浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2019, 53(9): 1704-1710 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.09.009

土木与建筑工程

独立计量分区截断管水质时空变化规律

陈达,, 柳景青,, 陈环宇, 王若玮

Spatiotemporal change rules of water quality in cut-off water pipelines in district metering areas (DMA)

CHEN Da,, LIU Jing-qing,, CHEN Huan-yu, WANG Ruo-wei

通讯作者: 柳景青，男，教授. orcid.org/0000-0001-5596-0365. E-mail： liujingqing@zju.edu.cn

收稿日期: 2019-03-3  

Received: 2019-03-3  

作者简介 About authors

陈达（1994—），男，硕士生，从事给水管网水质研究.orcid.org/0000-0002-3001-3035.E-mail：18258883680@126.com , E-mail：18258883680@126.com

摘要

为探究城市供水管网独立计量分区（DMA）建设过程中形成的分区截断管道和滞流区对供水管网水质的潜在影响，以管龄为9 a的实际供水管道为研究对象，设计并搭建试验平台，研究DMA分区截断管道内管网水关键水质理化指标、生物指标的时空变化规律. 研究结果表明：随着截断管深度的增加，管壁生物膜和管垢脱落速度加快，水质恶化速率加快；铁释放、浊度和活菌浓度在不同管深处随时间的变化情况不同，12 h后，水质恶化速率明显加快；各水质指标恶化的相关性分析显示，截断管越深，水质受到主干管的扰动越少，各指标相关性水平越高.

关键词： 独立计量分区(DMA) ; 截断管 ; 铁释放 ; 滞流工况 ; 时空变化

Abstract

The pilot platform was constructed with water pipelines of nine years old to study the spatiotemporal changes of essential physical, chemical and biological parameters of water in cut-off pipelines, in order to explore the potential impact of cut-off pipelines and stagnant areas which are created in the construction of district metering areas (DMAs) on water quality. Results show that, as the depth of cut-off pipeline increases, the biofilm and limescale fall off more quickly and the water quality deterioration rate gets faster; the temporal changes of iron release, turbidity and microorganism vary with time at different depths. After twelve hours, the water quality deterioration rate was significantly accelerated. The correlation analysis of the deterioration of water quality parameters shows that, the deeper the depth of cut-off pipeline is, the less the water disturbed by the main pipe is and the higher the correlation level of each parameter is.

Keywords： district metering area (DMA) ; cut-off pipeline ; iron release ; stagnation ; spatiotemporal change

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本文引用格式

陈达, 柳景青, 陈环宇, 王若玮. 独立计量分区截断管水质时空变化规律. 浙江大学学报(工学版)[J], 2019, 53(9): 1704-1710 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.09.009

CHEN Da, LIU Jing-qing, CHEN Huan-yu, WANG Ruo-wei. Spatiotemporal change rules of water quality in cut-off water pipelines in district metering areas (DMA). Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2019, 53(9): 1704-1710 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2019.09.009

国家越来越重视城市供水管网的漏损问题. 2015年4月2日，国务院颁布了《水污染防治行动计划》（即“水十条”），明确规定：到2020年，全国公共供水管网漏损率要降低到10%以下. DMA分区是现今国家大力推行的检漏技术手段，将供水管道分割成数个单独供水的小区域（单个区域用户数：500~3 000户），将进水口限制在1~2个，通过安装在供水干管上的流量计精确测量流量的日常和季节变化. DMA分区可以通过对单个区域夜间最小流量（minimum night low，MNF）的监测，来评估分区的漏损水平. DMA分区的研究始于1990年[1]，主要集中在分区方法[2-5]和漏损、爆管的监测[6]. 近年来，DMA分区引起的水质问题越来越受到关注. Gonelas等[7]在DMA分区的多目标优化法当中加入了余氯指标. 2017年Armand等[8]研究了22个应用DMA分区的区域，发现DMA分区会导致平均水龄的增加，管网水通过“死水端”的概率增加，“黄水”事件的出现概率升高. Vanessa[9]评估了DMA分区实施过程中的截断管数目、水力停留时间、流向和流速等参数的变化，并比较了境内外不同地点实施DMA分区前后的水质差异，发现截断管附近和管网末端的水质有较为明显的恶化.

在有2个以上外部连通管时，综合考虑DMA分区计量设施建设成本和计量设备误差累计等多方面原因，实施DMA分区的管网往往需要人为采取管道截断措施，将原先多路进水的小区改造成为1~2路进水，涉及部分边界阀门启闭和流量计安装，产生新的截断管段，其内部水体长期处于滞流状态，水质迅速恶化，可能会对居民用水带来隐患.

目前大部分学者对于滞流管道内部的水质探究中的小试装置、中试平台管道设置滞流条件多为两端封闭，加装出水口进行采样检测[10-14]，视截断管内部水质条件相同. 然而，在实际供水管网中，截断管有一端连通干管，存在混合效应和物质扩散，导致截断管内部的水质存在空间上的分布差异. 本文利用华东某市管龄为9年的无内衬球墨铸铁管搭建实验室中试平台，探究截断管滞流工况下，截断管内部水质指标的时空变化规律以及各指标的相关性，分析截断管内部水质恶化在时间、空间上的具体分布情况，为供水管网水质安全保障提供理论基础.

1. 试验平台与方法

1.1. 试验装置简介

如图1所示，管网试验平台搭建于浙江大学紫金港校区建工实验大厅，由三部分组成：1）水箱；2）DN100、DN50的PE管各1根；3）华东某市供水管网拆卸下来的4根1 m长的管龄为9年的DN100无内衬球墨铸铁管. 每根球墨铸铁管均设有采样口. 通过启闭球墨铸铁管一端的阀门⑤，可以将管道改造成成一端封闭，一端连接DN100 PE干管的截断管.

图 1

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图 1   截断管水质试验中试平台

Fig.1   Water quality pilot platform of cut-off pipelines


1.2. 试验管道内壁表征形态

试验平台中的球墨铸铁管内壁的管垢生物膜的膜龄为9年，图2为在华东某市拆卸管道时实拍的管道内壁图片，取管垢样品烘干研磨后，在扫描电子显微镜下的表征形态如图3所示. 从图2可知，在无内衬的球墨铸铁管管道内壁布满黄色的形态各异厚薄不一的腐蚀瘤，管道从下到上腐蚀瘤厚度依次增加，其主要成分为铁的氢氧化物和氧化物[15]. 通过电子扫描电镜观察球墨铸铁管生物膜的形态，如图3所示，风干后的管瘤呈不均匀的颗粒块状，随着放大倍数的增加，管垢生物膜表面的主要菌落均呈现球形状态.

图 2

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图 2   球墨铸铁管道内壁现场图

Fig.2   Photos of ductlie cast-iron pipe inner surface


图 3

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图 3   球墨铸铁管腐蚀瘤扫描电镜图

Fig.3   Scanning electron microscope images of limescale on ductlie cast-iron pipe


1.3. 试验步骤

（1）关阀：缓慢关闭连接闸阀⑤，避免水力条件突变，造成内部水质或生物膜扰动. 在关闭阀门后，管道进入一端封闭、一端连通干管的滞流工况，DN100PE干管流速为0.11 m/s.

（2）采样：4个采样口以闸阀①为深度起点，由左到右距离PE管的深度依次为1、2、3、4 m，设定在滞流1、2、4、8、12、24、36、48、···、336 h后，分别在4个采样口以及DN100出水口进行采样.

（3）现场指标检测：使用HACH2100Q便携式浊度仪进行浊度检测，使用HACH PC Ⅱ型水质分析仪进行余氯检测，使用HACH HQ30D型单路输入多参数数字化分析仪监测pH、溶解氧以及电导率.

（4）实验室指标检测：采用原子吸收光谱法对总的铁的质量浓度ρ (Fe)进行检测，低于1 mg/L水样，利用ICP-MS仪器进行检测；利用分光光度计检测总氮、总磷和氨氮；采用倾倒平板法，在逐级稀释水样后，在25 °C的恒温培养箱中培养7 d后进行计数.

2. 结果与分析

2.1. 截断管管网水质变化

试验时间为2018年冬季，水箱水出水水质指标及现场实测数据参见表1. 表1中各项水质指标均符合国家《生活饮用水卫生标准GB5749-2006》. 阀门关闭后，在14 d（336 h）滞流周期内，通过现场指标监测得到不同管深处的余氯质量浓度ρ(Cl)、浊度TU、电导率σ、HPC随时间的变化曲线，如图4所示，t为滞留时间.

表 1   水箱水出水水质指标

Tab.1  Outlet water quality indexes of water tank

指标 数值 单位
水温 10±2 °C
电导率 215±10 μs/cm
浊度 0.7±0.3 NTU
溶解氧 12±0.5 mg/L
pH 7.3±0.1 /
氮的质量浓度 2.2±0.1 mg/L
铁的质量浓度 0.07±0.03 mg/L
余氯的质量浓度 0.4±0.05 mg/L
HPC 20±20 CFU/mL

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图 4

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图 4   试验平台水质各指标变化

Fig.4   Changes of water quality parameters in pilot platform


由图4（a）可知，管道阀门关闭后，出水口余氯质量浓度保持在0.3~0.4 mg/L，而截断管内余氯质量浓度急剧下降，1 h后管深为2 m及以上的管道滞流水余氯质量浓度已经跌破国标标准值0.05 mg/L，4 h之后，4个采样点的余氯质量浓度浓度均下降至0.05 mg/L以下，12 h之后，不同管深采样点余氯质量浓度均在0.01 mg/L以下，表明水中余氯已经消耗殆尽. 可以看到，滞流4 h后整根截断管余氯不达标，12 h后余氯消耗殆尽；随管深增加，来自干管水中余氯的补充减少，导致余氯衰减速度增加。

由图4（b）可知，出水口电导率在205~225 μs/cm范围内，1 m处采样点在144 h之前电导率缓慢增加，之后电导率在245 μs/cm附近波动，而2 m及以上深度采样点在0~72 h内电导率增长较快，增速相近，之后增速减缓，三者相差较小.

由图4（c）可知，出水口采样浊度均低于1 NTU的标准，截断管内随着滞流时间延长，浊度均持续增长；随着管深增加，浊度增长速率升高，且最深处浊度增加速率明显高于1~3 m采样点. 此外，不同管深处的浊度高速增长区间的时间起点不同，4 m处为12 h，3 m处为36 h，2 m处为120 h，管深越深，最高点出现越早. 原因是随着管深增加，管网水中来自干管补充的溶解氧越少，根据溶解氧（dissolved oxygen，DO）影响模型，溶解氧到达临界点的时间更短，生物膜和管垢瘤脱落，导致浊度升高.

由图4（d）可知，滞流条件下，在12 h内，管壁生物膜较为稳定，且气温较低，HPC数较低，均在100 CFU/mL以下；在12 h之后，随着余氯、溶解氧衰减，管壁生物膜脱落到水中，HPC开始增长；12~144 h内，增速较缓；144 h之后增速较快，4 m处的水中活菌浓度出现爆发式增长直至240 h，此后活菌浓度增速减缓. 与此同时，2、3 m处的活菌浓度增速前期较为平缓，数值相近，截至14 d时，活菌浓度仍保持较为稳定的增长趋势；1 m处活菌浓度在滞流6 d后突破1 000 CFU/mL，此后一直保持低速增长，滞流14 d后达到5 000 CFU/mL. 出现HPC内部增速差异的原因同浊度相近，管道深度越深，生物膜脱落时间越早，加之微生物的自身繁殖，导致滞流后期管道内HPC迅速攀升.

2.2. 截断管管网水溶解氧和铁的质量浓度的协同变化

管网水的溶解氧的含量主要取决于管材和需氧有机物降解时的耗氧、生物呼吸时的耗氧以及无机物的氧化耗氧. 由图5（a）可知，截断管阀门关闭后，出水口溶解氧ρ (O2)保持在11.7~12.5 mg/L. 截断管内溶解氧在72 h内持续下降，管深1 m处溶解氧值浮动较大，波动区间为8.9~10.5 mg/L，2、3、4 m处溶解氧经过72 h下降至7.96、7.97，4.81. 72 h后，各管深处溶解氧值变化幅度较小，4 m处溶解氧值在5 mg/L左右波动，2、3 m处溶解氧值在8 mg/L左右波动. 主要原因是在72 h之前，溶解氧浓度较高，溶解氧消耗大于来自干管水的补充，72 h之后，由于水中各项反应趋于平衡，溶解氧补充和消耗得到平衡，溶解氧处于平衡状态[16-17].

图 5

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图 5   试验平台中溶解氧、铁的质量浓度的变化

Fig.5   Changes of dissolved oxygen and iron mass concentration in pilot platform


由图5（b）可知，出水口ρ (Fe)较低，在0.05~0.13 mg/L，均未超过国标的限值(0.3 mg/L)，2、3和4 m处ρ (Fe)增长相近，与1 m处变化明显不同. 从图6（a）中可知：随管深增加，溶解氧的平均下降速度分别为0.136、0.202、0.226和0.340 mg/（L·h），平台中管深每增加1 m，平均溶解氧衰减速率平均增长39%；ρ (Fe)增长速率随管深的增加而增加，1~4 m处ρ (Fe)平均增长速率分别为0.35、0.8，0.86和0.99 mg/（L·h）. 管深浅处水质较好，且释放出的铁受水力混合和扩散效应进入干管中，导致管深较浅处ρ (Fe)升高速率明显低于管深为2~4 m处. 2~4 m三个管深处的平均ρ (Fe)增长速率较为接近，在2 m管深以上位置，深度每增加1 m，铁的质量浓度平均增长11%.

图 6

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图 6   溶解氧和铁的质量浓度之间的走势关系

Fig.6   Trend relationship between DO and iron mass concentration


图6（b）是管深为4 m处溶解氧和铁的质量浓度之间的走势关系图，反映了截断管管网水ρ (Fe)上升所经历的3个阶段，根据DO影响模型理论[18-19]，分别是阶段①（0~12 h低速增长阶段）：总铁浓度（质量浓度）ρ (Fe)上升速率为0.022 mg/（L·h），溶解氧较高，管垢硬壳层尚未破坏，ρ (Fe)上升较慢；阶段②（12~96 h高速增加）：ρ (Fe)上升速率为0.198 mg/（L·h）. 溶解氧下降，硬壳层中的Fe3+作为电子受体发生还原反应，管垢硬壳破裂，ρ (Fe)快速提升；阶段③（96 h之后增速减缓）：ρ (Fe)上升速率为0.024 mg/（L·h），水中ρ (Fe)水平较高，管壁Fe2+释放速率减缓，且有部分被氧化为三价铁化合物沉积于管壁[20]. 可以看到，阶段②铁的质量浓度增长速率约为阶段①的10倍. 因此，在实际完善的供水管网中，管道滞流时间不宜超过12 h.

2.3. 截断管管网水各指标相关性分析

利用SPSS软件中双变量Pearson相关性分析功能，对铁的质量浓度和DO同其他水质指标的相关性进行分析，得到铁的质量浓度和DO同其他水质指标的Pearson相关性值和显著性水平，如表2和3所示. 由表2可知，铁的质量浓度与浊度、电导率在整个管道中均在P=0.01水平上显著相关，且Pearson相关性基本保持在0.9的水平之上；铁的质量浓度与DO的相关性和显著性水平随深度增加而增加；铁的质量浓度与HPC的相关性相对较低，各深度处相关性均低于0.8. 从表3可以看到，DO与其他指标的相关性在1 m处较低，随着管深增加，DO与铁的质量浓度、浊度、电导率的相关性水平依次增加，而与HPC的相关性相对较差，均在0.8以下.

表 2   铁的质量浓度与其他水质指标的Pearson相关性和显著性水平

Tab.2  Pearson correlation and significance levels between iron mass concentration and other parameters

D/m TU DO σ HPC
注：*表示在0.01水平上显著相关，**表示在0.05水平上显著相关
1 0.908** −0.581* 0.937** 0.746**
2 0.876** −0.893** 0.986** 0.731**
3 0.902** −0.921** 0.985** 0.786**
4 0.990** −0.965** 0.978** 0.712**

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表 3   溶解氧（DO）与其他水质指标的Pearson相关性和显著性水平

Tab.3  Pearson correlation and significance levels between DO and other parameters

D/m TU DO σ HPC
注：*表示在0.01水平上显著相关，**表示在0.05水平上显著相关
1 −0.581* −0.684** −0.545* −0.724**
2 −0.893** −0.727** −0.906** −0.558*
3 −0.921** −0.813** −0.927** −0.767**
4 −0.965** −0.960** −0.953** −0.614**

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如图7所示为各水质指标之间的相关性走势图。在图7（a）中，L为截断管深度，铁的质量浓度与DO、浊度、电导率的相关性较高且随着管深增加有明显的上升趋势，而与HPC的相关性保持在相对较低水平且变化幅度较小；在图7（b）中，DO与铁的质量浓度、浊度和电导率的相关性在1 m处较低，绝对值均低于0.7，而随着管深增加，相关性水平迅速增加，在3 m深之后均达到了0.95，而与HPC的相关性水平较低，且在4 m的管深内部震荡明显，并无明显趋势，结合图4（d）可知，这是由于在生物膜脱落后，微生物自身繁殖导致HPC数呈接近指数增长水平的变化.

图 7

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图 7   各水质指标之间的相关性走势

Fig.7   Trend of correlation between water quality parameters


不同管深处各指标走势和相关性关系存在差异的原因主要是截断管与干管的混合效应以及物质的扩散效应. 在同干管保持连通的情况下，随着管深增加，水力混合和扩散效应的影响降低，工况越接近两端封闭的滞流管道. 不同的物质(包括Fe2+、DO、微生物、浊度等粒子)扩散系数和粒径不同，在不同管深处受到的混合和扩散效应的影响不同，因而浅处整体水质更接近干管水质，水质较好，但存在较为明显的波动；深处整体水质更接近两段封闭的滞留管道，水质恶化速率较快.

3. 结　论

（1）截断管水质随滞流时间增长逐步恶化，以铁释放为例，恶化分为低速（0~12 h）、高速（12~96 h）、低速（＞96 h）三个阶段. 因此，在实际的供水管网中管网水滞流时间不宜超过12 h.

（2）在滞流工况下，截断管不同管深处各水质指标的变化规律不同，滞流水质恶化速率随管深增加而加快，1 m管深以内水质明显优于1 m管深以上处，平台2 m管深以上处管深每增加1 m平均溶解氧衰减速率增长39%，平均铁的质量浓度速率增长11%.

（3）由于截断管不同深处的水质恶化速率不同，且不同粒子的扩散系数和受干管混合效应的影响不同，随着管深增加，各指标相关性系数升高. 管深浅处整体水质更接近干管水质，水质较好，但存在较为明显的波动；管深较深处整体水质更接近两端封闭的滞流管道，水质恶化速率较快.

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