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潜心研究二十载！浙大团队为群众喝上放心水保驾护航

大学作者：浙江大学 2021-12-20 23:06:48

小小一滴水，窥见大民生。

水是人类生存的基本条件，保障饮用水安全事关每个人。然而，早年间我国饮用水水质达标率却不乐观，严重影响着人民的生命健康。

如何破解饮用水安全问题，让群众喝上“放心水”？保障供水管网水质安全是关键。早在2000年，浙江大学建筑工程学院的张土乔教授就带领团队聚焦保障饮用水安全的最后屏障——供水管网水质安全展开研究。

攻坚克难20载，张土乔团队创建了首个全流程供水管网水质研究平台，突破了管网水质稳定控制核心关键技术，解决了供水管网水质安全保障的难题。

在今年的国家科学技术奖励大会上，这项成果获得国家科学技术进步奖二等奖。

把供水管网“搬”进实验室

为揭示水质变化规律提供试验平台

水源取水、水厂净化，再经由供水管网抵达千家万户，这便是饮用水的流动路径。其中，深埋地下的供水管网当属最复杂、最难搞清楚的部分。“管网就像一个复杂的反应器，在这里物理、化学、生物等反应时刻都在上演”，张土乔说，出厂水中的有机物、余氯等在管壁、水流等作用下，可能生成三卤甲烷、卤乙酸等可能致畸、致癌、致突变的物质，威胁人体健康。“这意味着，即使经过水厂净化，用户获取的水也不一定是达标的。”要保障管网起点到终点的水质安全，首先要了解管内水质演变的规律。

然而做到这一点并不容易。因实际管网中的水将被人体直接饮用，最有效的现场试验无法开展。过去，科研人员常常将水带回实验室在烧杯中进行试验，然而烧杯并不能模拟供水管网的实际环境，容易失真。想办法还原供水管网的真实环境，在试验条件精确可控的条件下，进行最大程度的实时模拟，成为唯一的解决路径。

带着这一难题，张土乔带领团队逐步攻克关键技术，终于将深埋地下的供水管网“搬”进实验室，创建了首个供水管网水质安全研究创新平台，让科研人员得以轻松“窥”见深藏于供水管网内部的水质变化规律。

在浙大玉泉校区水利实验室，一个占地1000余平方米，高达三层楼的实验装置，分外吸引眼球。这便是张土乔团队创建的首个全流程供水管网研究平台。

4个环路、3种管材、长320米的循环管路，这个创新平台极大程度地还原了真实管网的模样。在这里，科研人员可以轻松控制管网内水的流速、温度以及水质指标……这些在现实管道中影响着管网水质变化的因素。为了更精准地反应实际管道情况，科研人员还可将现实中的管道直接嫁接到实验装置中，寻得最真实的管网水质变化规律。

该创新平台实现了复杂管网环境的真实重构和精准调控，彻底解决了室内试验和现场测试研究管网水质的局限性和失真问题。通过这一实验装置，团队找到了供水管网中余氯、消毒副产物、微生物等关键水质指标的时间-空间-环境相互影响机制和演变规律，揭示了水质在管网中的迁移和演变机理。

从源头到龙头

为管网水质稳定控制提供“抓手”

在大众的认知中，经由水厂净水工艺处理后的饮用水往往是安全的。殊不知，即使是高质量的水，在管网中经过输送——加压——配置等过程，仍可能产生二次污染。如何让发生二次污染的概率降到最低？张土乔带领团队从保障管网末端水质安全出发，攻克了一系列创新技术。

在水厂，针对典型污染河网原水等，研发了臭氧生物活性炭和高效混凝沉淀协同技术，降低了有机物、浊度等，提升了水体在管网传输过程中的稳定性。

在管网，团队提出了基于末端反馈和厂网联动的优化消毒技术。氯化消毒是当前水厂给饮用水消毒的一种常见方法，水中的余氯可以做好管网的消毒，使得水体不容易滋生病菌。“然而，过高的余氯会给水带来异味，并且产生消毒副产物，过低则将使水体失去杀菌的能力，降低供水的卫生安全性。”团队成员介绍道。如何才能确保余氯从源头到末端始终适量呢？

团队通过末端水质监测反馈，联合在线管网水力水质模型预测分析，研发了管网和水厂协同的精准消毒技术和设备，传统的单点加氯得以优化为多点。同时，通过模型找到管网中加氯的最优位置和剂量，使得消毒剂的分布更加均匀。而也正是在这样的技术支持下，相关示范区余氯投加量减少了25.6%，余氯达标率提高了35.6%。

在管道末端，团队则研发了管网末端缓滞区自控排水技术。这一技术确保了在末端用水较少的情况下，通过对管网水质的在线监测，系统能自动排放部分不达标的滞水，实现末端水质的有机更新。

就这样，一套涵盖从源头到龙头的水质调控体系便形成了。目前，已建成的示范工程表明，基于上述调控和控制手段，余氯等关键管网水质指标达标率得到了大幅提升。

打破国外垄断

为管网水质实时监测调度提供“眼睛”

城市供水管网庞大而复杂，倘如每次进行水质监测都要前往实地耗时又费力。能否实现对庞大管网水质状况的在线监测？

“监测设备是评价水质的重要依据，是实现全面监控和调度管网水质的‘眼睛’，”张土乔介绍道，要想实现在线监测就必须迈过检测设备这道难关。

10余年来，张土乔团队联合企业持续攻关，打破国外垄断，自主研发了颗粒物分析仪、生物毒性检测仪等系列水质监测的关键核心设备。

有了监测设备后，紧接而来的便是监测点的选择问题。如何实现通过有限的监测点来全面监控管网水质？团队另辟蹊径，从优化监测设备的布置入手，通过独创的监测点布置算法，极大提升了管网水质监测预警的代表性和灵敏性。

“监测的目的，其实是为了更好地实现水质调度”，团队成员邵煜教授介绍道，除了有限的监测点外，我们还需要知道管网其他位置的水流动情况，因此团队研发了基于实时节点用水量反演的精确建模技术，利用监测点的信息来校核管网节点的实时用水量，提出了供水管网监测系统与模型的在线数据融合技术，真正实现了离线静态模型到实时动态模型的跨越。基于该项技术，超大型管网校核时间从过去的3个月缩短至现在的五分钟，且精度优于美国ECAC标准。

依托上述技术，团队创建了供水管网水力水质实时监控与调度系统，直接支撑了管网水质的全面监控与调度，供水管网运行从人工经验时代跨入机器智能时代。由院士领衔的鉴定委员会认为：“团队在监测网优化布置、管网实时校核与智能调控平台建设方面达到了国际领先水平。”