（市政工程专业论文）给水管网水质模拟与控制.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 饮用水水质关系到人们的身体健康，随着对管网水质要求的不断提高，对 城市给水的水质控制及管理就显得举足轻重。当前我国供水行业对管网的水质 管理重视不足，导致各种水质问题屡屡发生。 管网水质模拟，是内在理论进展和外在技术进步共同推进而产生的一项新 技术。水质模拟相关理论已较为成熟，尽管尚存在问题，但已可以应用于实践； 计算机及监测技术的飞速发展为模拟的实现提供了强有力的技术保障。借助于 水质模拟技术，并辅以管理制度的完善，可以极大的提供管理水平。 本文以余氯作为对象进行管网水质变化的研究。论文介绍了余氯衰减机理， 经过对水质模型各种算法的比较，认为拉格朗日时间驱动算法( t d m ) 占用内 存少，计算时间短。重点分析了它( t d m ) 的计算机实现过程。管网水质模拟 成功与否离不开完整的数据储备与参数校核，本文也对这部分作了介绍。除了 相关理论的论述，笔者还在论文的开头详细阐述了给水管网水质控制及管理存 在的问题及发展的方向。强调今后相关制度的保证也是确保供水安全不可或缺 的重要因素。 采用可视化计算机语言d e l p h i 编写了完整的模拟应用程序。单管模拟结果 显示，程序能够反映出余氯衰减原理及水质模型理论的基本规律，各项参数的 变化对结果的影响与理论一致。采用余氯一级反应模型并设置较小的步长可以 得到相对理想的计算结果。 通过实际工程，对模拟程序进行测试，模拟结果与实际基本吻合，反应了 管网水质的空间分布及变化规律。通过设置查询条件用各种图标显示模拟结果， 这可以作为选择监测点位置及确定监测时间的依据。水力条件是影响给水管网 水质及变化规律的首要因素，伴随着用水量的变化余氯浓度亦呈现周期性变化， 但有一定的延迟，这与管网的规模合节点的位置有关。同时水质变化参数部分 地对其产生影响。进一步通过调整参数，模拟并分析了管材对水质的影响，提 出改善水质的措施。 最后，对如何合理控制管网水质进行了初步探讨。模拟显示，合理分配各 水源的加药量，以及设置中途加药点，能够有效改善管网部分区域水质以及维 持整体水质均衡。节点余氯浓度主要取决于对其流量贡献最大的上游节点的浓 山东建筑大学硕士学位论文 度。水源对于距离不同的节点有着不同的影响，距离加药点越远的节点，其水 质受水源水质的变化影响越小，响应时间越长。管径和节点流量也是影响水质 的因素。以此为基础，提出了合理的管网水质控制方案并初步建立了控制原则。 这些都显示了水质模拟的意义和应用价值。本文的理论和研究成果，可以为供 水行业提供水质管理的辅助决策方案。 关键词：给水管网，拉格朗日时间驱动算法( t d m ) ，水质，模拟，控制 n 山东建筑大学硕士学位论文 a b s t r a c t l i u b i n ( s c h o o lo fp u b l i cw o r k sa n de n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yy ix u e n o n g t h ew a t e r - q u a l i t yc o n n e c t sw i t hh e m t h yo fp e o p l e w i t ht h es t r i c t e rc r i t e r i o no f w a t e v q u m i t yw h i c hh a sb e e nc a r r i e do u tt h i sy e a r , t h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to f w a t e r - q u a l i t ya r ev e r yi m p o r t a n ti nt h ew a t e rs u p p l y , w h i c hw a t e rs u p p l yd e p a r t m e n t a t t a c h e dl e s si m p o r t a n c et or e s u l t i n gi ns o m eq u a l i t yp r o b l e m sh a p p e n e dn o w a d a y s t h es i m u l a t i o no fw a t e r - q u a l i t yi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki san e w t e c h n o l o g yb y t h er e s u l to fd e v e l o p m e n to fi n t e r n a lt h e o r ya n de x t e r n a lt e c h n i q u e t h e o r yh a s b e c o m ep e r f e c ta n dc 矩b ea p p l i e df o rp r a c t i c ed e s p i t es o m ep r o b l e m sg o i n gw i t hi t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n d i c a t i o np r o m i s et h a tt h es i m u l a t i o nc a n b ea v a i l a b l e t h em a n a g e m e n tl e v e lc a nb ei m p r o v e db yt h em o d e l i n gt e c h n i q u ea n d t h eb e t t e r m e n to ft h ea d m i n i s t r a t i o n i nt h i sp a p e r , r e s i d u a lc h l o r i n ei sc h o s et or e s e a r c h t h em e c h a n i s m so fc m o r i n e d i s s i p a t i o nw i t h i nt h ew a t e rs y s t e ma r ep r e s e n t e d t h ea u t h o rc o m p a r e dv a r i e d m a t h e m a t i c a lm e t h o d st ow a t e rq u a l i t ym o d e la n dc o n c l u d e dt h a tt h el a g r a n g i a n t i m e d r i v e nm e t h o d ( t o m ) c a nu s el e s se m sm e m o e r ya n di t s c o m p u t i n g p r o c e s sc o s tl e s st i m e t h el a g r a n g i a nt i m e d r i v e nm e t h o d ( t d m ) a n dt h e r e a l i z i o no fi tb yc o m p u t e ra r ea n a l y z e dm o s t l y w h e t h e rw a t e rq u a l i t ym o d e l i n g c a ns u c c e e do rn o td u et od a t ac o l l e c t i o na n dp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n w h i c ha r c i n t r o d u c e di n t h i sp a p e ra l s o t h ep r o b l e m sw i t h i nt h ec o n t r o la n dm a n a g e m e n to f w a t e r - q u a l i t ya n dt h ew a yt h e yd e v e l o pi nf u t u r ea t ed i s c u s s e dp a r t i c u l a r l yi nt h e f i r s to ft h ep a p e r t h em o d e l i n gp r o g r a mw a sd e s i g n e db yc o m p u t e rl a n g u a g ed e l p h i m o d e l i n g w a t e rq u a l i t yi n s i n g l ep i p es y s t e ms h o wt h a tt h ep r o g r a mc a ni l l u s t r a t et h e m e c h a n i s m so fc h l o r i n ed i s s i p a t i o na n di t sm o d e l ，a n dp a r a m e t e r sc a l li m p a c to n t h em o d e l i n gr e s u l t s ，w h i c hw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h e o r y i ta l s os h o wt h a ti tr e s u l t i nam u c hc l o s e rs o l u t i o nf o rt h ef i r s r to r d e rc h l o r i n ed e c a yr e a c t i o na n das m a l l e r i l l 山东建筑大学硕士学位论文 q s t e p t h em o d e l i n gp r o g r a mi st e s t e db yar e a lp r o j e c ta n di t sm o d e l i n gr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h ei n s p e c t i n gr e s u l t so nt h ew h o l e t h ep r o g r a mc a l li l l u m i n a t e r e s i d u a lc h l o r i n ed i s t r i b u t i o na n dd i s s i p a t i o nw i t h i nw a t e rs y s t e ma n dt h ew a n t e d r e s u l t sc a nb es h o w e dt h r o u t hg r a p h sa n df o r m s ，w h i c hc a nc o n d u c et ol o c a t i n gt h e s a m p l i n gp o i n t sa n dm a k i n gs a m p l i n gs c h e d u l e h y d r a u l i cc o n d i t i o ni st h ep r i m a r y e l e m e n ta f f e c t i n gw a t e rq u a l i t yi nn e t w o r ks y s t e m ，w h i c hc a na l s ob ea f f e c t e dp a r t l y b yr e s i d u a lc h l o r i n ed i s s i p a t i o np a r a m e t e r s t h er e s i d u a lc h l o r i n ev a r i e sf o l l o w i n g t h ev a r i a t i o no fd e m a n db u ti th a p p e n sa f t e rs o m et i m e ，w h i c hd e p e n d so nt h es i z eo f n e t w o r da n dl o c a t i o no ft h ej u n c t i o n a f r e o rc h a n g i n gs o m ep a r a m e t e r s ，m o d e l i n g i l l u s t r a t e dh o wt h ep i p em a t e r i a l sa f f e c tw a t e rq u a l i t yi nn e t w o r ka n dp r e s e n t e dt h e w a yw ec a na d o p tt oi m p r o v e dw a t e rq u a l i t y a tl a s t ，t h eq u e s t i o na h o mh o wt oc o n t r o lw a t e rq u a l i t yi nn e t w o r ki sd i s c u s s e d p r i m a r i l y m o d e l i n gs h o wt h a tr e a s o n a b l ed i s t r i b u t i o no fc h l o r i n ea d d e dt ow a t e r s o a r c ea n da d d i t i o no fb o o s t e rs t a t i o n sc a ni m p r o v et h ew a t e rq u a l i t yw i t h i ns o m e p a r t so fn e t w o r ks y s t e ma n dm a k ew a t e rq u a l i t yu n i f o r mi ni n t e g r a ls y s t e m t h e r e s i d u a lc h l o r i n eo fj u n c t i o nd e p e n d so nr e s i d u a lc h l o r i n eo ft h ej u n c t i o nw h i c h s u p p l ym o s tw a t e r t oi t w a t e rs o u r c ea f f e c t sj u n c t i o n sd i f f e r e n t l ya n dh a sl e s se f f e c t t ot h ej u n c t i o nf a ra w a yf r o mt h es o u r c e p i p ed i a m e t e ra n dd e m a n dc a l la l s oa f f e c t w a t e rq u a l i t y t h er e a s o n a b l es o l u t i o nt oc o n t o lw a t e rq u a l i t yi nn e t w o r ks y s t e mi s p r e s e n t e da n dc o n t r o lp r i n c i p l ew a sf o u n d ，w h i c hi l l u s t r a t es i g n i f i c a n c ea n dv a l u eo f w a t e rq u a l i t ym o d e l i n gi np r a c t i c e t h et h e o r ya n dr e s e a r c hr e s u l t si nt h i sp a p e rc a l l h e l pt os u p p o r tw a t e rs u p p l ya p a r t m e n t sm a k ed e c i s i v ep r o j e c t sa b o u tw a t e rq u a l i t y c o n t r o la n dm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k , w a t e rq u a l i t y , t h el a g r a n g i a n t i m e - d r i v e nm e t h o d ( t d m ) ，s i m u l a t i o no f w a t e rq u a l i t y , w a t e rq u a l i t yc o n t r o l i v 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印或其它手段保存， ；1 2 编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签名： 曰期鱼：墼 日期匆 厶乜 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1 供水水质现状 第一章绪论 我国大多数城市采用统一管网供水方式，即一座城市，市政供水由一套管网供给用 户，并且每个小区或建筑群甚至单幢楼还要建立二次加压供水系统。城市越大，供水管 网越长，水在管网中的停留时间越长，污染的机会也就越多。 椐报道，原上海市自来水公司水质科在9 0 年代对管网水质的调查也表明管网水浊度 增值在0 2 0 _ _ 0 2 5 n t u 左右川。2 0 0 4 年，建设部对3 6 个重点城市的供水水质监督检 查。依照生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 判别，有1 1 个城市的公共供水、1 8 个 城市的二次供水和2 2 个城市的自建设施供水出现不合格现象。采集的全分析样品合格率 为7 3 7 2 ，其中公共供水为9 0 1 1 ，流经管网到水龙头时下降为8 0 8 3 ，而自建设施 供水合格率只有4 5 1 2 1 2 1 。近期，对占全国总供水量4 2 4 4 的3 6 个城市调查显示，出 厂水平均浊度为1 3 度，而管网水增加到1 6 度；色度由5 2 度增加到6 7 度；铁由0 0 9 m g l 增加到o 1 1mg l ；细菌总数由6 6 c f u m l 增加到2 9 2 c f u m l t 3 l 。 最近由建设部、国家发改委和财政部共同制定的全国城市供水管网改造近期规划 ( 2 0 0 6 ：年- - - - - - 2 0 0 7 年) 确定，2 0 0 6 年、2 0 0 7 年度，全国2 3 9 个城市规划供水管网改造项 目共3 1 4 个，其中运行使用年限超过5 0 年的供水管网改造工程建设规模3 6 1 3 公罩，约 占同等规模管网总长的1 3 。 改造规划同时明确，通过改造和加强管理，改造要实现4 个目标：除了减少管 网漏损、保障供水压力、优化管网系统，还有一个目标就是提高管网水质稳定性，消除“浑 水”和“红水”现象，减少管网二次污染，城市管网水浊度、细菌总数、总大肠菌群、余氯 等4 项综合合格率达到或优于国家有关规定。可以看出管网水质已经成为城市供水中需 要考虑的重要因素，要和水压、水量等同等对待。 1 1 2 水质标准与法规 ( 1 ) 水质标准 一方面由于水源污染，需要识别和控制的水质项目数量增加，另一方面是日益提高 的人民生活水平要求有更高质量的生活用水，二者共同作用使得城市供水水质标准不断 山东建筑大学硕士学位论文 提高。从1 9 5 5 年卫生部颁布的中华人民共和国第一部城市供水水质标准自来水水质暂 行标准，截止到1 9 8 5 年，经数次修改，检测项目数量由1 8 增加到3 5 项。2 0 0 1 年卫生 部颁布的“生活饮用水卫生规范”中规定的项目数增加至9 6 项。2 0 0 5 年建设部城市供 水水质标准( c j t 2 0 6 2 0 0 5 ) 的项目数已达到1 0 3 项。同时，指标的标准也越来越严格。 加氯消毒时，游离余氯在与水接触3 0 分钟后，应不低于0 3 m g l ，管网末梢应不低于 0 0 5 m g l 。 从最新的水质标准可以看出，我国现有的微生物指标值都已达到了国际水平，但与 国外标准相比，还欠缺对一些病毒及病原体的考虑，而这些指标对人类将康影响很大。 我国饮用水水质标准中关于溶解性总固体指标( t d s ) 值处于边缘状态，有待于进一步 改善。对于消毒副产物各项，我国主要参照世界卫生组织标准，基本达到国际水平。另 外，我国饮用水水质标准中硝酸盐指标值偏高，水质标准中砷、锌、氟化物和硝酸盐标 准等有待于提高。 ( 2 ) 水质法规 1 9 9 4 年国务院颁布城市供水条例规定了各级供水主管部门的管辖范围，其中重 点强调了城市自来水供水企业合自建设施对外供水的企业需经资质审查合格并经工商行 政管理机关登记注册方可从事经营活动。城市自来水供水企业和自建设施对外供水的企 业，应当建立、健全水质检测制度，确保城市供水的水质符合国家规定的饮用水卫生标 准。 紧接着建设部依据城市供水条例发布了城市供水企业资质管理规定，规定国 务院城市建设行政主管部门对城市供水企业资质按日综合供水能力实行分级审批。附件 中规定资质审查项目共包括六个部分：水源水质、净水工艺、出厂水和管网水水质、水 压、安全生产、其他，可以看出水质管理是资质审查的主要内容。 1 1 3 管网水质问题及对策 ( 1 ) 管网设计 当前给水管网的设计问题主要是设计流量问题。首先，设计流量考虑到消防用水时， 较大的消防流量往往需要放大部分管径同时增加储水设备的空间，无疑加大了水在管网 中的停留时问，影响水质，同时还会加大管网建造投资。u s e p a 通过对俄亥俄地区的管 网进行调查发现，由于该地区要求的消防流量较大，当满足消防要求时，系统投资会增 加3 3 ，水龄增加值达到6 2 h 1 。所以在对管网进行设计和改造时，应充分考虑消防流 量对水质可能带来的影响。为确保管网尽可能运行在相对稳定的工况下，同时不影响消 2 山东建筑大学硕士学位论文 防用水，可以考虑采取其他措施，如在设计时采取分质供水，用消防车通过水泵结合器 进行补水。其次，用水现状与规划发展的差异造成管网运行难以达到设计要求，这是当 前普遍存在的问题。为此，应收集大量资料，仔细研究服务区今后发展规律，对于在运 行中可能会出现问题的地方要反复论证设计，不能仅凭经验，脱离实际。 另一个问题是管网末端的死水区问题。一般在用户不太多的情况下，管道末梢水体 停留时自j 过长，有的末梢水中余氯几乎为0 。从设计角度而言，有效的措施就是将管网末 端联接成环。管道预留口的选择、放水口的设计也是设计中应注意的问题。 ( 2 ) 管道的材质问题 给水管内壁的腐蚀、沉淀、粘垢是造成管网水质下降的重要因素。研究认为相比较 石棉管、铸铁管，镀锌钢管腐蚀最严重【5 1 ，很多城市早期铺设的管线，拘于当时的历史 背景和技术水平，管道的材质和防腐的处理都很差，这类管线对现在的管网水质而言， 是一个很大的威胁。 饮用水属于贫营养生长环境，细菌在管壁的附着生长远比水中悬浮生长占优势，即 形成生物膜。研究认为腐蚀最严重的镀锌钢管，其生物膜活菌数最多，塑料管对管壁生 物膜的影响最小。结合管材计算得出的极限停留时间结果也表明钢管极限停留时间最短， 塑料管最长【6 】。因此，对新管道应优先考虑塑料管；对老化陈旧的管线，进行更新改造 或刮管后重新涂装内衬，则是预防和消除管网水质二次污染的有效措施。近年来保护涂 层也暴露出问题，镀锌钢管，特别是冷镀锌钢管，镀锌层脱落会使水中锌含量增高；沥 青衬里可能导致水中苯类、挥发性酚和总放射性等指标增高。这些问题需要投入很长时 间和很大精力去解决。在今后相当长的时间内，主要还是通过加强管理工作来保障管网 水质。 ( 3 ) 管网的运行调度 一般来说，城市供水管网中的枝状管网末梢和环状管网的低压管段水质情况较差。 在生产运行中，为了保障供水压力，生产调度部门一般采取在环状管网上关小或关闭闸 门的方式来进行压力调配，这种调压方式在供水管网上人为增加了很多处管网死水段， 这些死水管线内的生物膜大量滋生，水质一般很差，只能靠人工排污的办法解决。如第 ( 1 ) 节中提到的，以前的管道设计，大多以供水量的要求为优先考虑因素，而随着用水 量的萎缩，目前管网中的供水流速很多都小于经济流速，水在管网中停留时问过长，容 易生长生物膜，导致水质下降。当在这些死水段进行闸门启闭操作使得管网内水力条件 变化时，剥落的生物膜和泛起的沉积物将会影响整个供水区域的水质。因此，在当前供 山东建筑大学硕士学位论文 水需求发生了变化的情况下如何对管网进行科学的合理调度，是一个值得供水行业重视 的问题。 ( 4 ) 二次供水设施的管理 二次供水系统中的转压水库、水箱是水质劣化的一个重要的因素，统计表明，有1 6 的水质问题是由水库、水箱供水引起的。它的维护保养程度和清洗周期的长短，水箱容 量与居民用水的匹配程度，都对水质的好坏有着直接的影响。水箱材质的不当选择和对 二次供水系统监督不力，给水质带来的影晌也越来越大。 对于材质及设计不合理的水箱应及时更换，解决其他的问题重在管理。选择合理的 周期定期进行清洗和维护，定期对水质的浊度和余氯指标进行检测，一旦发现水质问题， 立即和水质监测中心联系，及时处理；详细调查用户用水规律，积极对各用户进行协调， 避免出现某些用户经常不用水而导致停留在支管形成死水，影响冲洗效果。 ( 5 ) 水表 入户管的水力工况是用户水水质下降最直接的原因。入户管段部分由于管径较小， 水长时间的停留导致管道腐蚀严重，水在里面停留、流动频繁的交替使锈蚀剥落，造成 水龙头流出黄水、红水甚至黑水。 近年来，很多水司为提高水质，方便管理，进行了一户一表改造工程。将居民家中 的管道更换为p p r 管或衬塑钢管，可以彻底解决用户家中黄水、红水乃至黑水现象。一 户一表虽然解决了住宅用户的供水管理的“三难”问题，但使供水企业的营销成本上升， 供销差率增加，直接导致供水成本的增加，加重了企业负担。针对这一难题，需要寻找 更为合理的解决措施，通过先进的技术手段，降低运营成本。如某些水司采取用户座收 与银行代扣等多种收费方式，同时开通用户水费语言查询系统，提高了效率，取得了不 错的效果川。 1 1 4 水质管理 供水水质的安全隐患，严重威胁者人民群众的身体健康、生命安全和民族繁衍，对 国家经济的可持续发展带来重大挑战。应当从事关国民经济和社会发展全局的高度，重 视水质安全问题，把城市供水管理工作的重点设施建设管理转移到水质监管上来。 ( 1 ) 水源管理： 原水是供水企业产品的原料，水源水质的优劣是直接关系到供水水质的好坏。近期 全国发生的松花江水污染事件充分说明保护水源对于确保供水水质的重要性。综观十多 年来，城市污水问题日益严重。2 0 0 0 年全国污水排放量达到3 3 1 8 力rm 3 ，污水直排量达 4 山东建筑大学硕士学位论文 到2 1 8 2 万m 3 ，比1 9 7 8 年增加了2 9 倍。北方城市地下水污染严重。至2 0 世纪9 0 年代 东部湖泊几乎全部处于富营养状态。全国大多数城市被“资源型缺水”、“水质型缺水”所 困扰。 水源的二度污染、管理困难。一旦水源被污染到无法生产经营时，只能由政府指令， 共同划定饮用水水源保护区。搞好水资源保护是一项庞大的社会系统工程，并非能靠一 个地方的几个文件就能万事大吉，要靠各级政府、有关部门和全社会去努力维护和保障 法律、法规的实施。 ( 2 ) 净水管理 2 0 0 5 年对有关4 5 个城市的专项调查1 2 1 ，发现其中有1 1 个城市的原水样品共出现5 项有机物超标；在8 个城市出厂水中检出了有机物超标，涉及有机物7 项，有害物质1 5 0 余种。4 5 个城市公共供水量占全国城市公共供水量的5 1 8 5 ，具有代表性。 应该说，出厂水的水质下降与源水水质恶化有直接关系，而出厂水中有机物超标会 直接影响管网水的生物稳定性。同时，自来水公司由于受到要求水处理费用降低的压力， 处理工艺对去除原水颗粒效果减弱，而且在原水水质发生变化时增加了处理的困难，有 可能造成出厂水水质的不稳定。为此各净水厂要提高管理水平，加强技术创新和设备应 用及维护。 ” ( 3 ) 管网水质管理 图1 1 净水管理与管网管理的关系 在对供水管网的管理上，出于传统的惯性，对水量和水压更为关注，而对水质问题 重视不够，形成供水企业对管网水质的管理远不如象出厂水的管理那么完善和规范。当 山东建筑大学硕士学位论文 前管网水质管理的科学性和管理手段也较为落后，缺乏预防管网水质二次污染的主动条 件、快速反应和及时处理能力。目i i 对管网水质的控制大多数是采用对所设管网点人工 采样方式，及时性不好。同时检测时间单一固定，对水质变化规律把握不准，有时即使 管网中发生水质问题，也不能及时发现处理。因此，建立完善的水质管理制度并严格执 行，是管网水质管理的重点。 目前，少数城市的供水企业在供水管网上设置了远传水质在线监测仪。这种先进的 管网水质管理手段是发展的方向，但由于其昂贵的投入，短期内尚不可能在一般的供水 企业中全面普及。在一个相当长的时间内，以人工采样的方式对管网水质进行监测和管 理，仍是各水司采用的主要手段。 ( 4 ) 水质监测与控制 管网水质管理是我国供水环节中的一个软肋，水质检测作为管网水质管理的重中之 重，总体来说水平相对较低。前几年对全国5 6 个水司检测能力的一次调研中发现【2 1 ，具 备对标准中全部3 5 个项目进行检测的只有6 个城市。我国卫生部在2 0 0 1 年颁布的生 活饮用水水质卫生规范中明确规定了不同服务人口要求的检测点数量，同时强调“在全 部采样点中应有一定的点数选在水质易受污染的地点和管网系统陈旧部分等处”，对此很 多水司难以把握，检测点偏少且选择不合理，难以把握整个管网的水质分布状况，造成 余氯空分布极不平衡，水质差别很大。同时投加存在滞后现象，实际需药量与投加量有 很大差距，结果造成药剂的浪费，又加大了卤代烃等消毒副产物生成的机会【8 l 。 为此首先要加强制度建设，提高人员素质，建立完善的水质多级管理体系。根据在 线检测仪的数据，随时调整工艺。进一步完善全方位供水检测，即完善检测项目和频率。 进一步严格水司日常检测项目和频率，根据检测结果指导工艺生产。同时，还要指导二 次供水单位水质管理工作，检测二次供水设备，帮助其冲洗、消毒。 ( 5 ) 水质管理发展方向 1 ) 改进管理机制 建设部于1 9 9 3 年组建了“国家供水水质监测网”确立了“企业自检、行业监测、政府 监督”相结合的水质管理制度，创建了“两级网三级站”供水水质管理工作体制，如今，这 个体制正在造成新的政企不分问题。 国外采取有效的监督措施解决供水水质问题。美国联邦政府制定的安全饮用水法 有很强的约束力，并强制执行。供水公司必须遵守和执行，一旦供水水质不达标，要及 时报告，否则承担行政处罚、关闭水厂和司法处理等责任。水厂的水质监测委托商业实 6 山东建筑大学硕士学位论文 验室完成，政府的职责在于对实验室进行认证管理和确保水厂的执行标准。英国也有较 为完善的水质督察制度。水质检察总署具有监督饮用水水质、调查水质突发事件及水质 投诉、对不合格水厂采取措施等职能，其决定具有强制性。 今后，我国要借鉴先进的管理制度和经验，结合我国国情，充分利用新技术，针对 供水水质风险的特点实施供水全流程管理，实现水质安全控制的前移；建立新的督察体 系，形成“供水企业负责、地方政府监管、中央政府督察、社会公众参与”的新机制；建 立水质报警制度，形成准确、快速、通畅的城市供水水质信息渠道。 2 ) 技术发展方向 我国各水司尽管在8 0 年代初就开始应用管网平差软件建立自己经刻意简化管网结 构以适应软件的静态管网模型，历经2 0 余年至今，建立了一些较先进的供水管网模型， 但仍仅限于规划和确定大型调度方案之用，在水质控制方面的作用发挥得很有刚们。 近年来，净水厂集散型控制系统( d c s 系统) 、给水管网信息管理系统( g i s 系统) 、自 来水客户服务系统、抄表和营业收费系统：给水管理信息系统( m i s 系统) 等相继问世，有 的已在国内水司投入使用。这些技术的出现提高了各类数据的收集储备能力，实现数据 最大程度的共享及更新。近日，广州市“数字市政”信息平台己投入运行【1 0 l ，它的使用将 极大地提高城市管网的管理水平，有利于包括自来水、燃气、电力等各项市政公用设施 的协调管理，预示着今后水质管理发展的方向。 利用先进的“4 c ( c o m p u t * 一计算机、c o n 仃o l 控制、c o m m u n i c a t i o n 一通 讯、c r 卜显示技术) 建立城镇供水的s c a d a 系统，即监控和数据采集系统，开始 逐渐取代传统的人工管网水质巡检，克服了管网水质监测汇报时间长滞后的不利影响， 结合在线检测方法了解污染物去除或观察污染物控制情况，最终可以实现整个供水系统 的优化调度，保证用户对水量、水压、水质的要求。如今，国外己开始建立完善的水质 监测体系和模型。英国自来水公司设立余氯浓度等在线监测；波兰对相应水质污染设立 三阶段监视体制等。在水质模拟上，法国管网设置传感器；意大利利用余氯浓度预测模 型等【1 。 虽然现今有统一的供水水质标准，但是由于个配水系统在水源、处理工艺、加药量、 管材等方面存在的差异，各供水部门应当根据水源、配水系统的监测数据，建立可以反 映自身系统特点的模型，将其作为通用模型的附加模块与之链接。这就要求相关部门不 光是单纯的工具使用者，还应具备一定的自主开发能力。深期i 市“水源一水厂一管网”三 位一体的“生产- 决策控制系统”( m d s s ) 的开发研究就是很好的示范1 1 2 l ，它是具有水质 7 山东建筑大学硕士学位论文 预报功能的集成体系，将水源、净水、管网管理合为一体。最近发生的几起水质突发事 件中由于某些特殊部门不能停水，这种情况下只有及时传递供水水质信息，才能够确定 合理的供水路径，将危机时刻管网污染的程度降到最低。运用上述管理模式，建立共享 的数据库接口【1 3 j ，逐步将d c s 、g i s 、s c a d a 相结合，实现信息共享，今后就可以从 容面对这类问题。 应该看到新技术尚存在缺陷，在线观测器还不能体现烧杯实验的那样准确结果，水 流探测器( s t r e a m i n g - c u r r e n td e t e c t o r ) f l 模拟具体水质情况，但不能完全模拟所有水质的 当时情况。现行的监督控制和数据截获( s c a d a ) 系统离完全成熟尚有距离。只有实现常 规处理程序自动化，才能使经验型管理转变为科学型管理。 1 2 研究现状与进展 1 2 1 研究现状 配水系统水质模型是指利用计算机模拟水质参数和某种污染物质在管网中随时间、 空间的分布，或者模拟某种水质参数产生变化的机理。国外学者对水质模型的研究起步 较早，1 9 8 0 年w o o d 最先提出基于稳态水力模型的水质模型。1 9 8 6 年c l a r k 等提出了一 个能够在时变条件下模拟水质变化的模型，接着g r a y m a n 等提出了一个类似的水质模型。 这些模型应称作准动态模型。因为大部分模型都使用了“扩展时段模拟”( e p s ) 方法，没有 模拟由于流速变化造成的惯性影响。后来，很多学者相继提出动态模型，l i o u s 确立了动 态模型的雏形，r o s s m a n 提出了用离散体积元素法( d v e m ) 进行管网水质模拟。这些 模型体高了对给水系统发生的动态水质变化和复杂过程的认识，可对管网中物质空间和 时间分配进行有效模拟。1 9 9 4 年s e r v a i s 提出了s a n c h o 模型首次模拟细菌再生，由于 其使用的是静态水力模型，同时有很多参数需要进行特定，这些问题大大的限制了它的 模拟效果，最近，有人提出一种新的细菌再生分离模型1 1 4 j ，该模型借助a s o 方法将细 菌再生过程分解为物资物质对流传递、扩散、原地反应三个独立的过程。每个过程采用 不同的算法。该模型能够反映水龄、余氯、生物膜等影响细菌再生的因素之间的关系。 该模型仅处于试验室模拟阶段，尚没有应用到实际配水系统中。 国内对水质模型的研究起步较晚。2 0 世纪8 0 年代中期，赵洪宾教授在研究管道内 壁结垢的基础上提出了“生长环”的概念，并通过现场试验推导了余氯在配水管网中的衰 减模型；直到9 0 年代末国内才建立了几种配水系统水质模型，吴文燕博士【1 5 l 对余氯在配 8 山东建筑大学硕士学位论文 水管网中的变化规律进行了模拟和校核，李欣博士【1 6 】也对余氯衰减模型和消毒副产物的 前驱物质进行了较深入的研究。哈尔滨工业大学的赵洪宾教授与沈阳市自来水公司、哈 尔滨自来水公司、大庆供水公司、牡丹江排水总公司联合做过水质模型、水质监控、水 中余氯、三氯甲烷等的理论研究；天津自来水( 集团) 有限公司、吉林市自来水公司等 也做过关于配水管网中水质变化、水质解析模型、水质安全保障和影响水质的因素及对 策等方面的研究。天津大学的田一梅博士【1 7 】建立了优化模型，对多加药点管网中加药点 和加药量的优化问题进行了研究，取得了一定成果。他们建立的模型能够反映管网的水 质分布状况，通过改变加药点的加药量可以预测管网中各用水点的水质情况，并提出了 控制方案。 伴随各类理论的进展，模拟的物质已从余氯拓展到细菌和消毒副产物等物质。借助 统计手段，已得出了含有原水氯的浓度、p h 、营养基质等因素的消毒副产物回归模型， 最近有学者又提出了含有细菌学参数的标准h a a s 的模型【培l 。a b b a sa i o m a r i 和m a n a r f a y y a d 得到了含有溴化物的模拟结果及其与温度的关系。并结合w a t c r c a d 计算软件，预 测得到的数据与实测值基本吻创”】。m a n u e lj 则认为，余氯和其他影响因素存在一定关 系，因而在模型中只考虑余氯就可以反映其他影响因素( 如停留时间) 。他通过比较得 出，相比指数结构而言采用线性结构的回归模型模拟的效果并不差，同时新模型能够反 映出季节变化对水质的影响。 考虑到动态模拟的模型复杂，存储数据量大等问题，有人开始借助人工神经网络算 法建模，该算法避开了复杂的水力水质计算，具有较好的实际意义。 1 ，2 2 存在问题 尽管对各类模型的研究都取得很大进展，模型本身仍存在一些问题。( 1 ) 总体来说 多数模型计算的基本思想以离散的体积元为基础，包括e p a n e t 、p i c c o b i o 在内的大多 数一代模型都只考虑了物质的对流传递，对于分子扩散直接采用数学模拟，没有结合物 质在水中的变化机理。导致在管网中流速较低、流态以扩散为主的时候，模拟效果大为 下降；( 2 ) 模拟精度的提高导致模型复杂，参数增加且难以确定。如细菌再生长模型 p i c c o b i o 应用了动态的水力模型，数学描述要 p s a n c h o 模型复杂，增加了需要进行 特定的参数的数量【1 3 】。相对余氯一级反应模型，平行一级反应模型参数达到参数三个， 较难确定( 3 ) 计算效率低，计算时间和存储量普遍较大。事件驱动模型，从一定程度克 服了这个缺陷。为了达到理想的计算精度，浓度变化的阈值较小会导致分割微元的数量 增多，计算量大幅增加。最近有人对l a g r a n g i a n 模型进行了改进，从一定程度上解决了 9 山东建筑大学硕士学位论文 这个问题1 2 l l 。应该说探索高效的算法是今后水质模型研究的重点。 配水微生物学水质模型研究的范围是细菌等微生物在配水系统中的再生长问题，目 前处于定性研究阶段，只有少量研究进行了定量模拟。影响管网水质的因素众多，除了 对模型进行数理研究以外，今后还需要从下面几方面加强研究：从微生物和化学原理角 度对管壁和管道水流上的微生物；对化学物质的反应机理进行研究；管材、温度及压力 等对微生物，化学物质反应机理的影响。 1 2 3 相关软件进展与应用 总体来说，模型从“诊断型”模型发展到“管理型”模型，由静态、延时趋向动态、实 时模拟。有代表性的有美国的8 m 、w a t e r c a d 、s t o n e r 和n e t w r 软件，英国的 w r c w a t n e t ，i n f o w o r k s ，法国的p i c c o l o ，国内的软件有同济大学研究开发的“同济 宏扬管网建模软件”，哈尔滨工业大学研究开发的w n w 系列一城市给水管网综合信息系 统一水质版( w n w 4 0 水质版) 1 2 2 l ，这些软件已应用于实际供水管理中。 各类水力水质模拟计算软件普遍具备的功能有：计算水龄，污染物跟踪，水质计算 并分析影响区域。输入输出智能化、图形化，不同水龄、水质的水采用不同的颜色显示， 水质仿真结果可以用主题图、图表或数字表格显示出来。近几年软件的发展表现呈两个 趋势：第一，软件功能多样化。改进的e p a n e t 可以将消防流量考虑在内，自动选择相 应管径。配合费用计算软件可以对系统造价做出评【2 3 1 。w a t s e d 沉积特性模型使用 a c k e r s w h