水质模型利用数学模型模拟管网中水质的变化，可以帮助管网运行管理人员认识了解管网中的水质情况，为水质分析及事故处理提供科学依据。
目前，管网水质模型对自来水公司来说还是较新的课题，主要有宏观水质模型和微观水质模型；宏观水质模型主要用于微观动力学尚不清楚的水质指标的模拟，如管网水中的浊度、pH值等，根据管网中所设的水质监测点的历史数据来建模，因而其输出量也只能是未来时段监测点的水质预测值，无法了解整个管网的水质运行工况。微观水质模型对有明确动力学方程的水质指标（目前余氯衰减动力学比较明确，有一级衰减、二级衰减等）进行模拟，微观水质模型是微观水力模型的延伸，对水力模型的精度要求较高，只在小区域内得到一定的应用，如上海世博园区的余氯衰减模型和水龄模型，解决了末梢管网水的安全消毒和滞留水的冲洗问题。上海中心城区各水司在完善水力模型建设的同时，有条件的水司可着手发展微观水质模型的建设工作。首先定期（不同季节）对各水厂出厂水的kb进行测定，混合供水区的kb设置可按不同水厂水量设置权重；除有限的在线水质监测点外，设置一些人工采样点进行连续24h每隔15min一次的余氯（或总氯）测试，根据监测点和人工采样点实测数据调整kw使模拟值符合实测值。校核好的水质模型可以进行以下模型应用。
4.2.2.1 水厂加氯方案模拟
如果出现管网末梢余氯浓度不满足的情况，可以尝试从不同水厂增加初始投氯浓度，通过模拟查看从哪个水厂加氯可以最快到达余氯不满足区域，增加到多大浓度才可以使不满足区域变成满足区域。
4.2.2.2 管网二次加氯方案模拟
如果出现管网末梢余氯浓度不满足的情况，可以尝试从管网中可行的节点（二次泵站、小区泵站等）进行二次加氯，当然前提是这些节点存在可以进行二次加氯的可能性。通过模拟得出从哪个可行的中间加氯点进行加氯可以最快满足余氯不足区域的水质保持需求。
例如，为保障上海市南市水厂和长桥水厂供水区域内各处（干管和小区用户龙头）饮用水供水安全（包括饮用水水质微生物安全和控制水中消毒副产物含量），考虑在两水厂供水区域采用二次加氯方式以降低出厂水氯胺投加量，并使余氯在饮用水供水管网系统中达到较均匀的分布状态。要实现实际管网的二次加氯，首要基础便是提出具体的供水系统中各位置（包括干管管道和末端用户龙头）所需维持的合理余氯量。该数值的提出，有赖于对管网和末端采样消毒剂和微生物检出情况的统计分析。
1）输配管网中控制异养菌平板计数（heterotrophic plate count，HPC）的余氯指标残差分析
采用夏季（平均水温达30℃）管网采样结果，做余氯指标对异养菌指标抑制效果的回归曲线图，并作图表示实测值与拟合值之间的残差，如图4-15所示。
图4-15 管网HPC和总氯值衰减方程拟合
（a）一阶指数衰减拟合曲线（30℃）；（b）二阶指数衰减拟合曲线（30℃）；（c）残差回归分析（30℃）
一阶指数衰减方程拟合结果：
二阶指数衰减方程拟合结果：
式中 y——HPC（CFU/ml）；
x——总氯值（mg/L）。
2）输配管网末端控制HPC的余氯指标残差分析
采用夏季（平均水温达30℃）管网末端采样结果，做余氯指标对异养菌指标抑制效果的回归曲线图，并作图表示实测值与拟合值之间的残差，如图4-16所示。
图4-16 末端HPC和总氯值衰减方程拟合
（a）一阶指数衰减拟合曲线（30℃）；（b）二阶指数衰减拟合曲线（30℃）；（c）残差回归分析（30℃）
一阶指数衰减方程拟合结果：
二阶指数衰减方程拟合结果：
式中 y——HPC（CFU/ml）；
x——总氯值（mg/L）。
将公式（4-1）与式（4-2）、式（4-3）与式（4-4）中的R2分别对比可知，二阶指数衰减方程能更好地反映管网末梢和末端水中余氯对异养菌的抑制情况，这说明在管网中，消毒剂对微生物的消耗和抑制作用可能是遵循快速反应与慢速反应分阶段进行的方式。
另一方面，虽然各回归方程R2值都较低，但参考图4-15与图4-16可以发现，在余氯较高的情况下，回归方程对异养菌水平的拟合程度较好，预测值与实测值之间差值较小，而在余氯较低时，两者差值增大，使得回归方程的拟合程度有所降低。如图4-15c和图4-16c所示，在管网末梢拟合方程中，余氯抑制微生物的这一回归临界值在0.4～0.5mg/L范围内，而末端龙头水样的拟合方程中，该值落在0.2～0.3mg/L范围内。换言之，当管网中末梢和末端的余氯残留水平分别低于这两个范围时，水中余氯量对微生物的抑制作用可能发生急剧降低。
3）管网余氯保障要求计算
将输配管网水与末端龙头水采样结果HPC和总氯值相关性数据进行对比，见表4-1。
表4-1 HPC和总氯值相关性数据对比
其中，HPC＜1000CFU/ml和500CFU/ml指标分别指HPC检出水平要达到1000CFU/ml和500CFU/ml以下，采样点消毒剂残量应当维持的浓度（夏季，水温均值30℃）。该数据分别根据管网和末端龙头水中余氯对微生物抑制作用的二阶衰减拟合方程［式（4-2）、式（4-4）］求出。
根据表4-1，若要达到美国环保署（U.S.Environmental Protection Agency，USEPA）规定饮用水中异养菌指标不得超过500CFU/ml的标准，则在管网末梢和末端部分分别应维持余氯值在1.37mg/L和0.7mg/L以上水平。这样高的余氯水平有可能带来消毒副产物大量生产的健康风险性，尚需进一步实验研究。但根据上节讨论结果，为保证管网水中余氯的抑菌效果，则将饮水卫生标准末梢和末端余氯指标分别提高至0.5mg/L和0.3mg/L应当有其必要性。
管网末梢采样点消毒剂残量较末端采样点普遍要高，而异养菌检出水平则相对低一个数量级以上，这是由于饮用水在末端小区供水小管径管道和入户管道停留时间较长导致消毒剂衰减造成的。反过来，根据式（4-2）和式（4-4）可推测得知，如果在管网和末端采样点处消毒剂残余浓度相同的条件下，在末端的消毒效果明显较好。这可能也是因为末端管道和干管内水力流动性不同的关系。消毒剂在供水系统中的消耗可分为水体消耗和管壁消耗两部分，在末端，由于水流速度比干管要慢很多，意味着消毒剂在其中的消耗基本是局限于一个不大的采样点区域里完成的，无论是对该区域水体还是管壁生物膜，都可以达到充分的穿透和氧化杀菌效果。这可解释为什么要达到相同的微生物控制目标，在末端所需保持消毒剂含量的要求较低。
当然，水力停留时间的上升也会给微生物生长和再生长创造有利条件，导致为控制微生物数值而对消毒剂的需求量增加。随着消毒剂浓度的上升，管网消毒剂杀菌效率的下降比末端中要慢。同时考虑到用户龙头水对色味和消毒副产物的高标准要求，维持管网末梢和末端消毒剂残量的必要水平尚需综合探讨。
根据饮用水输配管网夏季（平均水温30℃）采样结果，分别做出管网内和末端入户龙头水中消毒剂含量对异养菌抑制效果的衰减曲线回归方程。其中，二阶指数衰减方程能更好地反映管网内和末端龙头水中余氯对异养菌的抑制情况，这说明在管网中，消毒剂对微生物的消耗和抑制作用可能是遵循快速反应与慢速反应分阶段进行的方式。
根据所得方程，余氯对微生物的抑制作用存在一临界值，当水中消毒剂含量低于该值时，余氯的抑菌作用可能失效。推算得到，在管网夏季平均水温为30℃附近的情况下，当管网中末梢和末端的余氯残留水平分别低于0.4～0.5mg/L和0.2～0.3mg/L这两个范围时，水中余氯量对微生物的抑制作用可能发生急剧降低。
4.2.2.3 末端管道滞水冲洗
模拟不同冲洗强度对末端管道滞水水龄的动态影响，找出合理的管道冲洗强度和制定可行的管道冲洗计划。
例如，上海世博园区昼夜用水量差别很大，某些地块用水量较小，导致水在管网中停留时间过长，故在管网水质模型的基础上制定了世博园区消火栓冲水方案。通过水龄模拟（结果如图4-17所示），找出平均水龄相对较高区域的消火栓位置（世博园区所有消火栓位置如图4-18中红点，请参考彩图附图2b）。早晨通过短时开启消火栓放水，把园区内停留的不新鲜水放掉，保证园区内的水质安全。不冲洗条件下的平均水龄模拟结果如图4-17所示。
图4-17 冲洗前世博园区管网平均水龄（参见彩图附图2a）
图4-18 世博园区内消火栓位置图（红点；参见彩图附图2b）
在模型中打开图4-18中相应的消火栓（模型中该时段在相应的节点增加节点需水量），消火栓口径按100mm计算，流速按1m/s，则消火栓放水流量设为7.85L/s，维持其他节点的需水量和用水模式不变，运行48h水龄模拟。执行冲洗条件下的平均水龄模拟结果如图4-19所示。
图4-19 冲洗后世博园区管网平均水龄（参见彩图附图2c）
从图中可以看出，冲洗前平均水龄在24h以上的区域，执行冲洗方案后水龄明显降低。
以上表明，在获得输配管网在线动态评估的基础上，根据管网水质变化的规律和工艺特性、消毒方式等形成相关的工艺和技术的数字调控方案。选择在输配管网中的重要节点作为补充消毒的控制点，通过信息化系统控制分布在管网各处的水质工艺调控设施对水质进行有效的调控或监测调控，以确保管网水质的安全。
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