供水水質(zhì)安全是供水系統(tǒng)中的重要組成部分，供水管網(wǎng)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，運行工況時刻發(fā)生變化，水質(zhì)安全已不再僅停留在對出水廠的監(jiān)測，而是更多的關(guān)注管網(wǎng)末梢的水質(zhì)，然而供水管網(wǎng)中水質(zhì)監(jiān)測點數(shù)量有限，要想全面了解管網(wǎng)中水質(zhì)在整個時空上的分布狀況，建立供水管網(wǎng)水質(zhì)模型，進行水質(zhì)模擬是必要的、可靠的途徑。本文在分析研究現(xiàn)有的微生物生長模型的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有模型沒有考慮速度變化引起脫離系數(shù)的改變和擴散效應(yīng)對管網(wǎng)中水質(zhì)的影響的問題，設(shè)計實驗驗證流速的影響，構(gòu)建微生物生長模型，模型中加入流速和擴散因素。鑒于管段管壁生物膜區(qū)為靜止的，而水流區(qū)水流為流動的，對其分別采用靜止網(wǎng)格劃分和動態(tài)網(wǎng)格劃分，提出Eulerian-Lagrangian分裂法計算其數(shù)值解，微生物生長模型耦合非穩(wěn)態(tài)的水力情況，在供水量變化下模擬其生長情況。
論文的主要工作和成果如下:
(1)流速變化對微生物生長影響的實驗研究。目前供水管網(wǎng)微生物生長模型中沒有考慮流速變化導(dǎo)致的近壁區(qū)剪切力變化對微生物生長的作用，而已有研究表明忽略該作用可能會對模擬結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。通過設(shè)計靜態(tài)實驗和動態(tài)實驗研究流速對微生物濃度、余氯濃度以及AOC濃度以及對生物膜生長的影響，證實了流速對微生物生長的顯著作用。根據(jù)實驗結(jié)果，探究流速、微生物、余氯以及AOC之間的關(guān)系，為進一步構(gòu)建改進的微生物生長模型提供依據(jù)。
(2)微生物生長模型的構(gòu)建。通過實驗論證了流速變化對微生物生長有著顯著影響，這可能是因為流速會造成剪切力相差較大，剪切力對管壁區(qū)疏松物質(zhì)和生物膜的脫離過程會有較大影響。管網(wǎng)系統(tǒng)中各管道的流速呈隨機分布，且差異性較大，因此，流速是供水管網(wǎng)微生物生長模型構(gòu)建中不可忽略的因素?；谖⑸锷L中消耗有機物物質(zhì)、自然死亡、消融、沉積、脫離以及消毒劑使微生物失活等過程，考慮流速造成的剪切力對脫離過程的影響，構(gòu)建新的微生物生長模型。通過Bayes參數(shù)估計方法對所構(gòu)建模型進行參數(shù)估計，得出優(yōu)化參數(shù)。通過對單管和管網(wǎng)模擬，得出微生物在管網(wǎng)中的生長特性以及生物膜積累過程。
(3)擴散效應(yīng)的影響以及數(shù)值解法的研究。供水管網(wǎng)中經(jīng)典的水質(zhì)模型主要為對流-反應(yīng)形式的偏微分方程，這種模型忽略了軸向擴散的影響。這是由于在穩(wěn)態(tài)的水力條件下，通常流速較大，軸向擴散效應(yīng)相對平流推動效應(yīng)小得多。然而，研究發(fā)現(xiàn)當流速較小時，在動態(tài)的水力條件下，管網(wǎng)中部分時段和部分管道中，流速會處于較低狀況，擴散效應(yīng)的作用較為顯著。目前水質(zhì)模型嵌入擴散項的研究多是在低速穩(wěn)態(tài)單一組分情況下模擬，對于擴散效應(yīng)在非穩(wěn)態(tài)的整體管網(wǎng)和微生物生長模型中的研究鮮見報道。在本研究中，在經(jīng)典模型中嵌入軸向擴散項，水質(zhì)模型的控制方程變?yōu)閷α鲾U散-反應(yīng)方程，鑒于微生物生長模型描述是在管道的固定的管壁生物膜區(qū)和流動的水流區(qū)之間的反應(yīng)和傳質(zhì)，在數(shù)值求解時，兩個區(qū)域的網(wǎng)格劃分不一致，提出用Eulerian-Lagrangian(ELOS)分裂法求解該方程，該方法與解析解和其他數(shù)值解比較驗證了其合理性和優(yōu)越性。下游節(jié)點的污染物濃度受擴散效應(yīng)的影響隨著時間的推移逐漸從水源開始向下游聚集，越來越顯著。軸向擴散效應(yīng)和徑向反應(yīng)項形成的綜合效應(yīng)對模擬結(jié)果的作用更加明顯，與無擴散效應(yīng)相比，微生物量濃度有顯著的不同。
(4)供水量變化情況下的水質(zhì)預(yù)測。供水量有較大隨機性和波動性，波動幅度較大，導(dǎo)致整個管網(wǎng)的水力參數(shù)(如管網(wǎng)流速、流向和流量等)都發(fā)生相應(yīng)的波動，但供水量的隨機變化存在一定的趨勢性和周期性?；诙喑叨鹊碾S機森林(W-RFR)模型與小波分解提取供水量時間序列中的特征信息(用水量的趨勢、周期以及噪聲或偶然事件等)進行多尺度分析，對供水量進行重建與預(yù)測。在此基礎(chǔ)上，增加每個用戶用水量的隨機性，嵌入正態(tài)分布的隨機數(shù)，計算各管段節(jié)點流量、流向和壓力等水力參數(shù)，依據(jù)隨機的水力參數(shù)進行水質(zhì)預(yù)測。通過219天時間內(nèi)的水質(zhì)預(yù)測發(fā)現(xiàn)，各水質(zhì)濃度受水力變化的影響明顯，尤其是微生物的濃度，管壁區(qū)生物膜前期積累，后期也受隨機用水量的影響。
(5)基于GUI的水力與水質(zhì)分析平臺建立。結(jié)合實例將上述研究內(nèi)容分別與Matlab相結(jié)合，建立可視化人機交互界面的基于城市供水管網(wǎng)水力水質(zhì)模型的分析平臺。平臺的構(gòu)建，以期為城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)提供一個水質(zhì)評估平臺。
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