小小一滴水，窺見(jiàn)大民生。
水是人類生存的基本條件，保障飲用水安全事關(guān)每個(gè)人。然而，早年間我國(guó)飲用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)率卻不樂(lè)觀，嚴(yán)重影響著人民的生命健康。
如何破解飲用水安全問(wèn)題，讓群眾喝上“放心水”？保障供水管網(wǎng)水質(zhì)安全是關(guān)鍵。早在2000年，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院的張土喬教授就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)聚焦保障飲用水安全的最后屏障——供水管網(wǎng)水質(zhì)安全展開(kāi)研究。
攻堅(jiān)克難20載，張土喬團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了首個(gè)全流程供水管網(wǎng)水質(zhì)研究平臺(tái)，突破了管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定控制核心關(guān)鍵技術(shù)，解決了供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障的難題。
在日前召開(kāi)的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，這項(xiàng)成果獲得2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
把供水管網(wǎng)“搬”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室
為揭示水質(zhì)變化規(guī)律提供試驗(yàn)平臺(tái)
水源取水、水廠凈化，再經(jīng)由供水管網(wǎng)抵達(dá)千家萬(wàn)戶，這便是飲用水的流動(dòng)路徑。其中，深埋地下的供水管網(wǎng)當(dāng)屬最復(fù)雜、最難搞清楚的部分?！肮芫W(wǎng)就像一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)器，在這里物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)時(shí)刻都在上演”，張土喬說(shuō)，出廠水中的有機(jī)物、余氯等在管壁、水流等作用下，可能生成三鹵甲烷、鹵乙酸等可能致畸、致癌、致突變的物質(zhì)，威脅人體健康?！斑@意味著，即使經(jīng)過(guò)水廠凈化，用戶獲取的水也不一定是達(dá)標(biāo)的?！币Ｕ瞎芫W(wǎng)起點(diǎn)到終點(diǎn)的水質(zhì)安全，首先要了解管內(nèi)水質(zhì)演變的規(guī)律。
然而做到這一點(diǎn)并不容易。因?qū)嶋H管網(wǎng)中的水將被人體直接飲用，最有效的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展。過(guò)去，科研人員常常將水帶回實(shí)驗(yàn)室在燒杯中進(jìn)行試驗(yàn)，然而燒杯并不能模擬供水管網(wǎng)的實(shí)際環(huán)境，容易失真。想辦法還原供水管網(wǎng)的真實(shí)環(huán)境，在試驗(yàn)條件精確可控的條件下，進(jìn)行最大程度的實(shí)時(shí)模擬，成為唯一的解決路徑。
帶著這一難題，張土喬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)逐步攻克關(guān)鍵技術(shù)，終于將深埋地下的供水管網(wǎng)“搬”進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)建了首個(gè)供水管網(wǎng)水質(zhì)安全研究創(chuàng)新平臺(tái)，讓科研人員得以輕松“窺”見(jiàn)深藏于供水管網(wǎng)內(nèi)部的水質(zhì)變化規(guī)律。
在浙大玉泉校區(qū)水利實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)占地1000余平方米，高達(dá)三層樓的實(shí)驗(yàn)裝置，分外吸引眼球。這便是張土喬團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的首個(gè)全流程供水管網(wǎng)研究平臺(tái)。
4個(gè)環(huán)路、3種管材、長(zhǎng)320米的循環(huán)管路，這個(gè)創(chuàng)新平臺(tái)極大程度地還原了真實(shí)管網(wǎng)的模樣。在這里，科研人員可以輕松控制管網(wǎng)內(nèi)水的流速、溫度以及水質(zhì)指標(biāo)……這些在現(xiàn)實(shí)管道中影響著管網(wǎng)水質(zhì)變化的因素。為了更精準(zhǔn)地反應(yīng)實(shí)際管道情況，科研人員還可將現(xiàn)實(shí)中的管道直接嫁接到實(shí)驗(yàn)裝置中，尋得最真實(shí)的管網(wǎng)水質(zhì)變化規(guī)律。
該創(chuàng)新平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜管網(wǎng)環(huán)境的真實(shí)重構(gòu)和精準(zhǔn)調(diào)控，徹底解決了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究管網(wǎng)水質(zhì)的局限性和失真問(wèn)題。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)裝置，團(tuán)隊(duì)找到了供水管網(wǎng)中余氯、消毒副產(chǎn)物、微生物等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的時(shí)間-空間-環(huán)境相互影響機(jī)制和演變規(guī)律，揭示了水質(zhì)在管網(wǎng)中的遷移和演變機(jī)理。
從源頭到龍頭
為管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定控制提供“抓手”
在大眾的認(rèn)知中，經(jīng)由水廠凈水工藝處理后的飲用水往往是安全的。殊不知，即使是高質(zhì)量的水，在管網(wǎng)中經(jīng)過(guò)輸送——加壓——配置等過(guò)程，仍可能產(chǎn)生二次污染。如何讓發(fā)生二次污染的概率降到最低？張土喬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從保障管網(wǎng)末端水質(zhì)安全出發(fā)，攻克了一系列創(chuàng)新技術(shù)。
在水廠，針對(duì)典型污染河網(wǎng)原水等，研發(fā)了臭氧生物活性炭和高效混凝沉淀協(xié)同技術(shù)，降低了有機(jī)物、濁度等，提升了水體在管網(wǎng)傳輸過(guò)程中的穩(wěn)定性。
在管網(wǎng)，團(tuán)隊(duì)提出了基于末端反饋和廠網(wǎng)聯(lián)動(dòng)的優(yōu)化消毒技術(shù)。氯化消毒是當(dāng)前水廠給飲用水消毒的一種常見(jiàn)方法，水中的余氯可以做好管網(wǎng)的消毒，使得水體不容易滋生病菌。“然而，過(guò)高的余氯會(huì)給水帶來(lái)異味，并且產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，過(guò)低則將使水體失去殺菌的能力，降低供水的衛(wèi)生安全性。”團(tuán)隊(duì)成員介紹道。如何才能確保余氯從源頭到末端始終適量呢？
團(tuán)隊(duì)通過(guò)末端水質(zhì)監(jiān)測(cè)反饋，聯(lián)合在線管網(wǎng)水力水質(zhì)模型預(yù)測(cè)分析，研發(fā)了管網(wǎng)和水廠協(xié)同的精準(zhǔn)消毒技術(shù)和設(shè)備，傳統(tǒng)的單點(diǎn)加氯得以優(yōu)化為多點(diǎn)。同時(shí)，通過(guò)模型找到管網(wǎng)中加氯的最優(yōu)位置和劑量，使得消毒劑的分布更加均勻。而也正是在這樣的技術(shù)支持下，相關(guān)示范區(qū)余氯投加量減少了25.6%，余氯達(dá)標(biāo)率提高了35.6%。
在管道末端，團(tuán)隊(duì)則研發(fā)了管網(wǎng)末端緩滯區(qū)自控排水技術(shù)。這一技術(shù)確保了在末端用水較少的情況下，通過(guò)對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)能自動(dòng)排放部分不達(dá)標(biāo)的滯水，實(shí)現(xiàn)末端水質(zhì)的有機(jī)更新。
就這樣，一套涵蓋從源頭到龍頭的水質(zhì)調(diào)控體系便形成了。目前，已建成的示范工程表明，基于上述調(diào)控和控制手段，余氯等關(guān)鍵管網(wǎng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率得到了大幅提升。
打破國(guó)外壟斷
為管網(wǎng)水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)度提供“眼睛”
城市供水管網(wǎng)龐大而復(fù)雜，倘如每次進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè)都要前往實(shí)地耗時(shí)又費(fèi)力。能否實(shí)現(xiàn)對(duì)龐大管網(wǎng)水質(zhì)狀況的在線監(jiān)測(cè)？
“監(jiān)測(cè)設(shè)備是評(píng)價(jià)水質(zhì)的重要依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)控和調(diào)度管網(wǎng)水質(zhì)的‘眼睛’，”張土喬介紹道，要想實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)就必須邁過(guò)檢測(cè)設(shè)備這道難關(guān)。
10余年來(lái)，張土喬團(tuán)隊(duì)聯(lián)合企業(yè)持續(xù)攻關(guān)，打破國(guó)外壟斷，自主研發(fā)了顆粒物分析儀、生物毒性檢測(cè)儀等系列水質(zhì)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵核心設(shè)備。
有了監(jiān)測(cè)設(shè)備后，緊接而來(lái)的便是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)通過(guò)有限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)全面監(jiān)控管網(wǎng)水質(zhì)？團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，從優(yōu)化監(jiān)測(cè)設(shè)備的布置入手，通過(guò)獨(dú)創(chuàng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置算法，極大提升了管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)預(yù)警的代表性和靈敏性。
“監(jiān)測(cè)的目的，其實(shí)是為了更好地實(shí)現(xiàn)水質(zhì)調(diào)度”，團(tuán)隊(duì)成員邵煜教授介紹道，除了有限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)外，我們還需要知道管網(wǎng)其他位置的水流動(dòng)情況，因此團(tuán)隊(duì)研發(fā)了基于實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)用水量反演的精確建模技術(shù)，利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息來(lái)校核管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)用水量，提出了供水管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與模型的在線數(shù)據(jù)融合技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了離線靜態(tài)模型到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模型的跨越?；谠擁?xiàng)技術(shù)，超大型管網(wǎng)校核時(shí)間從過(guò)去的3個(gè)月縮短至現(xiàn)在的五分鐘，且精度優(yōu)于美國(guó)ECAC標(biāo)準(zhǔn)。
依托上述技術(shù)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了供水管網(wǎng)水力水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)，直接支撐了管網(wǎng)水質(zhì)的全面監(jiān)控與調(diào)度，供水管網(wǎng)運(yùn)行從人工經(jīng)驗(yàn)時(shí)代跨入機(jī)器智能時(shí)代。由院士領(lǐng)銜的鑒定委員會(huì)認(rèn)為：“團(tuán)隊(duì)在監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化布置、管網(wǎng)實(shí)時(shí)校核與智能調(diào)控平臺(tái)建設(shè)方面達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平?！?/p>
20年如一日，張土喬帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)守在保障飲水安全的領(lǐng)域。如今，團(tuán)隊(duì)研究成果已在粵港澳大灣區(qū)、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶等推廣應(yīng)用，年均安全供水45億噸，飲用水水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率不斷提升，為人民群眾喝上放心水、干凈水提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
未來(lái)，隨著人民群眾對(duì)美好生活的向往和對(duì)高品質(zhì)飲用水的不斷追求，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)仍將一如既往地致力于供水管網(wǎng)水質(zhì)安全保障的研究，推動(dòng)行業(yè)朝綠色低碳智能方向發(fā)展，為人民群眾喝上“放心的好水”保駕護(hù)航。
（文字 李靈/攝影 林朱凡/攝像 楊蘿蘿）
