第一章 文獻綜述與選題背景

1.1 選題背景及意義
隨著科學的進步和經濟的不斷發(fā)展，人們對生活水平的要求也不斷升高，再加上近年來多次發(fā)生供水管網(wǎng)水質二次污染的事件，用戶對供水水質提出了新的合理要求，隨著《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749-2006)的實施，對供水水質的指標結構和指標限制提出新的要求[1]。在新的標準中尤其對水中有機污染物的含量提出了新的要求。而現(xiàn)階段的供水工程中，只是在凈水廠出水時對各項指標進行每日不少于一次的檢測，當水進入配水管網(wǎng)時，只要求每月不少于兩次的檢測，而且只針對渾濁度、色度、臭和味、余氯、細菌總數(shù)、總大腸菌群等指標[2]。飲用水在凈水廠經過處理后，出水水質可以達到國家生活飲用水質標準。而當飲用水通過供水管網(wǎng)到達用戶時，供水水質可能會發(fā)生改變。尤其是現(xiàn)在城市一般都采取較為龐大的統(tǒng)一供水管網(wǎng)，造成一般管網(wǎng)的最遠點用戶離凈水廠的距離較遠，這樣凈水廠的達標水會在管網(wǎng)中停留較長時間，會與周圍環(huán)境發(fā)生各種反應和物質交換，極有可能造成供水管網(wǎng)水質的二次污染[3]。大部分的學者一直只關注管網(wǎng)本身對水質污染，往往忽略了管網(wǎng)周圍空氣環(huán)境對輸配水管道的污染。這是由于人們往往認為輸配水管網(wǎng)是一個閉式系統(tǒng)，而事實是供水管網(wǎng)不完全是一個閉式系統(tǒng)。在供水管網(wǎng)中由于邊界條件的改變會出現(xiàn)負壓水錘波，使得管道中壓力降低，為防止管道中壓力過度降低，在管道上安裝的進排氣閥會通過進氣過程來緩解管道內壓力的持續(xù)降低。而在這個過程中空氣中的有害污染物會隨空氣一起進入人們認為的封閉的供水管網(wǎng)中。隨著空氣質量的持續(xù)下降，尤其是空氣中致癌、致畸的持續(xù)性有機污染物增多對管網(wǎng)水質影響較大，嚴重威脅用戶安全。
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1.2 國內外研究現(xiàn)狀
供水管網(wǎng)主要是指城市的輸配水管網(wǎng)，由水源到凈水廠的這段管道為輸水管線，由凈水廠到用戶的這段管道為配水管網(wǎng)。凈水廠一般通過混凝—沉淀—過濾—消毒等一系列凈水工藝去除水中的各種污染物，使得凈水廠出水達標。通過出水加氯，保證管網(wǎng)末梢的余氯濃度，抑制配水管網(wǎng)中微生物數(shù)量的快速增長[4]。在實際運行中由于一個城市的配水管網(wǎng)往往由多個凈水廠同時供水，而由于管網(wǎng)的聯(lián)通性，造成一處水廠的出水水質會影響到整個配水管網(wǎng)；在北方等地，冬天氣溫較低時，凈水廠的原水經常會出現(xiàn)低溫低濁水的情況，而這類水質較難處理，可能會出現(xiàn)出水不達標情況。這兩個原因造成在配水管網(wǎng)中水源性的污染問題[5]�，F(xiàn)在城市的配水管網(wǎng)一般都較為復雜，經常出現(xiàn)幾十甚至上百個環(huán)的統(tǒng)一供水管網(wǎng)，這樣凈水廠的出水需要較長時間才能到達管網(wǎng)的最遠點用戶，這個時間甚至會達到數(shù)天的時間。配水管網(wǎng)中由凈水廠帶來得微生物，管網(wǎng)原有的微生物及在運行過程中管網(wǎng)漏損及管網(wǎng)中進排氣閥等途徑進入配水管網(wǎng)的微生物會在管網(wǎng)中增長。再加上配水管網(wǎng)中水的停留時間較長，給微生物的繁殖提供了足夠的時間，可能導致用戶處水質已經超出飲用水衛(wèi)生標準。而在我國很多城市的配水管網(wǎng)中的水質屬于生物不穩(wěn)定水質[6]。而管壁上長年存在的水垢、腐蝕瘤等都會對用戶水質產生影響[7]。對于配水管網(wǎng)，在正常運行時，根據(jù)用戶用水量來調節(jié)二級泵站的供水量，實現(xiàn)供需平衡。滿足用戶對水量和壓力的要求。而在配水管網(wǎng)對水的輸送環(huán)節(jié)則很難對管網(wǎng)中水質實現(xiàn)調節(jié)控制，唯一的方法就是調節(jié)管網(wǎng)末梢的余氯濃度。而管網(wǎng)較大時末梢余氯濃度的增大會使凈水廠出水處的用戶的余氯極大，對其產生危害，因此通過余氯來控制水質的措施時有限的。因此對配水管網(wǎng)中水質沒有有效的處理措施，對管網(wǎng)水質的控制稱為較大難題，應避免一切污染物進入配水管網(wǎng)的途徑[8]。
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第二章 空氣污染物對供水水質影響

2.1 空氣污染物的組成
由于人類活動以及自然界不斷向空氣中排放各種物質，當這些物質的含量超過了正常水平時就會對人類和生態(tài)環(huán)境產生不良影響，這些物質即為空氣中的污染物�？諝馕廴疚锔鶕�(jù)其存在狀態(tài)不同，可分為氣態(tài)污染物和顆粒物[14]。氣態(tài)污染物主要有:二氧化硫、氮氧化物等�？諝忸w粒物按空氣動力學直徑可分為: TSP（總懸浮顆粒物：指空氣動力學直徑小于 100μm 的空氣顆粒物）、PM10（可吸入顆粒物：指空氣動力學直徑小于 10μm 的空氣顆粒物）、PM2.5（飄塵：指空氣動力學直徑小于 2.5μm 的空氣顆粒物）和超細顆粒物[15-17]�？諝庵械臍鈶B(tài)污染物主要有含硫化合物（SO2、H2S 、SO3）、含碳化合物（CO、CO2、有機碳氫化合物、氧烴類）、含氮化合物（N2O、NO、NO2）、含鹵素化合物（有機的鹵代烴、無機的氯化物、氟化物）等。其中 SO2、H2S、NO、CO、CO2等直接排放的污染物屬于一次污染物[18]；SO3、H2SO4、NO2、醛類、酮類、酸類等由一次污染物之間或一次污染物與空氣原有成分之間發(fā)生正常反應或光化學反應而產生的新污染物屬于二次污染物，其一般比一次污染物對人的危害較大[19]。
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2.2 對供水水質影響較大的空氣污染物
由上述介紹知，在空氣中現(xiàn)有的污染物種類較多，，而且各種污染物具有極為不同的理化性質，而這些污染物對供水管網(wǎng)水質的影響主要由溶水性、親水性、持久性、毒理性、對凈水廠原水理化性改變程度等方面因素決定。對于空氣中的氣態(tài)污染物，由于其具有較好的溶水性，通過進排氣閥進入供水管道后會迅速溶于水。如 SO2、H2S、NO、CO、CO2被吸入供水管網(wǎng)與水接觸后一般會溶于水，而溶解的反應一般只會改變水的酸堿度，而不會大量代入新的污染物。由于通過進排氣閥的負壓水錘防護過程進入供水管網(wǎng)的氣態(tài)污染物是有限的，而且在多數(shù)情況下不是持續(xù)的。因此空氣中氣態(tài)污染物進入供水管網(wǎng)后對供水管網(wǎng)水質的影響是微小的�？諝忸w粒物中水溶性離子如 K+，Ca2+，Na+，Mg2+，F(xiàn)-，-Cl ，2-4SO ，-3NO ，+4NH等和無機元素如Ca，F(xiàn)e，Al，Zn等，其隨空氣顆粒物進入供水管網(wǎng)后與水接觸，溶于水后只是增加了水中離子的數(shù)量。這些離子在水中本身是存在的，因此其對供水水質的影響是可以忽略的�？諝忸w粒物中的重金屬元素As，Cd，Pb，Ba 和Cr，等由于其毒性較大，進入供水管網(wǎng)后，不管以何種形態(tài)存在都會對供水水質產生較大影響。盡管重金屬在空氣顆粒物中的含量不高但其在人體內有富集性，因此應作為重點對象進行研究。
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第三章 供水管網(wǎng)的水力特性 ........ 13
3.1 供水管網(wǎng)基本方程 .......... 13
3.1.1 供水管網(wǎng)恒定流基本方程 ..... 13
3.1.2 供水管網(wǎng)非恒定流基本方程 .......... 15
3.2 供水管網(wǎng)流態(tài)分析 .......... 18
3.3 供水管網(wǎng)負壓水錘對水流特性的影響........ 21
3.4 供水管網(wǎng)流態(tài)對進氣污染物傳播的影響 ..... 25
第四章 進排氣閥對供水管網(wǎng)水力特性的影響 ........ 27
4.1 供水管網(wǎng)負壓水錘防護措施......... 27
4.2 進排氣閥分類與選擇........ 37
4.3 進排氣閥在負壓水錘防護中的進氣量計算.... 38
第五章 進氣污染物濃度研究 ........ 45
5.1 單個進排氣閥管道進氣污染物濃度計算...... 45
5.2 多個進排氣閥管道進氣污染物濃度研究 ..... 46

第六章 實例計算

6.1 供水管線進排氣閥進氣量計算
選取長 20km 的一段配水管線，管徑為 DN800 的鑄鐵管道單管輸水，起點和終點高差為 120m，選取管道水錘波速為 1000m/s，水錘相長為 40s。管道前端加壓泵房內設置兩臺離心泵（一用一備），設計揚程為 150m，設計流量為 0.57m3/s。進排氣閥的口徑選取供水管線直徑的 1/10，假設加壓泵突然斷電停泵，管道中出現(xiàn)較大的負壓水錘，經計算泵后無水錘防護措施四，泵后最大降壓達到 149m。管道輸水系統(tǒng)高程及設計水壓線如下圖 6-1 所示。針對上述管道，根據(jù)不同的水錘防護措施，將上述管線系統(tǒng)分兩種情況來計算進排氣閥的進氣量：方案一：根據(jù)傳統(tǒng)的進排氣閥設置理論，在地形局部高點設置，來防護管線的負壓水錘。應用到本管道系統(tǒng)，只在管線 6000m 處的局部高點設置一個進排氣閥，其他位置不設置防護措施如圖 6-2；方案二：根據(jù)第三章提出的聯(lián)合負壓水錘措施，在管線首段設置一個單向調壓塔，而后續(xù)管段通過進排氣閥來消除負壓的影響。應用大本管道系統(tǒng)，在管線 6000m 處的局部高點設置一座 10m 的單向調壓塔，而 6000m 后的管段根據(jù)第三章介紹的計算方法設置進排氣閥，經計算分別在 14、15、16、17、18、19km 處分別設置一個進排氣閥如圖 6-3。

結論

隨著供水矛盾的日益突出，尤其是近年來發(fā)生了多起供水管網(wǎng)水質二次污染的事件，用戶在生活飲用水中發(fā)現(xiàn)了各種污染物。本文以供水管網(wǎng)上的進排氣閥為研究對象，當管道中由于邊界條件的改變出現(xiàn)較大負壓時，進排氣閥會通過將空氣吸入管道中來緩解管道內壓力的下降，保障管網(wǎng)的正常運行。但在這個過程中空氣中的有害污染物也隨之進入原本認為封閉的供水管網(wǎng)中，尤其是對沒有處理措施的配水管網(wǎng)造成嚴重的水質二次污染問題，嚴重威脅用戶的用水安全。本文主要從進氣污染物的類別及危害性、進氣污染物進入管道的途徑、進氣污染物與水混合時的理化性、進氣污染物在供水管道中的遷移變化規(guī)律以及在這個過程中污染物的濃度變化等過程進行分析。最后得出如下結論：
（1）空氣中的污染物會通過進排氣閥的進氣過程進入供水管網(wǎng)中，對供水管網(wǎng)水質造成二次污染；
（2）在空氣污染物中對管網(wǎng)水質影響較大的有：重金屬離子、多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺等物質。在空氣中多環(huán)芳烴的濃度上限達到 2000 ng/m3到 4000 ng/m3，如果進入供水管網(wǎng)，由于其濃度太高對用戶威脅較大；而空氣中的雜環(huán)胺濃度雖沒多環(huán)芳烴高，但其致癌和致畸性遠高于多環(huán)芳烴，因此雜環(huán)胺的危害也不容忽視。
（3）當供水管網(wǎng)正常運行時，管網(wǎng)中的水流流態(tài)主要有層流、波狀流和段塞流。在管網(wǎng)的局部位置（如閥門、彎頭等）處會出現(xiàn)氣團流、泡沫流和環(huán)狀流，但這三種流態(tài)都是短暫發(fā)生的，是其他流態(tài)的過渡過程。當供水管網(wǎng)中水流為層狀流、波狀流和段塞流時，含有進氣污染物的水流會穩(wěn)定得向下游運動，一般不會發(fā)生較大擴散。
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參考文獻（略）