基于EPANET的供水管网三卤甲烷模型_数学建模论文

论文导读:：介绍了供水管网中三卤甲烷（THM）动力学模型，分析EPANET 给水管网THM生成模型原理，在此基础上利用EPANET建立了横山桥镇供水管网THM模型，并与实测值进行比较验证得到较好的模拟效果。
论文关键词：供水管网，三卤甲烷，EPANET水质模型

 

水经氯消毒进入供水管网后与水中有机前驱物质发生反应生成消毒副产物^[1]。三卤甲烷(THM)是饮用水中含量最大的消毒副产物，具有致癌、致畸作用，会引起肝、肾等器官的病变。许多供水行业学者对三卤甲烷的生成规律进行了研究，试图建立THM生成模型，以便于对供水管网中的THM含量进行预测。本文介绍了供水管网THM动力学模型的建立原理，首次应用EPANET建立真实供水管网三卤甲烷(THM)的生成模型，并对该水质模型进行验证，得到整个供水管网各点三卤甲烷浓度的水质模型。

1 给水管网THM动力学模型

当氯气加到水中数学建模论文，它与水中天然有机物(NOM)发生反应生成三卤甲烷以及其他消毒副产物，饮用水氯化消毒生成三卤甲烷反应可以写成：

Cl₂+P→THM(1-1)

式中P――表示三卤甲烷形成的前驱物质。

根据质量作用定律，THM生成的速率表达式为：

(1-2)

式中[Cl₂]――水中余氯的浓度；

[C]――形成三卤甲烷的前驱物质浓度；

n――相对于氯的反应级数；

m――相对于前驱物质的级数；

k­――THM生成的速率常数cssci期刊目录。

据文献报道^[2]：三卤甲烷的形成相对于氯和前驱物都是一级n=1、m=1，总的反应级数是二级。

THM生成潜能(THMFP)是在一定的加氯量下，在足够的反应时间内原水体中的天然有机物与氯反应生成THM的能力^[1]，将THMFP代入(1-2)，可得：

(1-3)

式中t――反应时间(h)；

K――反应速率常数(L/mgh)；

[THMFP]――THM的界限浓度(μg/L)。

在配水管网中，当t=0时，[THM]= [THM₀]，式(1-3)积分得：

(1-4)

2 EPANET给水管网THM生成模型

EPANET跟踪供水系统THM的增长，通过管道内部(主流区)和管壁处两个区域反应来处理的^[3]。在主流区，自由氯(HOCL)与水中天然有机物(NOM)反应；在管壁处，氯与附着在管壁上的藻类等其它前体物质发生反应，存在管壁生长环作用^[2]。

2.1 主流区反应

EPANET模拟具有n级反应动力学的主流区水体反应，其中反应的瞬时速率依赖于浓度，同时也考虑到THM极端增长中存在着极限浓度反应数学建模论文，THM属于一级饱和增长反应动力学模型，n=1，K_b＞0，[THMFP]＞0，即

R=K_b ([THMFP]-[THM]) [THM] ^(n-1) = K_b ([THMFP]-[THM]) (2-1)

式中R­――浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；

K_b――主流区反应速率系数(d^-1)；

n――反应级数；

[THMFP]――THM的界限浓度(μg/L)；

[THM]――THM的浓度(μg/L)。

主流区的反应系数K_b常常随着温度的增加而增加，取决于原水的水质，可通过棕色玻璃瓶中的水样静置来估计，分析瓶中三卤甲烷浓度与时间的关系。对于属于一级饱和增长反应的THM，自然对数([THMFP]-[THM₀]) / ([THMFP]-[THM _t])与时间t的曲线为一条直线，其中[THMFP]为THM的界限浓度，[THM _t]为t时刻THM的浓度，[THM₀]为零时刻THM的浓度，于是K_b由该直线的斜率来估计。

2. 2 管壁处反应

靠近管壁处的水质反应速率，可认为取决于主流区的浓度，THM管壁反应级数n= 1，即采用以下公式^[3]：

R = (A/V) K_w C ⁿ= (A/V) K_w C(2-2)

式中 K_w――管壁反应速率系数；

(A/V)――管道内单位容积的表面积。

管壁反应系数K_w取决于温度数学建模论文，与管龄和管材相关，由模拟人员设置。

3 管网THM生成模型的应用与验证

3.1 实例简介

本研究所用的是横山桥镇配水管网，横山桥镇用水由西石桥水厂供给，输水管线长达17km，在横山桥进行二次增压并二次加氯，通过两条输水管线供给全镇（自来水普及率100%），管径为100～600mm，节点数248，管段数261。管网除镇区为环状外，周边农村均为枝状。在此供水管网中设置了7个水质调查点，分别位于供水干管和管网末梢(见图1)。

图1 实际管网水流方向及7个水质监测调查点

Fig.1 The actual flowdirection of pipe network and 7 water quality monitoring sites

注：1. 增压站；2. 横山家苑；3. 营业所；4.加油站；5.曹巷村；6. 龙塘村；7. 谢家村cssci期刊目录。

3.2模型建立与验证

3.2.1模型建立

在EPANET模型中选择模拟周期为96h，水力步长为30min，水质步长为5min，每5min输出一组水质数据。通过对比模型计算结果和管网实测数据，调整模型输入数据，使模型计算误差达到最小数学建模论文，模型校核后输入初始参数见表1及THM时变曲线图2。局部管网的THM水质模型结果见图3。

表1 THM模型的输入数据

Tab. 1 Input data in THM model

图2 增压站出水THM的时变曲线

Fig.2 The THM time-varying curve in a waterbooster station

图3 局部供水管网THM水质模型

Fig.3The THM water quality model of local watersupply network

3.2.2 模型验证

在调查过程中，管网中每个调查点取2个平行水样，并将取出的水样用抗坏血酸终止其氯化反应，回到实验室快速测定THM值。7个水质监测调查点的实测值与模拟值对比及计算误差见图4和图5。

从实测值与模拟值的比较来看，实测值与模拟值的差值远远小于允许误差30μg/L，因此利用EPANET建立的THM水质模型比较符合实际，能较准确地反映三卤甲烷在管网中浓度分布的真实情况。

4 结论

⑴分析了EPANET供水管网THM生成模型的原理，并利用EPANET建立了供水管网中THM模型，从模型的结果可得知，应用EPANET对供水管网的三卤甲烷进行模拟得到的结果准确度较高、较理想。

⑵应用EPANET建立横山桥镇供水管网THM模型并对其进行验证，较好地模拟出实际管网THM的分布和变化情况，得到整个管网的三卤甲烷分布情况。

参考文献：
[1]宁冉,袁一星,邓涛.供水管网中三卤甲烷变化研究[J].净水技术, 2006,25(4):5~7.
[2]赵洪宾,李欣,赵明.给水管道卫生学[M]. 北京:中国建筑工业出版社, 2008.
[3]Rossman LA.EPANET 2 UersManual[M]. Cincinnati: USEPA, 2000.