飲用水安全與人類健康息息相關，用戶飲用水水質達標是人民幸福生活的重要保障。經(jīng)過多年建設，我國水源保護措施不斷完善，水廠深度處理工藝水平不斷提升，而供水管網(wǎng)的輸配過程成為制約龍頭水水質達標的關鍵環(huán)節(jié)。上海、北京、深圳和鄭州等城市供水管網(wǎng)的水質調查結果顯示，水質達標的出廠水經(jīng)市政管網(wǎng)和二次供水設備的輸配后，水質逐漸下降，特別是最后一公里（小區(qū)內）的水質下降明顯。供水管網(wǎng)輸配過程中水質的下降是造成龍頭水質不合格的主要原因，而龍頭水水質不合格主要體現(xiàn)在余氯指標無法滿足要求。因此，研究輸配管網(wǎng)水質監(jiān)管技術與龍頭水水質保障策略具有重要的意義。
針對供水管網(wǎng)龍頭水質保障面臨的難題，本文分析了管網(wǎng)水質的現(xiàn)狀、問題與成因，總結了常州市從水廠到龍頭一體化管理的理念與做法，構建了以小區(qū)入口和二供水箱水質保障為核心的水質分段監(jiān)管技術體系，提出了“優(yōu)化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”余氯保障新思路，能夠為大型復雜管網(wǎng)龍頭水質穩(wěn)定達標提供技術支撐與參考。
01
管網(wǎng)水質監(jiān)管現(xiàn)狀及存在問題
1.1 管網(wǎng)水質檢測頻率低，水質監(jiān)管不到位
國內外供水管網(wǎng)水質保障主要采用水廠消毒、管網(wǎng)督查的方式，常采用在主干管和末梢取樣的方式進行水質監(jiān)管，一般以與水質標準下限比對判斷水質是否達標。我國《城市供水水質標準》（CJ/T 206-2005）規(guī)定，管網(wǎng)水和末梢水檢測頻次分別為每月不少于2次和1次，按照每2萬人設1個取樣點計算，末梢水檢測頻率為0.02個/（d·萬人）。英國飲用水監(jiān)管局（Drinking Water Inspectorate，DWI）2019年統(tǒng)計報告顯示，英格蘭地區(qū)龍頭水檢測頻率為0.80個/（d·萬人）。相比之下，我國對于末梢水質的監(jiān)管頻率遠低于英國，另外，由于龍頭水取樣條件限制，我國末梢水質常規(guī)取樣點實際多為市政管網(wǎng)點，未能實現(xiàn)對管網(wǎng)末梢水質的有效監(jiān)管。目前，我國只有一些大的供水企業(yè)、住建部以及城市供水水質監(jiān)測中心具備《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）106項指標的檢測能力。因此，我國供水企業(yè)仍廣泛存在水質檢測能力和檢測頻率不足、缺乏有效監(jiān)管等問題。
1.2 管網(wǎng)水質污染事件頻發(fā)，預警能力有待提升
管網(wǎng)突發(fā)性水質污染事故具有隱蔽性、突發(fā)性、非連續(xù)性和不確定性，一旦發(fā)生，極易造成經(jīng)濟損失和環(huán)境危害。據(jù)統(tǒng)計，1996年至2015年的219起全國突發(fā)飲用水污染事件案例中，市政管網(wǎng)和二次供水污染66起，占比30.14%。供水管網(wǎng)的輸配過程是影響龍頭水質的關鍵環(huán)節(jié)。近年來，我國大型城市供水管網(wǎng)逐漸建設了在線水質監(jiān)測點，常規(guī)水質檢測指標為余氯和濁度。由于我國現(xiàn)行標準對管網(wǎng)水質在線監(jiān)測點的數(shù)量未有強制要求，實際管網(wǎng)中水質在線監(jiān)測點數(shù)量較少，當發(fā)生污染事故時，供水企業(yè)不能實現(xiàn)及時排查和污染源溯源。以2020年杭州湖埠村管網(wǎng)水質污染為例，從接到居民投訴后歷時24 h才排查出污染源。因此，水質在線監(jiān)測點數(shù)量制約了供水企業(yè)對水質污染的及時排查和溯源。另一方面，國內外學者開展了基于水質在線監(jiān)測點的突發(fā)水質污染預警研究，結果表明，多個水質指標會對污染表現(xiàn)出協(xié)同變化，利用這種現(xiàn)象可以進行污染探測，通過增加在線監(jiān)測點數(shù)量和優(yōu)化在線監(jiān)測點位置，能夠提高突發(fā)水質污染的探測概率和識別準確度。因此，優(yōu)化水質在線監(jiān)測點的數(shù)量和位置，提高突發(fā)水質污染的探測能力，是提升供水企業(yè)應急處理能力需要解決的關鍵問題。
1.3 管網(wǎng)消毒方案基于經(jīng)驗，管網(wǎng)余氯分布不均勻
在飲用水中保持剩余消毒劑是水質消毒的常用方式。在傳統(tǒng)模式下，供水企業(yè)在水廠一次加氯消毒，通過管網(wǎng)末梢水質關鍵點的余氯濃度控制加氯量。水廠常常需要較高加氯量以保證關鍵點的余氯濃度，但加氯量過高會造成飲用水口感下降、產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物、增加用戶投訴等問題。增設二次加氯點可以解決傳統(tǒng)模式加氯控制難的問題，但是實際管網(wǎng)中加氯點位置和加氯量的確定多基于經(jīng)驗，大型復雜供水管網(wǎng)中仍存在水質敏感點和水質薄弱區(qū)。通過對常州管網(wǎng)人工采樣分析發(fā)現(xiàn)，采用水廠-補氯站兩級消毒方案，在出廠水余氯達標前提下，控制出廠水余氯水平低于補氯站，改善了市政管網(wǎng)余氯濃度分布，但管網(wǎng)余氯時空分布仍不均勻。因此，合理選擇消毒工藝，精準加氯，提高供水管網(wǎng)中余氯分布的均勻性，嚴格控制消毒副產(chǎn)物，改善余氯帶來的口感問題，實現(xiàn)居民用水同網(wǎng)同質，是供水管網(wǎng)水質管理需要解決的關鍵問題。
1.4 市政管網(wǎng)與小區(qū)管理分離，管網(wǎng)末梢水質管控難
進入小區(qū)物業(yè)管理區(qū)域的供水設施至居民家庭水龍頭之間的管道、水箱、設備等，通常被稱為供水安全保障的“最后一公里”。由于各地政府的管理部門不統(tǒng)一（房管、供水、衛(wèi)生），責任不明確，監(jiān)管不到位，我國大部分小區(qū)供水設施由物業(yè)公司管理，供水企業(yè)無法實現(xiàn)對小區(qū)管網(wǎng)有效管控。另一方面，由于物業(yè)公司對供水設施維護更新不及時、運行管理不規(guī)范，業(yè)主對“最后一公里”供水設施產(chǎn)權意識不足、養(yǎng)護管理主體混亂等原因，“最后一公里”供水設施成為建筑“死角”，造成了龍頭水質難以達標。通過對龍頭水質不合格用戶的進一步調查，研究發(fā)現(xiàn)，多層建筑用戶（直供用戶）的水質不合格69%產(chǎn)生于用戶內部，31%產(chǎn)生于入戶表前；高層建筑用戶（二供用戶）的水質不合格68%產(chǎn)生于入戶表前，24%產(chǎn)生于用戶內部，8%產(chǎn)生于小區(qū)配水管內。直供用戶的水質不合格主要產(chǎn)生于用戶內部，二供用戶的水質不合格主要產(chǎn)生于用戶外部，小區(qū)管網(wǎng)內兩類用戶水質不合格的主要影響因素不同。因此，在供水企業(yè)無法實現(xiàn)對小區(qū)管網(wǎng)有效監(jiān)管的情況下，實現(xiàn)市政管網(wǎng)和小區(qū)管網(wǎng)水質分段監(jiān)管是供水企業(yè)需要解決的關鍵問題，尤其要重點關注小區(qū)管網(wǎng)末梢水質穩(wěn)定達標技術研究。
02
保障管網(wǎng)水質安全的需求
由于飲用水在管網(wǎng)輸配過程中會發(fā)生復雜的物理、化學、微生物作用，導致龍頭水水質相比出廠水會有一定程度的下降，甚至有時會出現(xiàn)不達標的情況。保持充足的余氯濃度是微生物、濁度、鐵錳、色度等項目達標的基礎，但是在供水管網(wǎng)輸配系統(tǒng)的影響下，龍頭水中的余氯、微生物和濁度難以實現(xiàn)穩(wěn)定達標。傳統(tǒng)余氯保障措施一般為在水廠加氯和管網(wǎng)補氯，這會導致管網(wǎng)余氯濃度時空差異大、末梢水質難保障等問題。
為了實現(xiàn)大型復雜管網(wǎng)龍頭水質穩(wěn)定達標，在管網(wǎng)中保持充足且均勻的余氯，需要在以下幾方面開展研究：①針對供水管網(wǎng)水質監(jiān)管不到位問題，開展供水管網(wǎng)的水質薄弱區(qū)識別研究，明確制約龍頭水質穩(wěn)定達標的水質指標，建立完善的在線水質監(jiān)測網(wǎng)絡，能夠全面監(jiān)測管網(wǎng)水質；②針對水質污染頻發(fā)問題，建立健全水質監(jiān)測及預警機制，快速識別管網(wǎng)突發(fā)水質污染；③針對管網(wǎng)末梢水質管控難問題，開展小區(qū)內管網(wǎng)余氯降解研究，提出龍頭水質保障策略，尤其是二供用戶，在水箱水力停留時間長、用戶用水波動大的情況下，開展保障二供水箱出水余氯穩(wěn)定達標且穩(wěn)定的技術研究；④針對管網(wǎng)消毒劑時空分布不均勻問題，開展廠網(wǎng)聯(lián)動消毒方案優(yōu)化研究，在滿足管網(wǎng)消毒要求基礎上降低消毒劑投加量，有效保障全管網(wǎng)水質安全。
03
“規(guī)程”重要技術要求
針對上述科技需求，以常州為試點，從供水管網(wǎng)水質監(jiān)測與預警、管網(wǎng)末梢水質精準調控、廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯三個方面展開研究，提出基于廠-網(wǎng)-二次供水多級監(jiān)測與反饋的廠網(wǎng)聯(lián)動水質保障技術。如圖1所示，形成以小區(qū)入口和二供水箱出水為關鍵控制點的水質分段監(jiān)管與保障：①構建從水廠到用戶龍頭的全流程水質監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)管網(wǎng)水質監(jiān)控和水質污染預警；②根據(jù)小區(qū)管網(wǎng)余氯降解潛勢確定小區(qū)入口余氯控制濃度，通過控制小區(qū)入口余氯濃度實現(xiàn)龍頭水余氯濃度穩(wěn)定達標。其中，通過精準調控二供水箱出水余氯濃度局部提升水質，保障小區(qū)管網(wǎng)水質穩(wěn)定達標；③以小區(qū)入口余氯濃度滿足控制目標為前提條件，構建涵蓋水廠、增壓站、監(jiān)測點、小區(qū)入口的水質模型，提出廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯方案，實現(xiàn)消毒劑總量與時空均勻度的同步優(yōu)化，保障市政管網(wǎng)水質穩(wěn)定達標。本技術通過“優(yōu)化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”的龍頭水質保障策略，實現(xiàn)了市政管網(wǎng)和小區(qū)管網(wǎng)的水質分段監(jiān)管與保障。
3.1 廠-網(wǎng)-二供全流程水質監(jiān)測及預警
對常州全管網(wǎng)219個采樣點進行常規(guī)水質分析，結果顯示，全管網(wǎng)水質均滿足現(xiàn)行標準要求，余氯濃度普遍偏高且空間分布差異大。其中，余氯濃度低于0.30mg/L的采樣點占比31.05%，在0.30~0.50mg/L的采樣點占比61.65%，高于0.50mg/L的采樣點占比7.30%。在ArcGis中利用空間分析工具繪制管網(wǎng)水質等高線，如圖2所示，進一步結合管網(wǎng)實際情況分析發(fā)現(xiàn)，水質相對薄弱點主要分布在老舊小區(qū)二供水箱和管網(wǎng)末梢。
對水廠、增壓站、市政管網(wǎng)點、二供水箱、用戶龍頭等具備上下游關系的6個采樣點進行管網(wǎng)沿程水質分析，結果顯示，全管網(wǎng)水質均滿足現(xiàn)行標準要求，耗氧量和三氯甲烷沿程變化不大，溴酸鹽未檢出；游離氯、總氯變化趨勢基本一致，增壓站補氯前，氯耗約為40%，增壓站補氯后，到最后一個采樣點，氯耗也約為40%；濁度超標風險較高，在最后一個采樣點接近1 NTU，濁度升高的主要原因是總鐵濃度的上升，二者有顯著相關性；高余氯有助于總鐵濃度的控制，研究發(fā)現(xiàn)，制約常州市龍頭水穩(wěn)定達標的關鍵指標是余氯和濁度。
在水質薄弱區(qū)識別基礎上，通過監(jiān)測點優(yōu)化布置分析，在水質薄弱區(qū)增設5個在線水質監(jiān)測點（監(jiān)測指標為余氯、濁度、pH、電導率、氧化還原電位），解決了已有監(jiān)測點不能覆蓋全流程水質監(jiān)測的問題。全流程水質監(jiān)測數(shù)據(jù)（水質、水量等）實時上傳至管網(wǎng)調度中心數(shù)據(jù)庫，每天采集各種頻率的運行數(shù)據(jù)近200萬條，實現(xiàn)了全面監(jiān)控從水廠到用戶的管網(wǎng)水質時空變化過程。
利用安裝在二供水箱的在線多參數(shù)水質傳感器（余氯、濁度、電導率和氧化還原電位），進行供水管網(wǎng)突發(fā)水質污染事件模擬（河水摻混、氨氮溶液摻混），以水質參數(shù)間的皮爾遜相關系數(shù)表征數(shù)據(jù)對污染事件的協(xié)同響應特征。研究發(fā)現(xiàn)，水質特征向量的提取能夠充分利用多水質參數(shù)對污染事件的協(xié)同反饋現(xiàn)象，同時又保留了監(jiān)測數(shù)據(jù)的原始信息。提出采用隔離森林（Isolation Forest, IF）算法的水質預警技術，隔離森林算法使用二叉樹對水質特征向量數(shù)據(jù)樣本進行分割，在這種隨機分割的策略下，具有較短路徑長度的異常數(shù)據(jù)易被隔離，從而實現(xiàn)水質污染事件預警。相較于多水質參數(shù)法，本技術準報率（TPR，見圖3）提升了18.10%，誤報率（FPR）降低了80.80%；相較于單水質參數(shù)法（余氯），準報率提升了75.60%，誤報率降低了8.10%。本技術適用于在線多參數(shù)水質預警，能夠有效降低儀器、環(huán)境噪音等對突發(fā)污染事件識別的影響，解決了傳統(tǒng)水質預警技術準報率和低誤報率高的難題。
3.2 管網(wǎng)末梢水質精準調控
采樣分析常州主城區(qū)內176個小區(qū)的余氯濃度，研究發(fā)現(xiàn)，39個直供小區(qū)中，小區(qū)入口余氯濃度小于0.40mg/L的占比4.55%；137個二供小區(qū)中，二供增壓后出水余氯濃度小于0.40mg/L的占比27.54%。相比于直供小區(qū)，二供小區(qū)內余氯濃度普遍偏低，為制約龍頭水余氯穩(wěn)定達標的關鍵環(huán)節(jié)。二次供水模式分為水箱供水（34.78%）、無負壓供水（48.55%）、水箱-無負壓雙模式供水（16.67%），其中，二次供水水箱的平均水力停留時間為11.61 h，且無補氯措施，容易造成二次供水水質下降。因此，進一步確定采用水箱供水的二供小區(qū)為研究重點。
根據(jù)小區(qū)規(guī)模（戶數(shù)）、入住率、小區(qū)年限等條件，選擇13個采用水箱供水的二供小區(qū)進行小區(qū)內余氯降解規(guī)律研究，通過分析余氯在典型小區(qū)內管線的降解潛勢，以龍頭水穩(wěn)定達到0.05mg/L為前提，提出直供小區(qū)入口/二供水箱出水最低余氯濃度限值冬季應為0.25mg/L，夏季應為0.35mg/L。針對二供水箱停留時間較長、水箱出水水質不穩(wěn)定等問題，提出面向用戶穩(wěn)定達標的二供水箱出水余氯精準調控技術，該技術主要包括基于水箱出口水質后反饋的次氯酸鈉投加算法，根據(jù)二供水箱出水余氯濃度實時調控自動補氯裝置加氯量，同時通過在水箱內增加主動導流裝置，克服了水箱混合效果差、余氯濃度不均勻的問題，控制二供水箱出水余氯濃度在最低濃度限值（冬季應為0.25mg/L，夏季應為0.35mg/L）以上，出水余氯濃度波動范圍小于0.05mg/L，解決了二供水箱出水余氯濃度不穩(wěn)定的問題，有效保障了龍頭水質穩(wěn)定達標。
3.3 廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯
供水管網(wǎng)優(yōu)化投氯是通過管網(wǎng)水力水質的機理模型和高性能的隨機優(yōu)化算法相結合的方式求解最優(yōu)解，優(yōu)化目標主要包括：最小化消毒劑的總投加量、最大化余氯分布的均勻度、最小化加氯點的個數(shù)。優(yōu)化目標一般選取其中的一個（單目標優(yōu)化）或多個（多目標優(yōu)化）。利用管網(wǎng)水質模型實現(xiàn)管網(wǎng)水質模擬，得到在不同工況下的節(jié)點余氯濃度、壓力等數(shù)據(jù)，進而計算該工況下的優(yōu)化目標和約束條件。基于管網(wǎng)水力模型，利用在線水質監(jiān)測點和人工采樣點的水質數(shù)據(jù)，完成管網(wǎng)水質模型的構建和校核，水質模型相對誤差為21.90%。
以小區(qū)入口余氯濃度滿足最低濃度限值為前提條件，通過分析小區(qū)入口（水質模型末梢）余氯濃度與在線水質監(jiān)測點余氯濃度的相關性，確定常州主城區(qū)內在線監(jiān)測點余氯控制濃度（見表1），通過控制在線監(jiān)測點余氯濃度（見表2），實現(xiàn)了管網(wǎng)水質監(jiān)管前哨從小區(qū)入口前移至在線水質監(jiān)測點，也實現(xiàn)了從小區(qū)定期取樣監(jiān)管模式向管網(wǎng)在線監(jiān)測模式的過渡。在此基礎上，構建了水廠-增壓站-監(jiān)測點余氯預測模型，以余氯時空均勻度和最小投加量為目標的優(yōu)化函數(shù)，形成了廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯方案（見圖4）。相對于原方案，新方案的冬季總加氯量降低11.20%，管網(wǎng)余氯分布均勻度提高13.70%，夏季總加氯量降低4.60%，管網(wǎng)余氯分布均勻度提高13.60%。
消毒方案調整前后水廠和3個增壓站出水余氯濃度變化情況如表3所示，2020年全年投藥量比2019年降低6.2%。根據(jù)2020年3月至8月常州主城區(qū)內50個點位常規(guī)水質檢測、10個水質敏感點（二次供水水箱、水龍頭）水質全分析顯示，龍頭水質滿足國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）要求。研究結果表明，通過消毒方案調整，在市政管網(wǎng)水質滿足要求基礎上降低了消毒劑總投加量，實現(xiàn)了供水管網(wǎng)的精細消毒和精準加氯，保障了全管網(wǎng)余氯穩(wěn)定達標和時空分布均勻性。
04
結 語
根據(jù)2020年3月至8月常州主城區(qū)內50個點位常規(guī)水質檢測、10個水質敏感點（二次供水水箱、水龍頭）水質全分析顯示，常州主城區(qū)100萬人口龍頭水質滿足國家《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749-2006）要求。面對龍頭水質保障的諸多挑戰(zhàn)，應用于常州主城區(qū)的基于廠-網(wǎng)-二次供水多級監(jiān)測與反饋的廠網(wǎng)聯(lián)動水質保障技術，仍取得了顯著成效，在供水管網(wǎng)水質監(jiān)測與預警、管網(wǎng)末梢水質精準調控和廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯等三方面取得了重要研究成果，主要體現(xiàn)在：
（1）通過分析小區(qū)入口與在線水質監(jiān)測點的相關性，確定在線監(jiān)測點的余氯控制濃度，實現(xiàn)了管網(wǎng)水質監(jiān)管前哨從小區(qū)入口前移至在線水質監(jiān)測點，也實現(xiàn)了從小區(qū)定期取樣監(jiān)管模式向管網(wǎng)在線監(jiān)測模式的過渡。
（2）以小區(qū)入口和二供水箱出水為關鍵點控制管網(wǎng)余氯濃度，通過二供水箱出水余氯精準調控局部提升薄弱點水質，有效保障了小區(qū)管網(wǎng)水質穩(wěn)定達標。
（3）通過廠網(wǎng)聯(lián)動優(yōu)化投氯方案，有效保障了市政管網(wǎng)水質穩(wěn)定達標，實現(xiàn)了消毒劑總量與時空均勻度的同步優(yōu)化。
上述研究成果形成了“優(yōu)化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”的龍頭水質保障策略，實現(xiàn)了市政管網(wǎng)和小區(qū)管網(wǎng)水質的分段監(jiān)管，解決了大型復雜管網(wǎng)龍頭水質全面穩(wěn)定達標問題，是可督查、可復制、可信賴的龍頭水質保障機制。
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