随着居民生活水平的提高, 人们对饮用水的水质要求也越来越高, 供水行业面临着严峻的挑战。饮用水安全问题一直是水务行业关注的热点问题, 虽然目前的给水处理工艺能够使得出厂水完全符合《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749-2006) , 但水经过管网长距离运输后, 水质往往不能达标, 市政管网及二次供水设施的污染已然成为我国饮用水污染的重要途径^[1]。

　　 近年来, 南方某市发展迅速, 但其由于管网服役年限较久, 锈蚀严重, 导致该市几个片区水质严重污染。为了分析不同区域水质特性, 选取该城市水质问题反馈较多的8个区域, 研究运用某建设工程有限公司 (以下简称SD公司) 提供的Aquadiag流动管网检测设备模拟用户正常用水情况和管道在冲刷状态下的情况, LSI和LR指数识别管道结垢和腐蚀情况, 层次聚类分析对水质问题空间特征进行解析, 最后, 运用CCTV管道机器人观察管道内部结构。研究结果可为南方某市水质问题的控制提出科学依据。

　　 南方某市自来水管网管线全程500余km, 主干管和干管多建设于20世纪90年代, 管网平均压力在0.16 MPa, 属于低压管网, 该城市唯一的水厂位于市区南部, 整体供水由南向北输送, 同时, 在市区各个位置分布着若干座地下机井, 与水厂共同供水。研究区域为近几年水质问题反馈率较高的区域, 包括A~H 8个区域。

　　 数据来源为2016年1月8个不同区域检测点的指标, 其中, A区4个采样点、B区16个采样点、C区10个采样点、D区11个采样点、E区15个采样点、F区10个采样点、G区10个采样点、H区13个采样点 (采样点选择原则:地下机井直供管及低流速、易滞留、管龄长、有漏损史的管道上) 。SD公司对管网情况进行调查后, 根据A~H区域内水力模型运行结果 (流速、流量、压力等) 和前期测试结果 (流量、压力) 选定高低两种流速流态。低流速流态 (40m³/h) 冲洗下的检测指标包括流量、浊度、温度、pH、电导率、溶解氧、总铁、锰、硬度、氯化物、总氯、硫酸盐、碱度、一氯胺、游离胺、亚硝酸盐, 共1 424 (89个采样点×16个指标) 检测样本;高流速流态 (60m³/h) 冲洗下的检测指标包括流量、浊度、总铁、锰、硬度、固体悬浮物, 共534 (89个采样点×6个指标) 检测样本, 所有样本的收集与检测严格按照《生活饮用水卫生标准检验法》 (GB 5750-2006) 进行实验室分析工作 (具体描述性统计见表1、表2) 。

　　 Aquadiag是通过消防栓取样和管网不断水检查分析两种方式, 研究在低流速流态和高流速流态下分别取样, 模拟用户正常用水情况下水质信息和管道在冲刷状态下管道结垢和堵塞程度的信息。运用SD公司提供的Aquadiag评分体系对水质和管道进行评分, 评价结果分别为4个等级 (较好:≤1分;一般:1~2分;较差:2~3分;极差:≥4分) , 评分越高, 说明水质或管道状况越差。具体评分见表3和表4。

　　 管网结垢的LSI指数用文献[2]的方法计算, 管网腐蚀的LR指数用文献[3]的方法计算。

　　 层次聚类方法是目前使用的最广泛的聚类方法, 文章将不同区域水质特征进行聚类, 聚类相似性的度量用欧氏距离 (Eucliden distance) , 聚类方法采用平均连接 (Average linkage) , 用相似系数表示变量之间的相似性。聚类分析要求数据符合正态分布, 在进行分析之前要对数据进行K-S非参数检验, 结果显示, 各监测点指标均在95%的置信区间服从正态分布。为了消除变量单位量纲的影响, 同时对数据进行均值为0方差为1的标准化处理^[4,5]。

　　 CCTV检测由SD公司提供, 仪器装备有最先进的摄像头、爬行器及灯光系统, 完全由带遥控操纵杆的监视器控制, 操作简单, 移动方便。可以进行影像处理、记录摄像头的旋转和定位。具有高质量的图像记录和文字编辑功能。根据不同管径, 可以选用不同型号的轮胎, 通过CCTV能够观察管道内部情况。研究选择在南方某市和平南路与海府路交界口的DN800管上进行检测。

　　 图1a为低流速下水质评分结果, 统计显示, 小于1分的采样点占58.4%, 1~2分的采样点占33.7%, 大于2分的采样点占7.9%, 本次检测中, 大部分采样点的水质处于较好或一般的水平, 但B、E和H区也出现了水质异常现象, 以《生活饮用水卫生标准》作为评价依据, 本次检测中有32%的点没有达标, 而依据评分标准, 只有3%的点在推荐值范围内 (即浊度低于0.3mg/L) , 浊度偏高直接导致电导率和固体悬浮物升高。本次检测总氯达标点仅有4%, 起消毒灭菌作用的一氯胺含量不高, 消毒作用较弱和极弱的检测点分别占52%和29%, 可以说, 整体检测结果消毒作用并不理想。由于管网整体水温较高, 可以推断消毒作用弱的地方很可能检出较高的细菌总数。

　　 图1b为高流速下管道评分结果, 统计表明, 小于1分的采样点占2.2%, 1~2分的采样点占78.7%, 大于2分的采样点占19.1%, 可以看出, 高流速流态冲刷下的管网健康状况并不理想, 大部分采样点处于一般或较差水平。高流量浊度及固体悬浮物指标说明管道在高流量条件下冲刷出各种固体物质, 结果显示, 检测点的浊度和固体悬浮物的比例结果高度匹配, 但从数据上看, 这两项指标并不恶劣, 在89个采样点中, 浊度仅有3个点得分为4分, 固体悬浮物仅有1个点得分为4分。反观总铁量, 有79%的管道在高流量冲刷下总铁含量处于低值。需要注意的是, 大多数管道总铁在合格范围内并非说明管道状态好, 而是由于流量不够, 不能充分冲刷, 故数据有失准确, 可能是管道腐蚀造成部分堵塞, 过水断面减少, 也可能是压力不够, 流速缓慢, 虽然堵塞问题暂时并不严重但是水龄长, 经过一定时间的发展会逐渐发生管道堵塞。

　　 碳酸钙的形成可以抑制管壁腐蚀, LSI (饱和指数) 表示碳酸钙在管壁形成的潜力, LSI=pH-pHs, 若LSI<0, 水中的碳酸钙处于未饱和状态, 仍能继续溶解, 水具有产生腐蚀的趋势;当LSI>0, 碳酸钙处于过饱和状态, 水具有产生碳酸钙沉积的趋势;当LSI=0, 水质处于稳定状态, 既不结垢, 也无产生腐蚀的趋势^[2]。从图2a可看出, 南方某市水质问题反馈率较高的区域绝大多数LSI<0, 水中的碳酸钙处于未饱和状态, 尤其是A、B、D、E、F这5个区域, 说明这些区域的水对管网具有较大的腐蚀性;C、G、H区域的水质LSI值在0附近, 说明其水质具有不稳定性, 同样对管道具有腐蚀倾向。

　　 LR指数是根据氯离子和硫酸根离子的当量浓度之和除以总碱度的当量, 即LR<0.8, 氯离子和硫酸根离子不太会破坏碳钢成膜;0.8≤LR<1.2, 氯离子和硫酸根离子有可能会破坏碳钢成膜, 有一定的腐蚀性;LR≥1.2, 随着指数的增加, 发生严重局部腐蚀的倾向更加明显^[3]。从图2b可看出, 这些投诉区域一半的LR值超过0.8, 尤其是D、E、F、G这4个区域, 说明这些区域管网水的活跃度强, 对混凝土和水泥的腐蚀性强, 普遍存在腐蚀性问题。A、B、C、H区域的LR值小于0.8, 说明氯离子和硫酸根离子不太会破坏碳钢成膜。

　　 图3表示水质问题反馈率较高区域空间尺度上的聚类分析, 低流速冲刷下空间水质信息可以分为3组 (图3a) , 第Ⅰ组为E、F区, 第Ⅱ组为A、B、D、G、H区, 第Ⅲ组为C区;高流速冲刷下空间管道信息可以分为3组 (图3b) , 第Ⅰ组为D、G、H区, 第Ⅱ组为E、F、A区, 第Ⅲ组C、H区。检测点的聚类结果能够体现水质空间差异性规律, 从低流速冲刷下水质空间尺度差异性来看 (图3c) , 水质问题最为严重的是第Ⅲ组, 主要体现在温度、电导率、锰、总硬度、游离胺、氯化物、碱度和硫酸盐等指标的变化上。从高流速冲刷下管道空间尺度差异性来看 (图3d) , 管道结垢和堵塞最为严重的是第Ⅱ组和第Ⅲ组, 浊度、铁、锰、固体悬浮物的变化上。

　　 综上分析, 南方某市唯一的水厂位于市区南部, 整体供水由南向北输送。同时, 在市区各个位置分布着数百座机井, 其中A~H区域内均分布有供水机井, 与水厂共同供水。经过处理后的出厂水水质完全符合国标要求, 机井出水定期取样检测, 理论上也完全符合国标要求。

　　 但是实际检测中发现, 机井出水口附近位置浊度高, 固体悬浮物含量高, 除了总氯理想外, 其他指标均劣于单一水源供水。究其原因在于, 铁质管材在与所输送的水长时间接触后, 由于水对管壁的腐蚀作用, 管道内壁会形成一个相对稳定的管垢层, 其成分主要是铁的氧化物, 管垢层的形成能对管壁的基体金属起到一定的保护作用, 避免水对内部金属的继续腐蚀;当更换水源时, 如果新水源与原水源水质的差异较大, 管垢与水之间原有的平衡就会被打破, 管垢中的铁氧化物成分就会释放到水中从而形成黄水^[2]。另一方面, 原来的管垢被破坏后其对管壁金属的保护作用相应减弱或丧失, 水会继续腐蚀管壁的基体金属, 这种腐蚀本质上是电化学腐蚀:二价铁离子与水中的溶解氧应形成导致黄水的三价铁离子及其氧化物^[2,3]。

　　 89个检测点数据中, 有3处检测点pH高于10, 此数据已远超国标允许值, 原因在于, 对于水泥砂浆衬里的管道, 凡管段流速偏低, 容易发生水流停滞的情况, 当出厂水pH较低时, 会使砂浆中的碱析出中和, 引起管网水的pH上升。机井出水口通常总氯满足要求, 但是浊度偏高, 分析由于机井出水仅投放次氯酸钠进行消毒, 并没有二次过滤, 也没有进行其他处理。

　　 出厂水中铁锰高, 在管网中经氧化即变成红水。出厂水带有腐蚀性, 使铁管内产生铁锈沉积, 特别是在流速偏慢或滞留水的管网末端, 铁锈沉积严重, 一旦管内水流方向改向或突然加快时引起红水发生。而黑水和红水通常同时发生, 主要原因是出厂水含锰高, 锰由于余氯的作用, 在配水管中慢慢被氧化, 生成二氧化锰, 所析出的微粒附着在管壁上, 形成粒膜状泥渣, 一旦流向或流速突变, 剥离下来形成黑水。检测中发现, E区和F区的红水黑水现象比较明显, 相应铁锰、固体悬浮物和硬度指标均偏高。

　　 针对Aquadiag综合评述内容, 选择A~H区域内水质信息和管道信息评分>2分以上的采样点所在的管段, 筛选合适的管段进行提阀, 并放入CCTV管道机器人, 管道机器人能够在阀门前后的管段各行走250m, 通过这种方法直观地查看管道水质问题产生的原因, 帮助我们辨别那些最需要更换腐蚀最为严重的管道。

　　 研究选择和平路进行CCTV检测, 本次检测采用SD公司提供的CCS-0001CCTV检测仪, 水平-俯仰式摄像机, 最大检测距离为200m, 从CCTV中可以看到管段中存在的问题。图4a为管道接口防腐措施不到位, 导致接口腐蚀坑洼, 若接口处腐蚀加重, 则会导致管道破损, 影响供水功能。图4b为管道内存在气泡, 大量气泡会发生气阻, 阻隔水流通过, 增大水头损失, 另外, 管内的空气泡也会使得管内壁更容易腐蚀, 水中也更容易积存细菌。图4c为管道变形导致的内衬脱落, 淤积在管底, 造成水流通过受阻, 内衬剥落使得管壁变薄, 容易受到腐蚀和破损, 进而导致漏水。图4d为接入管道内支管过长, 减少过水面积, 造成水头损失加大。图4e为管道内存在异物, 对水质有较大的影响, 危害供水安全。图4f为同一段管段管材不同, 同时存在钢管和球墨铸铁管, 管道衔接处容易产生腐蚀。

　　 (1) Aquadiag结果表明, 在本次检测中, 一半以上的水质评价较好, 但存在水质突变点, 应该重点分析该突变点前后的管段, 该城市管道整体得分有70%以上为一般水平, 管道腐蚀严重。

　　 (2) 通过LSI和LR系数评价结果可知, D、E、F、H、G等区域水质对管道腐蚀影响较大, 其他几个区域的水质对管道有腐蚀倾向。

　　 (3) 本次检测中发现该城市管网温度偏高, 如H片区管网平均温度接近30℃, 容易发生细菌爆发问题;溶解氧偏高、消毒不到位;部分检测区域浊度偏高;管道铁、锰含量偏高, 容易受到电化学腐蚀, 这些均是导致区域水质问题反馈率较高的原因。

　　 (4) 通过CCTV可以看到, 该市的管网内部存在防腐不到位、管内存在气泡和异物等现象, 这些现象均能够影响供水水质。

　　 对于89个监测点涉及到的管道和水质的问题, 现给出以下综合性建议:

　　 (1) 管道冲洗。冲洗方案是最为经济的解决方案, 在预算有限的情况下, 采用清洁球、机械刮管或高压水冲洗的方法对管道进行冲洗, 可以在一定时间内缓解水质问题。

　　 (2) 气水冲洗。利用空气压缩性原理, 使高压气体以一定频率进入管道, 形成气体脉冲, 气体在管道内形成强剪切力, 将管壁上的沉积物冲下来, 从排放口排出。

　　 (3) 管道更换。对于管道本身结构性问题, 或者水源无法改变的情况下, 需要对管道进行更换, 保证饮用水安全与管网运行稳定。

　　 (4) 升压或强制外部用水。对于压力、流量不够引起的用水滞留区域导致的水质问题, 无法通过清洗和管道更换来解决的, 只能通过局部升压或强制外部用水的方案处理。

　　 (5) 调度方案。针对性地改变区域供水模式, 改变供水边界位置, 使得目前供水边界的滞留区域被推至水流畅通或用水较大的区域消耗掉。