1.3.4.1城市給排水

    水是人類的生命之源，是城市得以生存和發(fā)展的最重要的支持要素，在某種程度上限定和決定了城市的性質(zhì)、規(guī)模、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、布局形態(tài)、發(fā)展方向等，因此，城市發(fā)展對(duì)水有很高的依存度。城市給水排水工程涉及水資源部分、土木工程、管道工程、地質(zhì)、氣象、水文等許多方面的內(nèi)容，規(guī)劃較為復(fù)雜，工程也比較繁瑣。隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，各個(gè)城市的城市給排水工程已不再是一個(gè)獨(dú)立的部分，而是正在向著一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)發(fā)展，所以更需要加強(qiáng)各方面技術(shù)的支持和保障。

    給水工程為居民和廠、礦、運(yùn)輸企業(yè)供應(yīng)生活、生產(chǎn)用水的工程以及消防用水、道路綠化用水等，由給水水源、取水構(gòu)筑物、原水管道、給水處理廠和給水管網(wǎng)組成，具有取集和輸送原水、改善水質(zhì)的作用。

    排水系統(tǒng)的構(gòu)成主要是由排水管網(wǎng)和污水處理系統(tǒng)組成，對(duì)于城市中的污水、雨水以及生活廢水等進(jìn)行處理，將其排出城市，減少對(duì)城市的污染和影響。由排水管系（或溝道）、廢水處理廠和最終處理設(shè)施組成。本調(diào)查不包括工廠的污水處理，以及再生水造成的腐蝕問(wèn)題。

    我國(guó)城市供水事業(yè)自新中國(guó)成立以來(lái)有了迅速發(fā)展。截至2010年底，全國(guó)城鎮(zhèn)（設(shè)市城市、縣城和建制鎮(zhèn)）供水能力（包括公共供水和自建設(shè)施供水）總計(jì)3.87億立方米/日，用水人口6.30億人，管網(wǎng)長(zhǎng)度103.55萬(wàn)公里，年供水總量714億立方米。其中，設(shè)市城市供水能力2.76億立方米/日，用水人口3.81億人，管網(wǎng)長(zhǎng)度53.98萬(wàn)公里，年供水量508億立方米；縣城供水能力0.47億立方米/日，用水人口1.18億人，管網(wǎng)長(zhǎng)度15.99萬(wàn)公里，年供水量93億立方米；建制鎮(zhèn)供水能力0.64億立方米/日，用水人口1.31億人，管網(wǎng)長(zhǎng)度33.58萬(wàn)公里，年供水量113億立方米。與2000年相比，全國(guó)設(shè)市城市和縣城新增供水能力0.68億立方米/日，增長(zhǎng)26.67%；新增用水人口2.30億人，增長(zhǎng)85.50%。隨著城市化進(jìn)程的加快，城市供水對(duì)城市的發(fā)展發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。

    據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，按敷設(shè)時(shí)間分類，1953年以前敷設(shè)（使用年限在50年以上）的管道5, 193公里，占6.2%；1954-1965年之間敷設(shè)（使用年限在40～50年）的管道6, 822公里，占8.1%；1966-1978年之間敷設(shè)（使用年限在27～40年）的管道11, 110公里，占13.2 %；1979-1995年之間敷設(shè)（使用年限在10~26年）的管道31, 641公里，占37.5%；1996年以后敷設(shè)（使用年限在10年內(nèi)）的管道29, 583公里，占35.1%。目前，供水管網(wǎng)采用的管道主要有灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管和水泥管等。其中，灰口鑄鐵管43, 362公里，占管網(wǎng)總長(zhǎng)度的50.8%；水泥管11, 133公里，占13.0%；鍍鋅鐵管等低質(zhì)管材，占6.0%。質(zhì)量較好的管材所占比重較少：球墨鑄鐵管14, 135公里，占16.8%；鋼管6, 977公里，占8.2%；PVC管4, 467公里，占5.2%。

    與歐美及日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)城市排水管網(wǎng)建設(shè)存在較大差距，2008年我國(guó)城市排水管網(wǎng)普及率約為60%，其中小城鎮(zhèn)現(xiàn)狀排水管網(wǎng)普及率更低，約40~60%，遠(yuǎn)低于國(guó)家排水管網(wǎng)覆蓋率80 %標(biāo)準(zhǔn)要求。2001~2010 年全國(guó)新增排水管道228, 000km。城市排水管道密度呈現(xiàn)同樣增長(zhǎng)趨勢(shì)。截止2010年底，我國(guó)城市排水管道長(zhǎng)度總量達(dá)到370, 000km，城市排水管道密度為9.0 km/km2。按照2010年我國(guó)城市化率46.6%的水平，經(jīng)計(jì)算城鎮(zhèn)人均排水管長(zhǎng)度僅0.57m。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)城市排水管網(wǎng)不論是總量，還是人均占有量和管網(wǎng)密度均落后，且差距懸殊。

    在城市供水領(lǐng)域中，金屬管道作為主要給水管材之一已經(jīng)應(yīng)用了幾個(gè)世紀(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前90 % 以上的供水管道是鑄鐵管、鋼管，近幾年新建的給水管道仍有 85% 采用金屬管道。目前，世界上約有50 % 以上的管網(wǎng)己經(jīng)用了30 年甚至更長(zhǎng)時(shí)間。由于腐蝕、磨損、意外損壞等原因，管線發(fā)生泄漏的可能性變得越來(lái)越大。漏失不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，還給供水企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

    腐蝕是金屬管道的變質(zhì)現(xiàn)象，主要表現(xiàn)方式是生銹、坑蝕、結(jié)瘤、開(kāi)裂或脆化等。管道防腐措施不當(dāng)或防腐質(zhì)量不佳，特別是中小管徑的鋼管，由于管壁較薄，防腐層太薄，容易造成腐蝕。廈門市2002 年管道因腐蝕而漏損占了1/3；南寧市 DN80 以下鍍鋅鋼管管道總量不大，卻占修漏次數(shù)的66.55%。金屬管道腐蝕的危害具體表現(xiàn)為：首先，使管網(wǎng)水質(zhì)濁度、色度、細(xì)菌種類和數(shù)量、鐵、錳以及有毒重金屬離子濃度等水質(zhì)指標(biāo)惡化，引發(fā)管網(wǎng)“紅水”、“ 黑水”或“有色水”現(xiàn)象，對(duì)飲用水的安全性造成嚴(yán)重影響。對(duì)占全國(guó)總供水量 42.44% 的 36 個(gè)城市調(diào)查表明，出廠水平均濁度為1.3度，而管網(wǎng)水增加到1.6度；色度由5.2 度增加到6.7度；鐵由 0.09 mg/L 增加到 0.11 mg/L；細(xì)菌總數(shù)由 6.6 cfu/mL 增加到 29.2 cfu/mL。根據(jù)芝加哥1968年供水管網(wǎng)水樣與出廠水水樣的水質(zhì)對(duì)比得出，鎘、鉻、鈷、銅、鐵、鉛、錳、鎳、銀、鋅等元素的濃度在15%～67% 的水樣中有所增加。其次，長(zhǎng)期腐蝕引起管壁變薄、穿孔、破裂導(dǎo)致事故與水質(zhì)二次污染，或者管壁嚴(yán)重結(jié)垢導(dǎo)致水頭損失和輸水能耗的增加，輸配水能力下降等，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)2005 年國(guó)家建設(shè)部的資料：發(fā)達(dá)國(guó)家城市供水管網(wǎng)漏水率占供水量的5 %～6%，我國(guó)平均達(dá)20%。近年來(lái)全國(guó)每年漏損的自來(lái)水達(dá)100 億m3，比南水北調(diào)中線引水工程每年計(jì)劃從湖北省丹江口水庫(kù)往京、津、冀諸城市調(diào)水95 億m3還多。根據(jù)上海、天津等市定期測(cè)定管網(wǎng)粗糙系數(shù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)無(wú)防腐措施的管道輸水能力降低1/3 以上。美國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，管道輸水能力降低后，為保證用戶用水，就得加大供水泵揚(yáng)程，這將消耗大量電能。美國(guó)供水協(xié)會(huì)（AWWA）于 1999 年估計(jì)，美國(guó)的供水企業(yè)在今后 20年內(nèi)將花費(fèi) 3250 億美元來(lái)更新城市供水管網(wǎng)。對(duì)于非金屬管道，老化造成的問(wèn)題也很突出，泉州市近5年自來(lái)水管破管近2萬(wàn)次，主要問(wèn)題在于服役20年以上的老管道發(fā)生嚴(yán)重老化，頻頻破管。

    同樣的腐蝕與老化問(wèn)題也出現(xiàn)在排水系統(tǒng)中，上海市約400 km 的市政排水管道中，接近和超過(guò)耐用年限（ 30～40年） 的約為1, 200 km，占管道總長(zhǎng)的30%。隨著時(shí)間推移，大量排水管道由于老化，產(chǎn)生了越來(lái)越多的問(wèn)題。

    給水管道腐蝕影響因素包括：

    1）出廠水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性

    一般而言，經(jīng)過(guò)處理的出廠水水質(zhì)都能達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是經(jīng)過(guò)給水管網(wǎng)的長(zhǎng)距離輸配或停留較長(zhǎng)時(shí)間后，到達(dá)用戶處時(shí)卻產(chǎn)生了種種問(wèn)題，比如水質(zhì)下降，池度、色度、鐵等水質(zhì)指標(biāo)升高，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生黃水、黑水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著居民的日常生活、危害居民的身體健康。管網(wǎng)腐蝕、結(jié)垢和由化學(xué)穩(wěn)定性變化導(dǎo)致的鐵釋放現(xiàn)象問(wèn)題是引起管網(wǎng)水質(zhì)惡化的一個(gè)重要原因，由于管網(wǎng)老化、運(yùn)行管理不完善等問(wèn)題，多數(shù)城市給水管網(wǎng)普遍存在腐蝕和結(jié)垢現(xiàn)象，但是其根本原因是出廠水水質(zhì)穩(wěn)定問(wèn)題。水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性主要是指飲用水在輸送的過(guò)程中，管道既不會(huì)被腐蝕也不會(huì)結(jié)垢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，我國(guó)34 個(gè)主要城市中，有50% 的處理原水是地下水的水廠出廠水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，20% 具有結(jié)垢傾向，30% 具有腐蝕傾向；而對(duì)于處理原水是地表水的水廠出廠水水質(zhì)來(lái)說(shuō)，只有21% 相對(duì)穩(wěn)定的，腐蝕性的占50 %，輕微結(jié)垢的占29%。由此可見(jiàn)，在整個(gè)的給水行業(yè)中，水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性是現(xiàn)存的比較常見(jiàn)的問(wèn)題，其中腐蝕問(wèn)題及鐵的釋放問(wèn)題更為嚴(yán)重。

    水中存在著水—碳酸鹽系統(tǒng)，決定著水是否具有腐蝕性或結(jié)垢性。當(dāng)水中的碳酸鈣含量超過(guò)其所能溶解的最大值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沉淀附著在管道內(nèi)壁，此時(shí)的水具有結(jié)垢性。而水中的碳酸鈣含量低于其飽和值時(shí)就能夠?qū)⒔Y(jié)垢物質(zhì)溶解到水中，稱之為腐蝕性的水。鐵的腐蝕和釋放是兩個(gè)不同的過(guò)程，腐蝕是由于金屬管材與水長(zhǎng)期接觸發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生Fe2+、OH－等物質(zhì)。經(jīng)過(guò)一系列的化學(xué)反應(yīng)后在管內(nèi)壁形成管垢，管垢表面產(chǎn)生鈍化層，阻斷了進(jìn)一步腐蝕，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。但是水力條件發(fā)生變化時(shí)，鈍化層會(huì)被沖刷而遭到破壞，此時(shí)，管垢向水中釋放鐵，使水中鐵離子含量升高，同時(shí)也大大加速了管道的腐蝕。通過(guò)對(duì)柳州鐵路地區(qū)2009年至2010年出廠水與管網(wǎng)水的水質(zhì)情況進(jìn)行抽查統(tǒng)計(jì)，并對(duì)一些指標(biāo)變化的比較可知，以地表水或地下水為水源時(shí)，其管網(wǎng)水與出廠水相比，濁度、鐵含量都略有增加，而余氯含量略有下降。管網(wǎng)水濁度一般比出廠水高3.3%～15%，管網(wǎng)水的鐵含量一般比出廠水高15.3%～22.5%，管網(wǎng)水的余氯一般比出廠水低37.5%～64%。而原水為地下水的供水管網(wǎng)，其濁度和鐵含量的增幅相對(duì)更大些。

    2）pH及溶解物的影響

    pH值呈中性時(shí)，腐蝕速度不受pH值影響；pH值偏酸性時(shí)，發(fā)生放氫反應(yīng)，腐蝕速度加劇；pH偏堿性時(shí)，腐蝕速度隨pH值增加而減小。pH值發(fā)生變化時(shí)，F(xiàn)e（OH）3部分脫水生成鐵銹（Fe2O3·H2O）沉積于管壁，由于Fe2O3較松散，故對(duì)管壁不會(huì)產(chǎn)生致密保護(hù)層。

    水中溶解性固體增加，其導(dǎo)電率增加，局部電流也增加，同時(shí)腐蝕產(chǎn)物離開(kāi)金屬表面，會(huì)導(dǎo)致腐蝕速度加快。水中溶解的離子對(duì)管道的腐蝕也有影響，其中水中溶解的陽(yáng)離子為Cu2+、Fe3+等氧化性重金屬離子時(shí)，則對(duì)陰極極化過(guò)程有害；而Ca2+、Zn2+、Fe2+則產(chǎn)生防蝕作用。如果水中含Ca2+、Mg2+鹽較多，由于水中的重碳酸鈣在鋼表面形成碳酸鈣膜，阻止了溶解氧的擴(kuò)散，所以腐蝕性小。Cl-等鹵族元素是產(chǎn)生點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕的原因之一，SO42- 或NO3－ 比Cl－影響小，PO43-、SiO32-等有緩蝕作用。另外，水中溶解氧的消耗也會(huì)加快管道的腐蝕速度。

    3）流速的影響

    腐蝕速度開(kāi)始隨流速增加而增加，這是由于管壁表面溶氧增多，加快陰極吸氧速度。當(dāng)流速增加到一定程度，氧到達(dá)管表面的速度可建立起氧化條件，使鋼鐵鈍化，腐蝕速度急劇下降。直到流速增加到更高，出現(xiàn)機(jī)械破壞表面保護(hù)層，腐蝕速度重新增加。

    當(dāng)管網(wǎng)水流流速增大時(shí)，管道內(nèi)表面的層流層減薄，通過(guò)該水層的氧的擴(kuò)散補(bǔ)給速度增加，促進(jìn)銹蝕；當(dāng)流速再增大時(shí)，氧供給增大，鐵管表面氧氣過(guò)剩利于鈍化，反而腐蝕減少；若流速繼續(xù)增大，由于紊流將發(fā)生氣蝕，因機(jī)械作用使鐵管表面產(chǎn)生空隙腐蝕。供水管道內(nèi)層流層、紊流層流態(tài)對(duì)金屬腐蝕影響與雷諾數(shù)、流速、管徑和長(zhǎng)度以及管的表面條件有關(guān)。對(duì)于管網(wǎng)流速的研究，尤其需要注意管網(wǎng)流速低和水流停滯區(qū)等不利條件，低流速下的腐蝕速率變化較復(fù)雜，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

    4）溫度的影響

    研究表明在敞口體系中，溫度在到達(dá)80℃前，腐蝕速率隨溫度升高而增加，后又逐漸降低；而在封閉系統(tǒng)中，腐蝕速率隨溫度升高而不斷增加。水溫是管網(wǎng)水質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)，金屬表面溫度隨著水溫的增加而增加，按照化學(xué)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，氧向金屬表面擴(kuò)散的速度加快，二價(jià)鐵在水溶液中的擴(kuò)散速度加快，電解質(zhì)的電阻降低，因而腐蝕速度加快。同時(shí)，水溫升高，管網(wǎng)微生物的活性也顯著提高，加速了微生物腐蝕進(jìn)程。管網(wǎng)水溫在工程實(shí)踐中是不可人為調(diào)控的因素，與水廠所處區(qū)域、水源選擇（地下水或地表水）以及季節(jié)變化有關(guān)。