基于EPANET的供水管网三卤甲烷模型-数学建模论文.docx

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基于EPANET的供水管网三卤甲烷模型

数学建模论文

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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

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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)

2EPANET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，Kb＞0，[THMFP]＞0，即

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

式中R――浓度反应的瞬时速率(μg/L/d)；

Kb――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Kb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]-[THMt])与时间t的曲线为一条直线，其中[THMFP]为THM的界限浓度，[THMt]为t时刻THM的浓度，[THM0]为零时刻THM的浓度，于是Kb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)KwCn=(A/V)KwC(2-2)

式中Kw――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Kw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.1Theactualflowdirectionofpipenetworkand7waterqualitymonitoringsites

注：1.增压站；2.横山家苑；3.营业所；4.加油站；