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　　摘要：基于城市的快速發展過程導致供水方面的需求不斷增加等問題，介紹了日本自來水管網的發展歷程，從日本管網現采用的抗震設計、管壓和流速的設計、供水管網布局模式等方面介紹了日本水力風險的控制策略，從自來水水質、管道事故控制對策、水質控制指標、末端水質控制策略等方面介紹了日本水質風險的控制策略，并介紹了日本最新的自來水管網管理相關研究。最后，依據日本的發展經驗提出對我國管網建設與管理的建議。
　　
　　馬駿（1977-），男，內蒙古豐鎮人，博士研究生，講師，主要從事環境土壤和水污染處理方面研究。
　　城市的快速發展過程導致其對于供水方面的需求不斷增加，各自來水廠也隨之持續對自來水處理單元提升改造，完善深度處理工藝。在自來水出水水質不斷提高的同時，作為自來水廠和用戶終端紐帶的自來水管網也面臨著更高的要求，一方面，隨著用水人口數量和用水需求量的增加，自來水管網的鋪設持續延伸，覆蓋范圍也在不斷擴大；另一方面，很多管道使用年限已久，磨損嚴重，因此需要穩步推進改造工作。日本的自來水事業開始于17世紀初的江戶時代，1887年日本近代自來水事業于日本港口城市橫濱起步，據統計，1985年日本自來水覆蓋人口3700萬，2011年日本自來水覆蓋人口已達到12 462萬人，自來水普及率從1958年的41%發展到2011年的97.5%，已基本實現全民自來水供給。但是，在快速的城市化過程中，日本也面臨過如管網老化和管網水質事故等各種自來水管網管理問題，并針對這些管網問題采取了相應的對策和措施。針對日本近年的供水管網事故及其應對措施，從日本供水管網、供水水質問題及其應對措施、供水管網研究進展三方面進行系統性介紹，為我國的自來水管網管理工作提供建議。
　　1.日本供水管網介紹
　　第二次世界大戰以前，自來水供水在日本是僅在大城市能享受到的基礎設施服務。1958年后，隨著日本現代化城市建設進程，自來水系統也快速拓展和升級。2014年的統計表明，日本全國自來水管總長度為66ｘ104 km。但是，隨著供水管網的長年使用，管道的老化率不斷增加，而管道的更新率僅維持在1%左右，特別是有眾多供水單位和密集供水管網的人口密度較高的大都市區。例如，據2011年的統計，其超過40年使用年限的老化自來水管占8.5%。
　　傳統的供水管網主要是鐵質管道、鍍鋅鋼管等，老化后容易發生漏損現象，產生紅水等水質問題。后來，為預防管網漏損，開始逐漸使用球墨鑄鐵管道替換鐵質管道。目前，在日本主要的水管材料中，球墨鑄鐵管的比重最大，其次分別是硬質氯乙烯管（PVC管），聚乙烯管和鋼管等。球墨鑄鐵管和硬質氯乙烯管材用量占總管長的88%。日本某地區供水管網模型見圖1。
　　
　　圖1 某地區供水管網模型
　　2.水力風險及控制策略
　　根據2013年日本對其全國供水事故的統計匯總（見圖 2），2013年日本全國供水事故中，涉及供水管網的供水事故占大多數，特別是水管漏損的情況占到總事故的60.2%。為了進一步控制自來水漏損造成的自來水資源的浪費，日本厚生勞動省制定了漏水控制對策以及有效的供水率目標（大型供水單位有效供水率9為8%，小型供水單位有效供水率為95%）。為此，日本制定了一系列漏損控制措施。其中主要包括基礎措施、針對性措施和預防性措施。得益于日本有效的漏損預防控制工作，日本的供水效率已從1979年的77.6%上升到2001年的92.4%。
　　
　　圖2 日本全國的供水事故原因匯總
　　2.1 水力風險基礎調查
　　水力風險基礎調查主要包括配水量分析、漏水量的掌握和漏水原因的解析。其中配水量分析主要針對水的使用用途進行分類統計，其分析結果作為供水單位運營的重要指標，并為供水單位的漏損控制目標提供理論依據。
　　根據日本厚生勞動省的水道維持管理方針，配水量（見表1）主要分為有效水量和無效水量。其中，有效水量主要包括正常收費水量和市政用等非收費水量，無效水量則包括由于水質問題導致的減額水量和管網系統漏水量的測量（當地面出現漏水時，于維修前進行）。地下漏水的測量方法主要包括直接測量法和間接測量法；而漏損分析是其中非常重要的一環，對未來的漏損控制措施的制定非常重要。為了分析滲漏問題，準確的管道信息和管道周圍環境信息必不可少，主要內容包括漏水種類、漏水設施、漏水原因和漏水區域等。
　　表1 配水量分析內容匯總
　　
　　2.2 針對性措施
　　針對性措施主要包括機動型漏水修復措施和計劃型漏水修復措施。機動性修復主要是指檢測地面滲漏的早期檢測、準確檢測和修復漏水點的工作，根據居民提供的信息以及在巡回檢測中發現的臨時問題實施。計劃型漏水修復指通過各種漏水檢測手段對修復區域內的管路進行定期檢查和修復，主要針對的是地下漏水。主要工作內容包括巡回檢測漏損位置、測定漏損水量，對檢測漏損管路進行定期巡回檢測，并及時進行修復。
　　2.3 預防性措施
　　預防性措施是指采取更新管道等手段來消除可能產生漏損的原因。主要措施包括配水管和給水管的改良、水壓的調整、腐蝕防治和施工中的注意事項等。
　　①配水管改良。及時對配水管和給水管進行改良，使用球墨鑄鐵管道替換容易產生紅水、抗震性差的鐵管。球墨鑄鐵管具備承壓能力強、抗震性強、耐腐蝕等特點，2002年東京實施的“K0工程”將老化供水鐵管更換為球墨鑄鐵管道，到2007年底，東京配水管網已基本完成更換。
　　②改善入戶水管材質。在傳統供水管網中，通常采用的是鉛質管道，容易發生漏損。將入戶管道更換為不銹鋼材質的管道，可以控制飲用水中鉛含量，并預防控制管網漏損。
　　③采用大口徑供水管道。采用大口徑供水管道，在一定程度上可增強管道的抗震能力。東京供水管理局采用直徑>75mm的管道更換以前鋪設的配水管網，自2007年起，替換范圍已經擴大到1998年以前鋪設的配水管道。
　　④水管漏損預防技術。加大對漏損檢測技術或設備的開發和研究，縮短管道漏損檢測工作時間，及時檢出漏損水管，降低水管漏損率。
　　2.4 管道風險評價體系
　　為了更進一步對供水單位的管網管理情況進行評價考察，日本水道協會制定了水道事業指導手冊業務指標（見表2），主要包括管道環境、管道狀況、經營狀況、更新耐震一級維持管理措施等指標。
　　表2 水道事業指導手冊業務指標
　　
　　注：經常性收支比率=營業收入/營業支出；有收入率=獲得收入的水量/供水量
　　2.5 日本管網現狀
　　2.5.1 抗震設計
　　2011年日本東北地區太平洋沖地震中，約257萬戶斷水；2016年熊本地震，約44.6萬戶斷水，自來水設施受到了很大的損失，嚴重影響了市民生活和社會經濟活動。厚生勞動省開展了“自來水設施、管道抗震性改善運動”（第一期2008年—2009年、第二期2010年—2011年），2012年設立了“自來水抗震化推進項目”，進一步發展了前述的運動，進行了有關自來水設施抗震化的宣傳活動。在 “2013年度管路抗震化研討會”上，制定了《自來水抗震化計劃等制定指南》修訂版等，對自來水設施抗震化進行宣傳普及。為了配合設施更新，將自來水設施整體在牢固抗震性方面進行改進，修訂了《制定自來水設施技術基準的省令》部分內容。另外，考慮到現有設施的重要性和優先度，針對各自來水經營者進行建議和指導，以便有計劃地進行抗震化的推進。
　　截止到2018年末，日本自來水設施中主干管路抗震適應性強的管道比例約40.3%，凈水廠的抗震化率約30.6%，供水池的抗震化率約為56.9%（見圖3）。
　　
　　圖3 自來水設施的抗震化現狀（2018年）
　　2.5.2 管壓、流速設計
　　為保證供水水質，日本水道施設設計指南中對配水管水壓制定了規定技術標準的省令，有著明確規定：①從配水管分支到配水管的地方，配水管內的最小動水壓要確保在150kPa以上。②從配水管分支到配水管內的最大靜水壓不超過740 kPa。日本主要使用球墨鑄鐵管、鋼管、不銹鋼管、硬質多氯乙烯管等自來水配水管。對于球墨鑄鐵管及鋼管、不銹鋼管等配水管的最高使用壓力為1.00MPa，對于硬質多氯乙烯管和聚乙烯管自來水配水管最高使用壓力為0.75 MPa。在配水管網中，由于這些管材混在一起，所以從保護當前使用的供水裝置的角度來看，最大靜水壓可接受的數值設定為0.74 MPa。另外，關于最大動水壓，考慮到直接供水范圍的擴大帶來的最小動水壓的上升，優選為0.50 MPa左右。
　　同時，針對流速，根據具體的情況，在考慮經濟性的基礎上制定設計平均流速。日本導水管和輸水管道的設計平均流速參考因素為：①自然流下式的情況下，容許最大限度為3.0 m/s左右。②在泵加壓式的情況下，采用經濟流速。引水渠的平均流速允許最大限度為3.0 m/s左右，允許最小限度為0.3 m/s左右。東京地區水道局則一般在用戶出口流速為2.0 m/s情況下進行設計。
　　2.5.3 日本供水管網布局
　　日本供水模式主要分為直壓直連、加壓直連、高置水槽和底置水槽加壓供水這4種方式，其具體的優缺點如表3所示。同時為滿足穩定水量、安全水質、適當水壓、抗震、設施更新改造等要求，日本水道協會將供水系統劃分為取水設施、導水設施、凈水設施、送水設施、配水設施和給水設施6部分。其中送水管道、配水池和配水管道共同構成了城市送配水系統。送水管道連接凈水廠和配水池，在合適的壓力下以穩定方式供水。配水池根據當地的供水壓力，滿足用戶水量變化要求。日本的常規操作是對給水區域進行劃分，具體到每個分區包含有一到多個配水池。配水池作為供水的臨時儲存設施，根據需求進行水量控制，其容積按照輻射區域日12 h供水量作為標準；區域內的水壓保證由管網按照區域劃分進行計算確定。
　　表3 日本供水模式適用范圍及優缺點
　　
　　2.5.4 運行案例及效果
　　日本埼玉縣朝霞凈水廠、東京都杉并區、上井草給水所的朝霞上井草線送水管使用的是超大口徑給水管，供應220萬人的正常用水，但經過50年的使用，開始出現一定程度上的設施老化。加之考慮到地震事故對供水的影響，日本全境特別是東京地區，正在逐步推進自來水管網的二重化和網絡化建設。比如，在原有的朝霞上井草線基礎上，修建第二朝霞上井草線，同樣采用超大管徑2 600 mm耐震型球墨鑄鐵管，并預計2023年竣工使用。現在東京主要的大口徑管道建設見圖 4。
　　
　　圖4 東京主要大口徑管道建設示意
　　3.水質風險及控制策略
　　3.1 自來水水質風險
　　為保證供水水質的安全，除使用符合法律要求的材料標準產品外，還應從給水水質、土壤影響、敷設位置、管道特性、耐腐蝕性等角度對管道材料進行必要的考慮和適當的選擇，并且在建設過程中有所注意。另外，在發生由配管引起的紅水等水質異常的情況下，需要考慮更新配管或采取清掃配管內部等措施。同時在供水設施中，管道連接方法的不當也可能會產生水的倒流，從而對配水管內的水質產生不良影響。當直接連接供水管以外的供水管和水管時，由于閘閥等的錯誤操作而發生回流也會對自來水水質產生影響。在日本，私人獨棟住宅經常同時使用地下水和城市自來水作為水源，地下水和自來水管的混接引起的水質事故時有發生，因此自來水管和地下水管的使用和連接需要更加嚴格的管理。而當供水管網中發生負壓情況時，供水管網附近的污染物會由于負壓作用進入供水管網中，從而導致嚴重事故，進而影響整個供水系統的水質安全。
　　一般而言，異常現象可以根據供水設備（由水錘和供水工具部件等引起的異常噪聲和振動）、自來水的著色和氣味（與供水設備的結構和材料有關）進行大致分類。
　　盡管供水系統中的異常聲音和振動通常通過改善管道形式和供水工具的部件消除，但是仍然有必要對自來水著色和氣味的原因進行詳細調查，并及時采取適當的措施。日本厚生勞動省對主要的水質現象及其發生原因和解決辦法進行總結，制定水質污染防治對策。
　　3.2 管路事故對策
　　針對可能產生的管路事故，日本制定了管路事故對策指導手冊，其中針對管路事故制定的相關應急響應機制包括：預防對策（包括應急體制組織和業務、準備應急對策資料、與有關單位的合作、教育培訓、給水裝置凍結事故對策等）和應急對策（出動體制確立、應急體制的確立、應急修復、應急供水對策等）。管道事故緊急部署基準內容見表 4，管道事故應急修復現場作業步驟見表 5。
　　表4 管道事故緊急部署基準（例）

　　表5 管道事故應急修復現場作業步驟（例）　
　
　　3.3 水質控制指標
　　根據日本《水道法》第4條規定，自來水必須符合《水質標準相關省令》（2015年5月30日厚生勞動省第101號法令）中規定的水質標準，具體的自來水質量標準、水質管理目標值如表 6所示。根據《水道法》，日本自來水供水部門等必須對自來水進行檢查。除水質標準外，還要將水質管理目標項目、未進行毒性評估的物質和自來水中檢測不明顯的項目作為必要的項目。同時自來水供水部門應制定相關的水質檢測計劃，并向消費者提供水質標準項目等的相關水質檢測。
　　表6 日本水質標準項目和參考值（51項）
　　
　　3.4 末端水質控制策略
　　在預防水質事故的同時，日本對供水水質也提出了更高的要求。日本自來水工藝最終都會采用氯消毒工藝，以控制自來水微生物風險。為保證消毒效果，法律規定了余氯濃度在0.1 mg/L以上。為保證管網末端的余氯濃度，日本大城市管網（東京、大阪等）中供水泵站實行多級加氯措施,同時通過中途加氯，降低藥耗，減少消毒副產物的生成，滿足最新的水質標準對消毒副產物的嚴格要求。但余氯濃度過高，水會有強烈的氣味，因此，日本政府同時將自來水水質管理中的余氯目標值最高設定為1.0 mg/L。名古屋市政府為了水的口感，將余氯濃度控制在0.1～0.4 mg/L的范圍內。然而，氯在水輸送過程中逐漸消耗，造成氯濃度在靠近水廠的地方高，在相對遙遠的地區較低的情況。因而，在自來水廠負責的整個供水區域內，將所有地區的濃度保持在一定范圍內較為困難，需要采用先進的技術手段，對其進行更加精確的控制。特別還要研究在配水過程中進行氯添加的技術；同時還要減少水的停滯區段，降低供水流經管道過程所用的時間。
　　為了進一步提升自來水的口感，日本在供水水溫上也開展了大量具體的工作。日本開展了抑制供水設施中每個階段的水溫上升的技術研究，進一步研究了從供水口到用戶末端時影響水溫升高的因素及波動原因。研究人員調查了從水源到水口的水溫，并找出影響水系統水溫的原因，考慮改進措施。在調查的水箱供水水溫變化的情況下，考慮時間的影響，研究安裝情況、材料和換水時間對水溫的影響。作為抑制水溫上升的另一個有效措施，日本也在如何切斷太陽光及覆蓋水凈化廠濾池方面開展了廣泛的研究。
　　4.最新研究進展
　　在以上的措施之外，日本近年來也開展了未來自來水管網管理的相關研究（如表 7所示）。主要包括管網信息化管理、管網監測及控制以及管道修復技術等。其中，管網信息化管理通過詳細的管網數據和模型，對管網老化、漏損事故和水質事故等進行預測；管網監測則通過設置傳感器、水質監測儀等先進的監測設備，實現對水源、供水、排水設備運行的自動化檢測、評價和管理，可遠程監控供水量、水壓的實施情況。管道修復技術主要從管道清洗，管道狀態檢查，管道修復等開展相關研究。
　　表7 日本最新的管道技術課題匯總
　　
　　東京水道局、橫濱市水道局、大阪市水道局、堺市上下水道局、神奈川縣企業廳、廣島市水道局、名古屋市上下水道局、新瀉市水道局、福島市水道局、埼玉市水道局、福岡市水道局、京都市上下水道局、靜岡市上下水道局等13個日本地方水道局聯合成立了日本水道ICT情報聯絡會，專門公開相關課題，推進智慧管控在自來水管理上的應用。同時，日本經濟產業省也發表了水道情報活用系統導入指導手冊，為智慧水務的發展提供指導。隨著NTT西日本在神戶自來水管網運用智能監測設備的實證研究后，東京都水道局也于2020年3月發布了東京地區的水道智能監測計劃，例如開發并應用新一代一體式智能水表等為實時把握水量變化提供支持。
　　本文全文發表在《中國給水排水》2020年第20期，做了刪減，并保留了作者投稿時的全部圖表。該文作者及其單位如下：
　　馬駿1，袁遠2，林應超3，賀凱4,5
　　(1. 太原科技大學 環境與安全學院，山西 太原 030027；2. 天津生態城環境技術股份有限公司，天津 300467；3. 南開大學 環境科學與工程學院，天津300350；
　　4. 日本京都大學工學研究科附屬流域圈綜合環境質研究中心，日本；
　　5. 清華大學-京都大學環境技術聯合研究和教育中心，廣東 深圳 518055)