瞬变流作用下供水管网外源污染物入侵机理及其传输模型研究

When the water distribution systems (WDS) have low pressures or the occurrence transient flow, the contaminants in the soil and water surrounding the pipes may intrude WDS through the pipe defects like the leakage holes, which affects the drinking water safety significantly. To reveal the mechanism of contamination intrusion under the transient, the experimental analysis and numerical simulation are used to observe the intrusion process of contamination through the path of "contamination sources→external water→soil→pipe defects→water inside the pipes ", and a quantitative calculation model of the intrusion volume is given. By establishing solute incomplete mixing model of the junction in through experiments and numerical simulation and the introduction of pollutants transfer reaction kinetic equations inside the pipes, the WDS simulation software is improved to calculate the contaminant's transport and fate in WDS efficiently; then , the worst-case and the random intrusion events are generated and analyzed to assess the contamination intrusion. The location of the water quality monitoring equipment is optimized. The start time and location of a contamination intrusion event can be traced. In this study, starting from the microscopic mechanism of contaminant intrusion and transport, the simulation method of whole process of the contamination's intrusion, transport and fate in WDS is established. It has an important value of tracking and identification of the contaminant in WDS, mitigation or elimination the contaminant intrusion under transient flows, and finally improving the drinking water quality in WDS.

当供水管网发生压力降低或瞬变流时，管网周围土体和水环境中的污染物可能会通过管道缺陷入侵供水管网，影响饮用水安全。本研究通过实验和数模，分析污染物从源头经过"外部水体→土体孔隙→管道缺陷"进入管网内部的入侵路径，揭示瞬态流作用下污染物入侵管网的机理，进而建立入侵体积的定量计算模型；通过节点混合实验，建立管网节点的溶质不完全混合模型，理论和中试研究污染物在管道内部的传输反应动力学微分方程，最终把两者嵌入供水管网水质分析代码，提高污染物在管网中传输的计算精度；然后基于最坏情况和随机入侵分析，评估供水管网的污染物入侵风险，并通过优化算法来选择监测点的数量和设置地点，追溯污染事件发生的时间和地点。本研究从污染物入侵和传输的微观机理入手，进而实现污染源从入侵到用户龙头全过程的仿真模拟与分析评估，可为跟踪和识别管网中的入侵污染物，减缓或消除瞬态流作用下的污染物入侵，提高饮用水水质提供技术支撑。

当供水管网发生压力降低或瞬变流时，管网周围土体和水环境中的污染物可能会通过管网结构缺陷入侵供水管网，增加用户的患病几率，影响饮用水安全。因此，研究供水管网污染物入侵机理及其在供水管网中的反应-传输-弥散规律，追踪和定量分析从水力瞬态事件发生到污染物传输到末梢水龙头的整个过程，具有重要现实意义和研究价值。本研究研究主要从污染物入侵机理特征，入侵污染物在管道内的传输变化规律以及污染物在管网节点处的混合特征三个方面来进行。.污染源入侵方面，本研究通过实验研究方法系统分析了初始流速、关阀时间、上游距离、渗漏点孔径以及外部压力对外源入侵体积的影响，并根据实验结果一步拟合了外源入侵体积的经验计算公式。同时，利用经验公式绘制了入侵体积随渗漏点孔径变化的完整曲线，并提出了临界渗漏孔径。.节点混合水质模型方面，本研究通过实验与数值模拟的方法，对节点混合特征进行了系统研究。研究发现，管网节点混合并不完全与瞬时，并且影响节点混合的因素较多。课题组在实验数据的基础上，对EPANET水质模块进行了改进研究。该软件考虑了可能产生不完全混合的，包括十字、N型和U型节点在内的所有节点类型，提高了水质模拟的精度；同时，本文引入不完全混合节点的拓扑几何特征预先判断机制，使不完全混合节点识别效率大幅度提高。.管内污染物的输运模型方面，本研究首先建立了更接近实际管网的全管网全节点(APAD)模型，更好的模拟供水管网系统流量的波动情况。然后，本研究通过实验研究了水动力条件影响下的管网水质模型，并在实验模拟和理论分析的基础上，提出了考虑流速影响的余氯反应和消毒副产物生成模型。最后，本文运用欧拉-拉格朗日方法求解余氯在管网中的浓度变化规律，表明水力特性影响下的余氯反应模型能够较好的模拟余氯浓度的变化情况，具有相比其他模型更安全的余氯浓度估计值。