飲用水安全與人類健康息息相關，用戶飲用水水質達標是人民幸福生活的重要保障。經過多年建設，我國水源保護措施不斷完善，水廠深度處理工藝水平不斷提升，而供水管網的輸配過程成為制約龍頭水水質達標的關鍵環節。上海、北京、深圳和鄭州等城市供水管網的水質調查結果顯示，水質達標的出廠水經市政管網和二次供水設備的輸配后，水質逐漸下降，特別是最后一公里（小區內）的水質下降明顯。供水管網輸配過程中水質的下降是造成龍頭水質不合格的主要原因，而龍頭水水質不合格主要體現在余氯指標無法滿足要求。因此，研究輸配管網水質監管技術與龍頭水水質保障策略具有重要的意義。

針對供水管網龍頭水質保障面臨的難題，本文分析了管網水質的現狀、問題與成因，總結了常州市從水廠到龍頭一體化管理的理念與做法，構建了以小區入口和二供水箱水質保障為核心的水質分段監管技術體系，提出了“優化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”余氯保障新思路，能夠為大型復雜管網龍頭水質穩定達標提供技術支撐與參考。

1.1 管網水質檢測頻率低，水質監管不到位

國內外供水管網水質保障主要采用水廠消毒、管網督查的方式，常采用在主干管和末梢取樣的方式進行水質監管，一般以與水質標準下限比對判斷水質是否達標。我國《城市供水水質標準》（CJ/T 206-2005）規定，管網水和末梢水檢測頻次分別為每月不少于2次和1次，按照每2萬人設1個取樣點計算，末梢水檢測頻率為0.02個/（d·萬人）。英國飲用水監管局（Drinking Water Inspectorate，DWI）2019年統計報告顯示，英格蘭地區龍頭水檢測頻率為0.80個/（d·萬人）。相比之下，我國對于末梢水質的監管頻率遠低于英國，另外，由于龍頭水取樣條件限制，我國末梢水質常規取樣點實際多為市政管網點，未能實現對管網末梢水質的有效監管。目前，我國只有一些大的供水企業、住建部以及城市供水水質監測中心具備《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）106項指標的檢測能力。因此，我國供水企業仍廣泛存在水質檢測能力和檢測頻率不足、缺乏有效監管等問題。

1.2 管網水質污染事件頻發，預警能力有待提升

管網突發性水質污染事故具有隱蔽性、突發性、非連續性和不確定性，一旦發生，極易造成經濟損失和環境危害。據統計，1996年至2015年的219起全國突發飲用水污染事件案例中，市政管網和二次供水污染66起，占比30.14%。供水管網的輸配過程是影響龍頭水質的關鍵環節。近年來，我國大型城市供水管網逐漸建設了在線水質監測點，常規水質檢測指標為余氯和濁度。由于我國現行標準對管網水質在線監測點的數量未有強制要求，實際管網中水質在線監測點數量較少，當發生污染事故時，供水企業不能實現及時排查和污染源溯源。以2020年杭州湖埠村管網水質污染為例，從接到居民投訴后歷時24 h才排查出污染源。因此，水質在線監測點數量制約了供水企業對水質污染的及時排查和溯源。另一方面，國內外學者開展了基于水質在線監測點的突發水質污染預警研究，結果表明，多個水質指標會對污染表現出協同變化，利用這種現象可以進行污染探測，通過增加在線監測點數量和優化在線監測點位置，能夠提高突發水質污染的探測概率和識別準確度。因此，優化水質在線監測點的數量和位置，提高突發水質污染的探測能力，是提升供水企業應急處理能力需要解決的關鍵問題。

1.3 管網消毒方案基于經驗，管網余氯分布不均勻

在飲用水中保持剩余消毒劑是水質消毒的常用方式。在傳統模式下，供水企業在水廠一次加氯消毒，通過管網末梢水質關鍵點的余氯濃度控制加氯量。水廠常常需要較高加氯量以保證關鍵點的余氯濃度，但加氯量過高會造成飲用水口感下降、產生消毒副產物、增加用戶投訴等問題。增設二次加氯點可以解決傳統模式加氯控制難的問題，但是實際管網中加氯點位置和加氯量的確定多基于經驗，大型復雜供水管網中仍存在水質敏感點和水質薄弱區。通過對常州管網人工采樣分析發現，采用水廠-補氯站兩級消毒方案，在出廠水余氯達標前提下，控制出廠水余氯水平低于補氯站，改善了市政管網余氯濃度分布，但管網余氯時空分布仍不均勻。因此，合理選擇消毒工藝，精準加氯，提高供水管網中余氯分布的均勻性，嚴格控制消毒副產物，改善余氯帶來的口感問題，實現居民用水同網同質，是供水管網水質管理需要解決的關鍵問題。

1.4 市政管網與小區管理分離，管網末梢水質管控難

進入小區物業管理區域的供水設施至居民家庭水龍頭之間的管道、水箱、設備等，通常被稱為供水安全保障的“最后一公里”。由于各地政府的管理部門不統一（房管、供水、衛生），責任不明確，監管不到位，我國大部分小區供水設施由物業公司管理，供水企業無法實現對小區管網有效管控。另一方面，由于物業公司對供水設施維護更新不及時、運行管理不規范，業主對“最后一公里”供水設施產權意識不足、養護管理主體混亂等原因，“最后一公里”供水設施成為建筑“死角”，造成了龍頭水質難以達標。通過對龍頭水質不合格用戶的進一步調查，研究發現，多層建筑用戶（直供用戶）的水質不合格69%產生于用戶內部，31%產生于入戶表前；高層建筑用戶（二供用戶）的水質不合格68%產生于入戶表前，24%產生于用戶內部，8%產生于小區配水管內。直供用戶的水質不合格主要產生于用戶內部，二供用戶的水質不合格主要產生于用戶外部，小區管網內兩類用戶水質不合格的主要影響因素不同。因此，在供水企業無法實現對小區管網有效監管的情況下，實現市政管網和小區管網水質分段監管是供水企業需要解決的關鍵問題，尤其要重點關注小區管網末梢水質穩定達標技術研究。

由于飲用水在管網輸配過程中會發生復雜的物理、化學、微生物作用，導致龍頭水水質相比出廠水會有一定程度的下降，甚至有時會出現不達標的情況。保持充足的余氯濃度是微生物、濁度、鐵錳、色度等項目達標的基礎，但是在供水管網輸配系統的影響下，龍頭水中的余氯、微生物和濁度難以實現穩定達標。傳統余氯保障措施一般為在水廠加氯和管網補氯，這會導致管網余氯濃度時空差異大、末梢水質難保障等問題。

為了實現大型復雜管網龍頭水質穩定達標，在管網中保持充足且均勻的余氯，需要在以下幾方面開展研究：①針對供水管網水質監管不到位問題，開展供水管網的水質薄弱區識別研究，明確制約龍頭水質穩定達標的水質指標，建立完善的在線水質監測網絡，能夠全面監測管網水質；②針對水質污染頻發問題，建立健全水質監測及預警機制，快速識別管網突發水質污染；③針對管網末梢水質管控難問題，開展小區內管網余氯降解研究，提出龍頭水質保障策略，尤其是二供用戶，在水箱水力停留時間長、用戶用水波動大的情況下，開展保障二供水箱出水余氯穩定達標且穩定的技術研究；④針對管網消毒劑時空分布不均勻問題，開展廠網聯動消毒方案優化研究，在滿足管網消毒要求基礎上降低消毒劑投加量，有效保障全管網水質安全。

針對上述科技需求，以常州為試點，從供水管網水質監測與預警、管網末梢水質精準調控、廠網聯動優化投氯三個方面展開研究，提出基于廠-網-二次供水多級監測與反饋的廠網聯動水質保障技術。如圖1所示，形成以小區入口和二供水箱出水為關鍵控制點的水質分段監管與保障：①構建從水廠到用戶龍頭的全流程水質監測網絡，實現管網水質監控和水質污染預警；②根據小區管網余氯降解潛勢確定小區入口余氯控制濃度，通過控制小區入口余氯濃度實現龍頭水余氯濃度穩定達標。其中，通過精準調控二供水箱出水余氯濃度局部提升水質，保障小區管網水質穩定達標；③以小區入口余氯濃度滿足控制目標為前提條件，構建涵蓋水廠、增壓站、監測點、小區入口的水質模型，提出廠網聯動優化投氯方案，實現消毒劑總量與時空均勻度的同步優化，保障市政管網水質穩定達標。本技術通過“優化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”的龍頭水質保障策略，實現了市政管網和小區管網的水質分段監管與保障。

3.1 廠-網-二供全流程水質監測及預警

對常州全管網219個采樣點進行常規水質分析，結果顯示，全管網水質均滿足現行標準要求，余氯濃度普遍偏高且空間分布差異大。其中，余氯濃度低于0.30mg/L的采樣點占比31.05%，在0.30~0.50mg/L的采樣點占比61.65%，高于0.50mg/L的采樣點占比7.30%。在ArcGis中利用空間分析工具繪制管網水質等高線，如圖2所示，進一步結合管網實際情況分析發現，水質相對薄弱點主要分布在老舊小區二供水箱和管網末梢。

對水廠、增壓站、市政管網點、二供水箱、用戶龍頭等具備上下游關系的6個采樣點進行管網沿程水質分析，結果顯示，全管網水質均滿足現行標準要求，耗氧量和三氯甲烷沿程變化不大，溴酸鹽未檢出；游離氯、總氯變化趨勢基本一致，增壓站補氯前，氯耗約為40%，增壓站補氯后，到最后一個采樣點，氯耗也約為40%；濁度超標風險較高，在最后一個采樣點接近1 NTU，濁度升高的主要原因是總鐵濃度的上升，二者有顯著相關性；高余氯有助于總鐵濃度的控制，研究發現，制約常州市龍頭水穩定達標的關鍵指標是余氯和濁度。

在水質薄弱區識別基礎上，通過監測點優化布置分析，在水質薄弱區增設5個在線水質監測點（監測指標為余氯、濁度、pH、電導率、氧化還原電位），解決了已有監測點不能覆蓋全流程水質監測的問題。全流程水質監測數據（水質、水量等）實時上傳至管網調度中心數據庫，每天采集各種頻率的運行數據近200萬條，實現了全面監控從水廠到用戶的管網水質時空變化過程。

利用安裝在二供水箱的在線多參數水質傳感器（余氯、濁度、電導率和氧化還原電位），進行供水管網突發水質污染事件模擬（河水摻混、氨氮溶液摻混），以水質參數間的皮爾遜相關系數表征數據對污染事件的協同響應特征。研究發現，水質特征向量的提取能夠充分利用多水質參數對污染事件的協同反饋現象，同時又保留了監測數據的原始信息。提出采用隔離森林（Isolation Forest, IF）算法的水質預警技術，隔離森林算法使用二叉樹對水質特征向量數據樣本進行分割，在這種隨機分割的策略下，具有較短路徑長度的異常數據易被隔離，從而實現水質污染事件預警。相較于多水質參數法，本技術準報率（TPR，見圖3）提升了18.10%，誤報率（FPR）降低了80.80%；相較于單水質參數法（余氯），準報率提升了75.60%，誤報率降低了8.10%。本技術適用于在線多參數水質預警，能夠有效降低儀器、環境噪音等對突發污染事件識別的影響，解決了傳統水質預警技術準報率和低誤報率高的難題。

3.2 管網末梢水質精準調控

采樣分析常州主城區內176個小區的余氯濃度，研究發現，39個直供小區中，小區入口余氯濃度小于0.40mg/L的占比4.55%；137個二供小區中，二供增壓后出水余氯濃度小于0.40mg/L的占比27.54%。相比于直供小區，二供小區內余氯濃度普遍偏低，為制約龍頭水余氯穩定達標的關鍵環節。二次供水模式分為水箱供水（34.78%）、無負壓供水（48.55%）、水箱-無負壓雙模式供水（16.67%），其中，二次供水水箱的平均水力停留時間為11.61 h，且無補氯措施，容易造成二次供水水質下降。因此，進一步確定采用水箱供水的二供小區為研究重點。

根據小區規模（戶數）、入住率、小區年限等條件，選擇13個采用水箱供水的二供小區進行小區內余氯降解規律研究，通過分析余氯在典型小區內管線的降解潛勢，以龍頭水穩定達到0.05mg/L為前提，提出直供小區入口/二供水箱出水最低余氯濃度限值冬季應為0.25mg/L，夏季應為0.35mg/L。針對二供水箱停留時間較長、水箱出水水質不穩定等問題，提出面向用戶穩定達標的二供水箱出水余氯精準調控技術，該技術主要包括基于水箱出口水質后反饋的次氯酸鈉投加算法，根據二供水箱出水余氯濃度實時調控自動補氯裝置加氯量，同時通過在水箱內增加主動導流裝置，克服了水箱混合效果差、余氯濃度不均勻的問題，控制二供水箱出水余氯濃度在最低濃度限值（冬季應為0.25mg/L，夏季應為0.35mg/L）以上，出水余氯濃度波動范圍小于0.05mg/L，解決了二供水箱出水余氯濃度不穩定的問題，有效保障了龍頭水質穩定達標。

3.3 廠網聯動優化投氯

供水管網優化投氯是通過管網水力水質的機理模型和高性能的隨機優化算法相結合的方式求解最優解，優化目標主要包括：最小化消毒劑的總投加量、最大化余氯分布的均勻度、最小化加氯點的個數。優化目標一般選取其中的一個（單目標優化）或多個（多目標優化）。利用管網水質模型實現管網水質模擬，得到在不同工況下的節點余氯濃度、壓力等數據，進而計算該工況下的優化目標和約束條件?；诠芫W水力模型，利用在線水質監測點和人工采樣點的水質數據，完成管網水質模型的構建和校核，水質模型相對誤差為21.90%。

以小區入口余氯濃度滿足最低濃度限值為前提條件，通過分析小區入口（水質模型末梢）余氯濃度與在線水質監測點余氯濃度的相關性，確定常州主城區內在線監測點余氯控制濃度（見表1），通過控制在線監測點余氯濃度（見表2），實現了管網水質監管前哨從小區入口前移至在線水質監測點，也實現了從小區定期取樣監管模式向管網在線監測模式的過渡。在此基礎上，構建了水廠-增壓站-監測點余氯預測模型，以余氯時空均勻度和最小投加量為目標的優化函數，形成了廠網聯動優化投氯方案（見圖4）。相對于原方案，新方案的冬季總加氯量降低11.20%，管網余氯分布均勻度提高13.70%，夏季總加氯量降低4.60%，管網余氯分布均勻度提高13.60%。

  消毒方案調整前后水廠和3個增壓站出水余氯濃度變化情況如表3所示，2020年全年投藥量比2019年降低6.2%。根據2020年3月至8月常州主城區內50個點位常規水質檢測、10個水質敏感點（二次供水水箱、水龍頭）水質全分析顯示，龍頭水質滿足國家《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）要求。研究結果表明，通過消毒方案調整，在市政管網水質滿足要求基礎上降低了消毒劑總投加量，實現了供水管網的精細消毒和精準加氯，保障了全管網余氯穩定達標和時空分布均勻性。

根據2020年3月至8月常州主城區內50個點位常規水質檢測、10個水質敏感點（二次供水水箱、水龍頭）水質全分析顯示，常州主城區100萬人口龍頭水質滿足國家《生活飲用水衛生標準》（GB 5749-2006）要求。面對龍頭水質保障的諸多挑戰，應用于常州主城區的基于廠-網-二次供水多級監測與反饋的廠網聯動水質保障技術，仍取得了顯著成效，在供水管網水質監測與預警、管網末梢水質精準調控和廠網聯動優化投氯等三方面取得了重要研究成果，主要體現在：

（1）通過分析小區入口與在線水質監測點的相關性，確定在線監測點的余氯控制濃度，實現了管網水質監管前哨從小區入口前移至在線水質監測點，也實現了從小區定期取樣監管模式向管網在線監測模式的過渡。

（2）以小區入口和二供水箱出水為關鍵點控制管網余氯濃度，通過二供水箱出水余氯精準調控局部提升薄弱點水質，有效保障了小區管網水質穩定達標。

（3）通過廠網聯動優化投氯方案，有效保障了市政管網水質穩定達標，實現了消毒劑總量與時空均勻度的同步優化。

上述研究成果形成了“優化投加、時空均衡、局部提升、精準控制”的龍頭水質保障策略，實現了市政管網和小區管網水質的分段監管，解決了大型復雜管網龍頭水質全面穩定達標問題，是可督查、可復制、可信賴的龍頭水質保障機制。