水厂到龙头一体化管理常州实践
针对供水管网龙头水质保障面临的难题，总结了常州市从水厂到龙头一体化管理的理念与实践，以余氯为水质控制指标，提出了“优化投加、时空均衡、局部提升、精准控制”的龙头水质保障策略，构建了以小区入口和水箱出口水质为关键控制点的水质分段监管与保障技术，保障了常州市主城区龙头水质稳定达标。常州的龙头水质保障经验能够为大型复杂管网龙头水质稳定达标提供技术支撑。
饮用水安全与人类健康息息相关，用户饮用水水质达标是人民幸福生活的重要保障。经过多年建设，我国水源保护措施不断完善，水厂深度处理工艺水平不断提升，而供水管网的输配过程成为制约龙头水水质达标的关键环节。上海、北京、深圳和郑州等城市供水管网的水质调查结果显示，水质达标的出厂水经市政管网和二次供水设备的输配后，水质逐渐下降，特别是最后一公里（小区内）的水质下降明显。供水管网输配过程中水质的下降是造成龙头水质不合格的主要原因，而龙头水水质不合格主要体现在余氯指标无法满足要求。因此，研究输配管网水质监管技术与龙头水水质保障策略具有重要的意义。
针对供水管网龙头水质保障面临的难题，本文分析了管网水质的现状、问题与成因，总结了常州市从水厂到龙头一体化管理的理念与做法，构建了以小区入口和二供水箱水质保障为核心的水质分段监管技术体系，提出了“优化投加、时空均衡、局部提升、精准控制”余氯保障新思路，能够为大型复杂管网龙头水质稳定达标提供技术支撑与参考。
01管网水质监管现状及存在问题
1.1 管网水质检测频率低，水质监管不到位
国内外供水管网水质保障主要采用水厂消毒、管网督查的方式，常采用在主干管和末梢取样的方式进行水质监管，一般以与水质标准下限比对判断水质是否达标。我国《城市供水水质标准》（CJ/T 206-2005）规定，管网水和末梢水检测频次分别为每月不少于2次和1次，按照每2万人设1个取样点计算，末梢水检测频率为0.02个/（d·万人）。英国饮用水监管局（Drinking Water Inspectorate，DWI）2019年统计报告显示，英格兰地区龙头水检测频率为0.80个/（d·万人）。相比之下，我国对于末梢水质的监管频率远低于英国，另外，由于龙头水取样条件限制，我国末梢水质常规取样点实际多为市政管网点，未能实现对管网末梢水质的有效监管。目前，我国只有一些大的供水企业、住建部以及城市供水水质监测中心具备《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）106项指标的检测能力。因此，我国供水企业仍广泛存在水质检测能力和检测频率不足、缺乏有效监管等问题。
1.2 管网水质污染事件频发，预警能力有待提升
管网突发性水质污染事故具有隐蔽性、突发性、非连续性和不确定性，一旦发生，极易造成经济损失和环境危害。据统计，1996年至2015年的219起全国突发饮用水污染事件案例中，市政管网和二次供水污染66起，占比30.14%。供水管网的输配过程是影响龙头水质的关键环节。近年来，我国大型城市供水管网逐渐建设了在线水质监测点，常规水质检测指标为余氯和浊度。由于我国现行标准对管网水质在线监测点的数量未有强制要求，实际管网中水质在线监测点数量较少，当发生污染事故时，供水企业不能实现及时排查和污染源溯源。以2020年杭州湖埠村管网水质污染为例，从接到居民投诉后历时24 h才排查出污染源。因此，水质在线监测点数量制约了供水企业对水质污染的及时排查和溯源。另一方面，国内外学者开展了基于水质在线监测点的突发水质污染预警研究，结果表明，多个水质指标会对污染表现出协同变化，利用这种现象可以进行污染探测，通过增加在线监测点数量和优化在线监测点位置，能够提高突发水质污染的探测概率和识别准确度。因此，优化水质在线监测点的数量和位置，提高突发水质污染的探测能力，是提升供水企业应急处理能力需要解决的关键问题。
1.3 管网消毒方案基于经验，管网余氯分布不均匀
在饮用水中保持剩余消毒剂是水质消毒的常用方式。在传统模式下，供水企业在水厂一次加氯消毒，通过管网末梢水质关键点的余氯浓度控制加氯量。水厂常常需要较高加氯量以保证关键点的余氯浓度，但加氯量过高会造成饮用水口感下降、产生消毒副产物、增加用户投诉等问题。增设二次加氯点可以解决传统模式加氯控制难的问题，但是实际管网中加氯点位置和加氯量的确定多基于经验，大型复杂供水管网中仍存在水质敏感点和水质薄弱区。通过对常州管网人工采样分析发现，采用水厂-补氯站两级消毒方案，在出厂水余氯达标前提下，控制出厂水余氯水平低于补氯站，改善了市政管网余氯浓度分布，但管网余氯时空分布仍不均匀。因此，合理选择消毒工艺，精准加氯，提高供水管网中余氯分布的均匀性，严格控制消毒副产物，改善余氯带来的口感问题，实现居民用水同网同质，是供水管网水质管理需要解决的关键问题。
1.4 市政管网与小区管理分离，管网末梢水质管控难
进入小区物业管理区域的供水设施至居民家庭水龙头之间的管道、水箱、设备等，通常被称为供水安全保障的“最后一公里”。由于各地政府的管理部门不统一（房管、供水、卫生），责任不明确，监管不到位，我国大部分小区供水设施由物业公司管理，供水企业无法实现对小区管网有效管控。另一方面，由于物业公司对供水设施维护更新不及时、运行管理不规范，业主对“最后一公里”供水设施产权意识不足、养护管理主体混乱等原因，“最后一公里”供水设施成为建筑“死角”，造成了龙头水质难以达标。通过对龙头水质不合格用户的进一步调查，研究发现，多层建筑用户（直供用户）的水质不合格69%产生于用户内部，31%产生于入户表前；高层建筑用户（二供用户）的水质不合格68%产生于入户表前，24%产生于用户内部，8%产生于小区配水管内。直供用户的水质不合格主要产生于用户内部，二供用户的水质不合格主要产生于用户外部，小区管网内两类用户水质不合格的主要影响因素不同。因此，在供水企业无法实现对小区管网有效监管的情况下，实现市政管网和小区管网水质分段监管是供水企业需要解决的关键问题，尤其要重点关注小区管网末梢水质稳定达标技术研究。
02保障管网水质安全的需求
由于饮用水在管网输配过程中会发生复杂的物理、化学、微生物作用，导致龙头水水质相比出厂水会有一定程度的下降，甚至有时会出现不达标的情况。保持充足的余氯浓度是微生物、浊度、铁锰、色度等项目达标的基础，但是在供水管网输配系统的影响下，龙头水中的余氯、微生物和浊度难以实现稳定达标。传统余氯保障措施一般为在水厂加氯和管网补氯，这会导致管网余氯浓度时空差异大、末梢水质难保障等问题。
为了实现大型复杂管网龙头水质稳定达标，在管网中保持充足且均匀的余氯，需要在以下几方面开展研究：①针对供水管网水质监管不到位问题，开展供水管网的水质薄弱区识别研究，明确制约龙头水质稳定达标的水质指标，建立完善的在线水质监测网络，能够全面监测管网水质；②针对水质污染频发问题，建立健全水质监测及预警机制，快速识别管网突发水质污染；③针对管网末梢水质管控难问题，开展小区内管网余氯降解研究，提出龙头水质保障策略，尤其是二供用户，在水箱水力停留时间长、用户用水波动大的情况下，开展保障二供水箱出水余氯稳定达标且稳定的技术研究；④针对管网消毒剂时空分布不均匀问题，开展厂网联动消毒方案优化研究，在满足管网消毒要求基础上降低消毒剂投加量，有效保障全管网水质安全。
03“规程”重要技术要求
针对上述科技需求，以常州为试点，从供水管网水质监测与预警、管网末梢水质精准调控、厂网联动优化投氯三个方面展开研究，提出基于厂-网-二次供水多级监测与反馈的厂网联动水质保障技术。如图1所示，形成以小区入口和二供水箱出水为关键控制点的水质分段监管与保障：①构建从水厂到用户龙头的全流程水质监测网络，实现管网水质监控和水质污染预警；②根据小区管网余氯降解潜势确定小区入口余氯控制浓度，通过控制小区入口余氯浓度实现龙头水余氯浓度稳定达标。其中，通过精准调控二供水箱出水余氯浓度局部提升水质，保障小区管网水质稳定达标；③以小区入口余氯浓度满足控制目标为前提条件，构建涵盖水厂、增压站、监测点、小区入口的水质模型，提出厂网联动优化投氯方案，实现消毒剂总量与时空均匀度的同步优化，保障市政管网水质稳定达标。本技术通过“优化投加、时空均衡、局部提升、精准控制”的龙头水质保障策略，实现了市政管网和小区管网的水质分段监管与保障。
图1 技术路线
3.1 厂-网-二供全流程水质监测及预警
对常州全管网219个采样点进行常规水质分析，结果显示，全管网水质均满足现行标准要求，余氯浓度普遍偏高且空间分布差异大。其中，余氯浓度低于0.30mg/L的采样点占比31.05%，在0.30~0.50mg/L的采样点占比61.65%，高于0.50mg/L的采样点占比7.30%。在ArcGis中利用空间分析工具绘制管网水质等高线，如图2所示，进一步结合管网实际情况分析发现，水质相对薄弱点主要分布在老旧小区二供水箱和管网末梢。
图2 管网水质薄弱区识别
对水厂、增压站、市政管网点、二供水箱、用户龙头等具备上下游关系的6个采样点进行管网沿程水质分析，结果显示，全管网水质均满足现行标准要求，耗氧量和三氯甲烷沿程变化不大，溴酸盐未检出；游离氯、总氯变化趋势基本一致，增压站补氯前，氯耗约为40%，增压站补氯后，到最后一个采样点，氯耗也约为40%；浊度超标风险较高，在最后一个采样点接近1 NTU，浊度升高的主要原因是总铁浓度的上升，二者有显著相关性；高余氯有助于总铁浓度的控制，研究发现，制约常州市龙头水稳定达标的关键指标是余氯和浊度。
在水质薄弱区识别基础上，通过监测点优化布置分析，在水质薄弱区增设5个在线水质监测点（监测指标为余氯、浊度、pH、电导率、氧化还原电位），解决了已有监测点不能覆盖全流程水质监测的问题。全流程水质监测数据（水质、水量等）实时上传至管网调度中心数据库，每天采集各种频率的运行数据近200万条，实现了全面监控从水厂到用户的管网水质时空变化过程。
利用安装在二供水箱的在线多参数水质传感器（余氯、浊度、电导率和氧化还原电位），进行供水管网突发水质污染事件模拟（河水掺混、氨氮溶液掺混），以水质参数间的皮尔逊相关系数表征数据对污染事件的协同响应特征。研究发现，水质特征向量的提取能够充分利用多水质参数对污染事件的协同反馈现象，同时又保留了监测数据的原始信息。提出采用隔离森林（Isolation Forest, IF）算法的水质预警技术，隔离森林算法使用二叉树对水质特征向量数据样本进行分割，在这种随机分割的策略下，具有较短路径长度的异常数据易被隔离，从而实现水质污染事件预警。相较于多水质参数法，本技术准报率（TPR，见图3）提升了18.10%，误报率（FPR）降低了80.80%；相较于单水质参数法（余氯），准报率提升了75.60%，误报率降低了8.10%。本技术适用于在线多参数水质预警，能够有效降低仪器、环境噪音等对突发污染事件识别的影响，解决了传统水质预警技术准报率和低误报率高的难题。
图3 研究方法对比
3.2 管网末梢水质精准调控
采样分析常州主城区内176个小区的余氯浓度，研究发现，39个直供小区中，小区入口余氯浓度小于0.40mg/L的占比4.55%；137个二供小区中，二供增压后出水余氯浓度小于0.40mg/L的占比27.54%。相比于直供小区，二供小区内余氯浓度普遍偏低，为制约龙头水余氯稳定达标的关键环节。二次供水模式分为水箱供水（34.78%）、无负压供水（48.55%）、水箱-无负压双模式供水（16.67%），其中，二次供水水箱的平均水力停留时间为11.61 h，且无补氯措施，容易造成二次供水水质下降。因此，进一步确定采用水箱供水的二供小区为研究重点。
根据小区规模（户数）、入住率、小区年限等条件，选择13个采用水箱供水的二供小区进行小区内余氯降解规律研究，通过分析余氯在典型小区内管线的降解潜势，以龙头水稳定达到0.05mg/L为前提，提出直供小区入口/二供水箱出水最低余氯浓度限值冬季应为0.25mg/L，夏季应为0.35mg/L。针对二供水箱停留时间较长、水箱出水水质不稳定等问题，提出面向用户稳定达标的二供水箱出水余氯精准调控技术，该技术主要包括基于水箱出口水质后反馈的次氯酸钠投加算法，根据二供水箱出水余氯浓度实时调控自动补氯装置加氯量，同时通过在水箱内增加主动导流装置，克服了水箱混合效果差、余氯浓度不均匀的问题，控制二供水箱出水余氯浓度在最低浓度限值（冬季应为0.25mg/L，夏季应为0.35mg/L）以上，出水余氯浓度波动范围小于0.05mg/L，解决了二供水箱出水余氯浓度不稳定的问题，有效保障了龙头水质稳定达标。
3.3 厂网联动优化投氯
供水管网优化投氯是通过管网水力水质的机理模型和高性能的随机优化算法相结合的方式求解最优解，优化目标主要包括：最小化消毒剂的总投加量、最大化余氯分布的均匀度、最小化加氯点的个数。优化目标一般选取其中的一个（单目标优化）或多个（多目标优化）。利用管网水质模型实现管网水质模拟，得到在不同工况下的节点余氯浓度、压力等数据，进而计算该工况下的优化目标和约束条件。基于管网水力模型，利用在线水质监测点和人工采样点的水质数据，完成管网水质模型的构建和校核，水质模型相对误差为21.90%。
以小区入口余氯浓度满足最低浓度限值为前提条件，通过分析小区入口（水质模型末梢）余氯浓度与在线水质监测点余氯浓度的相关性，确定常州主城区内在线监测点余氯控制浓度（见表1），通过控制在线监测点余氯浓度（见表2），实现了管网水质监管前哨从小区入口前移至在线水质监测点，也实现了从小区定期取样监管模式向管网在线监测模式的过渡。在此基础上，构建了水厂-增压站-监测点余氯预测模型，以余氯时空均匀度和最小投加量为目标的优化函数，形成了厂网联动优化投氯方案（见图4）。相对于原方案，新方案的冬季总加氯量降低11.20%，管网余氯分布均匀度提高13.70%，夏季总加氯量降低4.60%，管网余氯分布均匀度提高13.60%。
表1 在线监测点余氯控制浓度
表2 优化消毒方案
图4 消毒方案调整前后管网余氯分布
消毒方案调整前后水厂和3个增压站出水余氯浓度变化情况如表3所示，2020年全年投药量比2019年降低6.2%。根据2020年3月至8月常州主城区内50个点位常规水质检测、10个水质敏感点（二次供水水箱、水龙头）水质全分析显示，龙头水质满足国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）要求。研究结果表明，通过消毒方案调整，在市政管网水质满足要求基础上降低了消毒剂总投加量，实现了供水管网的精细消毒和精准加氯，保障了全管网余氯稳定达标和时空分布均匀性。
表3 消毒方案调整前后水厂和增压站出水余氯浓度
04结 语
根据2020年3月至8月常州主城区内50个点位常规水质检测、10个水质敏感点（二次供水水箱、水龙头）水质全分析显示，常州主城区100万人口龙头水质满足国家《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）要求。面对龙头水质保障的诸多挑战，应用于常州主城区的基于厂-网-二次供水多级监测与反馈的厂网联动水质保障技术，仍取得了显著成效，在供水管网水质监测与预警、管网末梢水质精准调控和厂网联动优化投氯等三方面取得了重要研究成果，主要体现在：
（1）通过分析小区入口与在线水质监测点的相关性，确定在线监测点的余氯控制浓度，实现了管网水质监管前哨从小区入口前移至在线水质监测点，也实现了从小区定期取样监管模式向管网在线监测模式的过渡。
（2）以小区入口和二供水箱出水为关键点控制管网余氯浓度，通过二供水箱出水余氯精准调控局部提升薄弱点水质，有效保障了小区管网水质稳定达标。
（3）通过厂网联动优化投氯方案，有效保障了市政管网水质稳定达标，实现了消毒剂总量与时空均匀度的同步优化。
上述研究成果形成了“优化投加、时空均衡、局部提升、精准控制”的龙头水质保障策略，实现了市政管网和小区管网水质的分段监管，解决了大型复杂管网龙头水质全面稳定达标问题，是可督查、可复制、可信赖的龙头水质保障机制。
