截至2018年7月底, 上海城投水务集团供水分公司已改造、接管二次供水小区4 000余个, 涉及屋顶水箱逾5万只。目前, 接管小区的二次供水设施仍然沿用原有泵房水池与部分水压高地区的屋顶水箱随用随补运行模式, 未充分利用水池、水箱的调蓄容积, 也没有结合用户的实际用水需求和市政管网的调度方式进行优化, 不利于降低水龄、保障供水水质。同时, “微生物滋长”“红虫”等投诉工单也揭示了二次供水设施内水质安全受到威胁的事实。

　　 因此, 本研究以二次供水水质保障为目的, 针对上海市居民二次供水设施的运行现状, 在现有二次供水设施的基础上, 探索优化二次供水设施的运行方式及保障措施, 以期降低二次供水设施内的水龄, 提升用户的用水体验。

　　 进行二次供水设施的水龄优化前, 需首先掌握二次供水设施内的水龄分布情况, 但到目前为止, 上海地区尚未做过相关的系统调查。

　　 杨坤等^[1]利用计算流体力学 (CFD) 模拟水池的水力状态, 发现在当前的水池结构下, 即不设挡板时, 水池中的水流速度分布不均匀, 甚至存在一定面积的死水区。这意味着同时进入二次供水设施的水流, 其所含的每一流体微元的水龄均不相同。但即使通过增设挡板减少水箱内死水区后, 水箱内的水力停留时间仍较长, 无法显著改善水箱水龄。

　　 在上海地区, 对于采用水池、水泵和水箱联合供水的居民小区, 高层住宅的高位水箱常采用水位继电器控制水泵启停, 能够实现水箱水的先进先出, 循环速度加快, 而多层住宅的水箱多采用浮球阀, 通过室内管网压力或时间控制水泵启停, 相对于居民的日用水量而言, 水箱容积偏大, 水的更新速度相对较慢。同时, 根据统计2016年至今, 虹口供水管理所90%的“红虫”工单均来自使用水箱水的用户, 在这些工单中, 94%发生在多层住宅中, 该统计结果也证明了多层住宅的水箱水水龄更长, 水质污染风险更高, 应该作为研究和管理的重点。

　　 为了降低多层住宅水箱水的停留时间, 本研究结合已接管二次供水小区中, 同一楼幢的屋顶水箱间均设有连通管的实际情况, 选取无室内消防用水要求的小区进行试点, 在小区的不同楼幢间, 设置不同的水箱投用数量, 并对这些楼幢的龙头水水质进行检测, 探索使用连通管停用部分水箱, 对降低水龄、改善水质的效果。

　　 目前, 在水池投入使用的二次供水系统中, 水池的进水由浮球阀控制, 当二次供水水泵启动时, 浮球阀随着水池水位的下降而打开, 水池开始进水, 直到补满水, 即随用随补、边进边出, 此类进水模式延长了水池出水的平均水龄。

　　 对此, 选取试点小区, 更改其水池的进水模式为时间控制, 使水池进水发生在水泵吸水、池内水位降低之后, 实现存水的先进先出, 同时, 利用真实的运行数据, 推算更改前后水池出水的平均水龄和余氯浓度, 评估时间控制水池进水对缩短水龄的效果。

　　 调整屋顶水箱投用数量, 泵房水池的进水次数、进水时间后, 水箱、水池的运行水位较原有运行模式, 将发生一定变化。因此, 为确保测试过程中居民正常用水不受影响, 本研究将采取必要的监控手段。

　　 选择小区A内的9幢楼宇进行试点, 这9幢楼宇各有3只屋顶水箱。根据2017年下半年的抄表数据, 统计得到各楼宇内用户的平均售水单耗 (用户在抄表周期内的用水量) 见表1, 并据此将9幢楼宇分为3组, 分别停用2只、1只和0只水箱, 以大致区分3组楼宇水箱水的水龄。在2017年10月24日～11月25日内, 先后完成了试点楼宇的水箱停用, 并稳定运行至今。水箱停用后, 分别在2017年12月19～21日和2018年7月27日～8月1日期间在表2所列的地点采集水样并送检, 检测指标包括浊度、余氯、亚硝酸盐和溶解氧4项。

　　 选择小区B进行试点, 该小区共2幢楼, 每幢8层。该小区1～3层由市政管网直接供给, 4～8层采用水池、水泵和水箱联合供水, 共有1只水池, 容积42.93 m³ (5.3 m×4.5 m×1.8 m) ;2台水泵, 额定流量22 m³/h, 1用1备;5只水箱, 单只容积30.24 m³ (4.2 m×4.0 m×1.8 m) 。水泵每天运行4次, 分别在7:00、12:00、17:00和21:00启泵, 水池的进水由浮球阀控制。

　　 通过在水池进水管蝶阀上加装阀门执行器和时间控制开关, 调整进水模式为时间控制进水开始、浮球阀控制进水结束, 并设置2套测试方案, 见表3。

　　 水池出水水龄主要受启泵时间和水池进水混合的影响。对于后者, 假设混合在瞬间完成且完全均匀混合, 则混合后水池水的水龄A可按式 (1) 估算得到。对于随用随补的原有进水模式, 其出水水龄亦按式 (1) 进行估算。

　　 $A=\frac{A{}_{1}V{}_1+A{}_{2}V{}_2}{V{}_1+V{}_2}(1)$

　　 式中 A——混合后水池水的水龄, h;

　　 A₁ ——进水水龄, h;

　　 V₁ ——进水水量, m³;

　　 A₂ ——池内水龄, h;

　　 V₂ ——池内水量, m³。

　　 水池出水的余氯浓度主要受余氯衰减及水池进水时余氯混合两个过程的影响。对于余氯衰减, 参考朱官平^[2]测定的总氯随时间变化关系进行推算。对于余氯混合, 假设混合在瞬间完成且完全均匀混合, 则混合后水池水的余氯浓度可按式 (2) 估算。

　　 $c=\frac{c{}_{1}V{}_1+c{}_{2}V{}_2}{V{}_1+V{}_2}(2)$

　　 式中 c——混合后池内水的余氯浓度, mg/L;

　　 c₁ ——进水的余氯浓度, mg/L;

　　 c₂ ——混合前池内水的余氯浓度, mg/L;

　　 V₁ ——进水水量, m³;

　　 V₂ ——池内水量, m³。

　　 对于随用随补的原有进水模式, 出水余氯取已完成混合后的余氯浓度与混合前池内余氯浓度的平均值, 即按式 (3) 进行估算。

　　 $c^{\prime }=\frac{c+c{}_2}{2}(3)$

　　 式中 c′——随用随补的原有进水模式下, 水池出水的余氯浓度, mg/L。

　　 在夏季用水高峰, 试点小区水箱供水量最大的楼幢, 其水箱日均供水约7 m³, 取日变化系数为1.3, 而该小区的屋顶水箱单只容积约11.6 m³ (3.7 m×3.5 m×0.9 m) , 大于用户的日常需水量, 故停用2只水箱不会影响居民用水的供给。此外, 在试点运行过程中, 对屋顶水箱加装液位远程监测, 以及时掌握水箱的运行液位。

　　 利用试点小区在装的考核表可监控水池的进水量, 基于该水量, 可推算得到水池在相邻两次进水期间被水泵抽取的水量, 即该小区所有屋顶水箱的补水量。若水池日进水次数与水量小于常规值, 则表明水泵未按计划启动, 需安排维保人员赴现场确认水泵的运行状况。

　　 水样的水质检测结果见表4。对于龙头水中的余氯, 其在冬季随水箱停用数量的减少 (即水龄的增加) 而逐渐降低, 而在夏季, 余氯与水箱停用数量无明显关系, 且夏季龙头水的余氯含量约0.08 mg/L, 仅为冬季含量的10%～17%。由此可知, 降低水龄, 有利于减少余氯的衰减, 但温度比水龄对余氯衰减的影响更大。在冬季, 水箱停用数量由0增至1只、2只时, 龙头水的余氯平均浓度从0.46 mg/L分别增加0.50 mg/L、0.73 mg/L, 增幅分别为8.7%、58.7%, 表明停用2只水箱能明显降低水龄, 而仅停用1只水箱对水龄的改善不大。

　　 龙头水的浊度、亚硝酸盐和溶解氧与水箱停用数量无明显关系, 但亚硝酸盐和溶解氧均与季节 (即温度) 有关。夏季亚硝酸盐的含量为冬季的4～11倍, 同时, 在夏季, 自来水从泵房进水, 经水池、水箱, 到龙头, 水中的亚硝酸盐含量增加了6～10倍。冬季溶解氧含量为夏季的1.4～1.5倍, 关系稳定, 且基本符合纯水中饱和溶解氧与温度的关系。

　　 由表4中的数据作亚硝酸盐与余氯、溶解氧的关系曲线 (见图1) , 表明, 余氯浓度大于0.48 mg/L时可较好控制亚硝酸盐浓度, 这是由于亚硝酸盐易被余氯氧化^[3]。溶解氧含量大于9.96 mg/L时亦可较好地控制亚硝酸盐浓度, 这是因为较高的溶解氧含量有利于亚硝酸盐向硝酸盐转化^[4]。

　　 利用SPSS软件对水样中亚硝酸盐含量和余氯、溶解氧含量进行相关性分析, 结果显示 (见表5) , 水样亚硝酸盐与余氯和溶解氧均有显著的负相关性 (p<0.01) , 相比溶解氧, 亚硝酸盐与余氯的相关性更为密切, 这与朱官平等的研究结果相似^[3]。

　　 由水质检测结果 (见表4) 可知, 龙头水中亚硝酸盐的含量夏季高于冬季, 为冬季的4～11倍, 这可能正是由夏季水中余氯、溶解氧含量低引起的。

　　 利用“时间控制水池进水”测试方案运行时, 从小区考核表的监测数据及水泵额定流量信息, 推算得到水池内的水量及水深变化如图2所示。

　　 2种方案下, 水池内的最低水位分别为1.24 m、0.94 m, 池内水深能满足水泵的吸水要求。

　　 结合池内的水量变化情况及市政管网水和初始时刻水池水的水质取值 (水龄均为0 h, 余氯分别为1.2 mg/L、0.8 mg/L) , 计算不同的水池进水方案下, 水池出水的水龄和余氯, 结果见图3。将补水次数由4次减至3次、2次后, 水池出水的水龄平均降低了5 h、10 h, 但由于余氯受温度的影响更大, 故在水龄降低后, 其余氯提高的幅度仍有限, 进水次数由4次减至3次、2次后, 水池出水的余氯浓度仅平均增加了0.02 mg/L、0.07 mg/L。

　　 通过加装屋顶水箱液位监控, 在分析了2017年夏季的水箱液位数据后发现, 由于该试点小区所在市政管网的压力较高, 水箱在非高峰用水时段可依赖市政管网剩余压力进行补水, 停用2只水箱后, 水箱的运行液位最多降低约0.4 m, 此时, 水箱的蓄水余量仍然较大, 能够满足用户的正常需求。且通过屋顶水箱的液位监控, 一旦发现蓄水量低于限值可立即安排人工开启泵房水泵补水。

　　 水池进水测试方案从每天进水3次逐渐调整至进水2次的过程中 (2018年8月18、19日期间) , 小区考核表显示水池未进行补水。赴现场查看后发现, 由于在调整过程中, 水池水位过低, 导致水泵在停泵后进气, 无法再次启动, 因此泵房水池始终处于满水位状态。

　　 该事件证实了利用加装考核表监控水池进水的可行性。但为了避免再次发生此类情况, 影响居民用水, 本研究为水池加装了干簧管液位开关, 以控制水池进水阀, 即水池液位一旦低于最低限位, 进水阀可自动开启向水池补水。同时, 在试运行过程中, 由于埋地考核表的通讯信号较差, 出现了通讯中断的情况, 持续时间达2 d。

　　 为避免埋地考核表的通讯不畅导致考核表监控水池进水失效, 本研究亦为水池加装了液位的远传监测, 最终形成了“双监测+双应急”的泵房水池监控模式, 即考核表流量、水池液位的监测与互相验证, 干簧管开阀与人工现场补水的双重保障。在此监控模式下, 每天进水2次的测试方案, 已稳定运行1个月。

　　 (1) 停用2只水箱, 将水池日进水次数由4次减 (干簧管开阀、人工现场补水) 的泵房水池监控模式技术可靠, 经济适用。

　　 (5) 本研究的研究对象仅限于水箱供水的多层住宅, 而对于高层住宅及变频泵供水等情况还有待进一步探索。