá)到良好水平，因此設(shè)計(jì)工況下，初始氯投加量為0.75mg/L。
在平均用水時(shí)工況下，同理以初始氯投加量0.6mg/L為起始濃度，0.05mg/L遞增，其他條件不變，得到的結(jié)果：初始氯投加量為0.8mg/L時(shí)，管網(wǎng)余氯性能評價(jià)值達(dá)到良好水平，因此設(shè)計(jì)工況下，初始氯投加量為0.8mg/L。
結(jié)語：
運(yùn)用epanet可以對復(fù)雜的管網(wǎng)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的水質(zhì)模擬，根據(jù)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)定義余氯性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用歸納函數(shù)對已知管網(wǎng)進(jìn)行余氯性能評價(jià)。最終得出，此管網(wǎng)在平均用水時(shí)工況下，初始氯投加量為0.80mg/L;在設(shè)計(jì)工況下，初始氯投加量為0.75mg/L。
由于供水管網(wǎng)水力工況的變化，不同時(shí)段的水在管網(wǎng)中的停留時(shí)間是不相同的，故水中余氯含量也必然不同，本例只研究了設(shè)計(jì)工況及平均用水時(shí)工況下的延時(shí)余氯情況，其他工況下的余氯衰減情況均可采用本方法進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)
[1] 許仕榮，李斌，李黎武. 事件驅(qū)動(dòng)法模擬輸配水管網(wǎng)中余氯濃度變化[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2003， 30(5)： 61-65.
[2] 張鳳娥，曾念，張敏，等. 用EPANET水力模型優(yōu)化鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水管網(wǎng)[J]. 中國給水排水. 2008， 24(02)： 43-45.
[3] 吳晨光，孫雨石，趙洪賓，等. 環(huán)狀管網(wǎng)模擬余氯衰減模型[J]. 中國給水排水. 2006， 22(01)： 9-12.
[4] 伍悅濱，袁一星，高金良. 給水管網(wǎng)系統(tǒng)性能的評價(jià)方法[J]. 中國給水排水. 2003， 19(04)： 23-25.
作者簡介：張旭(1988-)，男，漢族，遼寧省大連市人，河南省鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院市政工程專業(yè)碩士研究生，研究方向：給水排水系統(tǒng)及優(yōu)化。
吳建平(導(dǎo)師)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。
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