基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法及系统与流程

1.本发明涉及水质模拟领域，特别是涉及一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法及系统。


背景技术：

2.饮用水从水厂出水口依次经过市政供水管网、小区内部管网、住宅内配水管网输送至用户，在此过程中饮用水水质沿线不断变化。为保证安全供水，《城镇供水水质标准》(cj/t 206
‑
2005)规定供水企业按每两万供水人口在管网末梢、居民经常用水点设置一个采样点，每月不少于两次、每月不少于一次人工采样并检测管网水、管网末梢水水质。此外，部分供水企业在管网中设置在线监测点监测水质。人工采样和在线监测方法的数据采集成本高，且本质是抽样检测，无法得到任意时刻、管网任意位置的水质。管网水质模型能有效预测管网水质在时间、空间上的变化。然而限于小区内部管网基础资料缺乏、住宅内用户的随机间歇式用水规律受每户人口数、住户性别、住户年龄以及住户工作性质的影响难以确定等技术难题，目前构建的管网水质模型通常是市政管网规模的，不包括小区内部管网及住宅内配水管网，仅能预测水厂出水口到市政供水管网末端(小区入口)的水质变化，无法预测“最后一公里”管网中包括小区内部管网及住宅楼内的龙头水水质，然而小区内部管网及住宅楼内配水管网是供水企业公认容易发生水质恶化的、需重点关注的关键区域。
3.现有的水质预测方式是将市政供水管网模拟为互相关联的管段及节点的合集。管段代表管道、水泵和控制阀门；节点表示连接节点、水池和水厂；依据水厂供水量、水泵工作特性曲线、管道的连接关系、管径、管长、管壁粗糙系数、节点需水量、节点地面标高等信息构建市政管网水力模型，以水力模型模拟的水力信息为基础(流速、流量、流态等)，基于物质质量守恒原理模拟水中的目标水质组分随水流迁移、在节点、水池、水箱中混合及反应物质的增长和衰减。而基于市政供水管网水力模型构建的水质模型仍然无法预测小区级管网及室内配水管网的水质变化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法及系统，以解决无法预测小区级管网及室内配水管网的水质变化的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法，包括：
7.统计小区及居民室内配水管网的基础信息，并根据所述基础信息配置小区及居民室内配水管网的拓扑结构；所述基础信息包括居民小区入口节点的标高、压力、室内配水管网各个节点的标高、管道的管径、管长以及管道摩阻系数；
8.基于所述小区及居民室内配水管网的拓扑结构，采用居民用户随机用水模式模拟每一户居民的用水流量变化曲线；
9.根据所述基础信息以及所述用水流量变化曲线构建小区及室内配水管网水力模
型；
10.统计居民小区入口节点的水质信息，将所述水质信息代入至所述小区及室内配水管网水力模型，构建小区及室内配水管网水质模型；
11.根据所述小区及室内配水管网水质模型模拟小区及室内配水管网的水质变化。
12.可选的，所述根据所述基础信息以及所述用水流量变化曲线构建小区及室内配水管网水力模型，具体包括：
13.依据所述用水流量变化曲线，按照质量守恒定律，保持流入节点及流出节点的流量平衡，确定各个节点的流量连续性方程；
14.结合所述基础信息，按照能量守恒原理，确定不同时间、不同管段的水头损失方程；
15.求解所有节点的流量连续性方程以及水头损失方程，并采用梯度方法更新节点水头以及管段流量进行管网水力平差，构建小区及室内配水管网水力模型。
16.可选的，所述流量连续性方程为：
17.其中，q
i
为与节点j相连的管段i流量，水流通过管段i流入节点j时，所述流量为正，水流通过管段i流出节点j时，所述流量为负；s
j
为与节点j相连的管段集合；q
j
为从节点j流入或流出管网的流量，流入时，所述流量为负，流出时，所述流量为正；
18.所述水头损失方程为：
19.其中，f
i
和为管段i的起点编号和起点节点水头；t
i
和为管段i的终点编号和终点节点水头；h
i
为管段i的水头损失；r为沿程水头损失系数；m为局部损失系数；n为流量指数。
20.可选的，所述统计居民小区入口节点的水质信息，将所述水质信息代入至所述小区及室内配水管网水力模型，构建小区及室内配水管网水质模型，具体包括：
21.确定所述水质信息中水质组分沿着输配管道流动在节点混合的方式，并以完全混合的方式模拟水流在节点处的混合过程；所述水质信息包括水龄以及余氯，所述水龄为水在管网中的停留时间；
22.确定所述水质组分在水相与管壁上发生化学反应的反应动力学方程；
23.根据所述混合过程以及所述反应动力学方程，结合所述小区及室内配水管网水力模型模拟的水力信息，基于拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管道流动时水质的离散变化，构建小区及室内配水管网水质模型；所述水质的离散变化包括基本迁移、节点混合以及在水体与管壁上发生水质反应的过程。
24.可选的，所述小区及室内配水管网水质模型为：
25.其中，c
i
(x,t)为管段i中物质的浓度，x为距离，t为时间；u
i
为管段i中的流速；r[c
i
(x,t)]为反应物的反应速率表达式。
[0026]
一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟系统，包括：
[0027]
拓扑结构配置模块，用于统计小区及居民室内配水管网的基础信息，并根据所述基础信息配置小区及居民室内配水管网的拓扑结构；所述基础信息包括居民小区入口节点
的标高、压力、室内配水管网各个节点的标高、管道的管径、管长以及管道摩阻系数；
[0028]
用水流量变化曲线模拟模块，用于基于所述小区及居民室内配水管网的拓扑结构，采用居民用户随机用水模式模拟每一户居民的用水流量变化曲线；
[0029]
小区及室内配水管网水力模型构建模块，用于根据所述基础信息以及所述用水流量变化曲线构建小区及室内配水管网水力模型；
[0030]
小区及室内配水管网水质模型构建模块，用于统计居民小区入口节点的水质信息，将所述水质信息代入至所述小区及室内配水管网水力模型，构建小区及室内配水管网水质模型；
[0031]
水质变化模拟模块，用于根据所述小区及室内配水管网水质模型模拟小区及室内配水管网的水质变化。
[0032]
可选的，所述小区及室内配水管网水力模型构建模块，具体包括：
[0033]
流量连续性方程确定单元，用于依据所述用水流量变化曲线，按照质量守恒定律，保持流入节点及流出节点的流量平衡，确定各个节点的流量连续性方程；
[0034]
水头损失方程确定单元，用于结合所述基础信息，按照能量守恒原理，确定不同时间、不同管段的水头损失方程；
[0035]
小区及室内配水管网水力模型构建单元，用于求解所有节点的流量连续性方程以及水头损失方程，并采用梯度方法更新节点水头以及管段流量进行管网水力平差，构建小区及室内配水管网水力模型。
[0036]
可选的，所述流量连续性方程为：
[0037]
其中，q
i
为与节点j相连的管段i流量，水流通过管段i流入节点j时，所述流量为正，水流通过管段i流出节点时，所述流量为负；s
j
为与节点j相连的管段集合；q
j
为从节点j流入或流出管网的流量，流入时，所述流量为负，流出时，所述流量为正；
[0038]
所述水头损失方程为：
[0039]
其中，f
i
和为管段i的起点编号和起点节点水头；t
i
和为管段i的终点编号和终点节点水头；h
i
为管段i的水头损失；r为沿程水头损失系数；m为局部损失系数；n为流量指数。
[0040]
可选的，所述小区及室内配水管网水质模型构建模块，具体包括：
[0041]
混合过程确定单元，用于确定所述水质信息中水质组分沿着输配管道流动在节点混合的方式，并以完全混合的方式模拟水流在节点处的混合过程；所述水质信息包括水龄以及余氯，所述水龄为水在管网中的停留时间；
[0042]
反应动力学方程确定单元，用于确定所述水质组分在水相与管壁上发生化学反应的反应动力学方程；
[0043]
小区及室内配水管网水质模型构建单元，用于根据所述混合过程以及所述反应动力学方程，结合所述小区及室内配水管网水力模型模拟的水力信息，基于拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管道流动时水质的离散变化，构建小区及室内配水管网水质模型；所述水质的离散变化包括基本迁移、节点混合以及在水体与管壁上发生水质反应的过程。
[0044]
可选的，所述小区及室内配水管网水质模型为：
[0045]
其中，c
i
(x,t)为管段i中物质的浓度，x为距离，t为时间；u
i
为管段i中的流速；r[c
i
(x,t)]为反应物的反应速率表达式。
[0046]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法及系统，以居民随机用水模式预测龙头用水规律并构建小区及室内配水管网水力模型，结合小区入口水质，构建小区及室内配水管网水质模型，预测小区及室内配水管网水质变化。因此，本发明首先以居民随机用水模式模型模拟单户居民的随机脉冲式的用水量，解决了构建小区及室内配水管网水力模型时每户随机用水规律难以确定的技术难题；建立小区及室内配水管网水力模型后，将供水管网水力模型的研究范围由市政供水管网拓展至小区及室内配水管网，小区及室内配水管网水力模型的模拟结果可以为研究备受供水行业关注的“最后一公里”水质变化提供必要的水力基础信息。
[0047]
基于小区及室内配水管网水力模型构建的水质模型模拟小区及室内配水管网的水质变化，结合市政供水管网水质模型的模拟结果或小区入口在线水质监测设备数据，预测龙头水的水质，对保障龙头水的安全可靠具有重要意义，同时可以综合评价小区内所有用户的平均水质。
附图说明
[0048]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0049]
图1为本发明所提供的基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法流程图；
[0050]
图2为本发明所提供的基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟系统结构图；
[0051]
图3为本发明所提供的504户居民小区管网示意图；
[0052]
图4为本发明所提供的1户居民随机用水模式示意图；
[0053]
图5为本发明所提供的504户居民dma小区入口流量变化曲线图；
[0054]
图6为本发明所提供的dma小区入口压力变化曲线图；
[0055]
图7为本发明所提供的dma小区及室内配水管网按照节点用水量加权平均的水龄变化曲线图；
[0056]
图8为本发明所提供的dma小区内所有节点的水龄分布图；
[0057]
图9为本发明所提供的小区入口、小区内连接节点及用户的水龄随时间变化图。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
本发明的目的是提供一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法及系统，能够预测小区级管网及室内配水管网的水质变化。
[0060]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0061]
图1为本发明所提供的基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法流程图，如图1所示，一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟方法，包括：
[0062]
步骤101：统计小区及居民室内配水管网的基础信息，并根据所述基础信息配置小区及居民室内配水管网的拓扑结构；所述基础信息包括居民小区入口节点的标高、压力、室内配水管网各个节点的标高、管道的管径、管长以及管道摩阻系数。
[0063]
在实际应用中，选择居民小区(以500户以上居民用户为宜)，完善小区及室内配水管道的拓扑结构，统计小区入口节点的标高、压力、室内配水管网各个节点的标高、管道的管径、管长、管道摩阻系数等基础信息，按上述基础信息设置为拓扑结构中节点及管段对应的属性；所述属性包括上述的基础信息。
[0064]
步骤102：基于所述小区及居民室内配水管网的拓扑结构，采用居民用户随机用水模式模拟每一户居民的用水流量变化曲线。
[0065]
其中，所述居民随机用水模式模拟是指将用户的用水规律模拟为离散的矩形脉冲，用脉冲强度、脉冲历时和脉冲发生时刻三个统计变量来描述用户用水过程的方法，具体为：以设定监测间隔对居民用户的用水量进行连续监测，确定日用水量的累积频率；根据所述累积频率构建居民随机用水模式模拟模型；所述居民随机用水模式模拟模型包括多户居民随机用水模式流量矩阵以及多户居民随机用水模式水量矩阵；基于所述多户居民随机用水模式流量矩阵以及所述多户居民随机用水模式水量矩阵，利用遗传算法以模拟水量和实测水量误差平方和最小为目标函数，率定出所述随机用水模式模拟模型的最优参数；所述最优参数包括一天中平均用水次数、流量脉冲的平均值、流量脉冲的标准差、用水时长的平均值以及用水时长的标准差；根据所述最优参数，利用所述居民随机用水模式模拟模型确定居民随机用水模式；所述居民随机用水模式用于反映用户用水变化规律，以制定供水方案。
[0066]
在实际应用中，设置每一户的用水流量变化曲线。采用居民用户随机用水模式模拟模型模拟每一户居民在24小时内、每5min用水量的时间序列数据(每户、每天生成288个用水量数据)，求出每5min的平均流量，以平均流量的时间序列数据设置每一户居民的用水流量变化曲线(每户、每天用水流量变化曲线近似模拟为每5min的平均流量变化)。
[0067]
在实际应用中，模拟单户居民的随机脉冲式用水量的时间间隔不一定局限于本发明所述的5min，还可以是其他时间间隔。比如，当时间间隔为15min时，每日监测时段为96个，依次求解96个时间段的节点连续性方程组和管段压降方程组。
[0068]
小区入口的压力、流量、水质数据可以通过市政供水管网水力、水质模型获得，也可以通过小区入口在线监测设备获得(流量计、水质监测设备等)。
[0069]
步骤103：根据所述基础信息以及所述用水流量变化曲线构建小区及室内配水管网水力模型。
[0070]
所述步骤103具体包括：依据所述用水流量变化曲线，按照质量守恒定律，保持流入节点及流出节点的流量平衡，确定各个节点的流量连续性方程；结合所述基础信息，按照
能量守恒原理，确定不同时间、不同管段的水头损失方程；求解所有节点的流量连续性方程以及水头损失方程，并采用梯度方法更新节点水头以及管段流量进行管网水力平差，构建小区及室内配水管网水力模型。
[0071]
所述流量连续性方程为：其中，q
i
为与节点j相连的管段i流量，水流通过管段i流入节点j时，所述流量为正，水流通过管段i流出节点j时，所述流量为负；s
j
为与节点j相连的管段集合；q
j
为从节点j流入或流出管网的流量，流入时，所述流量为负，流出时，所述流量为正。所述水头损失方程为：其中，f
i
和为管段i的起点编号和起点节点水头；t
i
和为管段i的终点编号和终点节点水头；h
i
为管段i的水头损失；r为沿程水头损失系数；m为局部损失系数；n为流量指数。
[0072]
在实际应用中，构建小区及室内配水管网水力模型。具体步骤为：
[0073]
依据模拟得到的小区每一户居民用水流量变化曲线，按照质量守恒定律流入节点及流出节点的流量平衡，列出各个节点的流量连续性方程：
[0074][0075]
式中，q
i
为与节点j相连的管段i流量，水流通过管段i流入节点j时，所述流量为正，水流通过管段i流出节点j时，所述流量为负；s
j
为与节点j相连的管段集合；q
j
为从节点j流入或流出管网的流量，流入时，所述流量为负，流出时，所述流量为正。
[0076]
结合小区入口节点的压力、标高、管道摩阻系数等信息，按照能量守恒原理，依次列出不同时间、不同管段的压降方程组，任意管段两端节点水头之差应等于该管段的压降：
[0077][0078]
式中，f
i
和为管段i的起点编号和起点节点水头；t
i
和为管段i的终点编号和终点节点水头；h
i
为管段i的水头损失；r为沿程水头损失系数；m为局部损失系数；n为流量指数。
[0079]
其中，小区入口压力的时间序列数据可以通过在线压力监测设备或市政供水管网水力模型获得，水头损失按照海曾
‑
威廉公式计算。
[0080]
求解288个时间点对应的所有节点的流量连续性方程和每一条管段的水头损失方程，并采用梯度方法更新节点水头和管段流量进行管网水力平差，建立小区及室内配水管网水力模型。
[0081]
根据小区及室内配水管网水力模型，执行水力延时模拟分析，跟踪延时阶段内管道中流量、节点用水量、节点水头等水力信息随时间的变化。
[0082]
步骤104：统计居民小区入口节点的水质信息，将所述水质信息代入至所述小区及室内配水管网水力模型，构建小区及室内配水管网水质模型。
[0083]
所述步骤104具体包括：确定所述水质信息中水质组分沿着输配管道流动在节点混合的方式，并以完全混合的方式模拟水流在节点处的混合过程；所述水质信息包括水龄以及余氯，所述水龄为水在管网中的停留时间；确定所述水质组分在水相与管壁上发生化学反应的反应动力学方程；根据所述混合过程以及所述反应动力学方程，结合所述小区及室内配水管网水力模型模拟的水力信息，基于拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管
道流动时水质的离散变化，构建小区及室内配水管网水质模型；所述水质的离散变化包括基本迁移、节点混合以及在水体与管壁上发生水质反应的过程。
[0084]
在实际应用中，建立小区及室内配水管网水质模型，具体步骤为：
[0085]
确定要模拟的水质对象，如水龄(水在管网中的停留时间)、余氯等，统计小区入口节点的水质信息。
[0086]
确定水质组分沿着输配管道流动在节点混合的方式，通常以完全混合的方式模拟水流在节点处的混合过程。
[0087][0088]
式中，c
p|x＝0
为管段p起点水中物质的浓度，[m/l3]；p为节点j的下游管段；k为节点j上游管段；i
j
为节点j的上游管段集；q
k
为管段k的流量，[l3/t]；l
k
为管段k的长度，[l]；为管段k末端水中物质的浓度，[m/l3]；q
j,ext
为节点j处进入管网的外部流量，[l3/t]；c
j,ext
为进入节点j外部流量的质量浓度，[m/l3]。
[0089]
确定水质组分在水相与管壁上发生化学反应的反应动力学方程。以常用的综合指标水龄和消毒剂余量余氯为例。
[0090]
模拟水龄时将其处理为一种遵从具有反应速率常数为1的零级动力学的反应成分，
[0091]
r＝1.0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0092]
模拟余氯时，将其在管网中的衰减分为在水相中和管壁上的消耗两部分，分别遵从一级反应动力学，
[0093][0094]
式中，r为反应速率表达式，[m/l3/t]；c
cl
为t时刻的余氯量，[m/l3]；t为反应时间，[t]；k
b
为水相中余氯衰减速率系数，[1/t]；k
w
为管壁上余氯衰减速率系数，[l/t]；k
f
为余氯在水相及管壁上的传质系数，[l/t]；d为管道直径，[l]；k
first
为余氯的一级衰减速率系数，[1/t]。
[0095]
结合步骤103建立的管网水力模型模拟的水力信息，基于拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管道流动时水质的离散变化，包括基本迁移、节点混合、在水体与管壁上发生水质反应的过程，建立小区及室内配水管网水质模型。
[0096][0097]
式中，c
i
(x,t)为管段i中物质的浓度，[m/l3]，c
i
(x,t)是距离x和时间t的函数；u
i
为管段i中的流速，[l/t]；r[c
i
(x,t)]为反应物的反应速率表达式
[0098]
步骤105：根据所述小区及室内配水管网水质模型模拟小区及室内配水管网的水质变化。
[0099]
图2为本发明所提供的基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟系统结构图，如图2所示，一种基于居民随机用水模式的小区龙头水质模拟系统，包括：
[0100]
拓扑结构配置模块201，用于统计小区及居民室内配水管网的基础信息，并根据所述基础信息配置小区及居民室内配水管网的拓扑结构；所述基础信息包括居民小区入口节点的标高、压力、室内配水管网各个节点的标高、管道的管径、管长以及管道摩阻系数。
[0101]
用水流量变化曲线模拟模块202，用于基于所述小区及居民室内配水管网的拓扑结构，采用居民用户随机用水模式模拟每一户居民的用水流量变化曲线。
[0102]
小区及室内配水管网水力模型构建模块203，用于根据所述基础信息以及所述用水流量变化曲线构建小区及室内配水管网水力模型。
[0103]
所述小区及室内配水管网水力模型构建模块203，具体包括：流量连续性方程确定单元，用于依据所述用水流量变化曲线，按照质量守恒定律，保持流入节点及流出节点的流量平衡，确定各个节点的流量连续性方程；水头损失方程确定单元，用于结合所述基础信息，按照能量守恒原理，确定不同时间、不同管段的水头损失方程；小区及室内配水管网水力模型构建单元，用于求解所有节点的流量连续性方程以及水头损失方程，并采用梯度方法更新节点水头以及管段流量进行管网水力平差，构建小区及室内配水管网水力模型。
[0104]
所述流量连续性方程为：
[0105]
其中，q
i
为与节点j相连的管段i流量，水流通过管段i流入节点j时，所述流量为正，水流通过管段i流出节点j时，所述流量为负；s
j
为与节点j相连的管段集合；q
j
为从节点j流入或流出管网的流量，流入时，所述流量为负，流出时，所述流量为正。
[0106]
所述水头损失方程为：
[0107]
其中，f
i
和为管段i的起点编号和起点节点水头；t
i
和为管段i的终点编号和终点节点水头；h
i
为管段i的水头损失；r为沿程水头损失系数；m为局部损失系数；n为流量指数。
[0108]
小区及室内配水管网水质模型构建模块204，用于统计居民小区入口节点的水质信息，将所述水质信息代入至所述小区及室内配水管网水力模型，构建小区及室内配水管网水质模型。
[0109]
所述小区及室内配水管网水质模型构建模块204，具体包括：混合过程确定单元，用于确定所述水质信息中水质组分沿着输配管道流动在节点混合的方式，并以完全混合的方式模拟水流在节点处的混合过程；所述水质信息包括水龄以及余氯，所述水龄为水在管网中的停留时间；反应动力学方程确定单元，用于确定所述水质组分在水相与管壁上发生化学反应的反应动力学方程；小区及室内配水管网水质模型构建单元，用于根据所述混合过程以及所述反应动力学方程，结合所述小区及室内配水管网水力模型模拟的水力信息，基于拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管道流动时水质的离散变化，构建小区及室内配水管网水质模型；所述水质的离散变化包括基本迁移、节点混合以及在水体与管壁上发生水质反应的过程。
[0110]
所述小区及室内配水管网水质模型为：其中，c
i
(x,t)为管段i中物质的浓度，x为距离，t为时间；u
i
为管段i中的流速；r[c
i
(x,t)]为反应物的反应速率表达式。
[0111]
水质变化模拟模块205，用于根据所述小区及室内配水管网水质模型模拟小区及室内配水管网的水质变化。
[0112]
下面以实际生活中的具体居民小区中的用水情况说明本发明的技术方案。
[0113]
按照《建筑给水排水设计规范》设计规模为504个居民用户的独立计量区域(district metering area，dma)小区，完善小区及室内配水管网拓扑结构、设置对象属性。其中，dma的概念是在1980年初，由英国水工业协会在其水务联合大会上首次提出；在报告中，dma被定义为供配水系统中一个被切割分离的独立区域，通常通过截断管段或关闭管段上阀门的方法，将管网分为若干个相对独立的区域，并在每个区域的进水管和出水管上安装流量计，从而实现对各个区域入流量与出流量的监测，并对流量进行分析来定量漏损水平，从而利于检漏人员更准确的决定在何时何处检漏更为有利，并进行主动漏损控制。dma是控制城市供水系统水量漏失的有效方法之一；dma的规模依据住户数量划分为大型(用户数量在3000～5000户)、中型(用户数量在1000～3000)、小型(用户数量在500～1000户)。图3为本发明所提供的504户居民小区管网示意图，如图3所示。
[0114]
小区内有15栋、6层、一梯两户和18栋、6层、一梯三户的住宅楼，每层高3米，楼间距15米。每户设计用水流量按照1个洗涤盆、1个坐便器、1个洗脸盆、1个沐浴器、1个浴盆、1个洗衣机六种卫生器具设计，每种卫生器具的用水当依次为1.00，0.50，0.75，0.75，1.00，1.00，合计每一户的给水当量数为5，所有用水器具同时出流概率为46.06％，每户入户管设计流量为0.46l/s。为简化模型，只计算小区入口到每户入户管，故将每户多个用水点简化合成每户入户管上的一个用水节点，按照设计规范计算每户户管、立管、小区环状管道的管径。设置节点标高、管道管长、管径等属性。
[0115]
设置504户居民在24小时内的用水量。采用居民用户随机用水模式模型随机生成多组时间间隔为5min、全天为288个时段的随机脉冲式用水量，求出每隔5min的平均流量变化。从中挑选出504组平均流量变化曲线，同时保证每户流量的脉冲强度小于设计流量0.46l/s，对应504户居民在24小时内每隔5min的用水流量，且每户居民对应各自不同的随机用水模式，即在24小时内每户居民用水发生的时间及脉冲强度均满足随机性，对应设置为每户的用水量变化曲线。以其中一户为例，图4为本发明所提供的1户居民随机用水模式示意图，其用水流量变化曲线如图4所示。图5为本发明所提供的504户居民dma小区入口流量变化曲线图，504户居民随机用水模式模型累加得到dma小区入口流量变化，如图5所示。
[0116]
进行管网水力平差，构建小区及室内配水管网水力模型。实际应用过程中dma小区入口压力变化曲线可以通过在线压力监测设备获得，本案例中依据城镇居民生活用水压力标准中规定的6层楼最低供水压力为28米，7层楼最低供水压力为32米，随机生成288个范围在28至32的随机数，设定为小区入口压力波动曲线，图6为本发明所提供的dma小区入口压力变化曲线图，如图6所示。
[0117]
以dma入口压力变化曲线和504户用水流量变化曲线为基础，结合节点标高、节点需水量、管径、管长、管道摩阻系数等信息，按照海曾
‑
威廉公式计算水头损失，所有管道的摩阻系数统一取为100，采用梯度法依次求解全天288个时间段的流量连续性方程和管段压降方程，最大试算次数设置为40次，当所有流量变化总和除以所有管段流量总和低于0.002时，试算终止，认为达到水力平衡状态、平差结束。
[0118]
设置水质延时模拟时间为240小时，执行水力延时模拟分析，跟踪第216
‑
240小时
的延时阶段内管道中水流、节点用水量、节点水头等水力信息随时间的变化。
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以小区及室内配水管网水力模型为基础，建立小区及室内配水管网水质模型。以水龄为例(水在管网中的停留时间)，水龄仅与时间有关，为非反应性物质，可以处理为在水相和管壁上均遵从速率常数为1的零级反应。本案例假设dma小区入口的水龄为24小时(水从水厂到dma小区历时为24小时，实际应用中dma小区入口水龄随着用户用水而波动的数据可以通过市政供水管网水龄模型计算得到)，以dma入口水龄和dma小区及室内配水管网水力模型模拟结果为基础，依据拉格朗日方法模拟水从小区入口沿着输配管道流动时水质的离散变化，包括基本迁移、节点混合、在水体与管壁上发生水质反应的过程，建立小区及室内配水管网水龄模型，
[0120][0121]
其中，模拟水龄时，r[c
i
(x,t)]＝1。
[0122]
以构建的水龄模型的模拟结果，综合评价小区及室内配水管网的水龄变化。对所有用水节点按照用水量加权平均求dma小区的平均水龄值，图7为本发明所提供的dma小区及室内配水管网按照节点用水量加权平均的水龄变化曲线图，如图7所示。
[0123]
由图7可知，整个dma小区及室内配水管网的平均水龄在夜间0:00
‑
8:00处于高水平，先升高再下降，与用户用水习惯匹配，夜间用户用水少，水在管道中长期停滞，平均水龄不断升高，平均水龄峰值29.02小时出现在早晨05:10，而后由于用户晨起用水，水在管道中停留时间变短，平均水龄下降；8:00
‑
24：00平均水龄波动较小，与用户白天的频繁用水有关。另外，白天所有用户按照用水量加权平均水龄比dma入口水龄高出1小时左右，凌晨05:10所有用户按照用水量加权平均水龄的峰值29.02小时比dma入口的水龄高出5小时，图8为本发明所提供的凌晨05:10时dma小区内所有节点的水龄分布图，凌晨05:10时所有节点的水龄分布情况如图8所示。
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另外，以小区入口、小区内连接节点1#、2#及用户水龄模拟结果为例，图9为本发明所提供的小区入口、小区内连接节点及用户的水龄随时间变化图，其24小时内随时间波动情况如图9所示。
[0125]
综上，本发明选择有一定数量的居民用户小区，按照小区供水管道及室内配水管网的连接关系完善小区及室内配水管网的拓扑结构，统计小区入口节点的标高、压力、节点标高、管径、管长等基础信息，设置拓扑结构中节点及管段等对象的属性；以居民随机用水模式模拟每一户的随机用水，以此设置拓扑结构中节点的需水量，构建小区及室内配水管网水力模型；统计小区入口的水质信息，将入口水质信息带入小区及室内配水管网水力模型，得到小区及室内配水管网水质模型，模拟小区及室内配水管网的水质变化。
[0126]
通过居民随机用水模式模型生成小区内每一户居民在24小时内，每隔5min的用水量数据，以模拟的用水量求解24小时内、每隔5min的户均用水流量变化，按照梯度法求解节点流量守恒方程和管段压降方程进行管网平差，构建小区及室内配水管网水力模型。
[0127]
以小区及室内配水管网水力模型为基础，结合小区入口水质数据，构建小区及室内配水管网水质模型，预测每一户的水质变化，同时综合评价小区内水质变化。
[0128]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统
而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0129]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。