（环境工程专业论文）城市供水管网水质预测模型的研究与应用.pdf

中文摘要为了研究给水管网中的水质变化，提高城市给水系统的水质管理水平，本课题通过对某供水管网进行针对性的水质实验，系统的评估了该管网的水质现状，建立不同的管网余氯衰减模型进行对比分析，并在此基础上结合地理信息系统编制了管网水质信息系统。首先，确定北方某高校供水管网为研究对象，对其进行了连续一个多月的水质监测，通过分析管网中主要水质指标及其相关影响因素，掌握了该管网的基本水质情况，尤其对余氯的衰减变化规律有了比较深入的了解，并据此提出了改善水质现状的建议。其次，根据该大学校园内部用水情况，结合基本管网资料，进行水力平差计算，得到各管网监测点之间的水力停留时间，基于此对该大学管网进行二期水质检测实验。依据此次实验数据，首次建立了管网监测点余氯的多元统计回归模型和人工神经网络模型，并创新性的将支持向量机算法引入管网水质模型，通过与机理模型进行比较，取得了令人满意的效果，开拓了在小样本条件下建立管网水质模型的新思路。最后，将管网水质模型与地理信息系统相结合，编制出管网水质信息系统，突破了传统意义上水质管理的局限性，能够在可视化的条件下对管网水质进行空间管理分析，为供水企业进一步提高管网水质管理水平做出了有益的探索。关键词：供水管网、水质模型、余氯、支持向量机、地理信息系统a b s t r a c tf o rt h ep u r p o s eo fr e s e a r c h i n gw a t e rq u a l i t , v a r i a t i o ni nw a t e rs u p p l yn e t w o r k sa n di m p r o v i n gt h em a n a g e m e n to fw a t e rq u a l i t y , e x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e sa r em a d et oe v a l u a t ew a t e rq u a l i t yo ft h es e l e c t e dn e t w o r k d i f f e r e n tr e s i d u a lc h l o r i n ed e c a ym o d e l sa r ef o r m e d ，c o m p a r e da n da n a l y z e d t h ew a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do ng e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mi sw o r k e do u t f i r s t l y , t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ko fan o r t h e r nu n i v e r s i t yi sc h o s e na st h es t u d yo b j e c t a f t e rm o r e - t h a n - o n e - m o n t hc o n t i n u a lm o n i t o r , w a t e rq u a i v ys t a t u so ft h i sn e t w o r ki si n v e s t i g a t e db yt h r o u g ha n a l y z i n gk e yp a r a m e t e r sa n dt h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r s u n d e r s t a n d i n go fr e s i d u a lc h l o r i n ed e c a yr u l e si sp u s h e df o r w a r d s u g g e s t i o n so f i m p r o v i n gw a t e rq u a l i t ys t a t u sa r ep r o v i d e d s e c o n d l y , h y d r a u l i cr e s i d e n tt i m ea m o n gc h e c k ，o i n t si sa c h i e v e db yh y d r a u l i ca n a l ) , s i s ，w h i c hi sc a l c u l a t e dw i t hw a t e rc o n s u m p t i o no ft h eu n i v e r s i t ya n db a s i cd a t ao ft h en e t w o r k a c c o r d i n gt o 血ec a l c u l a t e dr e s i d e n tt i m e as e c o n d r o u n dm e a s u r e m e n to f t h en e t w o r ki sp u ti n t oe f f e c t b a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h , m u l t 砸l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e la n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r km o d e lo fr e s i d u a lc h l o r i n ef o rc h e c k p o i n ta r ee s t a b l i s h e df o rt h ef i r s tt i m e a n ds u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea l g o r i t h mi si n n o v a t i v ei n t r o d u c e di nw a t e rq u a l i t ym o d e lo ft h ed l s l r i b u t i o nn e t w o r k c o m p a r e dw i t ht h ef i r s t - o r d e rk i n e t i c se q u a t i o n , s v mm o d e lw o r k sr e a s o n a b l yw e l l ，w h i c hm a k ei tp o s s i b l et of o r mw a t e rq u a l i t ym o d e li nd i s t r i b u t i o ns y s t e mb ys m a l ls a m p l e f i n a l l y , w a t e rq u a l i t yi n f o r m a t i o ns y s t e mi n 由s t r i b u t i o nn e t w o r ki se s t a b l i s h e dt h r o u g hc o m b i n i n gw a t e rq u a l i t ym o d e lw i t hg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m b yc o n t r o l l i n ga n da r 蛔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 mv i s u a l l y , t h i ss y s t e mm a k e su pt h es h o r t a g eo ft r a d i t i o n a lw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n t t h ew o r ki sa v a i l a b l ee x p l o r a t i o nt oi m p r o v i n gw a t e rq u a l i t ym a n a g e m e n to f d i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：w a t e rs u p p l yn e t w o r k s ；w a t e rq u a l i t ym o d e l ；r e s i d u a lc h l o r i n e ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：王阳签字日期：2 卯f 年f 月甲日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解吞洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：王阳导师签名：、，刁一7 址签字同期：加f 年f 月7 同签字日期： 一侔月，口f j天津大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的提出及研究意义第一章绪论水是自然界普遍存在的物质之一，是人类生存的一种不可缺少物质，没有水也就没有生命。水约占人体体重的2 3 ，它不仅是构成人类机体的基础，而且是传输营养和新陈代谢的一种介质，因而水质的好坏直接影响到人体的健康。随着人们生活水平的提高和健康安全意识的不断增强，对饮用水水质安全性提出了更高要求，这一点可以从饮用水水质标准的提高方面反映出来。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。到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 一7 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。在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。在国际上，我们的邻国日本在1 9 9 3 年实行的水质标准中与健康相关的项目有2 9 项，管网水必须具备的性状指标有1 7 项，水质舒适感项目( 如色、味、浊度等) 有1 3 项，与健康相关的监测项目有3 5 项，其中不仅对水质指标进行了修正，而且对水质监测标准的实施，例如水质检查计划和自来水公司的责任范围等作了相应的规定。到目前为止，1 5 本不仅每l o 年对自来水水质标准进行修正补充，而且根据最新研究结果不断完善自来水水质目标1 1 。当前，美国国家饮用水基本规则( n p d w r s ) ：对9 2 种污染物做出了硬性规定，其中包括浊度、8 种微生物学指标、4 种放射性核元素、1 9 种无机物、6 0 种有机物【2 】。一般来说，自来水公司出厂水的各项水质指标都是满足水质标准的，我国大中型城市水厂全年水质综合合格率达到9 9 以上。但是，在水体从水厂到用户的输送过程中，在配水管道中发生复杂的理化和生物作用，水质往往产生一些显著的变化，包括水质自身在管网的变化和外部的= 次污染，最终导致供水水质下降。据调查，我国管网水水质合格率较出厂水下降0 8 8 个百分点，其中浊度平均比天津大学硕士学位论文第一章绪论出厂水高0 3 n t u ，细菌总数增加4 倍左右合格率约为9 7 ，而大肠杆菌更只有9 0 左右的合格掣引。人们越来越认识到饮用水安全输配对水质保障的重要性，可以说，水质保障技术的重心己逐渐从水厂向管网转移。给水管网系统的水质分析基本上包括两种方式，一种是直接的在给水管网中抽样测试，另一种是利用计算机数学模型来进行水质模拟。前者通常是根据管网系统的具体应用和有关水质标准和规定，选择某些水质参数进行检验。这种方式主要是为了管网水质监测的目的，具有广泛的应用领域。尽管它有不可替代的作用，但这种方式仍然具有价格高，在实际管网监测过程中易受到实际工程条件限制的缺点。由于城市给水管网具有面积大、分支多、铺设年代不致、管材特性不同等特点，仅靠有限的监弱点进行人工监测水质变化情况，想要达到实时地、全面地了解整个管网各管段的水质情况是非常困难的。然而，就象管网系统水力分析能够非常好的估计出管网系统的水力工况变化一样，可以利用类似的方法精确地获得管网系统中的水质变化。因此，我们可以运用计算机模拟技术，模拟管网水质变化，建立监测管网水质的模型，使该模型不仅可以观察监测点处的水质情况，而且还可咀根据这些监测点的有效数据，推测出管网中其它各处的水质状况。追踪给水管网的水质变化，评估给水管网系统的水质状况，进而提高水质管理水平。管网水质数学模型已经逐渐被认同作为预测给水管网系统中水质随空间和时间的变化而变化的有效工具。给水管网系统水质模型可分为二个主要类型，一是关注影响管网水质的化学、物理特性的变化和转换过程，一是关注管网系统中微生物的控制。目前，由于氯消毒具有成本低、效果妤、具有持续消毒能力、易于操作等优点，一直以来氯都是给水处理中使用最广泛的消毒剂。在管网水中维持一定量的余氯，不仅可以抑制水中的细菌再繁殖，而且可作为预示管网水受到二次污染的信号。这并不是说管网中的余氯越多越好，过多的余氯不仅会产生令人不快的气味，而且水中的氯与天然有机物质( n o m ) 反应就有可能生成致癌物质( 如t h m s等) 。为了使管网中各点都能保证有适当的余氯含量，就要及时、全面地了解余氯在管网中的变化。因此，建立管网的余氯模型就可以根据监测到的有限数据快速准确地对管网中关键控制点的余氯量进行模拟和预测，并可以通过长期的数据积累不断对模型进行校核修改，使其更加完善，为水质管理提供决策支持。1 2 国内外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天津大学硕士学位论文第一章绪论随时间、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，从1 9 8 0 年w j o d 【4 提出基于稳态水力模型的水质模型后，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，g m y m a n 等嗍在1 9 8 8 年提出了一个类似的水质模型，大部分模型都使用了“扩展时段模拟”( e p s ) 方法，因为它们没有模拟由于流速变化造成的惯性影响，故实际应称作准动态模型。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 5 1 6 】对余氯在配水管网中的变化规律进行了模拟和校核，李欣博士t 7 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。但目前，国内外研究的配水系统水质模型中可以应用于实际的为数不多。按照模拟系统的水力状态，配水系统水质模型可分为稳态水质模型和动态水质模型；按照研究所涉及的水质参数，可分为余氯衰减模型、消毒副产物( d i s i n f e c t i o nb y p r o d u e t s ，d b p s ) 模型和微生物模型。稳态水质模型是在静态水力条件下利用质量守恒的原则来确定某种组分浓度在配水系统中的时间和空间分布。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的工具，普遍用在管网系统水质分析阶段。典型的稳态水质模型是w o o d 于1 9 8 0 年提出的，模型求解了系列节点质量平衡模拟方程：( q o 。+ ( q c ) 。= 线，乞，( 1 - 1 )式中：q 进、出节点的流量c 进、出节点的浓度q 。广一在节点处进、出系统的流量c 。厂在节点处避、出系统的浓度类似于w o o d 的模型，m a l e s 掣8 】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。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。动态模型是在配水系统变化( 如需水量) 和其他因素在时变条件下模拟组分的移动和转变。l i o n s 和k r o o n 9 1 提出了一种可计算配水管网水中物质的衰减和生长的模型，它以时间和位置函数的形式给出了物质的浓度，并把水中物质在管网中的流动分成三个过程：管段中的水平流动、随时间的衰减和增长、管段连接处的混合。r o s s m a n 等【l0 】提出了用离散体积元素法( d v e m ) 进行管网水质模拟，这种算法是利用时间驱动水质模型来跟踪管网中物质的瞬间浓度，把配水管网看天津大学硕士学位论文第一章绪论作是由有限的一些链接组成，给物质质量在每个链接内分配了离散体积元素( 反应发生在每个元素内) ，物质质量从一个元素平流传输到下一个元素，并且质量和流量体积在管网节点处混合在一起。c h a u d h r y 和i s l a “j 提出了一个计算机模型，利用一个组合系统方法来计算非稳定流状态下组分在流经管段时的传播和衰减，强调分析管网系统首先要确定初始稳定状态条件，然后对一个控制方程作数值积分来计算缓变流状态下的相关参数。这些模型的提出提高了对配水系统发生的动态水质变化和复杂过程的认识，考虑到了管段分割、计算时间步长的自动选择以及内存需要的降低，可对管网中物质空间和时间分配进行有效模拟。强调水质模型预测直接依赖于系统水力模型，不准确的水力模型将导致整个水质模拟过程的失败。大部分水质模型是建立在研究余氯在配水管网中的衰减动力学公式的基础之上，并假设氯在配水管网中的衰减遵循一级反应动力学方程：q = q p “7( 1 - 2 )式中：c a 和c b _ 一上、下游点处氯的浓度k 氯的衰减系数t 两点之间水的传输时间也有许多学者证明一级反应动力学公式不能够与配水管网中余氯的衰减特征吻合。为使模型能够与试验数据匹配，h e r a u d 等使用了不同的衰减系数( 与管材有关) ，其中有代表性的是r o s s m a n 等提出的一个基于质量传输的余氯衰减模型。模型描述如下：假设氯沿着一条管段的消失是由于在主体水中和在管壁处的反应造成的，且假设氯在管壁处的反应为关于管壁浓度的一级反应，并且这个过程与氯向管壁传输具有相同的速率，最后得到余氯衰减表达式为：堡o t 一塞却一丽k f 丽+ c ( i - 3 )苏。吒( 盘+ 女，)式中：c 体积流中氯的浓度t 时间u 管段中的流速x 沿管段的距离k b 体积流中衰减速率常数k 厂质量传输系数“管段的水力半径( 管段半径的1 2 )k w 一单位长度、时间管壁衰减常数r o d r i g u e z 等人提出一个新的模型人工神经网络模型( a n n ) ，从另一个角度研究了余氯在配水系统中的衰减，并与传统的一级模型进行了对比。模型天津大学硕士学位论文第一章绪论是通过b p 算法和使用一个时间延迟输入拓扑结构实现的，对两个供水系统进行的模拟表明在水温较低时一级模型显示了较好的效果，而在水温较高时a n n 模型则显示了较好的预测。a n n 模型与其他模型最大的区别就是不用涉及较深的余氯衰减动力学机理，其特点是要求个有效、强大、有代表性的氯变化数据资料，而且训练样本的选择和学习精度的确定都会对模型训练的结果产生重大的影响，这也正是a n n 模型需要改进的方面。不过。这个模型开拓了对余氯衰减研究的新领域，扩大了水质模型的研究思路。在此基础上，r o d r i g u e z 和s e r o d e s还对供水管网中余氯衰减的线性与非线性模型进行了比较分析i l 。目前关于配水管网中消毒副产物变化规律的最新报道是w i n d s o rs u n g 等 1 习进行的研究，对消毒副产物的形成最终采取的模型为：t t h m s = c t o h 一c o 1 一e x p ( - k r ) ) ”( u v 2 5 4 ) ”( a 妞) 9( 1 4 )式中：c o 1 一e x p ( - k ，) 卜一从氯投加点到取样点之间的耗氯量t 传输时间a l g a e 藻类浓度d 、j 、n l 、n 、口一指数系数对于t t h m s 中的主要成分氯仿： c h c l 3 = 2 _ 3 1 0 6 鲫一r 2c o 1 一e x p ( 一k f ) 旷6 2 5 4 ) “5 7 ( a l g a e ) “”( 1 - 5 )对5 种标准的h a a s 模拟的结果为：【舰缸】= 4 8 1 0 4 叫一r c o 1 一唧( 一k r ) 3 ( u v 2 5 4 ) 。”( 1 - 6 )这些方程从本质上说不是纯经验的，因为引入了温度、p h 值等参数，方程反映了氢氧根离子浓度的重要性，为碱催化的水解反应。配水管网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。p i r i o u 等【1 6 】研究用p i c c o b i o 软件来预测配水管网中的细菌变化，在模型中用不同的数学方法表达出悬浮细菌和固定细菌的区别，并把反应发生的位置分为三个部分：溶液中、水和生物膜交界面、生物膜内。1 3 课题主要研究内容本课题的研究目的是要在对一个管网中小区进行水质检测分析的基础上，通过对不同水质模型的比较，寻找出适当的模型来对管网中的余氯衰减进行模拟，并结合地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 建立管网水质信息系统。研究内容可分为三个阶段。第一阶段主要为水质资料的收集、整理与分析，首先天津大学硕士学位论文第一章绪论选择北方某高校校园为本课题的水质研究区域，建立管网水力模型，根据在研究区域内的水力位置确定9 个取样点作为研究对象，通过现场检测与实验室检测来获取实验区的水质数据，进行初步分析，寻找各水质指标间的关系，探求配水管网内的水质变化规律；第二阶段是依据第一阶段得到的水质分析结果和二期实验检测数据建立配水管网中余氯衰减数学模型，对监测点的水质状况进行预测，并通过对各种水质模拟方法效果的比较，寻找先进的建模方法使模型能更加准确的模拟管网中水质变化i 第三个阶段是将水质模型结合g 1 s 编制小区管网水质信息系统。具体研究内容包括：1 根据管网资料建立水力模型，了解管网水力特征；2 结合管网特征，选取水质检测点，制定实验方案：3 进行充分的现场实测和实验室实验，获取水质资料；4 数据整理，分析管网中各水质指标的变化规律；5 模拟管网中余氯衰减变化，并用实测数据验证，通过对预测效果进行比较，寻找新的建模方法；6 结合g i s 编制管网水质信息系统。1 4 课题研究技术路线本课题研究按以下技术路线进行本课题研究按以下技术路线进行天津大学硕士学位论文第一章绪论图卜l 课题研究技术路线天津大学硕士学位论文第二章管网水质实验方案2 1 实验范围选择2 1 1 实验区选取第二章管网水质实验方案在进行水质分析实验之前，首先要选择合适的供水区域作为实验区。在综合考虑小区位置、面积等基本数据和实验条件的情况后，选择了北方某高校校园作为实验区( 如图2 - 1 所示) 。该大学是教育部直属国家重点大学，校园包括教学区和家属区，占地面积1 4 6 5 7 万平方米，建筑面积1 2 0 余万平方米，用水人口约为5 万。该大学大部分用水均为生活用水，供水管网中大多为灰口铸铁管，整个区域共有六个进水口。该市南部某水厂为该大学的唯一水源，采用氯胺消毒方式，该大学位于其供水区域的管网中部。图2 - 1 北方某高校校园管网简图天津大学硕士学位论文弟二草官嘲水j 页头强力栗综上，该大学用水性质单一，面积适中，监测点布置，取样实验，模型建立的工作量相对较小，比较适合课题研究的开展。2 1 2 监测点布置通过水质监测点来进行管网水质管理的方法是以管网中少数点的水质反映整个管网水质状况，从而实现监测和控制管网水质的目的。国家标准规定了采样频率和基于人口数的监测点数量，但对其选址仅有定性的叙述。实际工作中应使监测点的选择具有代表性，即监测点水质合格时，足以保证尽可能多的用户用水水质达标【17 1 。因此，根据北方某高校管线基本资料与用水量信息建立管网水力模型后，按照监测点位置均布的原则，经过现场查勘，结合取样条件并依据其在管网中所处位置，分进水点、中途点和管网末梢点三类共设立了九个监测点( 其中6 号点为高层水箱，不属于管网监测点，因此不在本文的讨论范畴) ，基本信息见表2 - 1 。表2 - 1 监测点基本情况监测点编号管径管材ld n 4 0 0铸铁管2d n 2 0 0铸铁管3d n 2 0 0铸铁管4d n 2 0 0铸铁管5d n l 5 0铸铁管6d n l 5 0铸铁管7d n 2 5 0铸铁管8d n l 5 0铸铁管9d n 3 0 0铸铁管天津大学硕士学位论文第二章管网水质实验方案2 2 管网水质实验方案2 2 1 实验方案制订为了探求配水管网内的水质变化规律和建立余氯衰减数学模型，将实验分两期进行。一期实验的目的是通过检测水中各种指标，对结果进行统计分析，得到小区管网水质规律；二期实验是要结合水力平差，将水龄引入水质模型，为了简化模型的输入参数，因此检测项目以便携式仪器测量的为主。( 1 ) 一期实验以天为单位，从4 月2 8 日到6 月1 1 日每天上午在监测点取样并用便携式仪器进行现场检测，下午在实验室检测其它项目，检测项目有：1 ) 现场检测项目根据现有实验仪器的条件，选定温度，总余氯，游离余氯，浊度四项作为现场实验项目；2 ) 实验室检测项目根据其供水水厂出厂水检测指标，考虑水质经管网输配后的变化，并参考其它城市管网检测项目，选择实验项目有p h 值，u v 2 5 4 ，总铁，总磷，氨氮，硝酸盐氮，亚硝酸盐氮，溴离子，三氯甲烷，总有机碳( t o t a lo r g a n i cc a r b o n ，t o c ) ，细菌总数，大肠菌群数，可同化有机碳( a s s i m i l a b l eo r g a n i cc a r b o n ，a o c ) ，检测目的如下表2 2 。( 2 ) 二期实验根据水力平差结果可以计算出任意上下游两点间的水力停留时间，并将此作为该两点的取样时间间隔，按照每小时一次的频率连续进行三天实验。为了方便将来水质模型与在线监测数据的结合，增强模型的兼容性与扩展性，参照目前的在线监测仪器，将检测项目选定为：温度，p h 值，总余氯，游离余氯，浊度，溶解氧。天津大学硕士学位论文第二章管网水质实验方案表2 - 2 各水质指标检测目的检测指标检测目的温度常规水质指标，反映水的性状浊度常规水质指标，反映水的基本状态p h 值常规水质指标，反映水的基本状态总余氯常规水质指标，代表水中总的消毒能力游离余氯常规水质指标，代表水的消毒能力，d b p s 的主要成因总铁铁管中电化学腐蚀导致饮用水浊度升高，影响水质总磷水中细菌的营养物质溴离子与水中氯离子竞争，形成d b p s氨氮评价水体有机污染程度，与氯存在动态平衡硝酸盐氮、亚硝酸盐氨反映水体中有机物含量u v 2 h反映d b p s 前体物水平，预测d b p s 生成能力三氯甲烷水中d b p s 的主要组成物质t o c反映水体中有机物质总量，评价水体有机污染程度细菌总数水的细菌学指标大肠菌群数水的细菌学指标反映水体中生物可降解有机物水平，用来评价水体的a o c生物稳定性2 2 2 实验方法介绍( 1 ) 水样采集水样的采集是水质分析的第一步，也是整个工作的关键。采样原则是水样既能代表要分析的水的成分，同时水样在采集和保存时不受污染。为了保证采样结果具有可比性。必须严格按照采样步骤进行操作。水样均取自管网沿线建筑内的水龙头，取样时段为每天上午9 ：o o 1 1 ：0 0 。采样前，先打开水龙头放水三分天津大学硕士学位论文第二章管网水质实验方案钟，排出管道内的死水与沉积物，然后用水将取样瓶冲洗干净才能取水。在取检测微生物指标( 细菌、大肠菌、a o c ) 的水样时，还要在放水后关上水龙头，用酒精棉将水龙头烧一分钟，杀死附着的细菌，然后才能把水样收集于无碳的取样瓶中。( 2 ) 各项指标的检测方法可以将上面的指标按检测手段分为三大类，下面分述这三类指标的检测方法。1 ) 用便携式仪器现场测定温度，总余氯，游离余氯，浊度，溶解氧测定方法如下：温度：常温温度计，精度为o 1 ；总余氯，游离余氯：h a c h4 6 7 0 0 0 0 型余氯仪d p dt o t a l f r e ec h l o r i n er e a g e n t 试剂包，精度为o 0 1 m g l ；浊度：h a c h2 1 0 0 p 型浊度计，精度为o 0 1 n t u ；溶解氧：m e t t l e rt o l e d om 0 1 2 8 - 2 m 型溶解氧仪，精度为0 0 1 m g l 。2 ) 实验室化验项目1 ) h 值，u v 2 5 4 ，总铁，总磷，氨氮，细菌总数，大肠菌群数【1 8 ，a o c t l9 o p h 值：s a r t o r i u sp p 2 0p h 计，精度为0 0 1 ；u v 2 5 4 ：瓦里安c a r y1 0 0 分光光度计直读法；总铁：邻菲哆啉分光光度法，测量波长5 1 0 n m ，最低检出浓度o 0 3 m g l ，测定上限5 0 0 m g l ；总磷：铝锑抗分光光度法，最低检出浓度o 0 1 m g l ( 吸光度a = 0 0 1 时所对应的浓度) ，测定上限o 6 m g l氨氮：纳氏试剂光度法，测量波长4 2 0 n m ，最低检出浓度o 0 2 5 m g l ，测定上限2 m g l ；细菌总数：平板计数法：大肠菌群数：滤膜法； a o c ：p 1 7 - - n o x 培养法。3 ) 实验室仪器分析项目硝酸盐氮，亚硝酸盐氮，溴离子，三氯甲烷，t o c硝酸盐氮，亚硝酸盐氮，溴离子：离子色谱分析，最低检出浓度为o 1 m g l ，d x 一6 0 0 离子色谱仪；三氯甲烷：顶空填充柱气相色谱法，g c h p 6 8 9 0 型气相色谱仪电子捕获检测器( e c d ) ；t o c ：燃烧氧化非分散红外吸收法，岛津t o c v c p h 非分散红外吸收t o c天津大学硕士学位论文第二章管网水质实验方案分析仪a s i v 自动进样器，检测限却叽。歪望奎兰窭圭堂垡垒奎兰三兰望翌查堕坌堑篓竺第三章管网水质分析评价在北方某高校校园输配水管网( 以下简称“校园管网”) 水质一期实验的基础上，通过对实验数据进行全面的统计分析，得到对校园管网的水质评价，为后面管网水质模型的建立奠定基础。3 1 管网水质评价标准以国家卫生部2 0 0 1 年颁布的生活饮用水水质卫生规范对检测项目的规定为依据( 见表3 - 1 ) ，该大学管网中各监测点的水质基本达到标准，但由于管网年代久远，因此浊度超标现象比较明显，有多个点的平均值都超出了标准值，另外在管网末梢处还有个别点多次出现超标现象。表3 - 1 检测项目的标准值项目限值浊度不超过l 度( n t u ) 1 ，特殊情况下不超过5 度( n t u )p h6 5 8 5在与水接触3 0 分钟后应不低于0 3 m g l ，管网末梢水游离余氯不应低于0 0 5 m g l ( 适用于加氯消毒)铁0 3 ( m g l )硝酸盐( 以n 计)2 0 ( r a g l )亚硝酸盐( 以n 计)l ( m g l ) ( 美国)三氯甲烷0 0 6 ( r a g l )细菌总数1 0 0 ( c f u m l ) 2总大肠菌群每1 0 0 i n l 水样中不得检出注：1 表中n r u 为散射浊度单位。2 c f u 为菌落形成单位。天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价下面就这些指标的检测情况和在管网中的变化规律进行具体分析。3 2 配水管网中水质变化规律分析在分析管网中水质变化规律之前，先简单介绍一下各管网监测点的情况和特点。在设立的九个监测点中，从管网结构角度讲，1 号点和9 号点位于小区管网的入口处，3 号点和7 号点为中游点，2 号、4 号、5 号和8 号点则是管网末梢点，而6 号点为高层水箱取样点，所以不在本次分析的范围之内。3 2 1 余氯氯容易溶解于水( 2 0 1 2 和9 8 k p a 时，溶解度7 1 6 0 m g l ) 2 0 o 当氯溶解在清水中时，下列两个反应几乎瞬时发生：c f 2 + 皿o h o c i + h c i( 3 1 )次氯酸h o c l 部分离解为氢离子和次氯酸根：h o c i 毒h + + 0 c l 一( 3 - 2 )总余氯是指生活饮用水采用氯化法消毒时，加入水中的氯接触一定时间后，余留在水中的氯量。总余氯是游离余氯与结合性余氯的总和。其中游离性余氯是指水中的次氯酸和次氯酸盐形态存在的余氯，包括h o c i 及o c l 一：结合性余氯是指水中的二氯胺和氯胺形态存在的余氯，包括n h c l 2 、h ：c ，及其它氯胺化合物。在本文中，所有总余氯均简称为余氯。氯是一种强氧化剂，可以与主体水中和管道内壁的细菌等微生物及其他有机物和无机物发生化学反应，因而余氯在配水管网中必然逐渐衰减。本课题的游离余氯检测数据共有2 6 4 个，其中达标1 7 8 个，超标8 6 个，合格率较低，为6 7 4 。除4 号点外，其余各点的平均值均达标，且各点游离余氯含量基本与停留时间成负相关。值得说明的是，由于实验区供水水厂采用的是氯胺消毒，在水中除了存在式( 3 - 1 ) 的反应外，同时还存在下面的反应：n h 3 + h o c i 掌n h 2 c i + 皿0( 3 3 )n h 2 c l + h o c i o n h c l 2 + 坞0( 3 4 )n h c l 2 + h o c i n c l 3 + 0( 3 5 )从上述反应可见：次氯酸h o c l 、一氯胺n h 2 c 1 、二氯胺n h c l 2 和三氯胺n c l 3 都存在，它们在平衡状态下的含量比例决定于氯、氨的相对浓度、p h 值和温度。从消毒效果而言，水中有氯胺时，仍然可理解为依靠次氯酸起消毒作用。从上面的公式可见：只有当水中的h o c i 因消毒而消耗后，反应才向左进行，继天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价续产生消毒所需的h o c i 。因此当水中存在氯胺时，消毒作用比较缓慢，需要较长的接触时间。根据实验结果，用氯消毒，5 m i n 内可杀灭细菌达9 9 以上；而用氯胺时，相同条件下，5 r a i n 内仅达6 0 ；需要将水与氯胺的接触时间延长到十几小时，才能达到9 9 以上的灭蘸效果【2 0 。不过也正因为如此，水中游离余氯缓慢释放，才能始终保证余氯维持在一个较大的值，使消毒能力比较持久，例如3 号点和7 号点的平均游离余氯均为o 0 5 m g l ，即刚刚达标，但这两个点的平均余氯分别为o 3 7 m g l 和0 5 7 m g l ( 见表3 - 2 ) ，还有很大的潜在消毒能力，因此不能单纯的用氯消毒的标准来衡量游离余氯，而应与水中的余氯结合在一起来考察。表3 2 各监测点游离余氯超标情况监测点号12345789最大值1 _ 8 61 5 70 5 6o 1 90 7o 8 91 3 71 3 8余氯平均值1 3 21 1 60 3 7o 0 5o 4 7o 5 70 9 11 1 0( m g l )最小值1 _ 0 6o 8 3o 2 10 0 10 1 70 2 90 4 3o 6 7最大值o 2 7o 2 0o 2 3o 0 5o 1 9o 1 20 2 8o 2 6游离余氯平均值o o 0 8o 0 50 0 20 0 7o ，0 50 0 9o 1 0( r a g l )最小值o 0 5o 0 1o 0 10 0 00 0 30 0 10 0 50 0 5检测数( 个)3 33 33 33 33 33 33 33 3超标数( 个)072 03 272 0oo超标率( )o2 1 2 16 0 6 19 6 9 72 1 2 16 0 6 1oo天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价图3 1 各监测点余氯图图3 - 2 各监测点游离余氯图由上面两图可以看出，各监测点的余氯的最大值、最小值和平均值都表现出管网入口高，末梢低的规律，呈现出随着输水距离的增加余氯不断衰减的趋势；与之不同，各监测点游离余氯的变化规律并不明显，只是平均值稍稍显示出其衰减的趋势，而其最大值和最小值无明显规律。这也进一步说明了采用氯胺消毒的方式后，水在管网中的余氯是缓慢衰减，释放出游离余氯的，而水中的游离余氯作为主要的消毒物质，它的量与水中微生物数量及管道内部生物膜有着密切关系，保持着动态平衡。3 2 2 浊度浊度是由于水中含有泥沙、粘土、有机物、无机物、浮游生物和微生物等悬天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价浮物质所造成的，可使光散射或吸收。天然水经过在水厂中混凝、沉淀和过滤等处理，使水变得清澈，但是在水厂中的处理并不能完全去除水中的杂质，从出厂水到用户，水中浊度一般有逐渐升高的趋势。其中，在市政管浊度逐渐升高是一个普遍的规律，而在小区管道和用户管中，浊度变化则有着不同的情况。一般对于无内防腐的铁质管，浊度趋于增加：而对于有内防腐的金属管道或非金属管道，小区浊度趋于平稳或有所降低。在本次实验中，除了1 号和9 号两个入口点外，其余各点的平均浊度均超出标准值。浊度变化主要是受管道材质、水力工况条件等因素的影响，管材和防腐情况是影响管网中浊度的重要因素。而校园管网因铺设年代久远，管材多数为获口铸铁且无内防腐，长期使用已经造成管道内壁锈蚀，因此反映在数据上( 见图3 - 3 ) 就表现为管网末梢点的浊度要远远高于其它点。以4 号点为例，4 号点所在位置是该大学某研究所内的水龙头，该所内主要为生活用水，水量很小，造成管网内水流速度缓慢，水力停留时间比较长，管道内腐蚀现象严重，在取样放水时，水流对管壁形成剧烈的冲刷，瞬时将附着于其上的大量杂质带入水体，造成浊度升高。表3 3 各监测点浊度超标情况监测点号12345789最大值1 4 03 4 82 4 51 1 68 0 22 41 3 91 6 5浊度( n t u )平均值1 0 01 0 51 3 94 1 51 3 71 5 61 0 5o 8 4最小值o 7 2o 6 1o 8 81 f5 3o 7 21 0 5o 7 40 4 8检测数( 个)3 33 33 33 33 33 33 33 3超标数( 个)1 51 02 93 32 53 32 04超标率( )4 5 4 53 0 3 08 7 8 81 0 07 5 7 6l o o6 0 6 11 2 1 2天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价图3 3 各监测点浊度图图3 - 4 浊度和铁在管网中的变化图3 - 4 为管网中浊度和铁变化规律的比较，可以看出，管网中水的浊度和总铁浓度存在高度正相关关系( 相关系数为0 9 9 0 5 8 7 ) ，浊度随着总铁浓度的升高而升高，反之亦然。这主要是由于本次取样点所在管段均是无内防腐的灰口铸铁管，腐蚀现象较为严重，导致水体浊度升高。具体的说，给水管件中的铜、铅、铁金属之间存在电位差，在周围形成无数微电池，故铁金属被氧化成铁离子，并被水中溶解氧进一步氧化为氢氧化铁【2 ”，其中部分脱水成为水锈附着在管壁上，尤其由于水中余氯还原成氯离子，提高了水的导电率，降低微电池的电阻，就使对铁管的电化学腐蚀进行的更为顺利。在水力作用下，铁锈等难溶物质释放到水中，以胶体或者不溶物形态存在于水中，导致水体浊度升高，水质恶化。天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价3 2 3 总铁据统计，我国目前9 0 以上的供水管道是金属管道，近几年新建的给水管道仍有8 5 采用金属管道。金属管道与水相互作用，容易引起自来水中铁离子浓度的升高，一些非金属管道虽然本身不会使自来水中铁离子浓度升高，但管网中的阀门等管道附件仍会造成铁离子的污染。因此，在配水管网中，随着输水距离的增加，铁离子浓度总体上都会呈现上升的趋势。管网水中铁离子浓度的升高主要是由于金属管道被腐蚀后，在管道表面形成一层蓬松的铁垢。在水流的物理冲刷下，铁垢中的f e ”离子释放出来。f e 2 + 可以继续氧化成f e ”，形成红色颗粒导致水的色度升高，严重时产生“红水”现象。影响管网水中铁离子浓度的主要因素包括管道属性( 腐蚀情况等) 、水质条件( p h值、碱度等) 、水力条件( 流速等) 等田i 。从本次实验数据中可以发现，在位于管网中后段的4 号点和7 号点的总铁值相对要高一些，并且从图3 4 可知总铁与浊度呈现良好的相关性，这也充分说明实验区中管道的浊度升高是由于铸铁管道腐蚀老化造成的，管道锈蚀是产生浊度的最主要原因。表3 4 各监测点总铁超标情况监测点号l2345789最大值0 4 51 1 20 5 62 5 41 2 40 7 50 4 30 3 8总铁平均值o 。2 00 ，2 70 3 30 8 3o 2 70 ，3 7o 2 l0 1 7( m g l )最小值o 0 60 0 7o 1 90 3 70 0 90 10 0 40 0 3检测数( 个)3 33 33 33 33 33 33 33 3超标数( 个)51 01 93 372 362超标率( )1 5 1 53 0 3 05 7 5 81 0 02 1 2 l6 9 7 01 8 1 86 0 6天津大学硕士学位论文第三章管网水质分析评价3 2 4 p h 值图3 5 各监测点总铁图p h 值也是管网水质的基本指标之一。在水中影响p h