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(yùn)行工況時(shí)刻發(fā)生變化，水質(zhì)安全已不再僅停留在對(duì)出水廠的監(jiān)測(cè)，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(cè)點(diǎn)數(shù)量有限，要想全面了解管網(wǎng)中水質(zhì)在整個(gè)時(shí)空上的分布狀況，建立供水管網(wǎng)水質(zhì)模型，進(jìn)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(zhǎng)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有模型沒(méi)有考慮速度變化引起脫離系數(shù)的改變和擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)管網(wǎng)中水質(zhì)的影響的問(wèn)題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流速的影響，構(gòu)建微生物生長(zhǎng)模型，模型中加入流速和擴(kuò)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(dòng)的，對(duì)其分別采用靜止網(wǎng)格劃分和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格劃分，提出Eulerian-Lagrangian分裂法計(jì)算其數(shù)值解，微生物生長(zhǎng)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(zhǎng)情況。
論文的主要工作和成果如下:
(1)流速變化對(duì)微生物生長(zhǎng)影響的實(shí)驗(yàn)研究。目前供水管網(wǎng)微生物生長(zhǎng)模型中沒(méi)有考慮流速變化導(dǎo)致的近壁區(qū)剪切力變化對(duì)微生物生長(zhǎng)的作用，而已有研究表明忽略該作用可能會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生明顯影響。通過(guò)設(shè)計(jì)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究流速對(duì)微生物濃度、余氯濃度以及AOC濃度以及對(duì)生物膜生長(zhǎng)的影響，證實(shí)了流速對(duì)微生物生長(zhǎng)的顯著作用。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探究流速、微生物、余氯以及AOC之間的關(guān)系，為進(jìn)一步構(gòu)建改進(jìn)的微生物生長(zhǎng)模型提供依據(jù)。
(2)微生物生長(zhǎng)模型的構(gòu)建。通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證了流速變化對(duì)微生物生長(zhǎng)有著顯著影響，這可能是因?yàn)榱魉贂?huì)造成剪切力相差較大，剪切力對(duì)管壁區(qū)疏松物質(zhì)和生物膜的脫離過(guò)程會(huì)有較大影響。管網(wǎng)系統(tǒng)中各管道的流速呈隨機(jī)分布，且差異性較大，因此，流速是供水管網(wǎng)微生物生長(zhǎng)模型構(gòu)建中不可忽略的因素?；谖⑸锷L(zhǎng)中消耗有機(jī)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(guò)程，考慮流速造成的剪切力對(duì)脫離過(guò)程的影響，構(gòu)建新的微生物生長(zhǎng)模型。通過(guò)Bayes參數(shù)估計(jì)方法對(duì)所構(gòu)建模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得出優(yōu)化參數(shù)。通過(guò)對(duì)單管和管網(wǎng)模擬，得出微生物在管網(wǎng)中的生長(zhǎng)特性以及生物膜積累過(guò)程。
(3)擴(kuò)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(duì)流-反應(yīng)形式的偏微分方程，這種模型忽略了軸向擴(kuò)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(kuò)散效應(yīng)相對(duì)平流推動(dòng)效應(yīng)小得多。然而，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)流速較小時(shí)，在動(dòng)態(tài)的水力條件下，管網(wǎng)中部分時(shí)段和部分管道中，流速會(huì)處于較低狀況，擴(kuò)散效應(yīng)的作用較為顯著。目前水質(zhì)模型嵌入擴(kuò)散項(xiàng)的研究多是在低速穩(wěn)態(tài)單一組分情況下模擬，對(duì)于擴(kuò)散效應(yīng)在非穩(wěn)態(tài)的整體管網(wǎng)和微生物生長(zhǎng)模型中的研究鮮見報(bào)道。在本研究中，在經(jīng)典模型中嵌入軸向擴(kuò)散項(xiàng)，水質(zhì)模型的控制方程變?yōu)閷?duì)流擴(kuò)散-反應(yīng)方程，鑒于微生物生長(zhǎng)模型描述是在管道的固定的管壁生物膜區(qū)和流動(dòng)的水流區(qū)之間的反應(yīng)和傳質(zhì)，在數(shù)值求解時(shí)，兩個(gè)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(yàn)證了其合理性和優(yōu)越性。下游節(jié)點(diǎn)的污染物濃度受擴(kuò)散效應(yīng)的影響隨著時(shí)間的推移逐漸從水源開始向下游聚集，越來(lái)越顯著。軸向擴(kuò)散效應(yīng)和徑向反應(yīng)項(xiàng)形成的綜合效應(yīng)對(duì)模擬結(jié)果的作用更加明顯，與無(wú)擴(kuò)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(cè)。供水量有較大隨機(jī)性和波動(dòng)性，波動(dòng)幅度較大，導(dǎo)致整個(gè)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(dòng)，但供水量的隨機(jī)變化存在一定的趨勢(shì)性和周期性。基于多尺度的隨機(jī)森林(W-RFR)模型與小波分解提取供水量時(shí)間序列中的特征信息(用水量的趨勢(shì)、周期以及噪聲或偶然事件等)進(jìn)行多尺度分析，對(duì)供水量進(jìn)行重建與預(yù)測(cè)。在此基礎(chǔ)上，增加每個(gè)用戶用水量的隨機(jī)性，嵌入正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)，計(jì)算各管段節(jié)點(diǎn)流量、流向和壓力等水力參數(shù)，依據(jù)隨機(jī)的水力參數(shù)進(jìn)行水質(zhì)預(yù)測(cè)。通過(guò)219天時(shí)間內(nèi)的水質(zhì)預(yù)測(cè)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(jī)用水量的影響。
(5)基于GUI的水力與水質(zhì)分析平臺(tái)建立。結(jié)合實(shí)例將上述研究?jī)?nèi)容分別與Matlab相結(jié)合，建立可視化人機(jī)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(tái)。平臺(tái)的構(gòu)建，以期為城市供水管網(wǎng)系統(tǒng)提供一個(gè)水質(zhì)評(píng)估平臺(tái)。
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