0 引言

杭州市地处钱塘江下游，城市供水以钱塘江干流及东苕溪为主；随着城市规模的不断扩大，城市用水需求不断增长，居民对饮用水水质、水压的要求不断提高，加之取水口集中于流域下游取水，水源水质易受影响^[1,2]。为解决杭州市取水水源单一，应对突发水源污染事件能力不足的现状，更好地保障饮用水供水安全性和改善供水水质，政府决定建设杭州市第二水源千岛湖配水工程^[3]，该工程的城北线为余杭区提供43万m³/d的千岛湖水源水，对余杭区目前单一的东苕溪取水格局产生积极的影响。

本文以杭州市千岛湖配水工程城北线通水调试为契机，研究水源切换前后水源水质的变化；并以宏畔水厂为对象，研究千岛湖水源水对水厂的运行、出厂水水质以及管网水质的影响，探讨千岛湖水源水对余杭区供水的影响。

1 水源概况

1.1 东苕溪水源概况

东苕溪（见图1）是余杭区重要的饮用水源地，发源于临安区东天目山南麓。东苕溪沿线现有4个取水口，取水规模为80万m³/d，主要集中在苕溪61#水功能区奉口河段，根据近三年水质监测数据，奉口断面水源水质基本达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中的Ⅱ类^[4]，当上游来水少时，水源水质易受到下游太湖逆流水质影响，存在氨氮（0.03～0.64mg/L）、耗氧量（2.01～4.83mg/L）、铁（0.06～0.47 mg/L）、藻类及其代谢产物等水质波动问题^[2]，对余杭区水厂供水水质、水量产生较大压力。

1.2 千岛湖水源概况

千岛湖（新安江水库）位于钱塘江上游淳安县境内，是华东地区重要战略水源地，也是我国少有的具有丰富优质水源的大型水库，水库设计正常水位为108 m，蓄水量为178.4亿m³，水面面积为580km²，多年平均水资源总量为126.7亿m³,2019和2020年水质为Ⅰ～Ⅱ类，水质状况优秀，湖泊富营养化评价指标TLI为25.6～39.3，水体营养为贫～中^[5]。

图1 东苕溪水系   

Fig.1 Dongtiao River water system diagram

千岛湖配水工程从淳安县境内金竹牌取水后，采用重力流方式，通过长111.72km、洞径6.7m的输水隧洞自流至余杭区闲林水库（见图2），该工程年配水量为9.78亿m³/h，其中向余杭区的输水分配规模为4.9m³/s，目前千岛湖配水工程城北线已于2020年6月底正式通水。

图2 千岛湖配水工程   

Fig.2 Schematic diagram of Qiandao Lake water distribution project

2 水厂及原水水质概况

2.1 宏畔水厂概况

宏畔水厂水源切换前取自东苕溪奉口，通过一级泵房输送至宏畔水厂。宏畔水厂设计规模为13万m³/d，采用管道混合+折板平流沉淀池+V型砂滤池+消毒常规处理工艺，水厂工艺流程如图3所示。水厂自2006年建成投产以来，已连续运行14年，出厂水水质优于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006),2019年水厂总供水量3.87×10⁷ m³，日均供水约10.6万m³。

图3 宏畔水厂工艺流程   

Fig.3 Hongpan water plant process

2.2 水厂运行条件

水源切换前后，水厂内部处理构筑物、净水设备、药剂、自控系统、管理人员等客观条件未发生明显变化，但工艺前端不再投加高锰酸盐复合剂和粉末活性炭。宏畔水厂处理水量基本恒定为5 430m³/h,24h连续供水。

2.3 水质监测及水质分析方法

选取了千岛湖水源水通水后的2020年7-9月宏畔水厂工艺水质参数，对照选取了2019年7-9月宏畔水厂工艺水质相关数据。对千岛湖水源引入前后宏畔水厂水质指标进行检测，检测项目包括水源水和出厂水的色度、浊度、pH、总硬度、碱度、溶解性固体、COD_Mn、氯化物、硫酸盐、氨氮等，检测方法见表1。水源切换前后，对水源水、出厂水进行常规18项监测，每月管网水监测和生产消耗统计均已纳入水厂日常工作，课题组对水源切换前后相关水质数据进行了收集、整理和分析。

3 结果与讨论

3.1 水源水质的变化

选取了水厂常规监测的浊度、耗氧量2项指标进行考察（如图4、图5所示），将千岛湖水源（2020年7月）与东苕溪水源（2019年7月）水质进行对比。千岛湖水源浊度（1.0～2.0NTU），远低于东苕溪水源（6～60 NTU），同时波动小；千岛湖水源耗氧量（1.0～2.0 mg/L），属于Ⅰ类水体标准，而东苕溪水源耗氧量（2.70～5.53mg/L），属于Ⅱ～Ⅲ类水体标准。水厂水源切换后宏畔水厂水源浊度、耗氧量两项指标改善显著。

  

表1 水质指标监测方法

Tab.1 Water quality index monitoring method

 

图4 东苕溪与千岛湖水源浊度的对比   

Fig.4 Comparison of turbidity between Dongtiao River and Qiandao Lake water source

图5 东苕溪与千岛湖水源耗氧量的对比   

Fig.5 Comparison of oxygen consumption of Tiaoxi and Qiandao Lake water source

图6是千岛湖水源和东苕溪水源所对应的EEM荧光分析结果绘制的等高线图。三维荧光分析广泛应用于溶解性有机物（DOM）的定性分析^[6]。E_x为激发波长，E_m为发射波长。区域Ⅰ：E_x/E_m=220～250nm/280～330nm，表征络氨酸类蛋白质。区域Ⅱ：E_x/E_m=220～250 nm/330～380nm，表征色氨酸类蛋白质。区域Ⅲ：E_x/E_m=220～250nm/380～480nm，表征富里酸类蛋白质。区域Ⅳ：E_x/E_m=250～360nm/280～380nm，表征含苯环蛋白、溶解性微生物代谢产物。区域Ⅴ：E_x/E_m=250～420nm/380～520nm，表征腐殖酸类腐殖质。

千岛湖水源主要含腐殖酸类腐殖质，东苕溪水源主要含苯环蛋白、溶解性微生物代谢产物和腐殖酸类腐殖质，千岛湖水源水质相比苕溪水荧光有机物的含量要低很多。

图6 水源切换前后水厂水源中荧光有机物的分布   

Fig.6 Distribution of fluorescent organic matter in water source of water plant before and after water source switch

表2为2020年7-9月千岛湖与2019年7-9月东苕溪水源其他相关指标对比情况，水源切换后水源pH值、溶解氧两项指标上升，色度、铁、锰、总碱度、氟化物、氨氮、亚硝酸盐氮、总氮、总磷、硫酸盐、氯化物、硝酸盐氮等指标下降显著，千岛湖水源水质整体优于东苕溪水源。

  

表2 千岛湖水源与东苕溪水源常规水质指标对比

Tab.2 Comparision of water quality parameters between Qiandao Lake and Tiaoxi water source

 

3.2 出厂水水质的变化

宏畔水厂水源切换前后，出厂水水质相关指标如表3所示。由表3可知，无论取用东苕溪水源还是千岛湖水源，水厂出水水质指标均满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的要求，水源切换为千岛湖水源后，38项出厂水水质指标中，出厂水除pH略有上升外，氟化物、硝酸盐氮、三氯甲烷、浑浊度、铝、氯化物、硫酸盐、溶解性固体、总硬度、耗氧量、总β放射性13项指标均比取用东苕溪水源时大幅下降，其余指标与水源切换前基本持平，宏畔水厂出厂水水质得到了大幅度提升。

对水厂出水水样进行三维荧光图谱分析（见图7）后发现，荧光有机物有一定的去除效果，尤其是含苯环蛋白、溶解性微生物代谢产物。且引千岛湖水源水后，水厂出水水质中荧光有机物的含量大幅度降低，水质明显改善。其中，千岛湖水源和东苕溪水源的TOC分别为1.52 mg/L和8.55 mg/L，经水厂处理后，TOC分别降低至0.51 mg/L和2.00mg/L，与荧光分析变化趋势一致。

  

表3 出厂水水质指标统计

Tab.3 Statistics of water quality parameters

 

3.3 管网水水质的变化

水源切换会引起管网水的改变^[7,8]，水中硫酸盐和氯化物浓度的增高会导致管壁腐蚀产物的脱稳，从而影响管网水质，出现黄水现象^[9,10]。牛铁柱等研究发现拉森指数（LR指数）与无内衬铸铁管道铁释放速率呈显著正相关关系^[11];LR指数定义为水中硫酸根离子与氯离子的当量之和与重碳酸根的比值，是一种主要用于表征水中腐蚀性强或弱的指数，当LR<0.8时，表征氯离子、硫酸根离子基本不干扰管网内壁保护膜的形成，腐蚀性较低^[12,13]。由表3可知，在切换为千岛湖水源后，出厂水的LR指数由0.75降低至0.41，因此，水源切换后导致管垢中铁释放进而影响管网水质的可能性较低，试验阶段对区域内管网水含铁量进行检测，结果发现含铁量均小于0.05mg/L，印证了上述推论。

表4是宏畔水厂供水区域内的3个管网水质监测点切换前后的水质变化情况，水源切换以后，3个监测点水质合格率为100%，并有一定程度改善。

图7 水源切换前后水厂对荧光有机物的去除效果   

Fig.7 Removal efficiency of fluorescent organic matter by water plant before and after water source switching

3.4 制水成本的变化

3.4.1 取水成本的变化

2020年6月水源切换前，宏畔水厂取自东苕溪奉口，由奉口一级泵站输送至厂区，并投加了高锰酸盐复合剂、粉末活性炭，以2019年7-9月为例，高锰酸盐复合剂常规投加量为0.3mg/L，粉末活性炭常规投加量为3 mg/L，水源应急药剂投加成本为0.028元/m³，取水电耗为136kW/km³水，电费成本为每吨水0.095元。2020年7-9月水厂取用千岛湖水源后，可直接利用闲林水库通过城北线输水管线将水源水输送至厂区，无需二次提升，且不再投加氧化剂和吸附剂，相关成本下降至0元。

3.4.2 药剂成本的变化

水厂目前使用的混凝剂为聚合氯化铝，水厂水源切换为千岛湖水源后，2020年7-9月聚合氯化铝单耗同比下降62.11%，消毒剂次氯酸钠单耗同比下降33.01%，如表5所示。聚合氯化铝单价为850元/t,10%商品次氯酸钠单价为1 100元/t，净水药剂投加成本从0.024元/m³下降到0.01元/m³。

  

表4 管网水水质指标统计

Tab.4 Statistics of water quality parameters

 

注：A、B、C表示宏畔供水区域内不同取样点。

  

表5 宏畔水厂聚合氯化铝单耗

Tab.5 List of scales of water plants in Yuhang District

 

3.4.3 污泥处理成本的变化

水源切换后，因水源水浊度大幅下降，宏畔水厂调整了平流沉淀池排泥周期和污泥处理系统运行参数。使用千岛湖水源后沉淀池吸泥行车排泥时间从一天3次全程减少到一天1次全程，离心脱水机从24h运行1台（高浊度时开启2台）减少到8h运行1台，水厂平均每天聚丙烯酰胺（Polyacrylamide,PAM）消耗量从24.35kg，减少到6.89kg，同比下降71.7%,PAM采购价按15 760元/t计算，每天可节省PAM成本275元。水厂每天离心脱水后78%的脱水污泥量从原始切换前的22t减少到6t，水厂脱水污泥处置费按90元/t计算，每天节省污泥处置费用1 440元。

4 结论

通过宏畔水厂水源切换前后工艺水质影响研究，得出以下结论：

(1）千岛湖配水工程城北线的通水，对余杭区取水水源单一、应对水源水质突发污染事故能力较低的现状有所改善，以及对提高居民用水品质具有重大意义。

(2）千岛湖水源水质稳定，各项指标均远远优于东苕溪水源，水厂取水水质从Ⅱ～Ⅲ类稳定提升至Ⅰ类，出厂水及管网水水质有明显改善。

(3）水源切换后，宏畔水厂取水电耗下降为0，聚合氯化铝单耗下降62.11%，次氯酸钠单耗下降33.01%，污泥处理所需的PAM消耗量同比下降71.7%，脱水污泥量下降到6t/d。

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王立彪