摘要：基于城市的快速發(fā)展過程導(dǎo)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(wǎng)的發(fā)展歷程，從日本管網(wǎng)現(xiàn)采用的抗震設(shè)計、管壓和流速的設(shè)計、供水管網(wǎng)布局模式等方面介紹了日本水力風(fēng)險的控制策略，從自來水水質(zhì)、管道事故控制對策、水質(zhì)控制指標、末端水質(zhì)控制策略等方面介紹了日本水質(zhì)風(fēng)險的控制策略，并介紹了日本最新的自來水管網(wǎng)管理相關(guān)研究。最后，依據(jù)日本的發(fā)展經(jīng)驗提出對我國管網(wǎng)建設(shè)與管理的建議。
　　
　　馬駿（1977-），男，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)人，博士研究生，講師，主要從事環(huán)境土壤和水污染處理方面研究。
　　城市的快速發(fā)展過程導(dǎo)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(xù)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(zhì)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(wǎng)也面臨著更高的要求，一方面，隨著用水人口數(shù)量和用水需求量的增加，自來水管網(wǎng)的鋪設(shè)持續(xù)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(wěn)步推進改造工作。日本的自來水事業(yè)開始于17世紀初的江戶時代，1887年日本近代自來水事業(yè)于日本港口城市橫濱起步，據(jù)統(tǒng)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(fā)展到2011年的97.5%，已基本實現(xiàn)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(wǎng)老化和管網(wǎng)水質(zhì)事故等各種自來水管網(wǎng)管理問題，并針對這些管網(wǎng)問題采取了相應(yīng)的對策和措施。針對日本近年的供水管網(wǎng)事故及其應(yīng)對措施，從日本供水管網(wǎng)、供水水質(zhì)問題及其應(yīng)對措施、供水管網(wǎng)研究進展三方面進行系統(tǒng)性介紹，為我國的自來水管網(wǎng)管理工作提供建議。
　　1.日本供水管網(wǎng)介紹
　　第二次世界大戰(zhàn)以前，自來水供水在日本是僅在大城市能享受到的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。1958年后，隨著日本現(xiàn)代化城市建設(shè)進程，自來水系統(tǒng)也快速拓展和升級。2014年的統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)的人口密度較高的大都市區(qū)。例如，據(jù)2011年的統(tǒng)計，其超過40年使用年限的老化自來水管占8.5%。
　　傳統(tǒng)的供水管網(wǎng)主要是鐵質(zhì)管道、鍍鋅鋼管等，老化后容易發(fā)生漏損現(xiàn)象，產(chǎn)生紅水等水質(zhì)問題。后來，為預(yù)防管網(wǎng)漏損，開始逐漸使用球墨鑄鐵管道替換鐵質(zhì)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(zhì)氯乙烯管（PVC管），聚乙烯管和鋼管等。球墨鑄鐵管和硬質(zhì)氯乙烯管材用量占總管長的88%。日本某地區(qū)供水管網(wǎng)模型見圖1。
　　
　　圖1 某地區(qū)供水管網(wǎng)模型
　　2.水力風(fēng)險及控制策略
　　根據(jù)2013年日本對其全國供水事故的統(tǒng)計匯總（見圖 2），2013年日本全國供水事故中，涉及供水管網(wǎng)的供水事故占大多數(shù)，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(chǔ)措施、針對性措施和預(yù)防性措施。得益于日本有效的漏損預(yù)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(fēng)險基礎(chǔ)調(diào)查
　　水力風(fēng)險基礎(chǔ)調(diào)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(tǒng)計，其分析結(jié)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(jù)。
　　根據(jù)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(zhì)問題導(dǎo)致的減額水量和管網(wǎng)系統(tǒng)漏水量的測量（當?shù)孛娉霈F(xiàn)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(huán)，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(huán)境信息必不可少，主要內(nèi)容包括漏水種類、漏水設(shè)施、漏水原因和漏水區(qū)域等。
　　表1 配水量分析內(nèi)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(fù)措施和計劃型漏水修復(fù)措施。機動性修復(fù)主要是指檢測地面滲漏的早期檢測、準確檢測和修復(fù)漏水點的工作，根據(jù)居民提供的信息以及在巡回檢測中發(fā)現(xiàn)的臨時問題實施。計劃型漏水修復(fù)指通過各種漏水檢測手段對修復(fù)區(qū)域內(nèi)的管路進行定期檢查和修復(fù)，主要針對的是地下漏水。主要工作內(nèi)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(fù)。
　　2.3 預(yù)防性措施
　　預(yù)防性措施是指采取更新管道等手段來消除可能產(chǎn)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(diào)整、腐蝕防治和施工中的注意事項等。
　?、倥渌芨牧?。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(chǎn)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(wǎng)已基本完成更換。
　?、诟纳迫霊羲懿馁|(zhì)。在傳統(tǒng)供水管網(wǎng)中，通常采用的是鉛質(zhì)管道，容易發(fā)生漏損。將入戶管道更換為不銹鋼材質(zhì)的管道，可以控制飲用水中鉛含量，并預(yù)防控制管網(wǎng)漏損。
　?、鄄捎么罂趶焦┧艿?。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(shè)的配水管網(wǎng)，自2007年起，替換范圍已經(jīng)擴大到1998年以前鋪設(shè)的配水管道。
　?、芩苈p預(yù)防技術(shù)。加大對漏損檢測技術(shù)或設(shè)備的開發(fā)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(fēng)險評價體系
　　為了更進一步對供水單位的管網(wǎng)管理情況進行評價考察，日本水道協(xié)會制定了水道事業(yè)指導(dǎo)手冊業(yè)務(wù)指標（見表2），主要包括管道環(huán)境、管道狀況、經(jīng)營狀況、更新耐震一級維持管理措施等指標。
　　表2 水道事業(yè)指導(dǎo)手冊業(yè)務(wù)指標
　　
　　注：經(jīng)常性收支比率=營業(yè)收入/營業(yè)支出；有收入率=獲得收入的水量/供水量
　　2.5 日本管網(wǎng)現(xiàn)狀
　　2.5.1 抗震設(shè)計
　　2011年日本東北地區(qū)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(shè)施受到了很大的損失，嚴重影響了市民生活和社會經(jīng)濟活動。厚生勞動省開展了“自來水設(shè)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(shè)立了“自來水抗震化推進項目”，進一步發(fā)展了前述的運動，進行了有關(guān)自來水設(shè)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(shè)施抗震化進行宣傳普及。為了配合設(shè)施更新，將自來水設(shè)施整體在牢固抗震性方面進行改進，修訂了《制定自來水設(shè)施技術(shù)基準的省令》部分內(nèi)容。另外，考慮到現(xiàn)有設(shè)施的重要性和優(yōu)先度，針對各自來水經(jīng)營者進行建議和指導(dǎo)，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(shè)施中主干管路抗震適應(yīng)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(shè)施的抗震化現(xiàn)狀（2018年）
　　2.5.2 管壓、流速設(shè)計
　　為保證供水水質(zhì)，日本水道施設(shè)設(shè)計指南中對配水管水壓制定了規(guī)定技術(shù)標準的省令，有著明確規(guī)定：①從配水管分支到配水管的地方，配水管內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(zhì)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(wǎng)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(shù)值設(shè)定為0.74 MPa。另外，關(guān)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(yōu)選為0.50 MPa左右。
　　同時，針對流速，根據(jù)具體的情況，在考慮經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上制定設(shè)計平均流速。日本導(dǎo)水管和輸水管道的設(shè)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(jīng)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(qū)水道局則一般在用戶出口流速為2.0 m/s情況下進行設(shè)計。
　　2.5.3 日本供水管網(wǎng)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(yōu)缺點如表3所示。同時為滿足穩(wěn)定水量、安全水質(zhì)、適當水壓、抗震、設(shè)施更新改造等要求，日本水道協(xié)會將供水系統(tǒng)劃分為取水設(shè)施、導(dǎo)水設(shè)施、凈水設(shè)施、送水設(shè)施、配水設(shè)施和給水設(shè)施6部分。其中送水管道、配水池和配水管道共同構(gòu)成了城市送配水系統(tǒng)。送水管道連接凈水廠和配水池，在合適的壓力下以穩(wěn)定方式供水。配水池根據(jù)當?shù)氐墓┧畨毫Γ瑵M足用戶水量變化要求。日本的常規(guī)操作是對給水區(qū)域進行劃分，具體到每個分區(qū)包含有一到多個配水池。配水池作為供水的臨時儲存設(shè)施，根據(jù)需求進行水量控制，其容積按照輻射區(qū)域日12 h供水量作為標準；區(qū)域內(nèi)的水壓保證由管網(wǎng)按照區(qū)域劃分進行計算確定。
　　表3 日本供水模式適用范圍及優(yōu)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(qū)、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(yīng)220萬人的正常用水，但經(jīng)過50年的使用，開始出現(xiàn)一定程度上的設(shè)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(qū)，正在逐步推進自來水管網(wǎng)的二重化和網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。比如，在原有的朝霞上井草線基礎(chǔ)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(yù)計2023年竣工使用?，F(xiàn)在東京主要的大口徑管道建設(shè)見圖 4。
　　
　　圖4 東京主要大口徑管道建設(shè)示意
　　3.水質(zhì)風(fēng)險及控制策略
　　3.1 自來水水質(zhì)風(fēng)險
　　為保證供水水質(zhì)的安全，除使用符合法律要求的材料標準產(chǎn)品外，還應(yīng)從給水水質(zhì)、土壤影響、敷設(shè)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?shù)倪x擇，并且在建設(shè)過程中有所注意。另外，在發(fā)生由配管引起的紅水等水質(zhì)異常的情況下，需要考慮更新配管或采取清掃配管內(nèi)部等措施。同時在供水設(shè)施中，管道連接方法的不當也可能會產(chǎn)生水的倒流，從而對配水管內(nèi)的水質(zhì)產(chǎn)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(fā)生回流也會對自來水水質(zhì)產(chǎn)生影響。在日本，私人獨棟住宅經(jīng)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(zhì)事故時有發(fā)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(wǎng)中發(fā)生負壓情況時，供水管網(wǎng)附近的污染物會由于負壓作用進入供水管網(wǎng)中，從而導(dǎo)致嚴重事故，進而影響整個供水系統(tǒng)的水質(zhì)安全。
　　一般而言，異?，F(xiàn)象可以根據(jù)供水設(shè)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(shè)備的結(jié)構(gòu)和材料有關(guān)）進行大致分類。
　　盡管供水系統(tǒng)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(diào)查，并及時采取適當?shù)拇胧?。日本厚生勞動省對主要的水質(zhì)現(xiàn)象及其發(fā)生原因和解決辦法進行總結(jié)，制定水質(zhì)污染防治對策。
　　3.2 管路事故對策
　　針對可能產(chǎn)生的管路事故，日本制定了管路事故對策指導(dǎo)手冊，其中針對管路事故制定的相關(guān)應(yīng)急響應(yīng)機制包括：預(yù)防對策（包括應(yīng)急體制組織和業(yè)務(wù)、準備應(yīng)急對策資料、與有關(guān)單位的合作、教育培訓(xùn)、給水裝置凍結(jié)事故對策等）和應(yīng)急對策（出動體制確立、應(yīng)急體制的確立、應(yīng)急修復(fù)、應(yīng)急供水對策等）。管道事故緊急部署基準內(nèi)容見表 4，管道事故應(yīng)急修復(fù)現(xiàn)場作業(yè)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(yīng)急修復(fù)現(xiàn)場作業(yè)步驟（例）　
　
　　3.3 水質(zhì)控制指標
　　根據(jù)日本《水道法》第4條規(guī)定，自來水必須符合《水質(zhì)標準相關(guān)省令》（2015年5月30日厚生勞動省第101號法令）中規(guī)定的水質(zhì)標準，具體的自來水質(zhì)量標準、水質(zhì)管理目標值如表 6所示。根據(jù)《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(zhì)標準外，還要將水質(zhì)管理目標項目、未進行毒性評估的物質(zhì)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(yīng)制定相關(guān)的水質(zhì)檢測計劃，并向消費者提供水質(zhì)標準項目等的相關(guān)水質(zhì)檢測。
　　表6 日本水質(zhì)標準項目和參考值（51項）
　　
　　3.4 末端水質(zhì)控制策略
　　在預(yù)防水質(zhì)事故的同時，日本對供水水質(zhì)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(fēng)險。為保證消毒效果，法律規(guī)定了余氯濃度在0.1 mg/L以上。為保證管網(wǎng)末端的余氯濃度，日本大城市管網(wǎng)（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(chǎn)物的生成，滿足最新的水質(zhì)標準對消毒副產(chǎn)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(zhì)管理中的余氯目標值最高設(shè)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(nèi)。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(qū)較低的情況。因而，在自來水廠負責的整個供水區(qū)域內(nèi)，將所有地區(qū)的濃度保持在一定范圍內(nèi)較為困難，需要采用先進的技術(shù)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(shù)；同時還要減少水的停滯區(qū)段，降低供水流經(jīng)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(shè)施中每個階段的水溫上升的技術(shù)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(diào)查了從水源到水口的水溫，并找出影響水系統(tǒng)水溫的原因，考慮改進措施。在調(diào)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(wǎng)管理的相關(guān)研究（如表 7所示）。主要包括管網(wǎng)信息化管理、管網(wǎng)監(jiān)測及控制以及管道修復(fù)技術(shù)等。其中，管網(wǎng)信息化管理通過詳細的管網(wǎng)數(shù)據(jù)和模型，對管網(wǎng)老化、漏損事故和水質(zhì)事故等進行預(yù)測；管網(wǎng)監(jiān)測則通過設(shè)置傳感器、水質(zhì)監(jiān)測儀等先進的監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)對水源、供水、排水設(shè)備運行的自動化檢測、評價和管理，可遠程監(jiān)控供水量、水壓的實施情況。管道修復(fù)技術(shù)主要從管道清洗，管道狀態(tài)檢查，管道修復(fù)等開展相關(guān)研究。
　　表7 日本最新的管道技術(shù)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(yè)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(lián)合成立了日本水道ICT情報聯(lián)絡(luò)會，專門公開相關(guān)課題，推進智慧管控在自來水管理上的應(yīng)用。同時，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省也發(fā)表了水道情報活用系統(tǒng)導(dǎo)入指導(dǎo)手冊，為智慧水務(wù)的發(fā)展提供指導(dǎo)。隨著NTT西日本在神戶自來水管網(wǎng)運用智能監(jiān)測設(shè)備的實證研究后，東京都水道局也于2020年3月發(fā)布了東京地區(qū)的水道智能監(jiān)測計劃，例如開發(fā)并應(yīng)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(fā)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(yīng)超3，賀凱4,5
　　(1. 太原科技大學(xué) 環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原 030027；2. 天津生態(tài)城環(huán)境技術(shù)股份有限公司，天津 300467；3. 南開大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300350；
　　4. 日本京都大學(xué)工學(xué)研究科附屬流域圈綜合環(huán)境質(zhì)研究中心，日本；
　　5. 清華大學(xué)-京都大學(xué)環(huán)境技術(shù)聯(lián)合研究和教育中心，廣東 深圳 518055)