大型复杂输水管道冲洗消毒应用案例及分析
摘要：成都市某新建大型输水管道全长26.5km，采用DN2400钢质管道敷设，高程起伏较大，而目前鲜有针对此类大型复杂管道的冲洗消毒报道。为此，以本工程成功实践经验为基础，系统介绍了冲洗消毒技术的选择要点、管道分段设置控制因素、调度指挥管理体系、实施过程控制关键点和冲洗水对受纳水体的影响程度，以供类似工程参考。
作者简介：侯江鑫，女，山西吕梁人，硕士，工程师，主要研究方向为市政工程管理。
生活饮用水是人类生产生活所必需的物质，为了满足饮用水供给需求，需要建设配套输水管道来承担城市生活饮用水传输功能，但水在传输过程中会与管道内部发生碰撞，且接触面积较大，如不能有效清除管道内部微生物、细菌、颗粒物等杂质，可能造成饮水水质恶化，进而影响人类身体健康。为此，在输水管道传输饮用水前，通常需进行冲洗消毒工序，以最大限度地去除管道内的污染物，使水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022）。
近年来，我国输水管道冲洗消毒技术在实践中不断完善，相关工程案例报道也较多。徐海峰等介绍了新建管道冲洗技术，提出从水源、施工管理和图纸设计三方面综合设置配套实施方案。李伟介绍了在老旧管线、新建管线下不同管道的冲洗方法和要求，建议管道冲洗消毒频次为1次/a。焦文海等对单向冲洗技术的研究结果表明，管道经过单向冲洗后内部微生物和细菌含量显著降低，余氯值处于稳定状态。上述研究表明，冲洗消毒技术具有明显的除污效果，但均偏向技术控制，且项目案例涉及的管道情况较为简单，操作简便，易控制，不足以作为作业水量大、高程起伏频繁、影响因素复杂的特大、超大城市主输水管道冲洗消毒的参考，且目前国内外鲜有针对大型复杂输水管道冲洗消毒的案例报道。
为此，以成都市某新建大型输水管道为例，介绍在城市大型复杂输水管道冲洗消毒工作中的相关经验：①大口径输水管道冲洗技术选择适用情况；②长距离管道分段设置要点；③消毒剂、消毒方式的适合性选择；④实施过程中的精细管理；⑤冲排水控制要点。
01工程概况本次冲洗管道全长26.5km，采用DN2400钢质螺旋管道敷设，配套设置145个阀门，包括55个DN400排泥阀、61个DN300排气阀、10个DN2400蝶阀、14个不同口径预留支线阀门、5个DN800排水阀。管道总体呈弧形结构，沿南北方向分布，因建设位置靠近山脉，高程起伏点位较多，且受到穿越铁路、高速公路和地铁段需采用顶管施工的限制，进一步增加了大高差点位，现场实测管道高程总落差为53.5m，高差>10m的点位达到16处。
02冲洗技术比较输水管道的冲洗技术主要有全线灌水动态升压法、分段灌水动态升压法、全线灌水静态升压法和分段灌水静态升压法。全线灌水动、静态升压法适用于低水耗、短距离、小口径输水管道；分段灌水动态升压法虽适用长距离大口径管道，但存在控制难的问题；分段灌水静态升压法具备易控制、易实施的优势，尤其适用于口径大、距离长和阀门设施较多的管道。鉴于一方面该段管道沿线设施数量多、管道安装距离较长，采用分段静压灌水较为适合，且该方法便于现场人员调度指挥，避免了人员透支作业现象，弱化了人员安全风险因素。另一方面管道设计供水方式为重力流，全线暂未设置调压和流量调控设备，仅依靠管线进水主阀调控流量，存在流量控制难度大、水锤冲击强度大的不足，难以实现分段动态升压。此外，气水混合冲洗技术应用虽日渐广泛，但用于DN2000以上管道的冲洗经验仍很少，且该技术对于气压、水压和管道分段的要求极高。
为保证冲洗效果，本项目最终采用分段灌水静态升压法，具体实施路径为利用DN2400蝶阀作为分段控制点实现全线分段灌水升压，在每段管线升压完成后进行管道冲洗。值得注意的是，此方法不仅耗水量小，且避免了城市供水高峰期压力调控问题，可确保既有管网调度安全。
03控制设计3.1 管线分段灌水本项目管道距离较长，需在对管线进行合理分段后才能施加冲洗技术。考虑项目无流量调控装置，仅能依托DN2400主控蝶阀作为流量控制点。结合项目主控蝶阀分点设置情况，综合考虑管道高程、冲洗时间、流量、过程管理因素后进行了分段（见图1），管段分段设置参数见表1。
图1 管线分段地理位置
表1 管道分段设置参数
全段管道起始点为K0+000，第一座主控阀门桩号为K0+368，间距368 m范围内前期已进入运行状态，故全段第一控制点为K0+368主控阀门。沿管道延伸至桩号K4+780和桩号K8+310处均设置有控制阀门，鉴于本次冲洗工作较为复杂，需系统考虑现场操作、影响范围等多种因素，故选择了K4+780控制点作为第一段终端，以便于试验实施方案和完善长距离大口径管道冲洗控制要点。继续延伸至K8+310控制点，此段管道距离虽较短，仅为3.5km，但高程差较大，且起伏次数较多，存在一定控制难度，为此将第二段终端控制点设置在K8+310处。在进行前两段灌水工作后，操控模式和精细管理程度已趋于完善，加之后续管道较为平缓，故加大了灌水距离，以K15+856主控阀门为第三段控制终端。至此，形成了4个分段范围和3个分段控制点位。
在确定分段位置后，需进一步设置适合的流量和合理的作业时间。流量是灌水控制的关键因素，研究表明管道若以正常流量的0.3倍或更小的流量灌水，可避免水击造成的管道破坏；为避免产生水击和减少管内剩余气体，灌水速度不应大于0.6m/s，本管道最大设计流量为22567m3/h，灌水流量可达到6770m3/h。结合设计灌水流速0.3m/s（4883m3/h），综合考虑人员作息和管道控制安全，将4段的设计灌水流量分别控制在2500、3000、3500、4000m3/h，对应的作业时间分别为8.1、5.3、9.7、12.4h。此外，管道排气阀设计排气量为18000m3/h，完全满足排气需求。
3.2 消毒消毒即是通过投加药剂猝灭水中微生物、细菌或病毒，以达到优化水质的目的。目前，常用的消毒剂有次氯酸钠、液氯、高锰酸钾和臭氧。由于本管道位于城乡地带，且冲洗距离长、容积大，耗水量高达12×104m3，需投加较多氧化剂才能满足消毒需求，而液氯属于危险化学品，现场使用条件较为苛刻；臭氧需现场制备使用，但制备量无法满足消毒消耗；高锰酸钾大量投加会改变水的颜色，影响冲洗效果；次氯酸钠性质稳定，易保存，无需现场制备，且存量充足，不影响正常制水生产。经过综合考虑，确定选用次氯酸钠作为管道消毒剂。
在确定消毒剂种类后，根据消毒剂性质，配套选择了投药设备装置，首先使用密封箱存放足量消毒剂，底部安装计量泵和耐腐蚀PVC管道，末端连接在DN300排气蝶阀预留口，并额外设置了管道支管用于应急泄压。结合公司类似项目冲洗消毒经验，根据分段灌水流量流速对投加流量进行动态调控，计划控制水中有效氯含量达到1mg/L。另外，为保证初期消毒效果，第一段初始投加以2mg/L有效氯控制进行2h高浓度投加。本次消毒在第一段起点处投加，同时为保证消毒效果，在每段起始端均设置了补充投药点位（在实际操作时未启用补充投药）。
值得注意的是，本次冲排水河道下游为某自来水厂取水水源。为保证下游取水安全，避免管道中水流余氯扩散至用户管网，管道灌水完成后将闷水24h再排放，既实现了消毒目标，又保证了受纳河道水质安全。
3.3 水体排放管道全段虽然距离较长，但仅设置4处泄水点位，分别为3处排洪渠和1条主干河流，因3条排洪渠受水量有限，无法满足管道冲洗水量排放要求（本次冲洗水量设置为16300m3/h），只能作为备用排放点，主干河流位于管道末端位置，河道宽度达到60m，深度为8m，常年水位较低，且河床河堤加固了钢混结构，可满足冲洗排放条件。因此，冲洗用水均通过泄水管道排放至主干河流。
此外，为进一步确保冲洗安全，项目方已提前协调河道管理单位，告知具体冲洗信息，并组建了巡河队伍，高频次巡查河道情况，设置专班定时测定水质，确保受纳河道不出现过载或水质污染情况。
04冲洗消毒实践
4.1 实施准备
4.1.1 调度指挥体系为保证管道冲洗消毒顺利、安全进行，成立了专项指挥部，下设设备操作组、管线巡视组、应急抢险组、流量监控组、水质监测组、后勤保障组。同时每个小组均制定了详细的执行及安全操作方案，实施前组织全员培训方案内容并提前熟悉管道设施编号、位置。
设备操作组负责按照调度指令操作阀门，协助调控现场流量。管线巡视组负责观察水流位置并及时汇报，检查管道沿线设备及过程中的安全隐患，发现问题及时进行抢修，并及时向指挥部汇报检查情况。应急抢险组负责根据指挥部命令，对突发事件进行应急处理，且提前备好应急机具及抢修材料，包括抢修需要的管道、管件、阀门、法兰螺栓、螺帽、密封垫片等；在灌水期间，部分简单事故可直接进行带水抢修，若需停水维修应及时通知调度中心，并做好安全疏散和应急排险工作。流量监控组负责对分流管道流量进行监控，及时报送数据给指挥部，核验现场流量是否正常。水质监测组负责按要求对全线取样点位的余氯及浊度进行测试，查看沿线水质变化。后勤保障组负责整个过程的后勤保障事宜。各参与人员自备通信设备，保证通信畅通，全天候开机。
4.1.2 设备设施检查全段管道配套设施数量较多，若在冲洗周期内阀门未处在相应的启闭状态，会对设施及管道本身造成不可估量的影响，为此，在冲洗实施前需对全线管道、阀门、井室、排气阀、排水阀、冲排阀等所有设备设施开展状态确认和功能检查，掌握阀门启闭状态、启闭圈数、指针位置。
4.1.3 水质水压监控为指挥小组更好判断灌水和冲洗过程中管道压力状态，即时获取压力数据，需在相应高程点位提前安装压力表，并指派专人定时上报数据。此外，为更好地监测管道水质有效氯含量，需选择适合点位安装取样口，便于进行管道水质监测。
4.2 过程控制4.2.1 灌水流量调节4段的设计灌水流量分别为2500、3000、3500、4000m3/h。在第一阶段缓开主控阀门逐渐增量至2500m3/h后，管线巡查人员开展检查工作，确认管道、阀门运行状态，若发生故障应及时向指挥人员报告，以便迅速调减流量，减少水量损失。在该段管道灌水完成，带有水压后应及时监控水压读数，控制压力值，在达到既定压力后调节进水流量以稳定压力。后续三段较为类似，不再赘述。
4.2.2 水迹跟踪管道内囤积有大量空气，灌水时内部气体在水力冲击作用下压力增加，在借助排气口后受压气体会高速排出。因此，监控人员可以通过排气口风速变化判断水流位置和水位情况。在水流未达到排气口前，风速略小且风声甚微，水流进一步靠近时，风速发生明显变化，风声分贝显著增加，水流到达该点位后，风速由峰值逐渐衰减，直至无气体排出，并随后在水压作用下，排气球阀上浮，彻底关闭排气口，此时表明该点位已达到满管流态。由此，指挥人员可快速获取水流踪迹，判断水流情况，及时调整后续安排。
4.2.3 应急处理在本次冲洗工作中，组建了专业应急队伍及时处理故障现象。鉴于本次冲洗出现了2种漏水现象，故探究了漏水原因和对应的处理方式。
① 排气球阀漏水。在灌水过程中，排气阀受压会逐渐上浮，直至关闭排气口，但在此过程中可能出现球阀受压不足或者存在异物堵塞的情况，造成排气口发生噗水现象，此时可在排气阀附近观察片刻，若噗水渐缓，则可判断为受压不足导致，无需应急处置；若噗水量较大且无衰减趋势，则可判断为异物堵塞，需立即进行应急处理。
② 主控阀漏水。本次分段灌水利用主控阀门作为末端挡水设施。若主阀为相对高点，则易出现末端排气困难，其在水流和气体的双重压力下，在末端主阀处形成超高压环境，最终导致主阀胶圈密封出现缝隙，有局部渗漏和冒气现象。此时可及时降低灌水流量并利用主阀旁通阀进行排气，待降压后紧固螺栓，可继续进行灌水升压。建议类似管道设计可在主阀两端视冲洗要求安装排气阀。
4.2.4 余氯衰减管道灌水过程中的余氯变化见图2。
采用定点投加药剂的方式开展消毒作业，根据每段灌水流量调整投加量，确保管道中有效氯含量不低于1mg/L。本次实践中对分段灌水的余氯衰减进行测定，每段灌水完成后人员进行12h休整，第4阶段灌水结束后进行24h闷水消毒。在每段灌水开始和结束时进行余氯测定，因余氯衰减值≤0.1mg/L，故未启用补充投加。经过闷水消毒后，管道中余氯量≥0.8mg/L，可见经提前清理的管道清洁度较高，减少了消毒剂用量。管道末端消毒剂消耗量较少，可能是由于管道末端取样点距离端点200~300m，因此无法准确判断端点处余氯消耗情况。
4.2.5 管道冲洗管道闷水消毒后，为全面保证冲洗水量，将冲洗时间选在用水低峰期（每日凌晨），水量和水压并未受限。在全线巡视完成后，逐步打开控制阀门，将流速逐步调整至1m/s，再次进行全线巡视，并进行排水水质和河道水质监测。
05管道冲洗和消毒效果5.1 大幅节约冲洗水量在完成灌水和闷水环节后，需进行冲洗工序以排出管道内浊水和高氯水。为此，按照设计冲洗流量16300m3/h开展了冲排水工作。整个冲洗过程水量约17.5×104m3，管道体积为121178.88m3，水量约为管道体积的1.44倍。根据袁文麒等、杨磊的研究，一般管道采用单向水力冲洗，冲洗流速达到1m/s，需要消耗3~5倍甚至10倍管道体积的水量，本次冲洗利用前期管道清洁水，使用水量仅约为管道体积的1.44倍。
5.2 节约消毒剂用量，保护下游水体不受污染在管道冲洗实施前，指挥小组安排了巡查人员监控全段管道和设备设施工作状态，指派专班巡查受纳河道，并指定人员1次/15min进行冲排出水质检测和下游河道水质检测（下游150断面点位），结果见图3。可以发现，随着冲洗过程的不断进行，水中浊度、余氯值均呈现快速下降并逐渐稳定的趋势，在冲排水初始点浊度、余氯较高，分别达到20.72NTU、2.2mg/L，在冲洗1.5h后，浊度、余氯值分别持续下降至2.83NTU、0.68mg/L，这主要是由于管道内部污染物在水体冲击作用下富集在冲排口，导致初排水质较差。在第3~4h，由于逐渐提升了冲排流量导致水体发生波动，水质出现反弹，但后续回归正常状态，在冲洗至第8.5h后，开始进入城市供水高峰期，故暂停了冲洗工作，恢复冲洗后初排水质较差，但持续排放30min后水质恢复正常，最终在冲洗第14.5h后水质达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2022），成功实现了冲洗消毒目标。本次投药以水中有效氯含量达到1 mg/L为控制点，冲洗过后达到了通水条件，与传统的20mg/L有效氯相比，极大地减少了消毒剂投加量，不仅提高了经济效益，还加强了对受纳水体的保护。
图3 管道冲排水和河水的浊度、余氯变化趋势
在冲排过程中受纳河道水质检测结果表明，浊度总体保持稳定，未出现上升趋势，且随着冲洗过程进行，浊度呈略微下降的变化趋势，余氯含量则出现快速上升的趋势，从初始时刻的0mg/L跃升至5h后的0.35mg/L，在第9h达到最高值（0.41mg/L），随后保持平稳。这主要是由于一方面冲洗水量和流量较大且排水浊度相对较低，一定程度上稀释了受纳水体，导致浊度未发生显著变化；另一方面高氯水的持续排出加剧了受纳水体氯含量增加，造成水体有效氯快速提升，且在排放后期水体达到了动态平衡。
可以观察到，冲洗对河道水位和河道安全影响甚微，且河流氯含量值控制在0.41mg/L以内，张穗等研究表明，水中鱼、虾类生物的余氯安全容许浓度可达到0.86mg/L，故冲排水对水生生物造成的毒性影响甚微。
06结论该大型复杂管道的冲洗消毒，采用分段静压灌水技术作为实施手段，综合考虑管道控制阀门分布、高程参数、流量和管理因素后，将管道分为4段，加强了对大型管道灌水过程的安全控制，同时对流量进行了调整，可为后续同类型管道冲洗提供经验。采用前期全面管道清洁，极大地缩减了冲洗自来水用量，而且降低了冲洗成本；同时也降低了消毒剂使用量，水质完全达标，保护了受纳水体，节约了成本。在冲洗消毒方案实施前建立了系统调度指挥体系，设置了6个专项工作组，在确定管道和设备状态、安装压力表后正式进入实施阶段。在实施过程中，系统掌握流量、水流踪迹、消毒效果和应急处理情况有利于冲洗工作成功实施，冲排水对受纳水体影响甚微。
