给水管网中水质监测技术的发展现状与展望

2022-09-11

目前, 我国大多数的城市供水企业把提高水质的大量工作用于净水厂的净化处理工艺上, 往往忽略了供水管网产生的水质污染问题。据有关资料统计, 法国瓦兹河梅里水厂, 出厂水到管网末端的平均流动时间为3d, 美国在采用区域统一供水时, 水在管网中的平均停留时间有的长达7d, 我国哈尔滨的供水在管网中停留时间近两天。据对占全国总供水量42.44%的36个城市调查, 出厂水平均浊度为1.3NTU, 而管网水增加到1.6NTU;色度由5.2增加到6.7;铁由0.09mg/L增加到0.1 1 mg/L;细菌总数由6.6cfu/m L增加2 9.2 cfu/m L。出厂水在管网中停留的时间越长, 其化学稳定性和生物稳定性越受到严峻的考验, 其水质变为不合格的可能性越高, 因为给水管网主要由铸铁管或钢管构成, 而钢管或铸铁管在电化学反应、微生物等的共同作用下极易被腐蚀, 从而导致管网泄漏, 输送水力损失增大和管网水质恶化。事实上, 管网水质管理和提高已经成为目前制约我国饮用水水质提高的瓶颈。而要提高对管网水质的管理水平, 必须依赖于对管网水质的有效监控和数据分析。除此, 给水管网作为城市重要基础设施, 其安全直接关系到城市的安全, 对于其可能受到的有意或无意的污染, 也需要建立及时有效的监控手段, 才能防患于未然, 保障城市安全。因此, 在这样的背景下, 给水管网中的水质监测技术越来越受到关注。

1 给水管网水质监测技术分类

给水管网水质监测技术是一项系统性的工程技术, 一个完整的监测系统应由采样单元、水质分析单元、控制单元、数据储存及传输单元、数据分析处理及建模单元构成。而按照不同的角度, 可以将之分为不同的种类。

1.1 按照监测的目的分类

在建立一个监测系统之前, 明确监测目的是非常重要, 因为只有这样才能量体裁衣, 在有限的资源条件下, 取得最大的收益。借鉴美国给水管网水质监测系统的建立经验, 可以将监测系统按其建立目的分为五类。

1.2 按照监测的手段分类

随着监测技术的不断发展, 给水管网水质在线监测系统由初期的完全依赖人工采样向自动化监测系统逐渐转变。

2 给水管网中水质监测指标及其比较

给水管网中水质监测指标按其性质和检测方法可分为物理监测指标、化学监测指标、生物监测指标, 各种指标对表征管网水质有着不同的意义, 它们中的一些指标之间具有一定的相关性, 研究其相关性可以有助于使用替代指标监测的方法, 以较易测知的指标替代较难测知的指标, 从而降低监测系统投资和运行费用, 提高系统可操作性。

3 水质监测点的数量和位置优化及数据储存传输和控制

3.1 给水管网中水质监测点数量的优化确定

确定在管网中水质监测点的最优数量是一件非常有挑战性的工作, 理论上只要通过费用效益分析就可以确定下来, 如在整个监测点的使用周期内, 其创造的价值大于其投资和运行费用, 那么这个监测点的设立就是合理的, 反之就不合理。但是在实际的操作中, 很难数字化地确定一个监测点设置所能带来的收益, 特别是涉及城市安全层面。因此, 在实际的操作中, 监测点的数量往往最终由预算确定。

3.2 给水管网中水质监测点位置的优化确定

针对不同的水质监测目标, 国内外的学者提出了多种优化技术用于确定给水管网中水质监测点的位置。

其中最早是国外学者Byong H.lee等人提出的覆盖水量DC (demand coverage) 法, 以节点覆盖水量的大小作为选择监测点的标准, 其目的是以尽可能少的监测点监测尽可能高比例的管网水量。而后又有很多学者提出了基于不同视角的优化方法, 如国内张土乔等人在定义供水管网水质监测点选址风险度的基础上, 结合某供水管网进行了研究, 以各节点设立水质监测点风险性的大小来决定水质监测点的最终位置[1];许仕荣等人利用供水管网图形的拓扑矩阵, 在管网水力计算的基础上, 通过求出节点水龄, 以节点水龄作为设置监测点的标准[2]。其他的方法还有很多, 在这里不做更多的介绍。

除此, 基于对实际工程应用的总结, 许阳等人提出了关于设置监测点的一些原则:监测点必须设置在供水干管上;水厂供水的接合部;干管末梢;用水比较集中的地区和国家要害部门;安装方便, 便于维护的地段[3]。可以作为实际工程中的参考。

3.3 给水管网水质监测系统的数据储存、传输和控制

对于传统的人工采样系统, 主要采用手动控制的方式来操作, 所有的监测数据在获得后, 再进行一定的处理, 将可能错误的数据重测、删除或标记, 最后将所有的数据按照一定的格式录入数据库, 以利于后续工作对数据的高效使用。

对于目前先进的在线自动控制监测系统, 一般情况下, 数据可直接储存在各监测点, 然后通过无线传输 (GSM、GPRS、CDMA) 或有线传输 (现有城市通信线路或单独铺设通信线路) 的方式, 将数据发回总控中心, 进行自动分析后, 录入数据库, 所有的流程几乎都是通过计算机自动控制的。

4 给水管网水质模型

监测所得到的数据, 必须通过建立计算机水质模型才能最大效用的发挥其作用, 另外, 建立科学完善的水质模型, 还可以减少监测点的数量及监测指标的数量, 以最小的代价获得最优的监测效果。但所有水质模型必须以成功的水力模型为基础, 有不少国内外的专家针对不同的监测指标研究了建立管网水质模型的一系列方法, 目前研究得比较成熟的是余氯衰减模型, 而消毒副产物和生物稳定性模型研究还处在起步阶段, 这两个领域的研究对了解和控制配水系统水质具有重大意义。

5 给水管网水质监测技术应用与展望

给水管网水质监测系统是由采样单元、水质分析单元、控制单元、数据储存及传输单元、数据分析处理及建模单元构成的复杂系统, 其建立和维护费用都较昂贵, 在选择应用时, 应遵循以下的一些准则:首先需立足于自身的实际情况, 采取长远规划, 分批次分阶段实施的方式进行;其次在监测指标的选取上, 应先易后难, 先采用物理指标进行监测, 再在资金充足的情况下逐渐向化学指标和生物指标过渡, 对可以使用物理指标替代的化学或生物指标, 应尽力采用物理指标代替, 但必须定期对两者进行校核, 以保证监测质量;在采样方式的选取上, 推荐采用综合采样系统, 结合监测指标的实效性和复杂性结合人工采样系统和自动采样系统的优势, 取长补短, 达到最优监测效果;在监测点的设立上, 易先少后多, 在优化分析的基础上根据预算逐步增加;最后在监测目标上, 宜尽量使系统能够灵活满足多种目标的需求, 尽力提高效费比。

虽然给水管网监测技术是多学科的一项综合技术, 但是其发展主要取决于监测探测器和水质模型的发展, 前者强调数据采集, 后者强调数据应用。监测探测器的发展趋势是如何更快捷更低廉地获得更丰富和准确的数据, 特别是对于一些复杂的化学指标和生物指标, 如何实现自动化取样和分析, 提高数据实效性和准确性, 降低建设费用和维护费用将是未来的发展重点。而对于水质模型, 未来其功能的发展将更加丰富和智能化, 除了能够自动和水质监测数据库进行交互作用, 充分利用监测所得的每一个数据, 并能对错误数据进行自动修正外, 对于综合监测系统, 还应能自动协调人工采样数据和在线监测数据的关系, 并在此基础上通过对监测数据的分析和预测, 自动判断管网中的水质是否达到国家规范或行业标准, 是否出现安全问题等;另外, 未来水质模型的功能还应包括在发现水质事故的同时, 通过计算分析找到可能的污染源位置, 判断水质事故的影响区域, 及时发出预警信号, 并提供辅助的解决方案, 协助技术决策;最后, 未来水质监测系统应该是一个开放性的系统, 能够随用户需要而随时加入不同的功能模块, 操作方便, 界面友好。

摘要：从给水管网水质监测技术的分类, 给水管网水质监测中重要的物理、化学、生物监测指标及其意义, 监测点数量和位置的优化选取, 监测系统数据的处理和传输, 水质监测模型五个方面介绍了给水管网中水质监测技术的发展情况, 并提出了建立给水管网水质监测系统的原则和该技术的发展趋势。

关键词：给水管网水质监测系统,管网水质监测指标,水质监测模型