（环境工程专业论文）关于水质维护的管网冲洗研究.pdf

中文摘要 管网冲洗是维护和改善管网水质的重要措施。本论文通过对实际管网中的 单向冲洗实验和消火栓死水水质研究，得到了相关的管网单向冲洗的水质改善 效果和消火栓死水水质的变化规律，并制定了供水企业进行管网冲洗维护措施 的管网冲洗程序，对供水企业进行管网水质冲洗维护措施具有指导意义。 单向冲洗方法通过关闭阀门和打开消火栓的个数控制水流的流向和流速， 流速控制在1 8 m s 以上，各冲洗区域互不影响。因此，单向冲洗方法克服了传 统冲洗方法的弊端，能够有效改善管网水质。本研究在对某小区的单向冲沈试 验中发现，单向冲洗后，细菌总数与浊度明显的降低，这也说明管网单向冲洗 可以有效的去除管网中的腐蚀结垢、生物膜、沉积物质等。余氯在冲洗后短期 内( 一周) 比冲洗前降低，这是因为单向冲洗的较高流速改变了管道内壁的状 态，使得水中余氯与管道内壁的反应增强，造成余氯衰减加速。一周后管网水 的余氯浓度有所升高，与冲洗前相比变化不大。管网的单向冲洗造成了短期内 的管网水的腐蚀性增强，一周后达到比较稳定的状态。从l a n g e l i e r 指数l s i 的变化可以看出，管网水的化学稳定性变化不大。同时，在试验中也研究了其 水力计算过程，制定了单向冲洗计划。 本文还分析了消火栓内死水进入供水管网的可能性。如爆管、压力瞬变和 管网检修等都有可能引起死水倒流，造成饮用水污染事故。通过6 个月的消火 栓内死水水质监测发现，消火栓内死水水质恶化迅速，当监测时间为3 个月时， 浊度、色度、总铁、细菌总数等水质指标均接近试验中的各条管道的最大值， 因此，将当前市政消火栓的排放周期为3 个月，会降低饮用水污染的风险。 通过以上的有关管网冲沈的试验研究和实际管网冲洗的操作运行，制定了 管网冲洗程序框图，管网冲洗包括确定管网冲洗方法、设计管网冲洗计划、实 施管网冲洗程序并收集数据和评价冲洗效果并改进冲洗程序等四个步骤，为供 水企业合理规划管网冲洗工作提供了依据。 关键词：城市供水管网：管网水质：单向冲洗：消火栓排放；冲沈计划 a b s t r a e t p i p ef l u s h i n gi so n eo ft h em o s tp o w e r f u lt o o l sa v a i l a b l et ow a t e ru t i l i t i e sf o r m a i n t a i n i n gw a t e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m b a s e do nw a t e rq u a l i t ym o n i t o r i n g a n da n a l y s i s ，t h ep a p e rs t u d i e du n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n ga n dw a t e rq u a l i t yd e c a yi n h y d r a n td e a de n da n de s t a b l i s h e dp i p ef l u s h i n gp l a nw h i c hc a nt e l lw a t e rn t i l i t yh o w t oi m p r o v ew a t e rq u a l i t yt h r o u g hp i p ef l u s h i n g u n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n gc o n s i s t so fi s o l a t i n gap a r t i c u l a rp i p es e c t i o nt h r o u g h c l o s i n ga p p r o p r i a t ev a l v e sa n de x e r c i s i n gt h eh y d r a n t s u n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n gi s o f t e na s s o c i a t e dw i t he s t a b l i s h i n gv e l o c i t i e so f a p p r o x i m a t e l y1 8 m sw i t h i ne a c hp i p e s e g m e n tb e i n gf l u s h e d ，h e l p se n s u r et h a tp i p es e c t i o n sa r ec o m p l e t e l yf l u s h e d ，a n d a v o i dm o v i n gd e b r i sf r o mo n ep a r to ft h es y s t e mt oa n o t h e r i nc a s e s t u d y u n i d i r e c t i o n a l f l u s h i n ge f f i c a c y , h p ca n dt u r b i d i t y d e c r e a s e do b v i o u s l y t l l i s i n d i c a t e dt h a tu n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n gw o u l dc r e a t es h e a rf o r c ec a p a b l eo fd i s l o d g i n g a n dt r a n s p o r t i n g s p e c i f i ct y p e so fp a r t i c l e s ，f i l m ，o r s c a l e b e c a u s ea p p r o p r i a t e f l u s h i n gv e l o c i t yw i p e do f fs c a l eo ni n n e rw a l l a n dr e s i d u a lc h l o r i n ew i l lr e a c tw i l l l i n n e rw a l l ，r e s i d u a lc h l o r i n ev c a sr e d u c e di nas h o r tt i m e ( aw e e k ) a f t e raw e e k ， r e s i d u a lc h l o r i n ew o u l di n c r e a s ea n da l m o s te q u a lt ot h eo n eb e f o r eu n i d i r e c t i o n a l f l u s h i n gw h e ni n n e rw a l lw a ss t a b i l i z e d l a n g e l i e ri n d e xw a sr e d u c e di nf l s h o r tt i m e ( aw e e k ) ，w h i c hi n d i c a t e st h a tu n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n gc a nr e d u c ec h e m i c a ls t a b i l i t yi n f l u s h i n gr e g i o n ，a f t e raw e e k , l a n g e l i e ri n d e xw o u l di n c r e a s ea n dg e tb a c kt ot h eo n e b e f o r eu n i d i r e c t i o n a l f l u s h i n g i nl o n gl u n ，u n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n g h a sal i a l e i n f l u e n c eo nc h e m i c a ls t a b i l i t y i nt e s t ，ad e t a i l e df l u s h i n gp l a nw a se s t a b l i s h e da n d f l u s h i n gm o d e lw a su s e db yf l o we m i t t e r sm o d e l w a t e ri nh y d r a n td e a de n dm a yb a c k f l o wi n t od i s t r i b u t i o ns y s t e m s u c ha s ，c r a c k p i p e ，p r e s s u r et r a n s i e n t ，e x a m i n a t i o n ，a n dr e p a i ra n ds oo n t h r o u g h6m o n t h sw a t e r q u a l i t ym o n i t o r i n ga n da n a l y s i s ，w ef o u n dt h a tw a t e rq u a l i t yi nh y d r a n td e a de n d w o u l dd e t e r i o r a t eq u i c k l y w h e nw a t e ra g ew a s3m o n t h s ，h p c ，t u r b i d i t y , i r o na n d c o l o ra p p r o a c h e dm a x i mi na l lt e s t s i fw a t e ru t i l i t yc h a n g e dh y d r a n td i s c a r d i n g p e r i o dt o3 m o n t h s ，w a t e rq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o ns y s t e mw o u l da s s u r e da n dt h er i s ko f d r i n k i n gw a t e rc o n t a m i n a t i o nw o u l dd e c r e a s e d ad e t a i l e df l u s h i n gp l a ni n c l u d e d d e t e r m i n i n gt h ea p p r o p r i a t e n e s so ff l u s h i n g a sp a r to fau t i l i t ym a i n t e n a n c ep l a n ，p l a n n i n ga n dm a n a g i n gaf l u s h i n gp l a n ， i m p l e m e n t i n gaf l u s h i n gp l a na n dd a t ac o l l e c t i o n ，a n de v a l u a t i n ga n dr e v i s i n g a f l u s h i n gp l a n ”ad e t a i l e df l u s h i n gp l a nc a nt e l lw a t e ru t i l i t yo nh o w t oi m p r o v ew a t e r q u a l i t yt h r o u g hp i p ef l u s h i n g k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；w a t e rq u a l i t y ；u n i d i r e c t i o n a lf l u s h i n g ：h y d r a n t d i s c a r d i n g ；f l u s h i n gp l a n 第一奄绪论 独创性声明 本人声明所呈交的学化沦文是本人在导师指导f 进行的研究【：作和嘏得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致训之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘鲎或其他教育机构的学位或 证j 。j u 使崩过的村利。与我+ 同r 作的刚志对本研究所做的任何贡献均已m 论 文， ，作了 ! j 确的说叫并表示了谢意。 学位沦洲靖躲焦支谗酬嘲：泖；年，2 苫 学位论文版权使用授权书 本学位论文作哲完全了解盘洼盘茔仃关保留、使h _ i 学何沦文的规定。 特授权墨洼盘堂n r 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据片进 榆 索，井采月 影印、缩印或扣描等复制= 于 段保存、汇编以供奇阅和借阅。问意学 校向f q 家订关部门或机构送交论文的复印件干f 1 磁蕊。 ( 保密的学位论文存解密后适川本授权随 ! j j ) 籼敝作者躲僵、加 签字| | 期： 5 年z 月2 8 f 二 导师签名： 签字n 期： d 2 与色 月 7 ， l 缸 年 、0、一、 、 k 、孔 加 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 饮用水与人们生活水平、身体健康密切相关。随着经济的高速发展，生活 水平的显著提高，饮用水的安全性越来越引起人们的关注，这一点可从水质标 准的提高反映出来。我国于1 9 5 9 年由建设部和卫生部颁布了第一个饮用水水质 标准生活饮用水卫生规程，此标准只包括了1 6 项水质指标。1 9 7 6 年经国家 基本建设委员会和卫生部联合批准的生活饮用水卫生标准( 编号为t j 2 0 - - 7 6 ) 则将水质指标增加到2 3 项。1 9 8 5 年卫生部修改批准生活饮用水卫生标准， 编号改为g b 5 7 4 9 - - 8 5 ，项目增加至3 5 项。1 9 9 3 年国家建设部又制定了城市供 水行业2 0 0 0 年水质规划，水质指标8 8 项，将供水企业分成四类，分别提出不 同的水质目标和检测项目。最新的生活饮用水水质卫生规范由卫生部制定， 2 0 0 1 年9 月1 日起施行，共包括1 0 3 项水质指标。由此可见，每次标准的修改 制定都增加了水质检验项目，提高了水质标准，并且逐步与国际标准接轨。 水源水通过取水系统进入水厂，经过一系列的处理工艺后，最终由供水管 网输送到用户。传统的观念是净化水厂出水除p h 影响管道腐蚀外，只要能维持 管网余氯o 0 5 m g l ，用户用水就是安全的。现在的情况已发生变化，水源普遍 遭受污染或微污染，富营养化现象严重( 藻类和有机物含量较高) ，合格的出厂 水经过配水系统的输配时，在管道中会发生复杂的物理、化学、生物作用而导 致水质变化：断裂管线造成的污染；在储水设备中停留时间太长；剩余消毒剂 消耗殆尽；细菌的滋生；水的浊度升高：管道腐蚀和投加消毒剂后形成副产物 等等。结果管网水到达用户时，水质就不一定符合国家生活饮用水标准了。一 些研究者对国内3 4 个主要城市管网水质资料进行统计，地表水水厂出厂水水 质基本稳定的占2 1 ，腐蚀性的占5 0 ，轻微结垢的占2 9 。地下水水厂出厂 水基本稳定的约占5 0 ，有腐蚀性的占3 0 ，轻微腐蚀性的占2 0 。对占全国 总供水量4 2 “的3 6 个城市调查，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 1 m g l ；细菌总数 由6 6 c f u m l 增加到2 9 2 c f u m l 。一些初步的统计数据【l l 发现管网水的挥发性酚、 阴离子合成洗涤剂、硝酸盐这些生物可降解物质较出厂水分别降低了2 9 3 8 、 1 2 3 3 、7 6 2 ，可能为涂层释出的苯并( a ) 芘增加了5 0 1 8 0 。某城市发现 供水管中管垢厚达1 6 2 0 m m ，赤色，有腥味，含1 6 种金属元素，检出铁细菌、 埃希氏大肠杆菌等6 种微生物。根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统 第一章绪论 计，发现无防腐措施的管道输水能力己降低了1 3 以上。管道结垢，输水水质恶 化，管道输水能力下降已成为城市供水管网普遍存在的现象。 建设部提出我国城市( 二级以上水司) 生活饮用水水质要逐步实现终端达 标，部分大城市水司提出2 0 1 0 年城市生活饮用水达到直饮水水平( 如深圳、上 海、北京、天津等) 。这就意味着饮用水水质不仅要在出厂时达标，而且需要在 用户水龙头处达标，符合饮用水水质标准。因此，供水企业必须采取措施来满 足水质标准提高的要求。 饮用水水质的安全性是由供水工程中的诸多环节共同决定的，这些环节包 括水源的选择和保护、水处理工艺的选择、消毒方式的选择、供水管网的管理 维护和管网水质的在线监测等。饮用水水质的优劣与出厂水水质、供水管网的 运行管理密切相关。为提高出厂水水质，在饮用水处理工艺方面的研究非常活 跃，针对不同污染类型的源水，对源水进行预处理、深度处理等，这包括化学 氧化( 臭氧、二氧化氯、高锰酸钾等) ，物理吸附( 投加粉末活性炭或经活性炭 过滤) ，生物降解( 生物预处理或生物活性炭) ，膜过滤( 微滤、超滤、反渗透) 等【2j 。在供水管网的运行管理方面，越来越多的供水企业使用g i s 和管网水质在 线监测系统来帮助管理供水管网。以有限差分法( f d j ) 、离散体积元素法( d v m ) 、 时间驱动方法( e d m ) 和事件驱动方法为基础的各种管网水质模型【2 】的运用虽然 还不成熟，但也逐步的运用到管网水质的管理维护当中。总的说来，对于城市 安全饮用水的研究已成为供水卫生领域的重要课题。 供水管网处在供水工程中的最后一环，管网水质的安全性直接关系到消费 者的身体健康。供水管网的运行与管理水平、出厂水的生物稳定性和化学稳定 性、管道材质及其内防腐情况、管网中的交叉连接等是影响管网水质的主要原 因。 表1 1 饮用水污染事故的污染类型和污染的年度变化趋势( ) 例 1 9 7 0 - -1 9 7 5 1 9 8 0 1 8 5 0 1 9 9 0 分类 1 9 7 4 缸1 9 7 9 e1 9 8 4 丘1 9 9 0 芷1 9 9 4 丘 生物性 8 7 53 3 36 8 47 0 07 9 3 污染类型 化学性 1 2 56 6 73 1 63 0 o2 0 7 水源 8 1 23 3 33 1 630 _ 02 0 7 管网6 33 3 32 1 o2 5 o 3 6 6 污染环节 二次供水 001 0 52 7 51 0 0 供水站 0 0 1 5 87 53 ，4 其他 1 2 53 3 32 i 11 2 56 7 第一章绪论 从表1 1 中可以看出，管网造成饮用水污染事故是在供水工程中所占比例 最多的，而且从上世纪8 0 年代至今是递增的趋势，1 9 9 0 1 9 9 4 年之间发生的饮 用水水质污染事故占总事故率的3 6 6 ，由此可见供水管网对保障饮用水水质 安全的重要性。一旦供水管网中发生饮用水的污染或恶化，就可能引起水传播 疾病等，引起较大的危害。管网中发生水质污染是滞后性的，而且供水企业可 选用解决管网水质污染的的方法很少，例如更换管道、对供水管道进行内涂等。 这些方法需要花费较多的物力、财力，而且影响供水。 管网冲沈方法可以有效改善管网水质，与其他改善管网水质的方法相比， 投入的物力、财力较少，基本上不影响供水。但是在我国现阶段的供水管网水 质管理中，管网冲洗方法的使用不合理，冲洗方式单一，对消火栓冲洗排放方 法使用混乱，因此，该研究在完善供水管网水质管理措施的基础上，对保证供 水的卫生安全具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 使用管网冲洗的方法对供水管网水质进行维护和改善是国内外各个供水企 业普遍使用的方法。但是，国外学者专家对管网冲洗方法及步骤的研究起步较 早，开始于上个世纪八十年代，而国内对管网冲洗方法及步骤研究开始较晚， 大约在九十年代后期国内学者才对管网冲洗的步骤具有初步的认识和简单的研 究。 r o n a l da c h a d d e r t o n 4 j 等人在1 9 9 3 年对美国范围内的各个供水企业进行管 网冲洗的现状进行了调研，定义了各种管网冲沈方法，并对各种管网冲洗方法 的优劣进行了比较，评价了管网冲洗方法对管网水质控制和改善的有效性。1 9 9 0 年，o b e r o i 【5 】等人首先对管网的单向冲洗方法进行了研究，确定了进行管网单向 冲洗的几个重要参数和原则，例如，进行单向冲洗的冲洗流速控制在1 5 m s 以 上等。在冲洗过程中，通过关闭阀门和打开消火栓的位置及其个数等控制水的 流向、流速，并保证冲洗水完全排出管网等。o b e r o i 等人在加拿大的e d m o n t o n 市进行了实际的应用，取得了令人满意的结果。 单向冲洗中，冲洗流速的确定是整个冲洗过程中起到决定作用的控制参数， 所以，在对冲洗流速方面的研究也最活跃。e d w a r d i6 j 等人认为1 8 m s 的流速能 够去除附着在管壁的生物膜、腐蚀副产物和其他的沉积物质；也有学者口】( 如 o b e r o i ，1 9 9 4 ) 认为，1 5 r n s 的冲洗流速就能达到上述的冲洗目标。f r i e d m a n , m e l i n d a 7 】等人在2 0 0 2 年对进行单向冲洗的冲洗流速进行了进一步的研究，通过 研究管网各种内沉积物质的属性和在各种管道内壁的附着能力，运用流体计算 第一章绪论 模拟软件( c f d ) 对管网流速的模型研究，对冲洗流速的中试试验，得出了一系 列的管网冲洗流速确定原则和影响因素。 在对管网冲洗方法的研究上，不同的管网冲沈方法也相继出现。2 0 0 3 年， p e r e z ，a l b e r t i s 等人研究了自动冲洗方法( a u t o m a t i c f l u s h i n g ) ，这种冲洗方法通 过自动排放装置定期的排放管网末梢区域，提高饮用水水质，而且此种方法降 低了进行大规模管网冲洗工作所耗费的人力、物力。d a v i d ，p a r k e 一9 1 等人对单向 冲洗方法进行了进一步的试验研究，在单向冲洗的过程中，在冲洗管道的起始 端，通过充气装置向待冲洗管道内充二氧化碳气体，降低冲洗水的p h 值，增强 冲洗水与管道内壁附着物质的反应，以此改善管网单向冲洗的效果。这种降低 冲洗水p h 值的方法对管道的负作用还有待于进一步的研究和改进。 在冲洗步骤的建立上，到九十年代术期开始成熟，但由于各个地区及供水 企业管理体制和实际管网情况的区别，冲洗步骤并不完全一致。由于管理信息 系统g i s 等的使用，冲洗步骤的建立也越来越趋于快速合理，但g i s 在管网单 向冲洗中的应用还在研究和试验的阶段，在实际应用中并没有推广应用。m e l i n d a ， f r i e d m a n ，k i r m e y e r 】等人对管网冲洗步骤进行了总结，也已经成为供水企业进 行管网冲洗步骤制定时的依据。 我国在对管网水质冲洗维护方法的研究上，明显存在滞后。作为维护和改 善管网水质的重要措施，我国的很多供水企业对管网的冲洗不够重视，有些供 水企业几乎不主动冲洗管网，对管网水质的管理上存在着很大的漏洞。在进行 管网冲洗的供水企业中，冲洗目的不明确，冲洗方法单一，不仅浪费宝贵的水 资源，而且冲洗效果不明显，达不到改善管网水质的目的。在对管网冲沈的研 究方面也较少，罗岳平、邱振华】等人在“合理规划管网冲洗工作”一文中， 较为详细的总结了管网冲洗的步骤等，但是对管网冲洗方法并没有进行论述和 研究。 对消火栓内死水的排放也属于管网冲洗的一部分，在对这一部分内容的研 究上，国内外还是空白。对于这部分内容的研究是基于哪方面的考虑是最大的 分歧。国内各供水企业普遍认为，消火栓死水的排放主要用来冲洗供水管网， 死水水质的污染程度对供水管网的水质安全性并没有大的影响，这种观点与实 际消火栓排放起到的作用存在较大的误差，在此次研究中，也将对其进行辨识。 在对供水管网中的死水区域的水质研究方面，国外一些专家学者对建筑物内的 自动喷淋系统内的死水水质进行了研究，例如，f r e d e r i c kl h a r 1 2 等人在其研究 中认为建筑物内的自动喷淋系统内的死水水质很差，由于停水、压力瞬变等原 因引起的死水倒流进入供水管网存在着引发水传播疾病的可能性。但是，由于 市政消防系统的复杂性、地域上的差别、消火栓使用型号及材质的差异，国内 第一章绪论 外的文献均没有对与市政管网相连的消防系统内的死水水质进行研究。在本文 试验研究中，认为消火栓及其支管水质较差，而管网运行的不稳定可能使这段 水质较差的死水重新进入管网而供给用户，所以对饮用水的安全性存在着很大 的危害，所以，选定了深圳地区部分实际管网中的消火栓内死水进行了水质监 测，得到了特定地区内的消火栓内死水水质现状及其变化规律。在一定程度上 此项研究填补了对供水水质安全性方面的一项空白。 1 3 主要研究内容 本课题主要研究在管网的r 常运行与管理中，维护与改善管网水质的冲洗 措施。此项研究的主要目的在于通过对管网单向冲洗的研究和消火栓冲洗排放 的研究，为供水企业提供日常管网水质维护和管理的措施及依据。数据的来源 是对深圳市管网水进行现场实测及实验室实验。具体内容如下： 1 ，供水管网水质变化规律及影响因素的研究。在对国内外文献研究及现有 的管网数据分析的基础上，总结供水管网存在的诸多水质问题，包括管网生物 膜、管网的腐蚀结垢、余氯衰减和交叉连接引起的倒流等，并将其归纳总结为 必然性水质恶化和偶然性水质污染两类。 2 ，供水管网单向冲洗的实例研究。管网单向冲沈是有效改善管网水质的措 施之一，通过对多个小区供水管网的单向冲洗实例，总结了进行管网单向冲洗 的水力计算过程，分析了进行管网单向冲洗对供水管网水质的影响，主要包括 细菌总数、大肠菌群数、浊度、余氯、p h 、碱度、总铁等水质指标的变化，并 分析了对管网水的化学稳定性的影响。 3 ，消火栓内死水进入供水管网的可能性分析。消防系统直接与供水管网相 连接，造成了消防系统与供水管网的交叉连接。通过对有关文献的分析，探讨 了由于压力瞬变造成的消防系统中水质较差的死水进入供水管网的可能性。同 时对树枝状管网和环状管网中爆管引起的死水倒流进入供水管网的可能性进行 了分析。 4 ，消火栓内死水水质变化规律的研究。选定不同消火栓支管管材、不同埋 设年代的消火栓，总计四条道路上的市政消火栓，对浊度、色度、细菌总数、 大肠菌群数、总铁、锰、钙、铝等水质指标进行了6 个月的监测，明确对消火 栓及其支管内死水进行取样的方法，对消火栓内死水进行水质评价，总结了消 火栓内死水水质指标的变化规律，并对供水管网中消火栓内死水冲沈排放的周 期进行了探讨。 第一章绪论 5 ，合理觌划供水管网冲洗程序。以单向冲洗为例，合理规划供水管网冲洗 程序，这包括管网冲洗方法改善水质的确定、设计管网冲洗程序、实施管网冲 洗程序及数据收集、评价冲洗效果井改进冲洗程序等四个主要步骤。管网冲洗 程序一经建立，在对供水管网没有改建、扩建的情况下，可以作为供水企业日 常管理和维护管网水质的措施。 1 4 课题研究技术路线 14 课题研究技术路线 第二章管网冲洗基本理论 第二章管网冲洗基本理论 本章主要讲述有关管网冲洗的基本概念、基本理论，包括进行供水管网冲 洗的目的、三种冲洗方法的介绍、管网冲洗的水力模型等内容。 2 1 管网冲洗目的 城市安全饮用水的最终目的是为用户提供安全可靠的自来水。水源水通过 取水系统进入水厂，经过一系列的处理工艺后，最终由配水管网输送到用户。 配水管网最接近用户，所以管网水质的好坏直接关系到人体的健康。对占全国 总供水量4 2 “的3 6 个城市调查【1 3 j ，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o 0 9 m g l 增加到0 1 l m g l ；细菌总 数由6 6 c f u m l 增加到2 9 2 c f u m l 。管道内发生的物化反应和生化反应，使管网 结构完整性被破坏是出厂水流经输配水系统后水质下降的主要原因 1 4 1 。由于 我国对出厂水浊度要求比较低等原因，出厂水中含有的无机悬浮颗粒再悬浮， 从而提高水质浊度。这些引起浊度的悬浮颗粒在流速较高的管网中悬浮在水中， 但是在流速较低的管段，一些悬浮颗粒沉积下来，形成管网沉积物j i l ”。我国 的管网建设普遍考虑未来发展的要求，管径较大，造成流速较慢，使得悬浮颗 粒沉积引起的水质下降问题更加严重。另外，由于管网中交叉连接6 【1 7 1 引起的 恶性水污染事故的发生、管网建设过程中遗留在管道内的泥沙等都需要使用管 网冲洗的方法改善管网水质。以下从微生物、腐蚀结垢、管网沉积物和偶然性 水污染事故四个方面进行管网冲洗的重要性。 2 1 1 微生物 近十年来对给水管网管壁上生物膜生长、管网水中细菌再生长和大肠杆菌 的突然爆发的原因的研究越来越多。比较一致的看法是：由于出厂水中存在可 生物降解有机物( b o d m ) ，它成为管网中异氧细菌生长繁殖所需的营养基质， 使出厂水中未被消毒杀死的细菌或其他途径进入给水管网的细菌再生长 ( r e g r o w t h 或a f t e r g r o w t h ) 1 1 。部分细菌随机附着在管壁上利用营养基质生长 而成为生物膜19 】 2 0 1 。生物膜的存在可以保护附着在管壁的细菌不受余氯的侵 害。管壁生物膜可能成为管壁腐蚀结垢的诱因。由于消毒剂的影响，生物膜中 的细菌趋向于丛生，而且生物膜一般是补丁状、不平坦。生物膜的老化脱落会 第二章管网冲洗基本理论 恶化水质，使饮用水色度和浊度上升，细菌总数增加【2 2 】。管壁结垢和腐蚀会降 低管网的过水能力，增加二级泵站动力消耗，严重时造成爆管事故【h 1 2 3 1 。 管网中铁细菌、硫细菌等异氧菌的存在对管网本身和管网水质造成了较大 的危害口“。铁细菌能把水中的亚铁化合物氧化而以氢氧化铁的形式沉积下来， 沉积于菌体内或菌体周围，并通过下述反应获得生长所需的能量： 2 f e 2 + + ( n + 2 ) h 2 0 + 1 0 2 。f e 2 0a - n h 2 0 + 4 h + + q c a l 铁细菌是典型的水栖菌，属于裂殖菌纲。菌体要在显微镜下才能看见，但 是大量聚集时，则形成肉眼可见的菌落。菌落外观为灰白色、红褐色或深褐色， 呈絮状、绒毛状或粘胶状。铁细菌是好气性细菌，生长时的最佳温度为2 3 - 2 5 。铁细菌种类很多，管网中常见的有嘉式铁柄杆菌属、铁细菌属、纤毛菌属、 鞘铁细菌属、球衣菌属等。通常，含铁量高于0 2 0 3 毫克升的水中都能发现 铁细菌。含铁量低于o 1 毫克升的水中有事也可以检出铁细菌，这是因为铁细 菌可以从管道表面吸收到铁分，作为其生长繁殖所用，在铁与炭或腐殖质同时 存在的水中，铁细菌的生长繁殖最为旺盛。铁细菌喜欢在含有二氧化碳的弱酸 性水中生长，特别偏爱铁与锰的有机化合物。管网中铁细菌繁殖时，根据其生 长情况，可能出现水的浊度与色度增加、发生异臭、“红水”现象、水中溶解氧减 少、输水能力下降等。 硫细菌也是对管网水质影响较大的细菌。管网中最常见的一种细菌“白硫 菌”就属于硫细菌，它可以使体内的硫逐渐氧化为硫酸： h 2 s + 圭d 2 一s + 也d 2 s + 3 0 2 + 2 h 2 0 2 h 2 s 0 4 硫细菌一般形成肉眼可见的灰白色或灰黑色的菌落( 具式硫细菌属和孤硫 细菌属) ，也有形成红色菌落的红硫细菌属，形成绿色菌落的聚生绿硫细菌属。 硫细菌和铁细菌一样，由于菌落形成粘质膜，能够阻塞管道，且使水产生令人 厌恶的异臭，同时，对铸铁管或钢管具有腐蚀作用。 除了铁细菌、硫细菌等异氧菌之外，输配水管道内壁生长着其他微生物。 统计结果表明，美国每年有超过2 5 的水传播疾病和配水系统的水质恶化有关 【2 4 】，一些致病菌通过生理适应，腐蚀产物的物理化学保护等抵抗消毒剂的作用 【2 5 1 ，在适宜的环境条件下大量繁殖，带来致病危害。微生物在生长代谢和死亡 分解过程中产生的有机物还能与消毒剂作用，使管网水的致癌、致畸和致突变 化合物含量增加，降低饮用水的安全性【2 。配水系统中的细菌还可能来自于配 第二二章管网冲洗基本理论 水管网本身的缺陷，例如，渗漏的管段、阀门，交叉连接点的倒虹吸和回流， 不安全的二次供水设施等 2 7 。 配水系统中的微生物问题还包括较大的原生动物、蠕虫等问题。例如，贾 第鞭毛虫、隐孢子虫和痢疾阿米巴原虫等，世界各地都有与之相关的流行性疾 病的报道【2 8 。我国南方地区属亚热带气候，高温高湿季节长，为红虫的大量繁 殖提供了有利条件，导致水中红虫大量繁殖，有关在配水系统中发现红虫的报道也 屡见报端“。 管网冲洗时，改变管道内水流流速，可以减小生物膜的厚度，抑制微生物 在管壁的附着生长，减少硫细菌、铁细菌引起的管道腐蚀。研究表明，周期性 的管网冲洗可以降低发生水传播疾病的风险【“。 2 1 2 腐蚀结垢 管垢 3 0 】是指水管内璧的黄褐色、多孔、凹凸不平的一层沉积物c 碳酸钙，水 中的胶体颗粒等) 、锈蚀物( 主要是氧化铁和氢氧化铁) 和粘垢( 生物膜) ，这三者 相互结合成的复合体、它主要以锈瘤的形式存在。管垢主要是由于管道受到化学 腐蚀和生物腐蚀所形成的。化学腐蚀是指管壁和其周围的水环境发生一系列的 电化学反应、在管壁表面生成一些锈蚀物，最常见的例子就是形成铁锈不 溶性的氧化铁和氢氧化铁。由c a c 0 3 、z n 氧化物和水化物等沉降物组成的致密 垢层对管道内壁由一定的保护作用，但如果不及时清除，则垢层过度积累而使 管道的有效输水面积减小，同时提高管壁摩阻系数，阻滞水流。f e ( o h ) 2 、f e ( o h ) 3 和a 1 ( o h ) 3 等后沉降物与管壁结合疏松，容易发生再悬浮而使水呈 异色。常规处理工艺能有效地去除水中悬浮物、胶体物质、细菌和大肠杆菌，但 对大量有机污染物特别是溶解性的有机污染物去除效果却不理想，因此配水管 网中必然会含有一定浓度的有机物，而且由于倒虹吸、交叉连接、二次供水的 污染，以及检测手段不灵敏等因素使褥在管网中存在微生物。这些微生物以水 中的有机物为能源，进行新陈代谢所需要的各项活动，这些产物反过来又会促 进金属表面的恶化，这种腐蚀就是生物腐蚀。因此，管垢中含有大量的铁、锰、 铝、锌等和各种细菌及藻类。 管道的锈蚀必将导致水中余氯含量迅速减少，色度、浊度、铁、锰、细菌 学指标等明显增大。当管道内水流速度、水压突然变大或方向突变时，会造成 短时间的水质恶化，甚至出现“红水”、“黑水”等水质事故。由于管垢的存在， 为了杀死水中的微生物，必须加大消毒剂的用量，但这又会使消毒副产物、对 人体有害的“三致”物质增加。而生物膜的存在又加速了锈蚀、管垢增多，从 第二章管网冲洗基本理论 而降低管网的输水能力、二级泵站动力消耗增加以及爆管等，使管网的服务年 限降低。因此，控制配水管网中管垢的形成、解决管网中水质二次污染的问题 已迫在眉睫。 管网冲洗可以降低颗粒物在管道内的净积累量，将管网水的浊度控制在标 准值以内，而且管网的冲洗可以清除附着在管道内壁的生物膜、部分结垢和管 道内的沉积物质，改善管网水质，并减小摩阻。所以供水企业必须对供水管网 进行周期性的冲洗，控制管网水质。 2 1 3 偶然性污染 偶然性水质污染是由于供水管网中交叉连接点的回流、施工、人为破坏等 引起的，其中交叉连接点的回流是主要原因。交叉连接【1 6 1 是指在公共用水系统 和个体用水系统之间存在的或潜在的结构上的连接。非饮用水系统的流体( 包括 使用过的水，工业用水，气体或其他有害流体) 可能通过交叉连接进入饮用水管 网系统，这一现象称为回流【1 6 1 。交叉连接点的回流是由于倒虹吸和反压力两种 情况造成的。 ( 1 ) 倒虹吸 管网的压力低于大气压或是负压而导致的回流称为倒虹吸【”1 。例如，当管 网压力下降，此时启动水泵为高层建筑供水时，其吸水管产生的负压，有可能 引发低层建筑的管道与水泵吸水管交叉连接点的倒虹吸，使得来自于低层管道 的污染物污染高层用户用水。供水管道的出口淹没在液体污染物中，管网中的 负压将引起高程较高的管道的水柱快速下降，从而造成真空，使得污染物进入 到管网中。 ( 2 ) 反压力 与饮用水管道相连接的非饮用水管道的压力由于水泵提升、加热、位置升 高等原因使得非饮用水管道的压力大于饮用水管道的压力时而产生的回流称为 反压力【l ”。住宅，企业或商业系统使用水泵为自己的用水系统加压，包括化学 药剂投加泵，加压泵，洗车场水泵等。当这些水泵的压力大于管网压力时，反 压力的情况就将发生。反压力也有可能来自于热膨胀，例如，锅炉，太阳能加 热系统等。 由于以上原因，输配水系统经常被局部污染，偶然性的水质污染有可能造 成较为严重的水质污染事故。如果不采取冲洗等处理措施，污染物扩散后可能 在较大范围内降低管网水质。 第二章管网冲洗基本理论 2 2 管网冲洗方法介绍 2 2 1 传统冲洗方法 传统冲洗方法是指打开配水系统中指定位置的消火栓进行冲洗，直到出水 的浊度、色度、余氯等指标达到饮用水水质标准规定的限值【6 1 1 7 j 。传统冲洗方法 中，打开消火栓是无序的，而且不关闭阀门控制流向和流速。这样，从消火栓 排放出的水有可能是由几条管道供给的，管道内的流速改变较小，冲洗效果不 明显，无序的打开消火栓有可能使冲洗水进入已冲洗区域，降低冲洗效果，例 如，先打开下游的消火栓，然后打开上游的消火栓，这样就使得上游的冲沈水 进入已经冲洗过的下游区域。管网冲洗水在排放过程中并不能控制完全被排出， 这样可能会使饮用水浊度增大，出现“红水”“黄水”现象。引起用户对饮用水 水质问题的投诉。 传统冲洗方法也可称为“点”冲洗l ”，即在水质较差的区域进行消火栓排放， 将水质较差的水排掉代之以水质较好的水，例如，管网术梢区域的死水区等。 我国有些供水企业定期将消火栓及其支管内的死水冲洗排放也有此种含义。 f 二习nf = 习广_ 、f = 习n 图2 1管网传统冲沈方法示意图 2 2 2 单向冲洗方法 单向冲洗方法是在传统冲洗方法上的改进。1 9 9 0 年，加拿大的e d m o n t o n 市 最早使用此方法进行管网冲洗。实践表明，单向冲洗是有效的改善管网水质的 第二章管网冲洗基本理论 措施之一。单向冲洗有以下三个特点，一是通过关闭阀门使待冲洗区域的管道 内水流单向流动，各冲洗区域互不影响，二是通过打开消火栓的数量和放水口 的大小、个数控制管道内流速在1 8 m s 以上【6 ，1 8 m s 的流速被认为能够去除附 着在管壁的生物膜、腐蚀副产物和其他的沉积物质【6 】o 也有学者认为( 如o b e r o i ， 1 9 9 4 ) 认为，1 5 m s 的冲洗流速就能达到上述的冲洗目彬”。三是冲洗的顺序是 从水厂逐渐到管网的外围，从大管径管道到小管径管道，水的流向一直是从已 经冲洗的区域到未冲洗的区域。 较大管径的管道内水流一直保持较高的流速，距离水厂近，余氯浓度高， 所以腐蚀副产物和沉积物质等较少，从日常监测的水质数据也可以看出大管径 管道水质较好。另外，由于单向冲洗要保证较高的流速，所以大管径管道的单 向冲洗需要打开更多的消火栓以排出冲洗水，这种大规模的冲洗需要投入更多 的工作人员，操作管理困难，开关阀门造成的停水区域也较大，冲洗效果也不 明显，所以，一般认为，d n 4 0 0 以上的供水干管不进行单向冲洗。 关闭阀 臼n 臼n 臼n 图2 2 管网单向冲洗方法示意图 2 2 3 持续排放法 关闭阀r j 持续排放法是指将管网内水质差的水以较低的流速，通过消火栓或预留口， 以类似于活塞式推流的方式排放出来，流速一般限制在o 3 m s 6 1 p 奠下。此种方法 主要用在流速受到限制的腐蚀较严重的管网，或是冲洗区域内没有足够的消火 栓来实现较大流速单向冲洗的管网。 第二章管网冲洗基本理论 管网末梢的死水区域在供水管网中是不可避免的。管网末梢的死水停留时 间很长，几乎处在不流动的状态，这对水质的直接影响是消毒副产物的增加， 余氯衰减，腐蚀严重，微生物再生长，嗅和味的增加，沉淀物的沉积，温度的 升高等。使用持续推流法可以使管网末梢区域的余氯保持较高浓度，缩短停留 时间，在一定程度上可以改善管网水质。但是，这种方法并不能彻底的改善水 质，应当同时更换过大管径的管道或增加此区域内的用水量，达到持久改善管 网水质的目的。另外，这种方法也将耗费更多的冲洗水量。 2 3 管网冲洗模型简介 在管网冲洗的过程中，冲洗管理人员并不能看到发生在管道内部的事情， 或者测量出流速、流量这样的参数。因此，管网的水力模型提供了一个获取冲 洗时水力参数的工具。 冲洗过程中，冲洗区域的每条管道都有较大的流量，所以冲沈模型应当包 括冲洗区域内的所有管段。如果冲洗水来自单一的管道，例如在树状供水系统 中，流速不需要水力模型来确定，但冲洗模型能够用来确定冲洗时冲洗区域是 否能保持足够的服务水头。在多水源系统或环状系统中，确定水的流向和流速 是比较复杂的，冲洗管道内的流量经常与冲洗管理人员预期的不同，所以，需 要使用水力模型进行分析以确定冲洗管道内的流量和流速。 2 3 1 消火栓自由排放模型 模拟管网冲洗最简单的方法是改变管网中消火栓中节点的流量，通常称之 为“自由排放” 3 u 。理论上，这种方法相当的简单，在供水管网力模型的计算 中，增加消火栓作为节点，并赋予一定的流量。然而，大多数供水企业并不知 道自由排放时的每个消火栓的流量，因此，一般这个值是估计的。如果关闭阀 门形成定向冲洗，那么估计流量的过程变得复杂，而且并不准确。有些供水企 业测量并记录冲