多水源供水系统优化调度及管网铁释放研究

摘要

实现多水源供水系统的优化运行,抑制铁质管道的铁释放,防止管网铁浓度超标,保证供水安全是供水企业普遍面临的问题。本文研究的主要内容包括:多水源供水管网优化调度模型的建立及求解方法的研究。针对多水源供水系统优化调度模型的复杂性,在现有算法不足的基础上,研究了更加适用的求解算法;针对水源水质指标和管网水力条件等变化而引起管网铁释放超标的现象进行研究,在对管垢的形态和成分以及管网水体中铁的存在形态进行分析的基础上,分别研究了不同水质指标和水力条件的变化对铁释放的影响,围绕水源切换和多水源联合供水条件下管网铁释放的规律,分别探索了调节pH值、碱度和投加聚磷酸盐缓蚀剂的控制效果,结果表明:
　　第一:利用BP神经网络的管网状态宏观模型代替水力平衡方程组,建立了普遍适用的多水源供水系统优化调度模型。利用改进的粒子群算法求解模型,有效实现了全局搜索和局部精确搜索的平衡,避免简单粒子群算法容易陷入局部最优的缺陷。通过对天津市供水系统进行建模和计算,证明了模型和算法的可行性。
　　第二:不同管道内形成的管垢均具有明显的分层结构,外表致密,内部疏松。垢体的主要成分均为铁的各种氧化物,占总量的70％以上。由于管径、管材、敷设年代及供水水力、水质条件的不同,不同管道内部所形成的管垢的形貌和组成成分也存在一定差异。管网水体中的铁元素主要以铁的各种氧化物形式存在,铁的氧化物以细小的颗粒态悬浮在水体中,是引起“黄水”现象的直接原因。在此基础上,对铁的释放过程和“黄水”的形成过程进行了探讨,不同铁释放模型均认为管垢中溶解度较高的二价铁化合物的大量溶出是铁释放的最重要过程。
　　第三:进水水质(DO、pH、氯离子、硫酸根、碱度和余氯)和管网水力状态(流速、停留时间、流态和流向)的变化均会对铁的释放产生影响,但二者的作用机理不尽相同,前者往往持续时间较长,而后者属短期作用。其中7个因素与铁释放的灰色关联度分析结果为:Cl->SO42->碱度>余氯>停留时间>pH>流速。
　　第四:不同水源之间的频繁切换会破坏管垢表面的钝化层,使铁释放速率迅速变化,随后会有所缓解,但新的平衡的形成需要较长时间。供水分界线处的水源混合区域,由于水质的不断变化造成管垢表面很难形成稳定的钝化层,铁释放速率持续偏高,只有当长江水所占比例高达75%以上时才能得到抑制。
　　第五:调节进水碱度和pH值、投加磷酸盐缓蚀剂等均能对铁的释放起到一定的抑制作用,通过对不同控制技术进行综合分析,认为提高出厂水pH值是十分有效的控制方法。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究技术路线

2 多水源供水优化调度模型的建立和求解

2.1 供水管网工况模型

2.2 供水系统一级优化调度模型的建立

2.3 粒子群算法及其改进

2.4 实例计算及结果分析

2.5 本章小结

3 管垢结构与成分研究

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 本章小结

4 管网水中铁的形态及铁释放过程的探讨

4.1 材料与方法

4.2 结果与讨论

4.3 铁释放过程

4.4 本章小结

5 供水管网铁释放的影响因素研究

5.1 材料与方法

5.2 水质指标对管网铁释放的影响

5.3 水力作用对管网铁释放的影响

5.4 铁释放影响因素的灰色关联度分析

5.5 本章小结

6 北方某市水源切换条件下铁释放规律研究

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 本章小结

7 管网水体中铁释放的控制技术

7.1 铁释放控制效果的评价方法

7.2 调节进水碱度与pH

7.3 投加聚磷酸盐缓蚀剂

7.4 其他的控制方法及综合比较

7.5 本章小结

8 结论和建议

8.1 结论

8.2 建议

致谢

参考文献

攻读硕士研究生期间发表的论文和研究成果