（环境工程专业论文）优质水管网的设计研究.pdf

摘要 摘要 随着人们生活水平的不断提高，饮用水水质问题也同益受到重视。过去，人 民把改进水处理工艺，提高出厂水水质作为解决水质的主要措施而对管网水质 问题未能引起足够的重视。据研究表明，管网对饮用水水质的影响是不容忽视的。 管网可以从管材、停留时间及管网施工、运行维护等方面影响水质。尤其是时下 同益推行的优质水管网，在新建小区，普遍采用循环水工艺保持管网水质。但是， 用分质管网直接向居民供应优质水在我国如广州等大城市已有应用的先例，这表 明，优质水供水管网将会成为今后饮用水发展的趋势之一。本文通过实验研究优 质水管网中余氯随时问衰减的动力学模型，并利用管网节点余氯水平与平均停留 时间的关系，预测管网水质情况，在此基础上提出优质水管网设计的新思路。通 过方案比较，采用新的优质水设计思路可以缩短管网始术两端节点的平均停留时 间，并使管网各节点的平均停留时间得到均化，进而有效改善水质。以余氯作为 判断管网水质的重要因素，提出当优质水管网平均停留时间超过8 4 0 小时，优 质水管网水中余氯水平将产生不良口感问题。这一参数不仅是优质水管网设计的 重要参数，而且也是判断管网是否进行二次加氯的重要指标。 关键词：优质水：设计；管网：余氯；停留时间 a b s t r a c t d r i n k i n gw a t e rq u a l i t yb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tw h i l ep e o p l e s s t a n d a r do fl i v i n gi sa d v a n c i n gc o n s t a n t l y i nt h ep a s t ，p e o p l et h i n kt h em a i n m e a s u r e so fa d v a n c i n gw a t e rq u a l i t y a r ea m e l i o r a t i n gw a t e rt r e a t m e n t t e c h n i q u e s a n da d v a n c i n gl e a v ef a c t o r yw a t e rq u a l i t y h o w e v e r ，t h ee f f e c to f t u b es y s t e mo nd r i n k i n gw a t e rq u a l i t yi sa l s oi m p o r t a n t ，s u c ha sm a t e r i a lo f t h et u b e s e t t l et i m e ，c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c e ，e s p e c i a l l yt a k i n gc i r c l e w a t e rt e c h n i q u e st oh o l dt h ew a t e rq u a l i t y t h i sp a p e rs t u d yt h ek i n e t i c sm o d e l o fr e s i d u a lc h l o r i n ea t t e n u a ti o nw i t ht i m e ，f o r e c a s tt h et u b es y s t e mw a t e r q u a l i t yw i t ht h ec o n n e c t i o no fr e s i d u a lc h l o r i f i eo ft u b es y s t e mn o d ea n da v e r a g e s e t t l et i m e ，l o d g ean e wn o t i o no fh i g hq u a l i t yd r i n k i n gw a t e rt u b es y s t e m o p t i m i z e dd e s i g n w i t hc o m p a r i s o n ，t h en e wn o t i o nc a ns h o r t e na n de q u a lt h e a v e r a g es e t t l et i m e r e s i d u a lc h l o r i n ew i l lc a u s es e n s ep r o b l e mw h e na v e r a g e s e t t l et i m ee x c e e d8 4 0h o u r s t h i sp a r a m e t e rn o to n l yi st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r o fh i g hq u a l i t yd r i n k i n gw a t e rt u b es y s t e mo p t i m i z e dd e s i g n ，b u ta l s oi st h e i m p o r t a n ti n d e xo fp r o c e s s i n gs e c o n dc a s tc h l o r i n eo rn o t k e y w o r d s ：h i g hq u a li t yd r i n k i n gw a t e r ，d e s i g n ，t u b es y s t e m ，r e s i d u a lc h l o r i n e s e t t l et i m e i i 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑再声明：所呈交的论文是本人在导师的指导卜独夜进行研究所 取得的研究成果。除了文巾特别加以标注引用的内容外，奉论义不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：层j 鼍 日期：2 n 节年，。月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理_ l 大学可以将本学位论文的伞部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编木学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 | 不保密曲。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：劈呀 口期：扣o j 年j2 月亡。日 导帅签名：俐呜 日期：w 。r 年，月日 第一章诸论 1 1 概述 第一章诸论 分质供水在西方发达国家已有较长的应用历史，他们将可饮用水系统作为城 市主体供水系统，可以生饮；而将低品质水、回水或海水作为非饮用水，另设管 网供应，主要用于园林绿化、清洗车辆、工业冷水等使用。其非饮用水通常是局 部或区域性的，作为主体供水系统的补充。 目前，国内很多城市征在进行的分质供水与国外的有所区别，是指住宅小区、 办公场所或学校内的管道分质供水系统，主要是针对饮用水。 由于我国部分地区环境污染较为严重，水体污染状况加剧，水厂常规工艺处 理能力有限、陈旧管网的腐蚀及供水设施的二次污染，导致目前居民家中的自来 水尚不宜直接饮用。就目前我国国情而言，由于经济状况限制，短期内还无法对 现有水厂和城市管网进行全面投资改造，而且由于生活用水仅占总用水量的 2 一5 ，其余的则用于生产、绿化和消防等方面，因此全面大幅度提高自来水水 质毫无必要。其次，随着人们物质生活水平提高，健康观念加强，人们对高品质 生活用水的需求愿望越来越强烈。因此，分质供水目前在我国是最佳的供水方式， 可以合理调配、优化使用水资源，提高人们生活质量，有广阔的发展空间。 城市分质供水管网由管网及二次加压设施等构成，管网水质随着时问的推移 而不断变化，饮用水投氯消毒是目前国内外最常用的方法，其目的是为了保持水 中持续的杀菌能力，在一定程度上防止管网二次污染。根据我国的生活饮用水 卫生标准，管网末梢余氯应不低于o 0 5 m g l ，并没有作余氯浓度上限的规定。 而作为分质供水管网中的优质饮用水，应考虑余氯浓度过高而带来的口感问题， 应对余氯上限加以控制。 对于城市分质供水管网仍然采用常规的环状网布置形式，必然产生诸多问 题。如当管网规模庞大，管网中各节点的“水龄”分布不均，余氯水平在管网中 前高后低，为保证管网末梢不低于o 0 5 m g l 的水质标准，出厂水必然投加较多 的消毒剂，从而带来优质水的口感问题；反之，若考虑口感问题而适当降低管网 始端余氯浓度，对于城市大规模分质供水管网而言。，其末梢余氯可能低于 o 0 5 m g l 。 本文通过实验建立优质水水质与管网平均停留时间的关系式，提出用管网平 均停留时间间接反应管网水质及其变化趁势，对于可以直接饮用的优质水的规划 设计不仅要满足水量及水压的要求，而且更应该关注水质问题，尤其是水中过量 华南理一l 人学硕士学位论文 余氯所带来的不良口感问题，本文提出了优质饮用水管网始端投氯量的控制上限 为0 3 m g l 的建议值，并依此研究城市分质供水管网的布置形式，提出均化管网 水的平均停留时间为目的的设计新思路，该思路在降低管网始端余氯水平，减少 余氯浓度前高后低的分布不均现象，均化优质水水质，有效确定管网中二次加氯 点的位置等方面都有着十分先进的意义。 1 2 管网水质的现状及影响因素 1 2 1 管网水质的现状 目前，我国大多数城市供应的自来水质执行的是国家规定的生活饮用水水 质标准( g b 5 4 7 9 8 5 ) ，凡是经过检验符合这一标准的自来水都是可以放心饮用 的，但实际上，这一标准只是符合我国国情的标准，它与发达国家制定的饮用水 水质标准还有较大的差距，而我国水厂传统的常规处理工艺主要是去除水中的悬 浮物、胶体和细菌等，对于低分子、离子有机物污染的溶解性物质基本上不能去 除。因此，从有害物质的浓度、细菌数等指标来看，虽也能符合饮用水水质标准 但有的水中某些有害有机物的含量指标却末达到饮用水标准的。 随着城市化进程的不断发展，供水管网的规模日益扩大，管线长，管径大， 管材复杂已逐渐成为管网发展的趁势。从水厂出来的合格自来水在经管网输配水 的过程中，受到停留时间、管材、水中有机物含量、余氯、氨氮、管网施工维护 手段等诸多因素的影响，在管网中发生一系列物理、化学以及生物变化，从而使 管网遭到不同程度的污染。造成管网水质污染的原因是多方面的，归纳起来，分 述如下： 1 2 1 1 出厂水生物稳定性差 目前普遍认为，当出厂水中结构较简单、分子量轻且易生化的有机物含量偏 高，即能为管网中残留的细菌、微生物的生命活动提供较多的营养物，有利于其 生长、繁殖，因此影响了管网水的生物稳定性。另外，当出厂水中含有较多的消 毒剂时，过量的消毒剂会与水中的有机物反应生成以氯仿为主的三卤甲烷。第三， 为保持管网水质，保持一定余氯是必要的，在达到消毒要求的前提下，出厂水余 氯量常决定于管网末端水质能保持国家规定的余氯量。世界健康组织准则指出， 从健康角度，氯要小于5 m g l ；从感官角度，氯宜小于0 6 l m g l ，日本作舒 适性水质要求氯小于l m g l 。在完善消毒并保持管网要求余氯的条件下，尽量降 低出厂水余氯，是改善管网水质的有效途径之一。 1 2 1 2 管道锈独对管网水质影响 水在管内流动的过程中，由于腐蚀等原因，内壁往往形成沉淀及结垢，不仅 使管内壁粗糙度增加，过水断面减少，导致水头损失增加，输水能力下降，而且 2 第一苹话论 增加了水的色度、浊度，增加了氯的消耗，尤其金属管道内衬防腐材料淅出和细 菌生长等，严重影响了出水水质”。 由于原水有机污染的加重，饮用水在氯化消毒的同时，消毒剂与水中有机物 反应生成一系列卤代有机副产物，一方面影响出厂水水质，另一方面也严重威胁 着人体健康。含铁较高时可使管网中的产生铁锈沉淀”1 ； f e + 0 2 卜f e 2 0 3 + f e 0 4 f e 。+ + h 2 0 + 0 2 f e ( o h ) 2 f e ( o n ) 2 + h 2 0 + 0 2 f e ( o h ) 3 含锰较高时，浙出的二氧化锰颗粒易在管网中形成黑水。 m n + 2c 1 0 m n ( c l o ) 2 m n ( c 1 0 ) 2 m n 0 2 + c 1 2 m n + 0 2 + m n 0 2 普遍用于供水管网中的金属管材如镀锌管、铸铁管及钢管等，其内壁防腐层 经水流的不断冲刷而日益脱落，加之水中微生物的腐蚀和后沉淀现象，水中的杂 质颗粒不断粘附于管道内壁，因此，随着时间的增长形成了沿管道内壁下部较厚、 上部较薄的“生长环”，常称为锈垢。对于旧管网占相当比例的大城市，管内锈 垢对水质的影响较为明显，这也是目前国内许多大城市对现有管网更新改造的主 要原因。 1 2 1 3 管网水平均停留时间的影响 由于合格的出厂水中仍含有微量的铁、锰等金属离子，余氯、耐酸盐、c o i ) 。 等各种无机、有机化合物及残留的微生物。显然，在管网内的停留时间越长，则 水体自身及水体与管网及其附属设施所接触表面之间，越可能发生各种物理化学 和生物化学的变化，最终影响管网水水质。另外，随着时间的推移，水中残留的 消毒剂逐渐减少，造成细菌等微生物大量繁殖，也是影响管网水质的一个重要的 因素。 1 2 1 4 管网施工及运行维护管理的因素 管道开叉接驳过程中，由于接口、阀门等处密封性差，管道漏水或地下水 渗入管网，引起水质变化，管网冲洗、消毒所带入的杂质，管网并管、阀门开启 等过程中出现的负压，将管外污物吸入等现象，均可以不同程度地影响管网水质 【4 1 1 2 2 优质水管网水质的现状 随着城市供水事业的不断发展，供水不足的现象基本得到缓解，与此同时， 由于人们生活水平的不断提高，饮用水对健康的影响也越来越受到关注，但是自 来水常规处理工艺对水中微量的有机污染物明显的去除效果；氯消毒易产生三卤 甲烷等消毒副产物，卤素与水中有机物反应生成三卤甲烷( t h m ) ，氯仿在小白 华南理工人学硕士学何论文 鼠身上已被证明是有毒的，和具有致癌作用的”；陈旧的管网与用户水池、水 箱可能产生的二次污染，致使用户的饮用水水质不甚理想。人们对水质最普遍的 抱怨是味和嗅的问题，异味迫使许多用户寻求别的饮用水，如瓶装水、桶装水、 家用净水器等。 优质水重点控制的水质指标是；色度、浊度、氨氮、亚硝酸盐、c o d ( m n ) 、 总溶解性固体。主要解决有机物污染、氯消毒副产物、“三致”物质等问题，并 在消除水中上的异味，提高水的口感上下大功夫。其标准为2 0 0 0 年3 月1 日起 实施的建设部部颁标准饮用净水水质标准。 氯作为常规的消毒剂被普遍用于出厂水的消毒，为保持水中持续的杀菌作 用，生活饮用水必须保证一定的余氯。但由于水中有机物的污染和耐氯藻类的繁 殖，使水中余氯消耗量增加，对于大规模城市供水管网，在保证管网末梢水余氯 不小于o 0 5 m g l 的前提下，出厂水必然投加过量的消毒剂，而余氯浓度偏高对 于自来水而言，可使生成的三卤甲烷增多，对人类健康产生潜在危害。有资料表 明：广东省生活饮用水各项超标指标中，余氯居于前列。据研究表明，水中a o c 含量和三卤甲烷的生成均与余氯有直接关系，在配水管网中保持一定浓度的余 氯，不仅可以确保水的生物稳定性，对于管网的二次污染也起着预警作用。若作 为城市分质供水管网中的优质水中余氯浓度的控制则应充分考虑人口感问题及 舒适程度”。 对于优质水管网，在保证水中持续的杀菌能力的前提下，应尽量降低管网始 端加氯量，以减少不良口感问题。 1 2 3 分质供水管网研究的必要性 1 2 3 1 城市分质供水管网中的水质问题 谈到提高城市供水管网的水质，人们更多的是关心水源的保护、水处理的程 度和消毒的过程，大家普遍认为只要水在出厂时达到某种水质标准，就可以喝上 安全卫生的水了，而忽略或忽视了水在输配过程中所产生的水质恶化现象。事实 上，由水厂出来的合格自来水，在经输配水管网的过程中，就好像进入了一个大 型的反应器里，水在其中的平均停留时间般较长，而停留时间对水质有很大的 影响。停留时间的增长会使水中余氯的数量不断地减少而消毒副产物的深度增 加；而且管道中停留时间的增加给水与管壁的反应提供了时间，从而导致水中金 属离子的浓度增加。特别是铁和铜的浓度。以下表l l 是广东某市管网水质的年 平均实测值，表1 2 是该市供水管网中余氯沿线的变化情况表。虽然仅为某一特 定年份的水质实测值，不具有代表性，但仍可以可靠地反映出管网水质的变化趋 势。 4 第一章诸论 表1 1 出厂水质与管网水质比较 t a b l el c o m p a r i s o no fw a t e rq u a l i t yi nw a t e rf a c t o r yw i t hw a t e r q u a l i t yi nw a t e rs u p p l yp i p e l i n e s 年实测平均值变化率( ) 序 水质监测项目 单位 国家标准出厂水管网水( 2 ) ( 1 ) 号 ( 1 )( 2 ) ( 1 ) 1色度 度 1 54 3 849 61 3 2 2 浑浊度度3 1 5 21 8 82 3 7 3铁 m g l 0 30 0 9 3o 1 1 42 2 6 4 锰 m g l 0 1 0 0 5 1 0 o 0 6 1 2 2 0 0 5 铜 m g l 1 00 0 4 0 5o 0 5 1 52 7 2 6锌 m g l 1 00 0 8 3 70 0 9 2 09 9 7 细菌总数 m l1 0 082 9 2 6 3 从表l l 中的数据可以看出，管网水较出厂水的色度、浊度、铁、铜等指标 均大幅度增大，其中，浊度增加了2 3 7 ，铁、铜则分别增加了2 2 6 和2 7 2 。 输配水水质恶化已成为自来水公司目前亟待解决的难题，因此，提高出厂水水质 稳定性，己逐渐受到关注了。 要从根本上改善水质，必然是全面提高自来水水质，以使其达到直接饮用的 标准。由于人们每天用于饮用及烹饪的水量仅占日用水量的3 5 ，因此，全 面提高自来水出厂水质在现阶段并不可行，也没有必耍。目前，国内主要采用的 方法是推行分质供水，即另设一套管网直接供应优质水，该套管网内的水执行饮 用净水水质标准。 表1 - 2 余氯沿给水管线的变化表 t a b l e2v a r i a t i o no fr e s i d u a lc h l o r i n ea l o n gw a t e rp i p e l i n e 编号 l2 3 4 5678 距离( m ) o 1 0 0 02 2 0 03 3 0 04 5 0 05 6 0 0 6 4 0 07 5 0 0 管径( m m )1 2 0 01 0 0 0 1 0 0 08 0 08 0 06 0 06 0 0 停留时间( h ) oo 2 30 5 l 0 7 61 0 41 3 01 4 8 1 7 4 余氯衰减系数1 o0 9 4o 8 80 8 2 0 7 6o 7 lo6 80 6 4 ( c i c o ) 从表1 - 2 中的数据可以看出，随着供水管线的不断延长，管网水中余氯浓度 逐渐减少，水的色度及浊度增加，给水管道内卫生状况不断恶化。 华南理= 人学硕士学位论文 余氯是造成管网水气味的主要因素，且随着余氯浓度的增加，气味越重。城 市优质水是利用管道分质供水系统向用户提供饮用净水，其1 3 感及舒适度必然是 饮用者首先关注的问题。目前，饮用水消毒剂仍然是采用传统工艺中的氯，其在 水中的浓度越高，水中气味越重。因此，在保证水中持续的杀菌能力的前提下， 如何降低和均化余氯水平，是优质水供水管网所面临的问题。 1 2 3 2 优质水供水管网研究的必要性 优质供水管道也称“管道直饮水”，由于环境污染的同益加剧，许多饮用水 源都受到不同程度的污染，自来水厂仍然采用传统的处理工艺，很难去除水中溶 解性有机物等有害物质，从而使加氯消毒工艺很容易产生消毒副产物，此外，给 水管网敷设年代己久，且更新改造速度不够，造成用户普遍反映水质变差的现象， 分质供水在国外有着长期的应用历史，国外现有的分质供水都是以可饮用水 系统作为城市主体供水系统，而将低品质水、回用水或海水另设管网供应，用作 园林绿化、清洗车辆、冲洗厕所、喷洒道路以及工业冷却等，称为非饮用水。非 饮用水通常是局部或区域性，作为主体供水系统的补充。 而在我国，由于部分地区坏境污染较为严重水体污染状况加剧，水厂常规工 艺处理能力有限，陈旧管网的腐蚀及二次供水设施的污染，导致目前居民家中的 自来水尚不能直接饮用。尽管在一些经济比较发达的城r 和地区，如上海、广州、 深圳等地相继在部分小区建成了管道直饮水工程，以改善水质状况，但据统计， 这些分质供水管道供应的优质水仅仅限于占居民总用水量2 一5 左右的饮用 水，但从健康需求出发，人们需要关注的当然不只是每天的直接饮水，还应包括 与入口有关的餐饮加工、清洗用水以及淋浴、洗涤等用水，上述用水量一般约占 家庭用水的5 0 以上。近年来国外的研究结果表明，水中的有害物质通过人的 消化系统进入人体，只是途径之一，人们的皮肤的吸收和呼吸的摄入甚至更加主 要。资料显示，就水中挥发性的化学物质进入人体而言，以上三种途径各占三分 之一。由此看来，从健康的角度要求水质，至少生活用水的6 0 应达到饮用水 的标准。以广州市供水的供应量来看，日平均供水量近3 4 8 5 万吨，则优质水的 日需求量近2 0 9 万吨，如果仅靠建设小区的直饮水管网，并不能全面改善饮用水 水质，只有将部分自来水进行深度处理后，用分质供水管网直接供给用户，才是 最根本的解决途径。为此，要在原有自来水管网的基础上，重新敷设一套优质水 供水管网，采用先进的管材、合理的布置方式及有效的二次消毒、回水工艺等保 障措施以保证安全、高效地向居民供应优质的饮用净水。 随着人们生活水平的不断提高，本着我国供水水质向国际靠拢，在一些经济 较发达的城市，率先采用一套市政管网直接供应优质的直接饮用水是今后发展的 必然趋势，对于新建的优质水供水管网仍然采用传统的自来水供水管网的设计方 式，必然带来诸多问题。其中，由于停留时间不均及由此产生的不良口感问题将 第一章诸论 会随着直饮水推广的进程而逐渐引起重视。这一现象将使我们水工作者面临一系 列课题，例如：优质水管网中水质随时间变化的水质模型，尤其是水中余氯水平 与水质的关系；如何实现对大规模城市管网的规划设计，以达到均化管网水平均 停留时间、稳定水质的目的；研究如何对管网进行分区，在保证优质水生物稳定 性的前提下，降低管网始端投氯量，减少管网整体余氯水平，并设立区域i i 茸j 的连 通装置，有效进行管网二次消毒，以保证水质。 为保证优质水管网水的水质，必须解决好工艺及管网两火环节的问题，就目 前水处理的工艺而言，与发达国家差别不大：而管网的研究在国内尚处于摸素阶 段，且未能受到足够的重视，这表明，我们还十分有必要加大管网研究的力度， 以确保分质供水的设想更加完善。 1 3 国内外的研究现状 国内外关于此类课题的研究，主要体现在几下三个方面： 1 3 1 分质供水处理工艺及其供水方式的研究 分质供水在国外早已得到了普遍发展，瓶装水、桶装水及管网末端水质净化， 无疑是向人们提供优质饮用净水的好方法，但由于其价格昂贵，资源的不可回收 性，只能用作改善水质的i 临时措施，在国外不被认为是能满足相关规定的最佳方 法。因此，分质供水管网在西方发达国家得到迅速发展，我国也在上世纪九十年 代后期，相继在上海、深圳、北京、广州等经济较发达的地区的部分住宅小区用 上了分质供水。近几年来，得到了快速发展。 1 3 1 1 分质处理工艺 分质供水处理工艺是在自柬水工艺的基础上，加入深度处理的设施以进一步 降低水中微量的杂质，提高水质，使其达到饮用净水的相关标准。具体地说，其 处理工艺分预处理、深度处理和后处理三部分“1 。 1 预处理 由石英砂过滤器或活性炭过滤器组成，主要地除水中肉眼可见的杂质和对膜 组件有害的有机物及余氯。这可更好地发挥后续工艺的作用，减轻腊冲洗和化学 清洗的工作量，从而延长膜的使用寿命，降低制水成本。 2 深度处理 目前国内饮用净水深度处理的方法很多，常用的有臭氧活性炭接触反应法， 该反应单元包括水射器和臭氧接触反应塔。水射器的作用有二：是通过水射器 形成的负压将臭氧发生器产生的含臭氧空气吸入系统管道；二是使吸入管道的含 臭氧气体与剧烈紊动的高速水流强烈渗混，臭氧与水充分接触。另外一种常用的 深度处理方法是反渗透，该方法包括精密过滤器、高压泵、反渗透膜组件、调节 7 华南理工大学硕士学位论文 器和仪表控制设备等。用精密过滤器对预处理的出水 3 后处理( 消毒系统) 直饮水和自来水不仅在水质指标方面存在差异，更重要的是直饮水必须保证 在饮水龙头处无微生物污染，所以必须有可靠的消毒系统。对于住宅小区管道直 饮水系统，常用的消毒方法有氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒、加热消毒等多种 方法。 1 3 1 2 分质供水方式的研究 目前用于烹调、饮水等的饮用水水量仅占城市供水量的3 5 ，在现有我 国的经济条件下，要求自来水厂出水水质指标全部达到饮用水标准既不现实，也 无必要。因此对于小于城市供水量3 的饮用水，按社区设饮用水供应站，把自 柬水进一步净化处理，达到饮用水标准，进行分质供水是可行的和现实。目前， 净水站供水主要为以下两种方式： 1 桶装供应 这是目前普遍采用的供水方式，在净水处理站工艺流程的最后设一只或数只 不锈钢储缸，储缸的容量可从l m 3 到数m 3 ，根据供水量的大小逐时供水量而定。 桶装水的特点是上马快、供水及时、基建投资省、省去了一套小区分质供水 的管网。要注意的是防止二次污染。 2 两套管网分质供水 在现有给水管网的基础上，从小区净水供应站，在该小区范围内再设一套优 质水供水管网进入各家各户。它的特点是省去自取和运输，用户可随时打开水龙 头取用；如管道不腐蚀、结垢可避免二次污染。但另设一套供水管网工期长、投 资大；又因饮用水流量小，目前的水表不很适用，故要解决小流量、高精度的水 表问题。上海浦东新区锦华居住小区，率先在我国采用两套管网分质供水，并取 得了较好的效果。随后，在深圳梅林一村的某住宅小区也采用分质供水管道供水。 广州市政府准备投资几十个亿另设一套管网，将新建水厂( 南洲水厂) 的优质饮 用净水引入千家万户，目前正在进行试点工程的建设。 实践证明，在目前采用两套管分质供水，不仅在技术上可行，而且在经济上 也符合人们的消毒习惯，是目前解决管网水质的一个较为合理的方法。 1 3 2 管网水余氯消耗机理的研究 氯是给水处理中使用最广泛的消毒剂在、在水中保持一定量的余氯，不仅可 以确保水的生物稳定性，而且可作为预示管网二次污染的信号。但是，氯能够和 管网水中的残留的有机物反应生成三卤甲烷等消毒副产物，而且，过高的余氯也 会使水产生不良气味，引起用户的不满，故而在配水管网末端控制余氯量的浓度 是十分必要的。由于余氯在管网中的衰减是一个非常复杂的过程，它受到许多因 8 第一蕈语论 素的影响，如加氯量、配水管材、流速等。国内文献关于此方面的研究集中反映 在建立管网水余氯消耗动力学机理的理论分析，建立余氯消耗的动力学模型，并 在实际配水管网中对模型进行验证。供水管网中余氯消耗机理的水质模型中考虑 了余氯与管道水中有机物和无机物反应，与管壁附着的细菌膜反应以及管壁腐蚀 的余氯消耗及管壁与水流之问余氯的质量传输等因素，并结合配水管网的水力分 析与计算，给出配水管网中余氯浓度的计算公式。该计算公式反映了配水管网中 余氯浓度与时间呈非线性变化，并且随着时间的延长，余氯逐渐减少。 由于水在配水管网中有一段停留时间，使得反映管网末梢余氯的监测数据在 一段时间之后才能获得，导致管理者不能及时根据水质状况来确定加氯量，国内 有研究用回归分析的方法来预测管网末梢的余氯，以此来控制加氯量，这种回归 分析是一种处理变量相关关系的数理统计方法。应用回归分析方法可以根据一个 可几个变量的取值，预测或控制其它变量的取值，并且可以知道这种预测或控制 可以达到什么样的精度。用多元线性回归的方法模拟管网末梢的余氯浓度的变化 状况，并在实际管网中得到验证。 近年来的研究表明，出厂水中所含有的有机物是细菌在管网中滋生的必要条 件。当有机物含量高时，即使保持很高的余氯，给水管道中仍可检出几十种细菌， 除少数铁细菌和硫细菌外，主要是以有机物为基质的异氧菌。当前，欧洲的研究 主要集中于a o c 与管网中细菌生长的关系，美国则主要集中于消毒副产物的研 究，将微生物风险和化学物风险分开讨论。国内有人进行了供水管网中a o c 、消 毒副产物的变化规律的研究，结果表明：三卤甲烷在管网中只受到余氯的影响， 其含量一般随管道长度的增加而增加；卤乙酸和a o c 在管网中的变化受余氯和微 生物活性的影响，其含量一般随管网延伸而先增加后减少，温度越高，则下降越 快。温度和余氯是管网中控制消毒副产物和a o c 浓度的重要因素。 由于管网水中余氯水平与管网水质有一定的关系，而余氯浓度随停留时间的 延长呈非线性的变化，因此，可以用余氯浓度间接反映管网水质状况。对于比较 复杂的城市给水管网，建立几个有限的监测点进行人工监测水质变化情况，做到 实时地、全面地了解整个管网各段的水质情况是非常困难的。如果利用先进的计 算机技术，建立监测水质的数学模型，使该模型不仅可以观察监测点处的水 质情况，而且不可以根据这些点的有效数据，推测出管网其它各处的水质状况， 跟踪给水管网的水质变化，从而评估出给水管网系统的水质状况。这样可以在节 省人力、物力的条件下进行水质管理。 纵观国内外文献，关于管网水质模型的研究，多数集中在建立余氯随时间衰 减的非线性模型上，通过不同的方法，推导出管网水中余氯随时间变化的方程式， 并用实际管网检测该模型的正确性。由于，推导出来的水质模型是对已有供水管 网的定量化研究，且出厂水在管网中有一定的停留时问，该时间随着水向管网末 9 华南理一l 人学硕士学位论文 梢输送，而逐渐延长，水质也发生了许多变化。它并不能从根本上改善管网水质， 只是利用计算机模拟管网环境，预测水质状况。 1 3 3 对常规管网设计及调度的研究 自从2 0 世纪6 0 年代人们就开始用系统分析的方法设计给水管网，并将优化 程序应用于其中。最早的给水管网设计模型是以树状网为代表的非线性模型，这 些模型没有线性规划法的计算优势，不能得出比较好的结果。自从2 0 世纪7 0 年代以来，大量的管网优化设计技术被相继提出。在优化设计结构中，两阶段法 在模型中的使用代表了管网优化设计模型研究的一个新的阶段，在该阶段， r o w e l l 和b a r n e s s ( 1 9 8 2 ) 用两阶段法来确定管网布置及管径”。 可靠性是在可能机械损坏情况下满足需水流速的概率。研究给水系统可靠性 是必不可少的。1 9 8 6 年g o u l t e r 和c o a l s 提出了两种方来评估管网可靠性。 我国给水管网设计研究最近几年也取得了很大进展，方永忠用生成树变换法 求输配水系统最短供水路线，解决了多水源输配水系统中有一个以上节点流量为 负值的最短供水路线问题，王荣和、顾国维等编制h y p n w 和p c a d 软件系统， 建立了青岛高科技开发园区给水管网优化设计模型。 关于供水管网主干线的确定，国内有文献应用网络理论中最短路线法确定， 以分配流量、选定管径，对于干管之间的连接管管径的确定，则是假设若干组方 案对每组方案用m o n t ec a r l o 方法模拟管段的故障检修情况，以定量计算管网的 年缺水量和年损失费用，进而求出年总费用，最后选定管网年总费用最少的一组 方案作为设计方案。 上述管网优化设计都有一个共性，即在对管网结构分析的基础上，建立管网 系统的数学模型，并利用数学方法求解，进而解决管网优化设计的问题。但上述 方法，由于是对现有管网的数学模拟，在计算过程中对许多参数作了相应的简化， 从而导致计算结果与实际管网偏差较大，因此，不得不在调整参数上花费大量的 时间。 城市给水管两建模无疑能够使人们了解管嗣有关运行参数，并在定程度上 解决运行调度的许多问题。然而，它并不能改变原有管网，只是在局部地区优化 设计和改、扩建而已。因此无法根本改善管网水质。随着人民生活水平的断提高， 优质饮用水已逐渐进入人们的日常生活中来，现阶段先在部分住宅小区敷设直饮 水管道，广州近年来开始用新建水厂的优质水向城区供水，相信全国各大城市也 会陆续步广州市之后尘而另设管网向市民供应优质的饮用净水，国内外文献关于 此类课题，尤其是将管网水质模型的结果与管网优化设计结合起来，作模型指导 规划，用规划调整模型，即根据，水质模型预测管网各节点的水质状况，分析存 在的主要问题，有目的地改进管网规划设计，如确定供水方式、管径、加压及二 1 0 第一章请论 次加氯设施等，还不是很多，而这些问题在优质水管网中已同益得到重视a 1 4 城市优质水管网设计思路的提出及研究的主要内容 1 4 1 传统供水管网中的停留时间 传统的输水管网分为树状网和环状网两种基本形式。管网布置时必须保证供 水安全可靠，当局部管网发生事故时，断水范围因减到最小，应力求以最短距离 敷设管线，并保证用户有足够的水量和水压。 树状网的布置形式，即用一条输水主干管贯穿于整个供水区域内，两侧接出 若干条分枝，好像树枝状，各分枝之间设有连通管。显而易见，树状网的供水可 靠性较差，因为管网中任一段管线损坏时，在该管段以后的所有管线就会断水。 另外，在树状网的末端，因用水量已经很小，管中水流缓慢，甚至停滞不流动， 因此水质容易变坏，而且水停留时间较长，造成管网水中余氯大量消耗，出现余 氯前高后低的不均匀现象。由于树状管网直接将出厂水按最短的距离输送至用 户，因此管网的一次性投资较少，是一种较为经济的供水方式。 环状网的布置即把各输水干线连成环状。环状网的输水可靠性较高。管网任 一段管线损坏时，断水地区可以缩小，而且还可大大减轻因水锤作用产生的危害。 水从水厂加压泵站开始沿着各平行布置的环逐渐推移，直到管网末端，因此，水 在管网中的停留时间也是由泵站至管网末梢逐渐延长。 目前，大城市给水管网，多数是将树状网和环状网绐合起来。在城市中心地 区，布置成环状，在郊区则以树状网形式向四周延伸。但无论采用何种管网布置 形式，都是以保证供水安全性的角度出发，使水从二级泵站出发向管网末梢流动， 水在管网中的停留时间随着管网的延伸而逐渐增加，从而产生接近水厂的管网内 的水较“新鲜”，管网末梢附近水质恶化的现象。这一现象产生的部分原因应归 咎于管网中水的停留时间不均匀，造成余氯消耗速度的差异。与树状网相比，环 状网的供水安全性提高但初始投资将有所增大。 随着人们生活水平的不断提高，人们对自来水的要求不仅仅是满足水量及水 压了，对于自来水水质恶化所带来的不良1 ：3 感问题已经日益引起重视。许多家庭 纷纷用桶装水代替自来水，在一些经济较发达的城市，下逐渐将饮用净水装入住 宅小区。这种现象说明人们对自来水水质的可信度正逐渐降低。我们知道，水从 自来水厂出厂时，必须达到国家饮用水水质标准，为什么在输送至用户时水质会 变差? 在这罩，管网在这过程中起了关键性的作用。 传统的供水管网往往布置成环状，即从水厂出发，由数个彼此相连环连接成 环状管网，其供水方向不固定，且各节点水量及水压随用水量而变化，这种形式 的管网能够解决树状管网供水安全性的问题，且在一定程度上可以降低管网经常 华南理工大学硕十学位论文 性的电费及维护费用，因此在较长时间内得到广泛应用，是我国目前大多数城市 普遍采用的管网布置形式。但处理合格的出厂水在这种形式的管网中停留时间一 般较树状管网长，据资料显示，国外某些大管网中的停留时间约2 4 7 2 小时“”， 而我国则普遍较长，下图1 i 为南方某城市供水管网，其管网术梢水中平均停留 时间约为8 8 2 小时。 我国南方某市在南片市郊兴建大学城，采用国内较为先进的管廓系统，其分 质供水系统中优质水管网平面布置及管网水力计算如下图1 - 2 所示。管网水的平 均停留时间长达1 0 小时。 停留时间一直是影响管网水质的一个重要因素，一方面停留时间越长，水中 残余的消毒帮与管网中的腐殖质及有机物反应的时间越长，由此产生的消毒副产 物也就越多：另一方面，水中余氯消耗量随着时间的推移呈非线性的递减趁势， 即随着管网水平均停留时问的延长，水中余氯的含量会逐渐减少，若不在管网中 追加消毒剂或者提高出厂水投氯量，则水质的生物稳定性较差，且在管网末梢往 往出现余氯浓度超标的现象。但若要保证末梢水中持续的杀菌能力，势必在管网 始端投较多的消毒剂，使得接近水厂的用户对自来水的口感不可接受。这一矛盾 是现有常规供水管网布置形式所带来的普遍问题，如果仍然将这一传统的设计思 路应用于日新月异的管道直饮水管网的设计，将不可避免地产生此类的更多问 题，因此，从改善管网水质的角度来说，研究一种全新的优质水供水布置方式势 在必行。 1 2 c州上u 铀o hpho时c一目锄ph丘t1p-imp墨 一。一h日一厶 固哪憬匿她长越怛繇眯仅怔哑黑i_t匝 袋她褂l 酶 昌州上u二p，o吼o c 事o p hp州io州c3 gh日o_h003p hop商事ch_c叫i勺hph h面罩口c凹叫工时n-i_息一厶 匝响始匿鼬长基蜂s鬈扑k悟眯恹怪吖_【匝 杖触喾扑二卜巨*xh剐怔斟 第一章诸论 1 4 2 改善优质水管网布置方式的方法及其优势 管网平均停留时间与余氯分布及管网水压有着密不可分的关系。据研究，管 网最佳投氯点为过滤后，而加氯点后移可以明显减少因加氯所的生的对人体有害 副产物的生成，提高消毒效果，减少加氯量，减少生产成本。受现有供水管网布 置形式的限制，管网水中余氯分布前高后低，若能在保证水量和水压的前提下， 从优化管网布置方式出发，均化管网节点的平均停留时间，尽量减少管网始末两 端停留时间差。既考虑口感因素，降低出厂水余氯水平，又能合理地确定管网二 次加氯的区域及投加量，保持管网术梢水生物稳定性和持续的杀菌能力。 我们知道，高速公路在提高车速，缓解交通压力，加快城市建设进度等方面 有着无法比拟的作用，车辆通过内环路首先到达最接近目的地的出口，比直接穿 街走巷快得多“”，管网定线中是否也可以采用这一思想，即构建一个配水“主 干环”或“内环线”，“环线”上只允许接干管，不接支管，这样干管上的局部水 头损失减少了，电耗降低了，且干管可按远期规划，避免了管网扩建中重复开挖 路面造成的资金浪费。“环线”上不接支管，供水方向灵活多变，保证了供水压 力及水量，同时还可缩短“环线”与配水支管的时间筹，有利于减少管网始术两 端余氯浓度差，均化管网各处的平均停留时间，使得在保证末梢水质指标的前提 下，尽量降低出厂水余氯水平，从而可以避免余氯浓度过高所带来的不良口感问 题。这一思想打破了常规供水管网规划的观念，对保证供水的可靠性、提高供水 企业的经济效益和改善水质都有一定的优越性。 1 42 1 创建供水“配水主干环”的目的 管网改、扩建多数是因为用水量增加造成原有管网供水压力及水量不足，而 压力降低与管线太长、管道锈蚀过水断面减少、水头损失增大有直接关系。因此， 创建“配水主干线”使水首先在“环线”上初次均匀分配，有利于掌握管网水量、 水压等各种资料，摆脱了供水方向性的限制，达到均匀配水的目的，同时能适应 将来城市重心迁移给管网带来的变化。 设置“主干环”将管网分为上下几层，即配水主干管一一“配水主干环”层， 配水干管或支管层( 与“配水主干环”层管线相垂直) 以及内街配水支管层，便 于维护管理，供水压力逐层降低，管径由大到小，各层内管径大致相当，水在各 层内的停留时间均匀，出厂水不必投加过多消毒剂，必要时可在“配水主干环” 上中途加氯，这对降低管网整体余氯水平，保证水质有着重要的作用。 1 4 2 2 “主干环”设置的方法的提出及主要研究内容 在充分利用现有管网的基础上，构建一个“配水主干环”使环到全区各点的 距离相当，环上接配水干管，配水支管从环上干管上接出。水厂出水首先进入“配 水主干环”，然后通过配水干管及配水支管流向供水点。环线尽量布置成“中” 华南理工大学硕十学位论文 字形，且环上各管段的管径尽量相同，并通过水力计算确定，环线上的管道应尽 量沿现有或规划主干道敷设，并尽可能考虑双管及事故连通管，以保证供水安全 性。 1 5 本章小结 随着人们生活水平的不断提高，生活饮用水水质及水量的要求己经基本上得 到保证，人们开始关注饮用水健康问题了，现有自来水管网水质的现状并不容乐 观，主要表现在出厂水生物稳定性差，产生三卤甲烷等致癌物质；管网陈旧，管 内壁锈蚀，威胁人体健康：管网水平均停留时间长，影响管网水质，以及管网施 工及运行维护管理等。在一些经济较发达的城市，分设一套管网系统进行分质供 水，向居民提供优质的饮用净水，是近年来饮水革命的主要方向，它在现阶段不 仅十分必要，而且在技术和经济也是可行的。管道直饮水在国外已有较长的历史， 欧美等发达国家主要是通过全面提升自来水水质来实现自来水生饮的目标。而在 我国现阶段饮用及烹饪水仅占生活用水量的2 5 ，全面提高水质是不现实的。 因此，主要是在住宅小区敷设分质供水管网，以改善饮用水水质。随着国际化进 程的不断加快，我国在饮用水方面也将日益与国际接轨，在不久的将来，用另一 套管网向城区甚至全市供水也将会是未来水工业发展的趋势之一。广州即将投资 四十多亿另设一套管网向全市供应饮用净水，便是一个例子。 国内外文献关于管网水质模型主要以研究水中余氯的及三卤甲烷的衰减模 型为主。研究表明，管网水中余氯的衰减是时间的函数，且随着时间的延长，水 中余氯浓度不断减少。为了保证管网末梢水中余氯浓度不低于o 0 5 m g l 的生活 饮用水卫生标准的要求，在始端必