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、規(guī)模、產業(yè)結構、布局形態(tài)、發(fā)展方向等，因此，城市發(fā)展對水有很高的依存度。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、氣象、水文等許多方面的內容，規(guī)劃較為復雜，工程也比較繁瑣。隨著城市建設的不斷發(fā)展，各個城市的城市給排水工程已不再是一個獨立的部分，而是正在向著一個統一的系統發(fā)展，所以更需要加強各方面技術的支持和保障。

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

    排水系統的構成主要是由排水管網和污水處理系統組成，對于城市中的污水、雨水以及生活廢水等進行處理，將其排出城市，減少對城市的污染和影響。由排水管系（或溝道）、廢水處理廠和最終處理設施組成。本調查不包括工廠的污水處理，以及再生水造成的腐蝕問題。

    我國城市供水事業(yè)自新中國成立以來有了迅速發(fā)展。截至2010年底，全國城鎮(zhèn)（設市城市、縣城和建制鎮(zhèn)）供水能力（包括公共供水和自建設施供水）總計3.87億立方米/日，用水人口6.30億人，管網長度103.55萬公里，年供水總量714億立方米。其中，設市城市供水能力2.76億立方米/日，用水人口3.81億人，管網長度53.98萬公里，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，管網長度15.99萬公里，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，管網長度33.58萬公里，年供水量113億立方米。與2000年相比，全國設市城市和縣城新增供水能力0.68億立方米/日，增長26.67%；新增用水人口2.30億人，增長85.50%。隨著城市化進程的加快，城市供水對城市的發(fā)展發(fā)揮著愈來愈重要的作用。

    據不完全統計，按敷設時間分類，1953年以前敷設（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（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（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（使用年限在10~26年）的管道31, 641公里，占37.5%；1996年以后敷設（使用年限在10年內）的管道29, 583公里，占35.1%。目前，供水管網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，占管網總長度的50.8%；水泥管11, 133公里，占13.0%；鍍鋅鐵管等低質管材，占6.0%。質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)達國家相比，我國城市排水管網建設存在較大差距，2008年我國城市排水管網普及率約為60%，其中小城鎮(zhèn)現狀排水管網普及率更低，約40~60%，遠低于國家排水管網覆蓋率80 %標準要求。2001~2010 年全國新增排水管道228, 000km。城市排水管道密度呈現同樣增長趨勢。截止2010年底，我國城市排水管道長度總量達到370, 000km，城市排水管道密度為9.0 km/km2。按照2010年我國城市化率46.6%的水平，經計算城鎮(zhèn)人均排水管長度僅0.57m。與發(fā)達國家相比，我國城市排水管網不論是總量，還是人均占有量和管網密度均落后，且差距懸殊。

    在城市供水領域中，金屬管道作為主要給水管材之一已經應用了幾個世紀，根據統計，我國目前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 % 以上的管網己經用了30 年甚至更長時間。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越大。漏失不僅浪費了寶貴的水資源，還給供水企業(yè)造成了巨大的經濟損失。

    腐蝕是金屬管道的變質現象，主要表現方式是生銹、坑蝕、結瘤、開裂或脆化等。管道防腐措施不當或防腐質量不佳，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，卻占修漏次數的66.55%。金屬管道腐蝕的危害具體表現為：首先，使管網水質濁度、色度、細菌種類和數量、鐵、錳以及有毒重金屬離子濃度等水質指標惡化，引發(fā)管網“紅水”、“ 黑水”或“有色水”現象，對飲用水的安全性造成嚴重影響。對占全國總供水量 42.44% 的 36 個城市調查表明，出廠水平均濁度為1.3度，而管網水增加到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；細菌總數由 6.6 cfu/mL 增加到 29.2 cfu/mL。根據芝加哥1968年供水管網水樣與出廠水水樣的水質對比得出，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，長期腐蝕引起管壁變薄、穿孔、破裂導致事故與水質二次污染，或者管壁嚴重結垢導致水頭損失和輸水能耗的增加，輸配水能力下降等，造成巨大經濟損失。根據2005 年國家建設部的資料：發(fā)達國家城市供水管網漏水率占供水量的5 %～6%，我國平均達20%。近年來全國每年漏損的自來水達100 億m3，比南水北調中線引水工程每年計劃從湖北省丹江口水庫往京、津、冀諸城市調水95 億m3還多。根據上海、天津等市定期測定管網粗糙系數統計，發(fā)現無防腐措施的管道輸水能力降低1/3 以上。美國統計數據表明，管道輸水能力降低后，為保證用戶用水，就得加大供水泵揚程，這將消耗大量電能。美國供水協會（AWWA）于 1999 年估計，美國的供水企業(yè)在今后 20年內將花費 3250 億美元來更新城市供水管網。對于非金屬管道，老化造成的問題也很突出，泉州市近5年自來水管破管近2萬次，主要問題在于服役20年以上的老管道發(fā)生嚴重老化，頻頻破管。

    同樣的腐蝕與老化問題也出現在排水系統中，上海市約400 km 的市政排水管道中，接近和超過耐用年限（ 30～40年） 的約為1, 200 km，占管道總長的30%。隨著時間推移，大量排水管道由于老化，產生了越來越多的問題。

    給水管道腐蝕影響因素包括：

    1）出廠水質的化學穩(wěn)定性

    一般而言，經過處理的出廠水水質都能達到國家飲用水水質標準，但是經過給水管網的長距離輸配或停留較長時間后，到達用戶處時卻產生了種種問題，比如水質下降，池度、色度、鐵等水質指標升高，嚴重時產生黃水、黑水等現象，嚴重影響著居民的日常生活、危害居民的身體健康。管網腐蝕、結垢和由化學穩(wěn)定性變化導致的鐵釋放現象問題是引起管網水質惡化的一個重要原因，由于管網老化、運行管理不完善等問題，多數城市給水管網普遍存在腐蝕和結垢現象，但是其根本原因是出廠水水質穩(wěn)定問題。水質化學穩(wěn)定性主要是指飲用水在輸送的過程中，管道既不會被腐蝕也不會結垢。根據統計資料，我國34 個主要城市中，有50% 的處理原水是地下水的水廠出廠水水質相對穩(wěn)定，20% 具有結垢傾向，30% 具有腐蝕傾向；而對于處理原水是地表水的水廠出廠水水質來說，只有21% 相對穩(wěn)定的，腐蝕性的占50 %，輕微結垢的占29%。由此可見，在整個的給水行業(yè)中，水質化學穩(wěn)定性是現存的比較常見的問題，其中腐蝕問題及鐵的釋放問題更為嚴重。

    水中存在著水—碳酸鹽系統，決定著水是否具有腐蝕性或結垢性。當水中的碳酸鈣含量超過其所能溶解的最大值時，就會產生沉淀附著在管道內壁，此時的水具有結垢性。而水中的碳酸鈣含量低于其飽和值時就能夠將結垢物質溶解到水中，稱之為腐蝕性的水。鐵的腐蝕和釋放是兩個不同的過程，腐蝕是由于金屬管材與水長期接觸發(fā)生電化學反應而引起的，反應過程中會產生Fe2+、OH－等物質。經過一系列的化學反應后在管內壁形成管垢，管垢表面產生鈍化層，阻斷了進一步腐蝕，進入相對穩(wěn)定的狀態(tài)。但是水力條件發(fā)生變化時，鈍化層會被沖刷而遭到破壞，此時，管垢向水中釋放鐵，使水中鐵離子含量升高，同時也大大加速了管道的腐蝕。通過對柳州鐵路地區(qū)2009年至2010年出廠水與管網水的水質情況進行抽查統計，并對一些指標變化的比較可知，以地表水或地下水為水源時，其管網水與出廠水相比，濁度、鐵含量都略有增加，而余氯含量略有下降。管網水濁度一般比出廠水高3.3%～15%，管網水的鐵含量一般比出廠水高15.3%～22.5%，管網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，其濁度和鐵含量的增幅相對更大些。

    2）pH及溶解物的影響

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

    水中溶解性固體增加，其導電率增加，局部電流也增加，同時腐蝕產物離開金屬表面，會導致腐蝕速度加快。水中溶解的離子對管道的腐蝕也有影響，其中水中溶解的陽離子為Cu2+、Fe3+等氧化性重金屬離子時，則對陰極極化過程有害；而Ca2+、Zn2+、Fe2+則產生防蝕作用。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，阻止了溶解氧的擴散，所以腐蝕性小。Cl-等鹵族元素是產生點蝕和應力腐蝕的原因之一，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加快管道的腐蝕速度。

    3）流速的影響

    腐蝕速度開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。當流速增加到一定程度，氧到達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，出現機械破壞表面保護層，腐蝕速度重新增加。

    當管網水流流速增大時，管道內表面的層流層減薄，通過該水層的氧的擴散補給速度增加，促進銹蝕；當流速再增大時，氧供給增大，鐵管表面氧氣過剩利于鈍化，反而腐蝕減少；若流速繼續(xù)增大，由于紊流將發(fā)生氣蝕，因機械作用使鐵管表面產生空隙腐蝕。供水管道內層流層、紊流層流態(tài)對金屬腐蝕影響與雷諾數、流速、管徑和長度以及管的表面條件有關。對于管網流速的研究，尤其需要注意管網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雜，沒有明顯的規(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；而在封閉系統中，腐蝕速率隨溫度升高而不斷增加。水溫是管網水質的一個重要指標，金屬表面溫度隨著水溫的增加而增加，按照化學動力學規(guī)律，氧向金屬表面擴散的速度加快，二價鐵在水溶液中的擴散速度加快，電解質的電阻降低，因而腐蝕速度加快。同時，水溫升高，管網微生物的活性也顯著提高，加速了微生物腐蝕進程。管網水溫在工程實踐中是不可人為調控的因素，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。