供水水质安全是供水系统中的重要组成部分,供水管网系统庞大、复杂,运行工况时刻发生变化,水质安全已不再仅停留在对出水厂的监测,而是更多的关注管网末梢的水质,然而供水管网中水质监测点数量有限,要想全面了解管网中水质在整个时空上的分布状况,建立供水管网水质模型,进行水质模拟是必要的、可靠的途径。本文在分析研究现有的微生物生长模型的基础上,针对现有模型没有考虑速度变化引起脱离系数的改变和扩散效应对管网中水质的影响的问题,设计实验验证流速的影响,构建微生物生长模型,模型中加入流速和扩散因素。鉴于管段管壁生物膜区为静止的,而水流区水流为流动的,对其分别采用静止网格划分和动态网格划分,提出Eulerian-Lagrangian分裂法计算其数值解,微生物生长模型耦合非稳态的水力情况,在供水量变化下模拟其生长情况。


论文的主要工作和成果如下:


(1)流速变化对微生物生长影响的实验研究。目前供水管网微生物生长模型中没有考虑流速变化导致的近壁区剪切力变化对微生物生长的作用,而已有研究表明忽略该作用可能会对模拟结果产生明显影响。通过设计静态实验和动态实验研究流速对微生物浓度、余氯浓度以及AOC浓度以及对生物膜生长的影响,证实了流速对微生物生长的显著作用。根据实验结果,探究流速、微生物、余氯以及AOC之间的关系,为进一步构建改进的微生物生长模型提供依据。


(2)微生物生长模型的构建。通过实验论证了流速变化对微生物生长有着显著影响,这可能是因为流速会造成剪切力相差较大,剪切力对管壁区疏松物质和生物膜的脱离过程会有较大影响。管网系统中各管道的流速呈随机分布,且差异性较大,因此,流速是供水管网微生物生长模型构建中不可忽略的因素。基于微生物生长中消耗有机物物质、自然死亡、消融、沉积、脱离以及消毒剂使微生物失活等过程,考虑流速造成的剪切力对脱离过程的影响,构建新的微生物生长模型。通过Bayes参数估计方法对所构建模型进行参数估计,得出优化参数。通过对单管和管网模拟,得出微生物在管网中的生长特性以及生物膜积累过程。


(3)扩散效应的影响以及数值解法的研究。供水管网中经典的水质模型主要为对流-反应形式的偏微分方程,这种模型忽略了轴向扩散的影响。这是由于在稳态的水力条件下,通常流速较大,轴向扩散效应相对平流推动效应小得多。然而,研究发现当流速较小时,在动态的水力条件下,管网中部分时段和部分管道中,流速会处于较低状况,扩散效应的作用较为显著。目前水质模型嵌入扩散项的研究多是在低速稳态单一组分情况下模拟,对于扩散效应在非稳态的整体管网和微生物生长模型中的研究鲜见报道。在本研究中,在经典模型中嵌入轴向扩散项,水质模型的控制方程变为对流扩散-反应方程,鉴于微生物生长模型描述是在管道的固定的管壁生物膜区和流动的水流区之间的反应和传质,在数值求解时,两个区域的网格划分不一致,提出用Eulerian-Lagrangian(ELOS)分裂法求解该方程,该方法与解析解和其他数值解比较验证了其合理性和优越性。下游节点的污染物浓度受扩散效应的影响随着时间的推移逐渐从水源开始向下游聚集,越来越显著。轴向扩散效应和径向反应项形成的综合效应对模拟结果的作用更加明显,与无扩散效应相比,微生物量浓度有显著的不同。


(4)供水量变化情况下的水质预测。供水量有较大随机性和波动性,波动幅度较大,导致整个管网的水力参数(如管网流速、流向和流量等)都发生相应的波动,但供水量的随机变化存在一定的趋势性和周期性。基于多尺度的随机森林(W-RFR)模型与小波分解提取供水量时间序列中的特征信息(用水量的趋势、周期以及噪声或偶然事件等)进行多尺度分析,对供水量进行重建与预测。在此基础上,增加每个用户用水量的随机性,嵌入正态分布的随机数,计算各管段节点流量、流向和压力等水力参数,依据随机的水力参数进行水质预测。通过219天时间内的水质预测发现,各水质浓度受水力变化的影响明显,尤其是微生物的浓度,管壁区生物膜前期积累,后期也受随机用水量的影响。


(5)基于GUI的水力与水质分析平台建立。结合实例将上述研究内容分别与Matlab相结合,建立可视化人机交互界面的基于城市供水管网水力水质模型的分析平台。平台的构建,以期为城市供水管网系统提供一个水质评估平台。

相关新闻推荐

1、饮用水中磷对微生物生长的限制作用

2、噬菌体ΦSboM-AG3的一步生长曲线、形态、宿主范围测定

3、高致病性猪繁殖与呼吸综合征活疫苗生产工艺研究

4、多孔介质中微生物生长与衰亡过程介观分析

5、微生物菌肥中常见的12种菌剂介绍