供水管網水質監測點優化選址研究

程小溪

摘 要：在我國水污染問題日益明顯、飲用水的安全隱患增多、突發性水污染事件發生頻繁的形勢下，我國的飲用水出現了不同程度的水質變化，而這一問題已經成為了制約我國經濟發展以及社會安定的重要因素，所以重視飲用水監測具有重要的現實意義，在此過程中，在供水管網設置水質監測點是對飲用水進行監測的有效手段，而水質監測點地址的選取是一個需要解決的主要問題。

關鍵詞：供水管網；水質監測；監測點；優化選址

引言

城市飲用水的安全問題一直是社會各界廣泛關注的重點.出廠水在通過復雜的管網系統輸送到用戶的過程中，由于內部或者外部的污染因素，水質有可能發生惡化，在管網中設置監測點而監控整個管網的水質狀況是保證供水安全的一種有效方法，目前，水質監測點的選取一般為：消火栓、蓄水池、加壓站、商業建筑、公共建筑、民用建筑等，其中商業建筑和民用建筑取樣頻率最高，主要考慮到其取樣的方便性，如何合理地選擇水質監測點仍然是有待進一步研究的課題。

1 供水管網水質監測點優化選址的意義

對供水管網水質進行有效的監測能夠保障飲用水水質的安全。在供水管網中，部分點處的供水壓力降低只會降低對少數用戶的供水速度，而供水管網中的水質一旦出現自身惡化或者是由于質惡化等原因引起的突發性水質污染將會在很大程度上威脅公眾飲水安全以及身體健康。事實上，在供水管網中設置盡可能多的監測器來對水質進行檢測則能夠最大化地確保公眾飲水安全和身體健康，但是這種做法由于水質監測系統投資費用過大而導致了在經濟層面不可行。同時假設供水管網中的水質不會發生變化，在水源處安置檢測器就可以解決水質監測問題。當前供水管網水質監測點的選址大多是依靠經驗來進行，并沒有達到理論高度。

2 供水管網水質監測點優化選址方法

2.1常規供水管網水質監測點優化選址

常規水質監測點優化選址是為了滿足正常監控條件下供水管網中水質狀態，由于正常情況下供水管網中的水質是漸變的，所以常規水檢測點優化選址的主要目的在于找到能夠對供水管網水質做出最大限度反應的節點來設置監測點。LeeBH等人在管網穩態流理論的基礎上提出了覆蓋水量法，這種方法首先假設距離水源距離越遠并且經過時間越長，供水管網中的水質指標就會越低。換而言之，如果供水管網中的某一節點水質較好，那么該節點上游的水質也不會有問題，即這一節點的水質可以指明節點上游的水質。在此假設下通過對水力進行分析來得到不同節點的路徑，然后根據得到的路徑獲得由元素w（i.j）構成的矩陣。（w（i.j）指的是由上游的節點j流向下游的節點i的水量與所有流向i的總水量的比例），最后以一定的標準為依據將矩陣轉換為整數規劃的問題，從而確定能夠最大化獲得水質信息的節點并在節點設置監測點。這種方法適用于供水管網水質自然漸變情況下的檢測點設置，對于外界因素導致的突發性水質實踐中并不適用。Kumar等人在對lee的方法作出繼承的基礎建立了矩陣w并運用貪婪啟發式算法對矩陣w進行了重新的排列，從而是矩陣w在使用上更加方便。AL—Zahrani等在對lee的方法作出繼承的基礎上建立了矩陣w并通過遺傳算法的運用來計算出監測點優化后的選址布置。

這種覆蓋水量法不僅不適用于非常規的供水管網水質監測點優化選址，同時從工程學角度看，這種方法也存在幾個明顯的缺陷。第一，這種方法對供水管網中水力停留時間以及水質空間分布欠缺考慮；第二，事實上，由于供水管網中存在擴散效應，所以節點下游的水質也會對節點上游的水質造成影響，但是在覆蓋水量法中只對節點上游水質對節點上游水質的影響作出了考慮而忽略了節點下水質對節點上游水質的影響；第三，在對多個工況環境中的監測點優化選址進行求解時，覆蓋水量的時間分布特征會對節點具有的代表性造成影響，而這種方法并沒有對這種影響作出考慮。針對這些問題Harmantt在目標函數內將供水管網中水力停留時間因素添加減去，從而讓具有較長存在時間的節點也有了成為水質監測點的可能。woo等人通過權重計算法的運用對目標函數進行了進一步的修改，其中水質越差的節點權重越高，所以存在時間越久的節點就越有可能成為監測點。

2.2非常規水質監測點優化選址

覆蓋水量法可以說是常規供水管網水質監測點優化選址工作中最為基礎且十分重要的理論之一，但是這種方法只能夠適用于正常情況下的水質監控點選取，而不能在突發性水污染事件中發揮出明顯作用。隨著突發性水污染事件的增多，人們對產生突發性水污染事件的可能性以及應對突發性水污染事件的措施十分關注，所以提高監測點選址對突發性水污染事件的針對性成為了國內外中國學者研究的重點和熱點課題。Kessler等人提出了一種能夠運用于非常規污染事件水質監測點選址的方法，其中提出了監測域、覆蓋域、監測重復度三個定義。這種方法需要對一個服務水平進行預選設定并建立管網模型，通過對水利模擬軟件的利用來模擬污染物的入侵并以模擬結果為依據構建有向圖，對兩個節點之間的最短路徑做出計算并對各個節點在通過污染物使整個供水管網所提供的水量受到污染。假設污染物從節點i被注入，當污染物在通過節點j的時候供水管網已經提供的水量少于q，則可以認為在節點j設置檢測點可以有效檢測到節點i發生的污染事件。這種方法可以獲得最佳的監測點地址組合，并使水質監測系統能夠發現盡可能多的水質污染事件。在地址的進一步優化中，如果兩個組合可以檢測到一樣多的水質污染事件，則需要選擇具有較高檢測重復度的組合以確保水質監測的可靠性。

結束語

綜上所述，人們對供水水質的安全性問題越來越關注。為了在管網水質發生問題時做出及時處理，應對管網水質進行有效地監測。其中一項重要的任務就是如何在適當的位置布置水質監測點，使之能夠最大程度地反映整個管網的水質狀況。

參考文獻

[1] 王皓瑋，曹磊.淺析咸陽市縣城自來水供水管網現狀及建議[J].居舍.2017（20）

[2] 孫光.供水管網監測點的優化布置研究[J].建筑與預算.2017（02）

[3] 陳小壇.探討供水管網二次污染成因及水質安全保障措施[J].建材與裝飾.2017（28）