第一章 文獻(xiàn)綜述與選題背景

1.1 選題背景及意義
隨著科學(xué)的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)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(zhì)二次污染的事件，用戶對(duì)供水水質(zhì)提出了新的合理要求，隨著《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)的實(shí)施，對(duì)供水水質(zhì)的指標(biāo)結(jié)構(gòu)和指標(biāo)限制提出新的要求[1]。在新的標(biāo)準(zhǔn)中尤其對(duì)水中有機(jī)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(shí)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行每日不少于一次的檢測(cè)，當(dāng)水進(jìn)入配水管網(wǎng)時(shí)，只要求每月不少于兩次的檢測(cè)，而且只針對(duì)渾濁度、色度、臭和味、余氯、細(xì)菌總數(shù)、總大腸菌群等指標(biāo)[2]。飲用水在凈水廠經(jīng)過處理后，出水水質(zhì)可以達(dá)到國(guó)家生活飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)飲用水通過供水管網(wǎng)到達(dá)用戶時(shí)，供水水質(zhì)可能會(huì)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(yuǎn)點(diǎn)用戶離凈水廠的距離較遠(yuǎn)，這樣凈水廠的達(dá)標(biāo)水會(huì)在管網(wǎng)中停留較長(zhǎng)時(shí)間，會(huì)與周圍環(huán)境發(fā)生各種反應(yīng)和物質(zhì)交換，極有可能造成供水管網(wǎng)水質(zhì)的二次污染[3]。大部分的學(xué)者一直只關(guān)注管網(wǎng)本身對(duì)水質(zhì)污染，往往忽略了管網(wǎng)周圍空氣環(huán)境對(duì)輸配水管道的污染。這是由于人們往往認(rèn)為輸配水管網(wǎng)是一個(gè)閉式系統(tǒng)，而事實(shí)是供水管網(wǎng)不完全是一個(gè)閉式系統(tǒng)。在供水管網(wǎng)中由于邊界條件的改變會(huì)出現(xiàn)負(fù)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(jìn)排氣閥會(huì)通過進(jìn)氣過程來緩解管道內(nèi)壓力的持續(xù)降低。而在這個(gè)過程中空氣中的有害污染物會(huì)隨空氣一起進(jìn)入人們認(rèn)為的封閉的供水管網(wǎng)中。隨著空氣質(zhì)量的持續(xù)下降，尤其是空氣中致癌、致畸的持續(xù)性有機(jī)污染物增多對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)影響較大，嚴(yán)重威脅用戶安全。
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1.2 國(guó)內(nèi)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(dá)標(biāo)。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(zhǎng)[4]。在實(shí)際運(yùn)行中由于一個(gè)城市的配水管網(wǎng)往往由多個(gè)凈水廠同時(shí)供水，而由于管網(wǎng)的聯(lián)通性，造成一處水廠的出水水質(zhì)會(huì)影響到整個(gè)配水管網(wǎng)；在北方等地，冬天氣溫較低時(shí)，凈水廠的原水經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)低溫低濁水的情況，而這類水質(zhì)較難處理，可能會(huì)出現(xiàn)出水不達(dá)標(biāo)情況。這兩個(gè)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(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)幾十甚至上百個(gè)環(huán)的統(tǒng)一供水管網(wǎng)，這樣凈水廠的出水需要較長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)管網(wǎng)的最遠(yuǎn)點(diǎn)用戶，這個(gè)時(shí)間甚至?xí)�達(dá)到數(shù)天的時(shí)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(yùn)行過程中管網(wǎng)漏損及管網(wǎng)中進(jìn)排氣閥等途徑進(jìn)入配水管網(wǎng)的微生物會(huì)在管網(wǎng)中增長(zhǎng)。再加上配水管網(wǎng)中水的停留時(shí)間較長(zhǎng)，給微生物的繁殖提供了足夠的時(shí)間，可能導(dǎo)致用戶處水質(zhì)已經(jīng)超出飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。而在我國(guó)很多城市的配水管網(wǎng)中的水質(zhì)屬于生物不穩(wěn)定水質(zhì)[6]。而管壁上長(zhǎng)年存在的水垢、腐蝕瘤等都會(huì)對(duì)用戶水質(zhì)產(chǎn)生影響[7]。對(duì)于配水管網(wǎng)，在正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶用水量來調(diào)節(jié)二級(jí)泵站的供水量，實(shí)現(xiàn)供需平衡。滿足用戶對(duì)水量和壓力的要求。而在配水管網(wǎng)對(duì)水的輸送環(huán)節(jié)則很難對(duì)管網(wǎng)中水質(zhì)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制，唯一的方法就是調(diào)節(jié)管網(wǎng)末梢的余氯濃度。而管網(wǎng)較大時(shí)末梢余氯濃度的增大會(huì)使凈水廠出水處的用戶的余氯極大，對(duì)其產(chǎn)生危害，因此通過余氯來控制水質(zhì)的措施時(shí)有限的。因此對(duì)配水管網(wǎng)中水質(zhì)沒有有效的處理措施，對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)的控制稱為較大難題，應(yīng)避免一切污染物進(jìn)入配水管網(wǎng)的途徑[8]。
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第二章 空氣污染物對(duì)供水水質(zhì)影響

2.1 空氣污染物的組成
由于人類活動(dòng)以及自然界不斷向空氣中排放各種物質(zhì)，當(dāng)這些物質(zhì)的含量超過了正常水平時(shí)就會(huì)對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響，這些物質(zhì)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(dòng)力學(xué)直徑可分為: TSP（總懸浮顆粒物：指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于 100μm 的空氣顆粒物）、PM10（可吸入顆粒物：指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于 10μm 的空氣顆粒物）、PM2.5（飄塵：指空氣動(dòng)力學(xué)直徑小于 2.5μm 的空氣顆粒物）和超細(xì)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(jī)碳?xì)浠�合物、氧烴類）、含氮化合物（N2O、NO、NO2）、含鹵素化合物（有機(jī)的鹵代烴、無(wú)機(jī)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(yīng)或光化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的新污染物屬于二次污染物，其一般比一次污染物對(duì)人的危害較大[19]。
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2.2 對(duì)供水水質(zhì)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(zhì)，而這些污染物對(duì)供水管網(wǎng)水質(zhì)的影響主要由溶水性、親水性、持久性、毒理性、對(duì)凈水廠原水理化性改變程度等方面因素決定。對(duì)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(jìn)排氣閥進(jìn)入供水管道后會(huì)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(huì)溶于水，而溶解的反應(yīng)一般只會(huì)改變水的酸堿度，而不會(huì)大量代入新的污染物。由于通過進(jìn)排氣閥的負(fù)壓水錘防護(hù)過程進(jìn)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(jìn)入供水管網(wǎng)后對(duì)供水管網(wǎng)水質(zhì)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(wú)機(jī)元素如Ca，F(xiàn)e，Al，Zn等，其隨空氣顆粒物進(jìn)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(duì)供水水質(zhì)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(jìn)入供水管網(wǎng)后，不管以何種形態(tài)存在都會(huì)對(duì)供水水質(zhì)產(chǎn)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(nèi)有富集性，因此應(yīng)作為重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)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(fù)壓水錘對(duì)水流特性的影響........ 21
3.4 供水管網(wǎng)流態(tài)對(duì)進(jìn)氣污染物傳播的影響 ..... 25
第四章 進(jìn)排氣閥對(duì)供水管網(wǎng)水力特性的影響 ........ 27
4.1 供水管網(wǎng)負(fù)壓水錘防護(hù)措施......... 27
4.2 進(jìn)排氣閥分類與選擇........ 37
4.3 進(jìn)排氣閥在負(fù)壓水錘防護(hù)中的進(jìn)氣量計(jì)算.... 38
第五章 進(jìn)氣污染物濃度研究 ........ 45
5.1 單個(gè)進(jìn)排氣閥管道進(jìn)氣污染物濃度計(jì)算...... 45
5.2 多個(gè)進(jìn)排氣閥管道進(jìn)氣污染物濃度研究 ..... 46

第六章 實(shí)例計(jì)算

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

結(jié)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(zhì)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(jìn)排氣閥為研究對(duì)象，當(dāng)管道中由于邊界條件的改變出現(xiàn)較大負(fù)壓時(shí)，進(jìn)排氣閥會(huì)通過將空氣吸入管道中來緩解管道內(nèi)壓力的下降，保障管網(wǎng)的正常運(yùn)行。但在這個(gè)過程中空氣中的有害污染物也隨之進(jìn)入原本認(rèn)為封閉的供水管網(wǎng)中，尤其是對(duì)沒有處理措施的配水管網(wǎng)造成嚴(yán)重的水質(zhì)二次污染問題，嚴(yán)重威脅用戶的用水安全。本文主要從進(jìn)氣污染物的類別及危害性、進(jìn)氣污染物進(jìn)入管道的途徑、進(jìn)氣污染物與水混合時(shí)的理化性、進(jìn)氣污染物在供水管道中的遷移變化規(guī)律以及在這個(gè)過程中污染物的濃度變化等過程進(jìn)行分析。最后得出如下結(jié)論：
（1）空氣中的污染物會(huì)通過進(jìn)排氣閥的進(jìn)氣過程進(jìn)入供水管網(wǎng)中，對(duì)供水管網(wǎng)水質(zhì)造成二次污染；
（2）在空氣污染物中對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)影響較大的有：重金屬離子、多環(huán)芳烴、雜環(huán)胺等物質(zhì)。在空氣中多環(huán)芳烴的濃度上限達(dá)到 2000 ng/m3到 4000 ng/m3，如果進(jìn)入供水管網(wǎng)，由于其濃度太高對(duì)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(yuǎn)高于多環(huán)芳烴，因此雜環(huán)胺的危害也不容忽視。
（3）當(dāng)供水管網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，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(huì)出現(xiàn)氣團(tuán)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(dāng)供水管網(wǎng)中水流為層狀流、波狀流和段塞流時(shí)，含有進(jìn)氣污染物的水流會(huì)穩(wěn)定得向下游運(yùn)動(dòng)，一般不會(huì)發(fā)生較大擴(kuò)散。
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參考文獻(xiàn)（略）