（市政工程专业论文）配水管网水龄分析与管网水质状况评价体系的探讨.pdf

摘要 配水管网水龄分析与管网水质状况评价体系的探讨 摘要 城市配水管网担负着将生活饮用水从水厂向用户输配的重要任务。在这个过 程中，由于在管道中发生的物理、化学以及生物作用，水质通常发生一定的变化。 所以，分析配水管网水质是提高用户水质的一个重要环节。在复杂的城市输配水 管网系统中，不可能现场检测所有管段和节点上的水质变化，但是，运用计算机 模拟管网水质，则可以在一定程度上了解水质在整个管网中的近似分布情况。研 究出厂水在配水管网中的水质变化规律，建立合理的配水管网水质评价体系，提 出相应的控制措施，为供水企业改进供水技术、加强供水管理提供可靠的理论基 础，对于提高供水水质具有重要的现实意义。 论文首先论述了水龄在配水系统中的研究与应用现状，分析了水龄得特点。 国内外对水龄的研究处于起步阶段，而其固有的特性决定了它在配水系统中的重 要性。通过详细论述余氯、三卤甲烷等主要水质指标在管网中与时间的变化关系， 分析并确定了算例管网节点水龄的有效范围。 论文第二部分，讨论了输配水管网中水龄的计算。根据节点组分守恒定律( 离 开节点的所有输出管段内某组分的浓度可用各流入节点的浓度表示) 得到节点水 龄计算公式，并通过节点水龄得到管网水龄比的计算。 论文第三部分，探讨了配水管网水质状况的评价体系。详细论述了影响管网 水质变化的因素，以及国内外饮用水标准的发展状况与饮用要求。阐述了目前国 内外已有水质状况评价模型，根据管网水龄比讨论了算例配水管网水质状况的评 价体系。 最后，论文给出了一个算例。运用文中介绍的配水管网水龄比计算、管网水 质评价体系，以及e p a n e t 2 软件，对算例的水质状况做出了评价。通过用水大户 的改变，阐明用水量变化对整个管网水龄比的变化起到至关重要的作用。 关键词：配水管网，节点水龄，有效水龄，管网水龄比，水质模型，水质评价 a b s t a a e t t h ea g eo f w a t e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k sa n a l y s i sa n dt h e a p p r a i s a ls y s t e mw i t hw a t e rq u a l i t yc o n d i t i o n sd i s c u s s i o n a b s t r a c t 1 1 1 ；c i t yn e t w o r k so f w a t e rs u p p l ys h o u l df i n i s ht h ei m p u r t a n tt a s ko f t r a n s p o r t i n gt h ed r i n k i n g w a t e rf r o mc i s t e r nt oc u s t o m e r s h o w e v e r , i nt h ep r o c e s so fs u p p l y , b e c a u s eo ft h ep h y s i c a l ， c h e m i ca n db i o l o g i ce f f e c th a p p e n e di nt h ep i p e s t h ew a t e rq u a l i t yu s u a l l yc h a n g e sai m t h e m f u r e t h eq u a l i t ym e a s u r e m e n ti nw a t e rs u p p l yn e t w o r k si sa ni m p o r t a n ts t e pa n da l s oa w e a k n e 璐t oi m p r o v et h ew a t e rq u a l i t y i nt h ec o m p l i c a t e dn e t w o r k so fc i t yw a t e rs u p p l y , i ti s i m p o s s i b l et oi n s o e c tt h ew a t e rq u a l i t yi na l lt h ep i p e sa n dn o d e s 。b u tw ec a nu n d e r s t a n dt h e d i s t r i b u t i o no fw a t e rq u a l i t yi nt h ew h o l en e t w o r k sc o m p l e t e l yb yc o m p u t e r - a i d e ds i m u l a t i o n a e c o r d i n g l y , i tw o u l db r i n gg o o de f f e c to ni m p r o v i n gw a t e rq u a l i t yt or e s e a r c ht h er u l e so f w a t e ro u a l i t yc h a n g e e s t a b l i s ht h er e l i a b l ee v a l u a t i o ns y s t e mo fw a t e rq u a l i t yi nt h en e t w o r k s ， p u tf o r w a r dt h e 岛a s i b l em e a s u r e s a n dp r o v i d et h et h e o r yt oc n h 锄t h et e c h n i q u ea n d m a n a g e m e mo f w a t e rs u p p l y t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta b o u tw a t e r - a g e , a n dg e l st h eg e n e r a l i z a t i o n a n da n a l y s i so fw a t e r - a g e t h er e s e a r c hd o m e s t i ca n do v e r s e a sa b o u tw a t e r - a g ei so l lt h ef i r s t s t e p t h i sa t t r i b u t eo f w a t e r - a g ed e t e r m i n e st h ei m p o r t a n c ei nt h ew a t e r - s u p p l ys y s t e m t h r o u g h t h ee a r e f i i ld i s c u s s i o no fc h a n g em l e sa b o u tm o s t l yi n d e xo fw a t e rq u a l i t yl i k er e m a i n i n g c h l o r i n e , b e n z o t r i c h l o r i d ea n ds oo n , a n a l y s i sa n dc o n f n m a t i o na b o u tt h er a n g eo f w a t e r - a g e s e c o n d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h ec a l c u l a t i o na b o u tw a t e r - a g ei nw a t e rs u p p l y n e t w o r k s a c c o r d i n gt ot h em a t e r i a l sb a l a n c e - t h e o r yo nt h en o d e s , w ec a nd e d u c et h ef o r m u l ao nt h e w a t e r - a g eo fn o d e s i tp r o v i d e st h et h e o r yb a s e m e n ta b o u tt h ew a t e rq u a l i t ye v a l u a t i o ni nt h e n e t w o r k st oc a l c u l a t et h ea g eo f w a t e rs u p p l yn e t w o r k sb yc a l c u l a t i n gt h ew a t e r - a g eo f n o d e s t h i r d l y , i ts e t su pt h ee v a l u a t i o ns y s t e mo f m e a s u r i n gw a t e rq u a l i t yi nt h em o d e ln e t w o r k i ta l s o d e m o u s t r a t c st h ef a c t o r st oc h a n g et h ew a t e rq u a l i t y , t h ed e v e l o p m e n ta n dr e q u e s to fd o m e s t i c a n do v e r s e a sd r i n k i n g - w a t e rs t a n d a r d a c c o r d i n gt os u m m a r i z i n ge x i s te v a l u a t i o ns y s t e m d o m e s t i ca n do v e r s e a so f w a t e rq u a l i t y , a n dc a l c u l a t i o no f w a t e r - a g ea b o u ts u p p l yn e t w o r k s , w e c a ne r e c tt h ee v a l u a t i o ns y s t e mo f m e a s u r e m e n ta b o u tw a t e rq u a l i t yi nt h ee n s a m p l en e t w o r k s f i n a l l y , t h et h e s i sg i v e sac a l c u l a t i o ne x a m p l e i te v a l u a t e st h ew a t e rq u a l i t yi nt h i se x a m p l e t h r o u g hw a t e r - a g ec a l c u l a t i o n , e v a l u a t i o ns y s t e ma b o u tw a t e rq u a l i t y , a n dc o m b i n a t i o nw i t ht h e e p a n e ts o f t w a r ei nt h et h e s i s i nt h ea p p l i c a t i o no ft h es o r w a r e ，o nb a s i so ft h ec h a n g eo f c u s t o m e r s t h ep a p e rc o m p a r e st h ew a t e rt w oq u a l i t i e s a tl a s t , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e c h a n g e so f w a t e r - c o u s u m p t i o ni nt h en e t w o r k sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nt h ea g eo f n e t w o r k s 1 【叼胛o m s ：t h ew a t e rd i s t r i b u t i o nn e r w o r k , w a t e r - a g eo fn o d e ，e f f e c t i v ea g eo fn e t w o r k s ， a g e - r a t i o o f n e t w o r k s ，m o d e l o f w a t e r q u a l i t y , t h ee v a l u a t i o n o f w a t e r q u a l i t y 第一章绪论 第一章绪论 随着人类生活水平的不断提高和全球经济的进一步发展，人们对生活用水的 水质要求越来越高。供水企业在大力提高水处理厂的水质净化能力后，目前面临 的一大难题是如何在庞大的输配水管网中保持优良的水质。 1 1 选题背景与意义 城市供水系统的主要任务就是保证为用户提供安全可靠的自来水。其中包括 两个部分即水量和水质。保证水量就是在用户水龙头处保持足够的压力，使用 户能够得到所需要的水量；保证水质就是使用户能够饮用到合格的自来水。也就 是用户饮用的水是符合国家生活饮用水卫生标准的。水源水通过取水系统进入水 厂，经过一系列处理工艺，最终由配水管网输送到用户。经过处理后的水由水厂 进入配水管网时往往是符合国家饮用水水质标准的，但是，水在流经配水管网到 达用户的过程中需要一定的停留时间，对于不同的配水管网，停留时间是不同的。 以哈尔滨为例，水在管道内的平均停留时间为5 小时，法国瓦兹河梅里供水系 统的平均停留时间为3 天，而在美国，在采用区域统一供水时，水在管网内的 平均停留时间有的竟长达一周。无论水在配水管网中停留时间是长是短，都会发 生或多或少的水质下降现象。所以，合格的出厂水在经过配水管网的传输过程到 达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水标准了。 导致配水管网中水质下降的原因主要来自两个方面：其一是自来水进入配 水管网的水携带着致使水质恶化的因素，如没有被消毒剂灭活的细菌和其它微生 物，这种原因实质是自来水水质自身内在的下降。其二就是配水管道与水之间发 生的物理、化学以及微生物等作用，导致水质恶化，这种原因是自来水在流动过 程中受到来自管网的影响而造成的水质下降。另外，管网中水质下降的原因还有 偶然事件造成的外界污染，如管道爆裂，管道施工等原因引起的污染物侵入等等。 其中，配水管网是城市供水系统的重要组成部分，也是直接与用户发生联系的部 分。配水管网本身是一个庞大、高度复杂的系统，从水质角度来讲，是一个巨大 浙江大学硕士学位论文 的管式反应器，其自身对自来水没有处理能力。水从处理厂流至用户水龙头，其 问会发生复杂的物理、化学以及微生物反应，造成水质不同程度的下降。鉴于水 在配水管网中发生的水质下降现象，所以必须研究水质在配水管网中的变化规律， 建立合理的评价体系，寻找相应的控制措施改善管网水质，以保证用户的水质符 合国家生活饮用水卫生标准”。 1 2 国内外研究现状 水厂的水从出厂到用户端水质呈下降趋势，有的甚至超过国家标准”1 ，一部 分原因是水在配水管网内流经时间很长，发生一系列的物理、化学、电化学和微 生物学的作用，使水受到二次污染的结果。目前国内外对管网水质的研究主要 涉及的问题是：管网水的水质稳定性；有关消毒剂和消毒副产物的研究；配水管 网材质对管网水质的影响；建立管网水质监控数学模型及仿真系统的研究。 1 2 1 管网水的水质稳定性 1 2 1 1 化学稳定性”1 目前在国内，通常采用饱和指数和稳定指数配合使用的方法，判断水质的稳 定性。这种判断标准以单一碳酸钙的溶解平衡作为判断依据，没有考虑电化学过 程，更没有考虑水中胶体的影响，而且把碳酸钙既作为缓冲剂，又作为水垢来考 虑。所以水质的腐蚀与结垢问题，不能仅按上述指数来区分。近年美国、德国、 瑞典、丹麦、挪威等国家联合研讨了这一问题，主张要与管网所用材质结合起来 考虑。实际上水质的化学稳定性与饱和指数、管材、p h 值、a o c c a s s i m i l a b l e o r g a n i c c a r b o n ) 都有关，而目前国内外在这方面的研究却不多，因此应从饱和性指 数、管材、p h 值、a o c 等多方面出发，综合研究、评价水质的化学稳定性问题。 1 2 1 2 生物稳定性”。 所谓饮用水的生物稳定性是指饮用水中有机营养物质能支持异养细菌生长的 潜力，即细菌生长的最大可能性。可同化有机碳a o c 是指可生物降解有机碳b d o c 中被转化成细胞物质的那部分。a o c 与异养细菌在管网中的繁殖密切相关，是异 样细菌直接用以新陈代谢的物质和能量来源，一般作为异养细菌在给水管网中再 第一章绪论 生长的潜力评价指标。自1 9 9 2 年荷兰v a n d e r k 0 0 u 博士”1 创建了测定水中可同化有 机碳试验以来，该方法在国外被广泛用来评价水的生物稳定性。近2 0 年来，国外 通过一些中型或小型试验对处理水的生物稳定性进行了大量研究。主要有三个研 究方向：判断生物稳定性的指标问题、各种水处理工艺对生物稳定性的去除作用、 不同水源对处理水的生物稳定性的影响问题。国内目前对a o c 的主要研究成果有 【7 】 ： 1 、水源水质较好的水厂出厂水和管网水中a o c 含量相对较低，反之则高。 2 、在饮用水中a o c 和b d o c 之比变化较大，但大量数据统计结果表明平均 值约为3 0 4 0 ，因此也可以用b d o c 来评价饮用水的生物稳定性。 3 、常规水处理工艺对a o c 的去除效果波动较大，而活性炭一纳滤膜工艺可 以达到较好的效果。 4 、a o c 在管网中的变化受到氯的氧化和细菌活动的双重影响，氯氧化使a o c 增加，细菌活动使a o c 减小。 尽管目前国外对生物稳定性做了大量、深入研究，但还未从配水管网方面做 过深入研究；国内虽然曾研究了管网中a o c 的变化情况，但只是一些比较简单的 定性研究。所以，还需要进一步深入研究生物稳定性在配水管网中的各种影响因 素，如消毒剂种类和浓度、b d o c 、温度、管材、p h 值、细菌、水的停留时间等。 1 2 2 消毒剂和消毒副产物的研宄进展 1 2 2 1 氯消毒剡的研究进展 最初主要研究投氯量、余氯在水中的存在形式及消毒机理、影响余氯消耗的 各种因素、消毒效果等。当前的研究重点逐渐集中在管网中余氯变化的动力学机 制和衰减规律等方面。j a m e s 哺1 从多种水源中抽取2 0 0 个水样，通过这些水样研究 了6 种游离性余氯衰减的动力学模型，并通过对游离性余氯沿管线衰减和在管网 纵剖面上衰减的研究认为余氯在主体水中的衰减和总体衰减规律都符合一级反应 动力学。r o b e r t 等驯从微生物安全和化学安全两方面考虑，认为余氯的消耗可用二 级模型来描述。s t c f h n 等“们引用一套新的用于测定水中含氯量的误差校正程序，利 用非线性最优化参数估计值确定含有单因子或双因子参数模型的氯衰减系数，确 定氯的衰减系数，并进一步研究流量、流入管网的氯的浓度和温度的关系。这些 浙江大学硕士学位论文 一级或二级的模型大部分都是直接用数学方法推导而来，并未从化学角度研究余 氯在管网中衰减的动力学机制，因此不能完全反映出余氯在管网中消耗的本质。 在国内，从管网中影响余氯消耗的多种因素出发，把余氯在管网中的消耗分为四 部分“： ， l 、与管道水中有机物和无机物的反应； 2 、与管壁附着的生物膜的反应； 3 、在管壁腐蚀过程中的消耗； 4 、在管壁与水流之间余氯的质量传输。 经研究认为余氯在管网中的衰减是一级反应，其消耗动力学模型考虑了影响 余氯消耗的管长、管径、管材、流速、管道的敷设年代、管壁粗糙度、温度、反 应活化能等因素，所以较全面地反映了余氯在配水管网中的衰减过程。由此可见， 现在对氯消毒剂的研究已经达到了相当的深度，提出了多种确定余氯衰减系数的 方法和余氯衰减模型。但这些模型都未能有效的应用于实际生产中，因而不能发 挥其指导生产的作用。 1 2 2 2 消毒副产物的研究进展”1 消毒主要用于防止水中致病微生物引起的水传播疾病。但氯是较不稳定的物 质，具有强氧化性，极易与水中含有的许多天然有机物( 主要以腐殖质的形式存在) 反应。因此，在加氯过程中会产生对人体有害的消毒副产物，这些消毒副产物主 要有三卤甲烷( t h m s ) 、卤乙酸( h a a s ) 、卤代氰( c y a n o g e n h a l i d e s ) 等十几种a 目前 对消毒副产物的研究是管网水质研究的热点之一，主要研究的消毒副产物是三卤 甲烷和卤乙酸。为了描述三卤甲烷的形成动力学机理，人们先后提出过几种经验 模型。a m y 等k “对各种模型曾作过经典的回顾和评论。除了对三卤甲烷生成潜 能影响很大的溴化物外，在不同条件下这些模型的反应级数是完全不同的。而且， 三卤甲烷的含量随着溴化物浓度的增加而增加。目前已经提出了包括细菌学参数 的三卤甲烷经验模型。h o e h n 等“”曾报导过藻类产量与三卤甲烷生成潜能有关。 c a n a l e f f ； 1 c h a p m - 等) k “提出了一个以总磷的负荷量为函数的经验模型，认为三卤甲 烷生成潜能与叶绿素、浮游动物、溶解氧、总磷等有关。国内外对于三卤甲烷的 研究绝大多数集中在三卤仿的形成机理、卤仿形成的预测模式及分析检出方法等 第一章绪论 研究方面。李欣等人“曾对三卤甲烷进行了较深入的研究，研究中以腐殖酸为三 卤甲烷形成的前驱物质，确定t h m 生成的反应级数为二级，引入了t h m 生成篚 ( t h m f p ) 的概念，将t h m 的生成作为t h m f p 、余氯浓度、滞留时间及温度的函 数，提出了三卤甲烷浓度分布的水质模型。利用此模型结合配水管网的水力分析 与计算可以求出配水管网中任一节点的t h m 浓度。国内对消毒副产物的研究与国 外相比还较少。而且这些对消毒副产物的研究主要集中在三卤甲烷测定和生成机 理、影响因素上，对给水管网中卤乙酸等其他消毒副产物的研究以及控制消毒副 产物的研究均处于刚刚起步阶段 1 6 j 。 1 2 3 配水管网材质对管网水质的影响 管网材质对水质的影响主要有两方面：管材与管网水发生的腐蚀反应( 电化学 反应) 和管材对水中微生物的影响( 生物反应) 。f r a t e u r 等“对铸铁管的腐蚀进行了 研究，认为铸铁管的腐蚀仅仅导致了氯与管道溶出的亚铁离子反应，由腐蚀引起 氯的消耗速率可由腐蚀电流密度得出。p a t r i c k n i q u c t t e 等n 8 1 研究了配水管网中不同 管材对生物膜的影响，认为铸铁管对管壁生物膜的影响最大，塑料管对管壁生物 膜的影响最小。李欣和王郁萍等人“驯结合实验室和现场测试研究了供水水质在管 道输送过程中所发生的一系列的变化，指出采用经过严格毒理学及微生物学测试 的管材才是解决管网水质污染的有效途径。 1 2 3 ，1 稳态模型” 稳态模型将管网水力条件视为不变，最终管网中的各种物质均能达到平衡分 布而不再变化，输出的即是平衡状态下的水质分布啪1 。第一个水质模型即从稳态 水力模型发展而来“，该模型求解了一系列节点质量平衡模拟方程，除此模型外， m a l e s 等“提出了在稳态系统下混合问题的一个算法，m u r p h y 为管网中的稳定流 提出了一个模型，可用来决定氯浓度的空间分布。2 0 世纪8 0 年代中期赵洪宾教 授1 通过现场试验推导了余氯在配水管网中的衰减模型，吴文燕博士烈1 也对余氯 在配水管网中的变化规律进行了模拟和校核。管网稳态水质模型为管网的一般性 研究和敏感性分析提供了有效工具，普遍用于在管网系统水质分析。由于即使在 管网运行状态接近恒定时，管网中的物质也没有足够的时间传播和达到某种均衡 浙江大学硕士学位论文 分布，因此，稳态水质模型仅能够提供周期性的评估能力，对管网水质预测缺乏 灵活性“ 1 2 3 2 动态模型 动态模型是模拟各种水力条件随时间变化的管网中，指标物质在不同的时间 和空间分布中的变化情况。w a l i d 等”。研究了完全动态的t 瑚s 水质模型。该模 型可模拟配水系统在不同负荷状态下的氯、总t h l v i $ 、以及四种t h m 物质在配水系 统中的变化状态。此模型已经在阿联酋阿布扎比配水系统中的部分管网中进行了 实验验证。因为通常都认为配水管网及其内部的变化都是连续的系统，因此动态 模型对于水质和水力工况随时间的相互作用提供了一个更为准确合理的表达方 式。现有的动态模型除了各自的优点外，还有一些局限性。动态模型是建立在所 模拟的配水系统的结构( 比如管段长度) 和水力特征( 比如流速) 以及模拟的系 统附件之上的，所以现有动态模型的计算时间及其内部存储容量变化非常大，不 但对于台式机，即使是大型机都有可能是不兼容的。在对长管段小流量的管网进 行模拟时，这种问题会更加突出。虽然可以利用一定的技术来解决这一问题，但 是将不可避免地损失精度。所以希望能寻找出一种稳固高效的而且在数学上表达 明确的方法。巧妙解决上述问题的一种方法是建立一个更为严格的系统模拟方法。 b o u l o s 等人“”的事件驱动模拟算法但d m ) 就是一个很好的例子。提出了一个明确 的关于时间的水质模型算法，采用的是追踪管网管道中物质的瞬时浓度，即在给 定时间内的浓度可从以前已知的浓度界限上直接得出。物质的传输现象用离散体 积元素法在模型中直接模拟，它建立在符合对流传输和反应动力学的质量平衡方 程的基础上，可根据部分水质的有效数据推测出管网中其他各处的水质情况，从 而评估出给水管网系统的水质状况”1 。以上的各种稳态或动态水质模型都单纯的 用数学公式推导而来，而没有结合污染物在水中的变化机理，所以不能完全反映 出物质在管网中的动态变化情况。近几年来，从化学角度建立了余氯衰减模型和 三卤甲烷生成模型，比较全面真实地反映了物质在管网中的变化。但对于其他水 质参数从化学角度研究物质在管网中的动力学机制，建立数学模型的文献几乎没 有，所以今后建立水质模型的研究不应仅从数学角度推导建立，而应结合其化学 变化机理进行研究。因为只有从化学机理角度出发建立的水质模型才有可能适用 第一章绪论 于生产，本文尝试从水龄的角度反应管网水质。 i 2 4 给水管网仿真系统的研究 美国环境保护署( e p a ) 为了满足供水水质标准和人们的用水要求，研究开发 r 二， 了e p a n e t 2 计算机模拟软件“”。这个软件描述了配水系统中的水力变化和水质变 化情况。在水质模拟方面主要可以研究不同水源的混合情况、整个管网的水龄、 余氯的衰减变化、消毒副产物的增长、污染物的传输路径等着干问题。国外的海 斯德公司推出的w a t e r c a d 给水管网模拟程序也具有强大的水质模拟能力。而 国内对这方面的研究较少，目前哈尔滨工业大学正在从事给水管网水质仿真系统 的研究，并对深圳配水系统建立了w n w 模拟系统，试验结果比较合理。本文采用 e p a n e t 2 计算机模拟软件，对模型水质进行比较分析。 1 3 本文研究的主要内容 综上发现，无论是影响管网水质的管内腐蚀、结垢，还是微生物或者藻类的 生长繁殖，都与水在管网内的滞留时间存在紧密的关系；同样目前国内外关于管 网水质主流的研究方向中如：余氯的衰减模型、消毒副产物的产生模型还是微生 物的变化，无一不贯穿着一个重要的因素：水龄( w a t e ra g e ：w a t e ra g ei sd e f i n e d a st h et i m ei tt a k e st h ew a t e rt or e a c ht h ec u s t o m e r st a pa f t e rl e a v i n gt h ei n i t i a ls o u r c a g $ o fs u p p l y ，w h i c hi st h ew a t e rt r e a t m e n tp l a l l 卜a w 、张：a m e r i c a nw a t e rw o r k s a s s o c i a t i o n 美国水工协会) 。所谓水龄即处理结束的达标水( 符合国家生活饮用水 卫生标准) 从离开水厂开始到用户取水端所需的时间。 本文共分6 章，第2 章分析了水龄特点并界定了节点水龄的有效范围，第3 章介绍了水龄计算的基本方法与应用软件，第4 章探讨了算例管网水质的评价体 系，第5 章结合算例就本文提出的方法对管网水质状况进行了分析，并对影响水 龄的主要因素用水量进行了比较。各章详细内容如下： 第2 章论述了水龄在配水系统中的研究与应用现状，分析了水龄的特点。国 内外对水龄的研究处于起步阶段，而其固有的特性决定了它在配水系统中的重要 性。通过详细论述余氯、三卤甲烷等主要水质指标在管网中变化的机理，分析并 确定了算例管网节点水龄的有效范围。 浙江大学硕士学位论文 第3 章讨论了输配水管网中水龄的计算。根据节点质量守恒定律( 离开节点 的所有输出管段内某组分的浓度可用各流入节点的浓度表示) 得到节点水龄的计 算公式。通过节点水龄分析得到管网水龄比的计算，为配水管网水质评价奠定了 理论基础。 第4 章探讨了配水管网水质状况的评价体系。详细论述了影响管网水质变化 的因素，以及国内外饮用水标准的发展状况与饮用要求。阐述了目前国内外已有 水质状况的评价模型，根据管网水龄比的计算分析了算例配水管网水质状况的评 价体系。 第5 章给出了一个算例。运用文中介绍的配水管网水龄比计算、管网水质评 价体系，以及e p a n e t 2 软件，对算例管网的水质状况做出了评价。通过用水大户 的改变，阐明用水量的改变是影响管网水质好坏的重要因素。 第6 章对本论文研究内容及所做工作做了简单总结与展望。 第二章配水管同水龄分析 第二章配水管网水龄分析 本章介绍了国内外水龄的研究现状，解释了水龄的基本概念，详细分析了主 要水质指标在配水管网中的变化规律与时间的关系，并结合水龄的特点界定了节 点水龄的有效范围。 2 1 水龄概述 水龄的概念最早于1 9 8 5 年被m a l e s 等人3 1 1 在稳态模型中提出，而1 9 8 8 年 g 唧n 卸等人嘲就把水龄的概念融入到动态水质模型中，开始了时间对管网水质 影响的研究。1 9 9 8 年c l a 出等人蚓通过水力模型对配水管网中的水龄做了进一步评 估，并在分析、监测管网水质中得到了应用。美国自来水协会研究中心捌 ( a w w a r f ) ( # 2 7 6 9 ) 正在研究把水龄作为评价、管理水质的一个系统工具，该 课题已经取得了一定的进展。 2 0 0 5 年d i g i m o 等人矧在实际管网中加入氟或明矾等化学药物进行跟踪监测， 研究了管网中水质随时间变化的规律，所得实测平均滞留时间与通过e p a n e t 2 模 拟所得时间进行了比较分析，表明两者存在相对稳定的比例关系。 国内赵洪宾老师等人佟于2 0 0 1 年提出了节点水龄的计算方法，通过节点水龄 评价管网水质，并在实际管网中得到了应用。许仕荣老师等人蚓于2 0 0 3 年提出了 水龄比例矩阵，结合水量比例矩阵对水质监测点的优化选址进行了新的探索与研 究。 2 2 水龄细分 所谓水龄即处理结束的达标水( 符合国家生活饮用水卫生标准) 从离开水厂 开始到用户取水端所需的时间捌。本文把水龄细分为管径水龄、节点水龄、管网 永龄比。 浙江大学硕士学位论文 2 2 1 管径水龄 所谓管径水龄即在某一个给定的工况下水从水源流到节点f 在流经管径中各 自停留的时间。如图2 1 所示，在某一给定的工况下节点l 至节点8 的3 条水流路 径。 图2 1 管径水龄计算示意图 图2 1 中节点旁边数字如“1 、2 、3 4 ”表示各节点编号，分别为节点1 、 节点2 、节点3 等；而管径上数字如“1 、2 、3 、8 、9 ”表示各管段的管径水 龄，分别表示各自管径水龄l h 、2 h 、3 h 等。则节点1 至节点8 的3 条水流路径分 别为： 路径一：节点1 - 2 5 8 ； 路径二：节点1 4 - 7 8 ； 路径三：节点1 4 5 8 ； 就节点8 ，有3 条不同水流路径，结果出现为3 个不同的管径水龄和，其中管 径水龄和是在某一给定工况下水从水源到节点i 的水流路径中管径水龄的算术和： 管径水龄一：1 + 9 + 1 0 = 2 0 h ： 管径水龄二：3 + 4 + 5 = 1 2 h ； 管径水龄三；3 + 1 2 + 1 ( 卢- 2 5 h ； 在工况确定的条件下，就水源到某一节点f 的管径水龄和是不确定的。这是由 于水源到节点f 薛在多条不确定的路径，图2 ，1 只是一个简单图例，在现实管网中， 水源到某一节点f 的水流路径，在工况确定的前提下是相当复杂的，本文主要 ；上 e p a n e t 2 软件2 钉为基础计算管径水龄。 第二章配水管网水龄分析 2 2 2 节点水龄 节点是水流汇聚与重薪分布的连接点，而节点水龄是各管径水龄的汇聚与重 新分布，计算原理是根据所得管径水龄以及节点组分浓度守恒方程，运用加权平 均的数学方法计算所得。在生活中节点水龄也可以理解为饮水用户的饮用水龄。 因为饮水用户端可以理解是一个自由开关的节点，通过节点水龄的计算就可以得 到最终饮水用户端的饮用水龄。 以节点6 节点水龄计算为例，如图2 2 所示，其中节点旁边数字如1 、2 、3 ” 表示各节点编号，而节点旁边标示如“l h 、2 h 、3 h 、4 h ”表示各节点的节点 水龄，其中箭头所指方向是管网在该工况下各管段的流速方向。 节点6 的节点水龄是从水源到该节点的3 个管径水龄通过加权平均所得，其 中3 条水流路径分别为：节点1 - 2 - 3 4 6 ；节点1 - 2 3 7 - 6 ；节点8 7 - 6 ，其计算结果 为“4 h ”。其中：假设水源水龄与水箱水龄均为“0 h ”；假设管网在某一确定的工 况下，配水管网内水龄均匀变化，具体计算方法请查阅本文第三章。 6 h 图2 2 节点水龄计算示意图 2 2 3 管网水龄比 所谓管网水龄比是在有效水龄范围内的管网用水与整个配水管网用水的比 值。其中有效水龄范围的确定是一个系统而复杂的过程，目前只有国外学者对某 些地区的具体管网系统作出有效水龄的分析与定论，国内在这方面的研究才刚刚 起步，研究成果不多。本文第三章对主要水质指标变化规律及影响有效水龄的因 素做出了分析。 浙江大学硕士学位论文 2 3 水龄特点分析 万物都有自身存在与发展的规律，同样，水龄具有内在的运行规律。通过 e p a n e t 2 软件的水龄模拟计算，对图2 3 所示管网( e p a n e 他软件中的算例 n e t 2 n 既) ”3 进行3 天和1 0 天的模拟训练，结果发现节点水龄具有周期性、瞬变性、 递增性的特点。假设水源、水箱初始水龄为“o h ”。 h ，弋” 、 。占 。，主嘉 。二。r 一 图2 3 水龄特点分析模拟管网 2 3 1 周期性 以图2 3 中节点2 为例，在1 0 天的模拟训练过程中节点2 较早出现周期性变 化。通过e p a n e t 2 计算，得到水龄变化曲线如图2 4 所示。 图2 4 节点水龄周期性交化示意图 如图所示，节点2 从第2 h 开始出现周期性变化，并在以后的管网自身用水周 期内始终保持周期性变化。这是由于节点2 离水源相对较近，通过该节点的管流 路径相对较少，管径水龄对于节点2 的影响相对较小，随着用水量的周期性变化， 第二章配水管网水龄分析 出现稳定的周期性变化。 2 3 2 瞬交性 瞬变性出现在节点水龄周期变化内，其中有最大水龄值与最小水龄值，如图 2 5 所示节点2 在3 天内的变化情况 图2 5 节点水龄瞬变性变化示意图 从图可知节点2 的最小水龄为“0 h ”，而最大水龄在“7 5 h ”左右。而节点水 龄在周期内随时发生着变化，这是由于管网用水周期内各节点用水量变化不定， 存在瞬变性引起。 2 3 3 递增性 如图2 3 节点3 6 为例，远离水源的节点由于到达该节点的水流路径繁多，到 达有先后，第一条路径到达该节点后，节点水龄就随着最先到达的管径水龄和的 变化而变化，但是，在随后到达该节点的管径水龄和都与先前不同。正是这一先 后到达的特点，导致节点水龄出现稳定的周期递增变化，如图2 6 所示。 图2 6 节点水龄递增性变化示意图 浙江大学硕士学位论文 2 3 4 水龄与日用水量变化的关系 通过e p a n e t 2 对管网n e t 2 n e t 的模拟分析得到7 2 h 内系统管网供需水平衡变 化图，如图2 7 所示。从日用水量周期变化图中发现，用水量低峰分别出现在0 4 ： o o ，1 6 ：o o ，而用水量高峰时段分别出现在：1 0 ：0 0 ，2 2 ：0 0 ，这与人们的日常 生活习惯有关。 图2 7 系统管网供需水平衡变化 节点水龄周期性变化主要是日用水量周期性变化引起，近水源节点6 与远水 源节点2 0 的节点水龄变化如图2 8 和图2 9 所示。通过与系统管网供需水平衡变 化比较发现，节点水龄的高低与日用水量变化高低相似。即在用水量出现高峰时， 节点水龄在周期内接近最大值，而用水量处于低峰时，节点水龄在周期内接近最 小值。为此，在算例中计算管网水龄比时，论文选择了几个代表性的时间点，分 别为4 ：0 0 ，1 0 ：0 0 ，1 6 ：0 0 ，2 2 ：0 0 。 图2 8 节点6 水龄周期内变化 第二章配水管同水龄分析 图2 9 节点2 0 水龄周期内变化 2 4 主要水质指标分析 2 4 1 主要水质指标 我国制定的饮用水水质标准，是随着社会的发展和科学技术的进步而不断演 进的。在2 0 世纪初期，饮用水水质标准主要包括水的外观和预防水致传染病方面 的项目；此后开始重视重金属离子的危害；2 0 世纪8 0 年代开始侧重于有机污染物 的控制；9 0 年代以来更加重视工业废水排放及农药使用的有机物污染，以及消毒 副产物和某些致病微生物等的危害。我国现行的饮用水水质标准，是2 0 0 1 年修订 的生活饮用水水质卫生规范见附录一，主要水质指标如下表2 1 所示。 表2 1 管网主要水质指标 项目限值 不超过l 度( n t u ) ，特殊情况下不超 浊度 过5 度( n t t d p h 6 5 8 5 在与水接触3 0 分钟后应不低于 游离余氯 o 3 m g l ，管网末梢水应不低于 o 0 5 m g l ( 适用于加氯消毒) 铁 0 3 m g 几 硝酸盐( 以n 计)2 0 n l l g l 亚硝酸盐( 以n 计)1 m g ，l ( 美国) 三氯甲烷 0 0 6 m g l 氟化物1 。o m g l 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 余氯与时间的变化分析蜘 为了保证在管网输送过程中的水质，我国水厂普遍采用了氯消毒的办法，在 自来水进入管网前一次性投加氧消毒剂，使得在管网中保持了一定的余氯浓度， 这样可以有效地抑制细菌的再生。但是，余氯在管网中受到许多因素的影响，而 这些影响因素引起余氯的消耗概括起来包括”捌： ( 1 ) 与管道水中( b u l k - w a t e r ) 有机物和无机物的反应； ( 2 ) 与管壁附着的细菌膜的反应； ( 3 ) 在管壁腐蚀过程中的消耗； ( 4 ) 在管壁与水流( b u l k - f l o w ) 之间余氯的质量传输。 基于上述余氯消耗的几个主要方面，余氯在水管中的衰减可以表示为： 警= - k b c - w - 等( c 刮 ， 式中： k b 为管道水中余氯浓度减少的速率系数； k ，为传质系数； “为水力学半径； c 为在管道水中余氯的浓度； g 为在管壁上余氯的浓度； w 为管壁腐蚀所导致的余氯消耗。 方程( 2 1 ) 右边第一项为氯在管道水中的消耗( 与水中的有机物和无机物的 反应) ；第二项为因管壁腐蚀所导致的氯消耗；第三项为氯在管壁上的消耗( 与管 壁附着的细菌膜的反应及管壁与水流之间余氯的质量传输) 。 其中余氯在管道水中衰减的半衰期影响着管道水中余氯浓度减少的速率系 数，可由下式求得： t v 22o 6 9 3 2 屯 ( 2 2 ) 李欣等人”1 通过试验，测定两不同恒温下时间对余氯的变化情况。试样水被 放入两个棕色的玻璃瓶中，整个试验过程中，玻璃瓶瓶口在实验室用薄膜 ( l a b o r a t o r y f i l m ) 密封。一个玻璃瓶放入低温恒温箱中，恒温在2 0 ( 2 ；另一个玻 璃瓶被放入高温恒温箱中，恒温在2 t c 。一天两次( 每1 2 h ) 测定两个玻璃瓶中 第二章配水管同水龄分析 余氯的浓度，试验所得数据见图2 1 0 啪1 。 0 4 0 0 3 5 毫0 3 0 占0 2 5 蠢0 2 0 矮0 1 5 鬈：。1 0 。 o o o 0 l 2 34 时间d f j 三翮 i ! 堡；! 竺l 图2 1 0 余氯浓度随对间变化值 从图2 1 0 得到不考虑温度变化的条件下，时间越长余氯衰减的越大，这主要 是余氯在管网中充足的停留时间，为余氯创造了与管道水中有机物和无机物、管 壁附着的细菌膜反应以及在管壁腐蚀过程中消耗的有利条件。 2 4 3 三卤甲烷与时间的变化分析“” 当水经过消毒时，卤素与水中的天然有机前驱物质反应，能够生成三卤甲烷 ( t h m ) 。7 0 年代中期，人们在氯消毒后的饮用水中发现了以氯仿为主的三卤甲 烷删。氯仿在小白鼠身上己被证明是有毒的和具有致癌作用的砌。饮用水中的卤 代烃类化合物给人类健康带来了潜在的威胁。美国7 0 年代颁布的“安全饮用水法” 及其后的