一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法技术

本发明专利技术提供一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法，其步骤如下：按步骤S11

【技术实现步骤摘要】
一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法


[0001]本专利技术属于城市供水领域，具体涉及城市供水管网中的污染源定位技术。

技术介绍

[0002]供水管网是重要的城市基础设施，负责将清洁的自来水输送到城市各处。供水管网分布错综复杂且大部分管道埋在地下，其天生具有脆弱性，故其正常运行易受到各种因素干扰。例如因管道破损而导致的外界物质从破损处入侵、因部分管道老化或腐蚀而导致管道释放有害物质、因不规范施工而导致的管道错接以及人为故意投毒等。这些事件会影响自来水水质从而造成安全风险，极大地威胁自来水用户的生命健康安全。因此，对供水管网进行水质保障是一项重要工作。
[0003]供水管网中的水质保障工作一般可以分为三部分，包括：(1)对管网进行水质风险监测，(2)对污染源进行定位以及，(3)对找到的污染源进行控制和清除。其中，对污染源进行定位是指当管网中发生污染事件时，利用各种测量和模拟的手段来尽可能缩小污染源所在的范围，从而为随后的污染源控制和清除工作提供便利。常用的污染源定位方法是利用安装在管网中的在线水质传感器的数据，耦合水力水质模型，并利用各种模拟拟合手段来推测污染源的位置。然而，目前由于传感器的安装和维护费用高昂、传感器技术能够监测到的水质指标种类有限和精确的水质模型难以获得等因素，这种利用在线水质传感器采集数据的方法往往存在于理论推导和实验室验证阶段，而缺乏大规模实际应用的条件。
[0004]除了安装在线传感器，水质取样是另一种在供水管网中进行水质测量的方法。水质取样是指通过人工在管网中某处取得水样并带回实验室检测的方法。通过实验室检测可以获得水样的详细水质指标，样品的检测结果可以充分反映取样点及其上游管道的水质情况。另外，相较于安装在线传感器，人工水质取样在费用上也有优势，特别是在中国这样人力成本较低的发展中国家。因此，通过水质取样的方式定位管网中的污染源是一种更现实的选择。影响水质取样方法定位污染源效率的主要因素是取样点位置的选择；管网中可以取样的点很多，但受限于实验室的检测能力以及人员配备等情况，能够同时取样并检测的样品数量是有限的；另一方面，取样点的选择要考虑已检测样品的检测结果。这意味着取样点的位置需要优化和动态地选择。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题：提出一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法，通过优化选择每个循环中的取样点位置，从而提高定位污染源的效率。
[0006]本专利技术具体采用的技术方案如下：
[0007]一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法，其步骤如下：
[0008]S1:按步骤S11
‑
S12初始化子区域和可疑管道。
[0009]S11:根据实际情况确定管网中可以取样的点，例如对于一个管网，一般在消火栓处可以方便地取水样，另外，从居民家中或者其他有水龙头地地方取样也可以。
[0010]确定每个循环中的取样点数量n，n个取样点将管网分为T个子区域：
[0011]T＝2
n1‑1[0012]其中，子区域是与一组取样点具有相同上下游关系的管道的集合。例如，当n＝1时，管网中位于取样点上游的管道共同组成一个子区域，其余不在取样点上游的管道组成另一个子区域。当n＝2时，管网被划分为四个子区域：同时在两个取样点上游的管道集合、仅位于第一个取样点上游的管道集合、仅位于第二个取样点上游的管道集合以及均不在两个取样点上游的管道集合。以此类推，n个取样点将管网分为T个子区域。
[0013]S12:管网中所有的管道都被标记为可疑管道。
[0014]S2:按步骤S21
‑
S22进行取样、样品检测和可疑管道更新。
[0015]S21：通过最小化目标函数F(A)来选择取样点，记为取样组A，取样并检测。
[0016][0017]其中，L
all
为当前所有可疑管道的长度和，L
i
为第i个子区域中可疑管道的长度和。
[0018]取得样品之后需要通过水质检测来获得水样的检测结果，比较合适的方法是送回实验室进行检测，因为目前的现场检测技术难以获得完整的水质信息而会导致检测结果不准确，水质检测的目的是为了获得该样品有/无污染的检测结果，检测方法本身不属于本专利技术的创新点，在此不作赘述。
[0019]S22：根据样品检测结果更新可疑管道，具体的更新方法为：(1)如果所有样品都有污染：可疑管道更新为取样点的上游管道的交集；(2)如果部分样品有污染：可疑管道更新为有污染的取样点的上游管道的交集减去无污染的取样点的上游管道的并集，即，可疑管道Q＝有污染的取样点的上游管道的交集Q1’‑
无污染的取样点的上游管道的并集Q2；(3)如果所有样品都无污染：可疑管道更新为取样点的上游管道并集的补集，这里的可疑管道是指可疑管道的集合，例如可疑管道Q＝{管道1,管道3，管道4}。
[0020]S3：按步骤S31
‑
S34根据上一次取样的检测情况进行操作。
[0021]S31：如果S21中有污染的样品数量小于二，则跳过S3。
[0022]S32:如果S22中更新的可疑管道为空，将可疑管道更新为有污染的取样点的上游管道的并集减去无污染取样点的上游管道的并集，即，可疑管道Q＝有污染的取样点的上游管道的并集Q1‑
无污染取样点的上游管道的并集Q2，并跳过S3。
[0023]S33：将一个取样点位置确定为当前可疑管道的末端，剩余的n
‑
1个取样点按照S21的方法确定，对确定的n个取样点位置进行取样并检测。
[0024]S34：如果S33中可疑管道末端取样点的检测结果为无污染，则将可疑管道更新为S21中有污染的取样点上游管道的并集减去无污染的取样点上游管道的并集，再减去S33中可疑管道末端取样点的上游管道，即，可疑管道Q＝有污染的取样点的上游管道的并集Q1‑
无污染取样点的上游管道的并集Q2‑
可疑管道末端取样点的上游管道Q3；否则将可疑管道按照S22中的方法更新。
[0025]S4：重复S2
‑
S3的操作，直至可疑管道中没有可以取样的点，定位完成。
[0026]为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法，该方法不依赖水质模型和在线传感器的数据，而是通过水质取样和实验室检测来进行污染源的定位。在本方法中，供水管网根据所选择的取样点位置和当前的
管网流向被划分为若干个子区域，取样组通过所提出的目标函数以最小化各个子区域长度平方和为目标来优化选择，根据样品的检测结果可以将污染源锁定到其中一个子区域中，通过循环迭代不断缩小污染源所在子区域的范围(可疑管道)，直至可疑管道中没有可以继续取样的消火栓(取样点)，通过上述方法实现了水质动态优化取样。本专利技术具有原创性，提出了一种全新的供水管网污染源定位方法，具有广泛的应用场景，对城市供水管网领域安全保障工作具有重大意义。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于水质动态优化取样的供水管网污染源定位方法，其特征在于，步骤如下：S1:按步骤S11
‑
S12初始化子区域和可疑管道；S11:确定管网中可以取样的点，确定每个循环中的取样点数量n，n个取样点将管网分为T个子区域：T＝2
n1‑
1其中，子区域是与一组取样点具有相同上下游关系的管道的集合，例如，当n＝1时，管网中是取样点上游的管道共同组成一个子区域，其余不是取样点上游的管道组成另一个子区域；当n＝2时，管网被划分为四个子区域：同时是两个取样点上游的管道集合、仅是第一个取样点上游的管道集合、仅是第二个取样点上游的管道集合以及均不是两个取样点上游的管道集合；同理，n个取样点将管网分为T个子区域；S12:管网中所有的管道都被标记为可疑管道；S2:按步骤S21
‑
S22进行取样、样品检测和可疑管道更新；S21：通过最小化目标函数F(A)来选择取样点，记为取样组A，取样并检测；其中，L
all
为当前所有可疑管道的长度和，L
i
为第i个子区域中可疑管道的长度和；S22：根据样品检测结果更新可疑管道，方法为：(1)如果所有样品都有污染：可疑管道更新为取样点的上游管道的交集；(2)如果部分样品有污染：可疑管道更新为有污染的取样点的上游管道的交集减去无污染的取样点的上游管...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑飞飞，姬熠冉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：