再生水与自来水管道错接事故探测方法

再生水与自来水管道错接事故探测方法

马洪娜

天津中水有限公司天津市300221

摘要：近几年来，人们的生活质量逐渐提高，对饮用水安全提出了更高的要求。人们群众的身体健康与居民饮用水质量息息相关，关系到社会的安全与稳定。目前，有关水质污染事故的探测方法相关研究多聚焦于由重金属、有毒有害无机物和有机物等引起的污染，而以再生水错接作为自来水管网潜在污染风险的研究鲜有报道。研究了基于氧化还原电位的管道错接探测方法；通过采集管网水样，利用荧光法探测管道错接。然而，先前研究所报道的探测方法对于再生水与自来水管道错接探测实用性不佳。一方面，依赖单一水质指标对于杂质较少的再生水错接事故探测准确性不高，并且低比例的再生水混入引起的指标读数变化小，较难被识别；另一方面，采样检测实时性较差。多常规水质指标在线监测仪器便于在供水管网中布设，能够实现水质变化的实时监测，为实现管道错接实时探测提供了有效的监测手段。然而，常规水质指标多为综合性指标，难以根据其变化直观分析污染状态。因此，需基于常规指标在线监测进行数据分析，开发对综合性指标进行有效分析的污染探测算法。本研究通过开展管道错接模拟试验，研究再生水通入自来水后引起后者的水质变化情况，并开发管道错接在线探测算法，实现对管道错接的高准报率、低误报率实时探测，有效降低管道错接造成的危害，为用户用水安全提供保障。

关键词：再生水；供水管网；管道错接；供水安全；事故探测

引言

随着自来水厂自动化水平的不断提高，以及数字化、信息化技术的广泛应用，再生水与自来水管道错接会导致严重的用水安全事故。通过开展管道错接模拟试验，开发了基于多常规水质指标协同反馈和支持向量机的管道错接探测算法。

1自来水厂控制系统简述

自来水处理厂的自动化生产，主要是指使用工业控制系统检测现场水质状况、控制工艺设备运行（如加药设备、水泵机组、阀门、电气柜等），实现对现场实时数据采集与上传，工艺电控设备的顺序、条件、计时、计数控制、PID调节控制等功能，并按照工艺要求依次完成混凝反应、沉淀处理、过滤处理、滤后消毒、加压供水等环节，最终将纯净卫生的自来水可靠地送入千家万户的过程。

2再生水回用的途径及标准

在农业中，再生水主要应用于农田灌溉、造林育苗、农牧场和水产养殖°。农业用水量在水资源利用中占据着半壁江山，据统计我国每年用于农业灌溉的水约为60亿ｍ3。再生水回用于农业被视为缓解农业水资源短缺和促进农业增产的有效措施。农业灌溉对水质要求较低，一般经过二级处理的水经适当处理即可。二级处理对氮磷等营养物质的去除率是比较低的，如果再生水作为农业回用就有可能省去这一环节或者降低处理要求，即达到了对农业提供稳定的水源，同时也提高了肥效、降低了水处理费用。由于农田水影响着大气、土壤、地下水、农业产量的大小和产物的健康问题，因此灌溉水的标准是一个必须重视的问题。虽然城市公共用水的水质要求不高，但在回用过程中会与人有间接或直接的接触，因此应严格控制其生化与卫生学指标。目前对于重金属、有机污染物及内分泌干扰物等一些有毒物质和反映水质的关键性指标尚未有完整的规范要求。再生水回用应持着“优质优用、低质低用”的原则，合理有效的去利用再生水，应结合当地的地理、气候、经济与社会等实际情况，采取有效的利用途径，让再生水发挥其最大的成效来缓解我国水资源短缺现状，促使水生态与经济的可持续发展。

3管道错接探测算法

本研究开发基于多常规水质指标协同反馈和支持向量机的管道错接探测算法。无污染时，各水质指标的读数相对平稳，相关性弱；污染发生时，多个水质指标会对污染出现协同响应，相关性增强。此处利用皮尔逊相关系数量化表达多水质指标对污染的协同反馈。ｔ时刻，取各水质指标［ｔ－Ｌ＋１，ｔ］时间区间（即时间窗口长度为Ｌ）的时间序列，Ｌ过大或过小都会导致水质发生污染的变化过程难以体现，因此需对Ｌ进行优化。基于多常规水质指标对污染的协同反馈现象，将其量化表达为皮尔逊相关系数组成的相关特征矢量，利用ＳＶＭ将相关特征矢量分为正常和异常两类，即可实现管道错接探测。

4管道错接发生时的水质变化

本试验所用自来水和再生水的水质监测指标值，再生水余氯和ＯＲＰ低于自来水，电导率高于自来水，ｐＨ和浊度差异不明显。进行3个掺混比、每个掺混比3次平行的管道错接模拟试验，共得到9组试验数据，分别记为1％－1.1％－2.1％－3.5％－1.5％－2.5％－3.10％－1.10％－2.10％－3。每组数据由120ｍｉｎ自来水基线＋60ｍｉｎ管道错接模拟组成。每个掺混比的剩余2次平行试验具有与对应掺混比所示相似的水质指标变化趋势。多水质指标对管道错接出现了相应的协同响应。试验用再生水的混入导致自来水的余氯和ＯＲＰ出现明显下降，电导率较显著上升，掺混比高时ｐＨ略微下降、浊度略微上升；再生水的混入对水温的影响很小。不同掺混比下各水质指标的变化幅度不同，掺混比高，水质指标变化幅度大，协同反馈现象明显。掺混比为10％时，60ｍｉｎ内余氯、ＯＲＰ和ｐＨ分别降低超过0.20ｍｇ／Ｌ、约90ｍＶ和0.06，电导率和浊度分别升高约30μＳ／ｃｍ和0.03ＮＴＵ。而掺混比为１％时，60ｍｉｎ内余氯和ＯＲＰ分别降低约0.08ｍｇ／Ｌ和15ｍＶ，电导率升高约2μＳ／ｃｍ，ｐＨ和浊度基本无变化。假设生物、化学反应对各指标的影响远小于物理稀释作用（即稀释作用占主导），根据表１估算自来水与再生水掺混后各项水质指标的理论变化范围：10％掺混比下，余氯、ＯＲＰ、ｐＨ、浊度、电导率的可能变化范围为（－0.04～0）ｍｇ／Ｌ、（－50～－10）ｍＶ、－0.61-＋0.03、（－0.01～＋0.04）ＮＴＵ、（＋10～＋40）μＳ／ｃｍ；1％掺混比下，分别为（－0.004～0）ｍｇ／Ｌ、（－5～－1）ｍＶ、－0.116～＋0.003、（－0.001～＋0.004）ＮＴＵ、（＋1～＋4）μＳ／ｃｍ（其中正负号分别表示升高和降低）。而实际上，化学反应的存在可能使余氯、ＯＲＰ和ｐＨ的变化超出上述范围。本试验所用再生水化学需氧量和氨氮等指标高于自来水，其对余氯存在影响，导致发生掺混后余氯在短时间内出现明显衰减，并影响ＯＲＰ与ｐＨ。浊度和电导率受化学反应的影响相对较为有限，其变化应由稀释作用主导。试验结果也显示，浊度和电导率的变化在理论分析的变化范围内，表明其主要受稀释作用影响。另外，若水质监测点与错接点存在较大空间位置差异，会对监测点水质指标变化（包括发生时间、变化速率）存在一定影响，但仍然存在多指标对管道错接的协同响应。本研究中两点距离较近，影响较小。

结语

为了解决水资源短缺问题，实现再生水的高效利用，我国部分地区已开始规模利用再生水。由于再生水不可饮用，在再生水管道敷设工程设计和施工过程中，明确禁止再生水管道与自来水管道进行混接。然而，由于多种原因，在实际工程中常常发现有再生水和自来水管道错接的现象，造成自来水水质被污染，引发用水安全事故，危害公众的身体健康。

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