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输配水系统水力与水质安全研究

作　者: 赵明
导　师: 张杰；袁一星
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 市政工程
关键词: 长距离输水水力安全水力模拟水质安全生长环管网区块化
分类号: TU991.33
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

安全供水是供水事业的首要课题,输配水系统的安全应包括两个方面,即水力安全和水质安全。本论文“输配水系统水力与水质安全”,旨在建立安全供水的整体观念,把输水——配水——用户用水的安全作为一个整体综合考虑。输水系统的水力安全研究是以“哈尔滨磨盘上长距离输水项目”为依托,研究内容是项目的组成部分。配水系统水质安全研究是以国家“863”课题为依托,研究内容是“863”课题的组成部分。论文深入研究了长距离输水管线集气、排气的原理,对形成的气泡进行了分析,求出了管线临界俯角。根据这个理念复核排气阀设置是否合适;对于磨盘山长距离输水管线221个排气阀进行复核计算,证明其布置合理,能保证排气通畅,不产生因气囊引起的水锤。长距离输水管线,地形复杂起伏较大,管线沿地形铺设,形成多个长度不等、高差不等的U形管,论文首次提出当竣工后首次通水,或维修灌水时,将产生U形管振荡,如果通水时流量过大,必将会引起振荡,导致爆管。因此,根据U形管振荡原理,提出水力平稳过渡的新理念,控制初次进水流量,使其逐步增加,从0.4m3/s逐步增加到设计流量5.5m3/s;保证了通水安全,使通水一次成功。通过实测和数值分析,得出PCCP管n值为0.0116,比沿用的钢筋混凝土管的n值(0.013~0.014)降低10.8%,对PCCP管的设计和运行具有指导意义。论文建立了长距离输水系统的瞬变流模型,用运动方程和连续方程对输水管线水锤进行模拟,用特征线法和反问题理论进行求解,获得满意结果,并将其应用于磨盘山输水管线水锤计算中,求出不同工况下的水锤包络线,模拟出输水运行过程中,最不利工况下不产生水锤的安全关闸时间应大于32分20秒。将该研究成果应用于实际输水运行中,避免了输水系统经常发生的水锤事故,保障了该系统的安全运行。利用实测和数值计算得出RKV DN600的活塞式调流调压阀阻力系数与开度之间的关系式,它为输水管线运行中的水力安全模拟奠定了基础。论文深入分析了配水管网“生长环”生成的机理,阐明“生长环”是电化学腐蚀、水中微生物、管网后沉淀共同作用的结果,它引起了管网水质恶化。通过实验论证了管径越小,水与管壁“生长环”接触率越大,消耗的余氯越多,铺设年代越长,管内的水质越差,停留时间(水龄)越长,水质污染越严重。而对我国的大、中、小城市管网状况统计可知,管网中水多在小管径低流速状况下流动,“生长环”对其影响程度增加。同时用分散分析法分析了在各种影响因素同时存在下,各因素及各因素的交互作用对配水系统内三卤甲烷形成的影响程度,得出加氯量的变化对三卤甲烷形成的影响最大,为55%。降低加氯量,对减少三卤甲烷的形成具有重要作用。对配水管网余氯在管道中传输与节点混合数学方程进行探讨,同时推求出不同连接方式的水龄模型。探讨了模型的求解方法,确定用基于时间驱动的拉格朗日算法求解余氯衰减模型。论文从水质、水量和水压全方位考虑,提出了管网规划、设计及改造的新方法—配水系统区块化;并将其应用到某市配水系统的水质模拟,结果表明,区块化后配水系统的综合平均水龄减小约20.1%,余氯消耗减小约12.6%。同时水压分布更加趋于均匀,平均水压减小约12.1%,与此相对应配水系统的漏水量也减小13.8%。这些结果充分验证了配水系统区块化的有效性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-16
第1章绪论  16-32
  1.1 课题背景  16-18
  1.2 课题研究的意义和特点  18-19
  1.3 国内外研究现状与进展  19-29
    1.3.1 长距离输水系统水力安全现状与进展  19-25
    1.3.2 配水系统水质安全研究现状与进展  25-29
  1.4 课题来源  29-30
  1.5 研究思路与主要研究内容  30-32
第2章基础理论与研究方法  32-55
  2.1 长距离输水的理论基础  32-43
    2.1.1 瞬变流的基本方程  32-38
    2.1.2 特征线法  38-42
    2.1.3 时间步长  42-43
  2.2 边界条件和初始条件的设定  43-50
    2.2.1 水库边界条件  43-44
    2.2.2 节点流量变化边界条件  44-46
    2.2.3 阀门流量调节边界条件  46-47
    2.2.4 稳压井压力变化边界条件  47-49
    2.2.5 初始条件  49-50
  2.3 研究方法  50-55
    2.3.1 扫描电镜的检测  50
    2.3.2 BDOC测定原理  50-51
    2.3.3 余氯的测定  51-52
    2.3.4 三卤甲烷的测定  52
    2.3.5 X射线荧光光谱分析  52
    2.3.6 细菌总数的测定  52-53
    2.3.7 环状管网反应器  53-55
第3章磨盘山输水系统水力特性研究  55-80
  3.1 磨盘山长输管线的工况特征  55
  3.2 集气与排气研究  55-63
    3.2.1 气囊存在的危害  56-57
    3.2.2 气囊形成的原理  57-58
    3.2.3 气囊受力分析及临界俯角  58-59
    3.2.4 空气阀作用  59-60
    3.2.5 空气阀的设置  60
    3.2.6 空气阀的孔径复核  60-63
  3.3 U形管振荡分析  63-71
    3.3.1 无摩阻状态  63-65
    3.3.2 层流状态  65-68
    3.3.3 紊流状态  68-71
  3.4 粗糙系数n值实验分析  71-78
    3.4.1 管道粗糙系数  71-73
    3.4.2 测压点属性  73-76
    3.4.3 实测数据  76-78
  3.5 n值计算分析  78-79
  3.6 本章小结  79-80
第4章磨盘山输水系统水力安全模拟  80-95
  4.1 安全通水的研究  80-81
    4.1.1 灌水阶段  80
    4.1.2 充水阶段  80
    4.1.3 通水阶段  80
    4.1.4 磨盘山输水系统通水方案研究  80-81
  4.2 恒定流水力分析  81-88
    4.2.1 输水管线水力模型  81-82
    4.2.2 调流调压阀水力模型  82-85
    4.2.3 稳压井水位模型  85-86
    4.2.4 磨盘山输水系统恒定流分析  86-88
  4.3 瞬变流理论应用  88-93
    4.3.1 瞬变流反问题  88-89
    4.3.2 关阀时间反问题分析  89-92
    4.3.3 磨盘山输水工程关阀时间分析  92-93
  4.4 本章小结  93-95
第5章配水系统水质特征研究  95-125
  5.1 “生长环”对水质的影响  95-98
  5.2 配水管网“生长环”的成因  98-115
    5.2.1 水对管道内壁电化学腐蚀形成的锈垢  99-104
    5.2.2 水中微生物对管道内壁的腐蚀  104-107
    5.2.3 管内后沉淀  107-109
    5.2.4 “生长环”上的生物膜  109-115
  5.3 管道参数对管内水质的影响  115-121
    5.3.1 管径对管内水质的影响  115-117
    5.3.2 铺设年代对管内水质的影响  117
    5.3.3 停留时间(水龄)对管内水质的影响  117
    5.3.4 配水管网管道状况对水质影响的分析  117-121
  5.4 三卤甲烷与余氯关系的研究  121-124
    5.4.1 三卤甲烷主要影响因素的分散分析  121-123
    5.4.2 三卤甲烷生成量与余氯浓度的关系  123-124
  5.5 本章小结  124-125
第6章配水系统水质模型研究  125-145
  6.1 水质模拟的基本方程  125-127
    6.1.1 水力方程  126
    6.1.2 水质方程  126-127
  6.2 水质模型的建立  127-131
    6.2.1 管道传输方程  127
    6.2.2 节点混合方程  127-128
    6.2.3 水池混合方程  128
    6.2.4 水龄方程  128-131
  6.3 水质模型在计算余氯衰减中的应用  131-139
    6.3.1 余氯衰减机理  131-132
    6.3.2 管壁“生长环”对余氯的消耗  132-136
    6.3.3 水中余氯的消耗  136-137
    6.3.4 余氯衰减的动力学方程  137-138
    6.3.5 余氯衰减系数的测定  138-139
  6.4 水质模型的计算方法  139-144
    6.4.1 算法及比较  140-141
    6.4.2 拉格朗日算法  141-144
  6.5 本章小结  144-145
第7章配水系统区块化改善水质安全研究  145-168
  7.1 配水系统区块化  145-147
  7.2 配水系统区块化(DBS)供水的理论  147-158
    7.2.1 配水系统的阶层化理论  147-148
    7.2.2 水质改善研究  148-151
    7.2.3 水压改善研究  151-154
    7.2.4 配水系统区块化实用优化理论  154-158
  7.3 配水系统区块化(DBS)的实施方法  158-163
    7.3.1 管网现状调查与模型的建立  159-160
    7.3.2 管网区块化目的与阶层数的探讨  160
    7.3.3 区块化规模与边界的探讨  160-161
    7.3.4 进水点数目和位置的探讨  161-162
    7.3.5 配水系统区块化的实施  162-163
  7.4 配水系统区块化(DBS)的应用研究  163-166
    7.4.1 水龄改善  164
    7.4.2 余氯改善  164-165
    7.4.3 水压改善  165-166
    7.4.4 漏水改善  166
  7.5 本章小结  166-168
结论  168-170
参考文献  170-182
致谢  182-183
个人简历  183

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