供水管网中水质监测点优化选址与污染源定位研究

摘要

针对供水管网中突发污染事件引起的饮用水水质污染问题，利用一系列技术手段快速准确地定位污染源位置及其影响范围，为饮用水安全保障提供有力的技术支持，具有重要的现实意义。
　　首先，对供水管网中水质监测点优化布置进行研究，提出多重覆盖下监测点优化选址方法，对于监测点集合的获取采用贪心算法求解，并以两个管网为例进行分析。在比例系数α较小时，整个管网监测系统的覆盖率较低，布置的监测点使用效率较低;比例系数α较高时，选出的监测点覆盖率较高，但是覆盖次数≥2的节点数量所占比重较低。服务水平LS较低时，监测系统的覆盖性能较低，随着监测点数的增多，覆盖率的增加较明显，但是覆盖率不高;服务水平LS较高时，布置少量的监测点，整个系统的覆盖性能较高，但是整个监测系统对污染事件的响应需要较长的时间。多重覆盖与覆盖集法相比，整个管网覆盖节点数目差别不大，但是其覆盖次数≥2的节点数要比覆盖集法多。
　　其次，对供水管网中突发污染事件污染源定位进行较为深入的研究。先通过路径分析确定污染源候选区域，此区域相对整个管网要小很多。然后在此区域内采用遗传算法(GA算法)与多种群遗传算法(MPGA算法)分别对提出的模拟-最优化模型进行求解，并对影响因素以及算法稳定性进行探讨。在计算过程中延迟时间、时间分段数和进化代数需要合理取值，过大或过小都不利于算法的应用。采用GA算法对模型进行求解，目标函数能较快收敛到最优解，求解效果良好。根据污染事件发生时间和污染源位置之间的关系，将时间搜索区间分段，每个时间段对应一个节点集，采用MPGA算法求解，研究结果表明MPGA算法求解具有很高的准确率，较GA算法在稳定性上有着较大的提高。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究的意义

1．2 国内外的研究进展

1．2．1 监测点优化布置的研究现状

1．2．2 污染源定位的国内外研究现状

1．3 课题的提出

1．4 主要研究内容

第2章 供水管网模型及污染源定位方法介绍

2．1 供水管网水力模型介绍

2．1．1 供水管网的宏观模型

2．1．2 供水管网的微观模型

2．1．3 供水管网的简化模型

2．2 供水管网水质模型介绍

2．2．1 供水管网水质的稳态模型

2．2．2 供水管网水质的准稳态模型

2．2．3 供水管网水质的动态模型

2．3 供水管网的图论模型

2．3．1 管网模型的图论基础

2．3．2 管网图的矩阵表示

2．4 EPANET污染事件模拟

2．5 污染源反向定位方法介绍

2．5．1 反向追踪概率密度函数法

2．5．2 梯度下降优化法(模拟-最优化法)

2．5．3 离散最优化法

2．5．4 关系树-线性规划法

2．6 本章小结

第3章 多重覆盖下水质监测点优化布置

3．1 基本概念与假定

3．2 监测点优化选址的步骤

3．2．1 建立管网的辅助图论模型

3．2．2 求任意两节点之间的最短水流路径

3．2．3 构造污染矩阵(Pollution Matrix，PM)

3．2．4 求取多重覆盖下最小覆盖监测点集合

3．3 利用贪心算法求解选址问题

3．4 案例分析

3．4．1 管网NET-1

3．4．2 管网NET-3

3．5 本章小结

第4章 基于时间分段的污染源定位研究

4．1 模拟-最优化定位模型的建立

4．2 模型的求解

4．2．1 污染源候选区域的确定

4．2．2 利用遗传算法求解模型

4．2．3 基于时间分段的污染源定位模型求解

4．3 案例分析

4．3．1 污染源候选区域的确定

4．3．2 基于遗传算法(GA)的模型求解

4．3．3 基于多种群遗传算法(MPGA)的模型求解

4．4 模型求解的影响因素分析

4．4．1 延迟时间对候选区域的影响

4．4．2 监测点布置的影响

4．4．3 时间分段数的影响

4．4．4 进化代数的影响

4．5 算法的稳定性分析

4．6 本章小结

结论与建议

参考文献

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文)

致谢