地表水置換地下水條件下管網(wǎng)發(fā)生“黃水” 的風(fēng)險(xiǎn)和控制措施

劉銘，宋云，何康麗

（銀川中鐵水務(wù)集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750021）

隨著城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快及人口的不斷增加，近年來(lái)，西部某市當(dāng)?shù)厮Y源供需矛盾愈加尖銳，水安全問(wèn)題日益突出。為解決西部某市水源地水質(zhì)超標(biāo)、城市超采區(qū)地下水漏斗、水資源總量不足、農(nóng)村供水水源分散、規(guī)模小且水量不足等問(wèn)題，利用深度凈化處理的黃河水替換西部某市地下水源地。

根據(jù)查閱文獻(xiàn)資料和其他城市在水源置換期內(nèi)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，在水源置換期內(nèi)，有可能出現(xiàn)“黃水”事件。水源切換是導(dǎo)致水質(zhì)化學(xué)成分變化的重要原因之一[1]。國(guó)內(nèi)外曾多次進(jìn)行報(bào)道，如美國(guó)南加利福尼亞地區(qū)就曾因地下水改為地表水而出現(xiàn)了嚴(yán)重的 “黃水”。美國(guó)Tucson 市于1992 年11 月將地下水源改為Colorado 河水，結(jié)果引起了服務(wù)區(qū)大量用戶的抱怨與投訴，其中“黃水” 是招致用戶抱怨最多的因素。國(guó)內(nèi)由于水源地切換導(dǎo)致“黃水” 的事件也屢見(jiàn)不鮮，已有研究和案例表明，不同水源切換時(shí)由于水質(zhì)化學(xué)組成的差異有可能打破原有管垢/水之間的平衡，引起管網(wǎng)鐵腐蝕產(chǎn)物的釋放量增加，導(dǎo)致用戶端水質(zhì)惡化。管網(wǎng)“黃水” 是供水企業(yè)面臨的水源切換期需緊密關(guān)注的問(wèn)題。不同水源因水質(zhì)特征、水利條件、化學(xué)和生物穩(wěn)定性的差異，即使各水廠的出廠水滿足國(guó)家GB 5749—2022《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的條件下，進(jìn)入供水管網(wǎng)后仍存在發(fā)生“黃水” 的風(fēng)險(xiǎn)[2]。

針對(duì)供水工程所即將面臨的問(wèn)題，就如何盡可能避免與控制由水源更換而帶來(lái)的水質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)西部某市地下水水質(zhì)情況與地表水水質(zhì)情況進(jìn)行初步分析。長(zhǎng)期以來(lái)，西部某市供水管網(wǎng)系統(tǒng)主要由鑄鐵管管材構(gòu)成，而且以往西部某市輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)輸送的水質(zhì)（地下水源）相對(duì)單一、較為穩(wěn)定，并在長(zhǎng)時(shí)間輸配過(guò)程中管壁形成了穩(wěn)定的腐蝕層，輸配水過(guò)程對(duì)水質(zhì)的影響較小。本文主要針對(duì)西部某市水質(zhì)情況，研究大規(guī)模水源切換條件下管網(wǎng)發(fā)生“黃水” 的風(fēng)險(xiǎn)和控制措施。

1 試驗(yàn)方法

1.1 研究對(duì)象

將西部某市A、B、C、D、E、F、G 這7 個(gè)水廠水質(zhì)及地表水源作為研究對(duì)象。

1.2 研究方法

選取總堿度、硫酸根、氯離子作為關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)，計(jì)算拉森指數(shù)。除了測(cè)定水質(zhì)參數(shù)，還需考慮水樣的保存和處理。在采樣、儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中，需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程，確保水樣原位保持原有狀態(tài)，避免外界污染或化學(xué)反應(yīng)對(duì)水質(zhì)造成影響。在地表水置換地下管網(wǎng)的過(guò)程中，測(cè)定相關(guān)水質(zhì)參數(shù)是保障水質(zhì)安全的關(guān)鍵步驟。合理的監(jiān)測(cè)與評(píng)估方法能夠?yàn)榈叵鹿芫W(wǎng)水質(zhì)的管理提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料

硫酸根測(cè)定選用離子色譜儀賽默飛世爾ⅠC6000型，氯離子測(cè)定選用離子色譜儀賽默飛世爾ⅠC6000 型，總堿度測(cè)定選用滴定管。

2 結(jié)果與分析

城市給水管網(wǎng)系統(tǒng)中鐵釋放是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，它主要受管網(wǎng)腐蝕、管垢結(jié)構(gòu)等相互作用。影響管網(wǎng)中鐵釋放的主要因素有水力運(yùn)行條件和水質(zhì)條件，在實(shí)際管網(wǎng)輸送過(guò)程中，水力條件的變化是復(fù)雜、不可預(yù)見(jiàn)和不可避免的，但是水質(zhì)條件則是易于監(jiān)測(cè)的。由于收集的相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)具有一定的局限性、不穩(wěn)定性和盲區(qū)，其中，地下水水質(zhì)較穩(wěn)定，而地表水水質(zhì)相對(duì)復(fù)雜、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定且受外界因素影響較大，因此，收集的檢測(cè)數(shù)據(jù)僅代表該時(shí)間段內(nèi)水質(zhì)條件。根據(jù)給水管網(wǎng)中腐蝕判斷的方法，計(jì)算出給水源水結(jié)垢性及腐蝕性，為水源切換條件下管網(wǎng)是否產(chǎn)生“黃水” 提供可能性評(píng)判。

2.1 水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)各個(gè)水廠及地表水源水樣的水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)（總堿度、硫酸根、氯離子）進(jìn)行逐月監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)具體結(jié)果如表1、表2 所示。

表1 水源切換條件下水源部分水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)（地表水源）

表2 各水廠出廠水部分水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)單位：mg/L

2.2 化學(xué)穩(wěn)定性分析

目前，水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的判別指數(shù)主要包括兩大類：一類是基于碳酸鈣溶解平衡指數(shù)，常用的如朗格利爾飽和指數(shù)；另一類基于其他水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)，如拉森腐蝕指數(shù)（LR），表示水對(duì)鐵質(zhì)金屬管道的腐蝕性，它能夠反映出重碳酸根、氯離子和硫酸根離子之間的關(guān)系[3]。研究表明，從水質(zhì)的穩(wěn)定性和腐蝕性來(lái)看，具有腐蝕性的水（LR＞1）進(jìn)入地下水管網(wǎng)時(shí)，易發(fā)生“黃水” 現(xiàn)象，且鐵釋放與水的拉森指數(shù)具有顯著正相關(guān)性。水的拉森指數(shù)越高，表示該水對(duì)鐵質(zhì)管道的腐蝕性越強(qiáng)。以此來(lái)評(píng)判水源水及出廠水（運(yùn)行中）對(duì)管網(wǎng)腐蝕程度，以評(píng)估管網(wǎng)水出現(xiàn)“黃水” 的可能性。

該評(píng)估在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算水源水及出廠水（運(yùn)行中）Larson 比率（LR），計(jì)算公式如下：

通過(guò)對(duì)部分水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以得出水源地與各水廠（運(yùn)行中）拉森腐蝕指數(shù)，詳情見(jiàn)表3。

表3 水源地與各水廠（運(yùn)行中）水質(zhì)（拉森腐蝕指數(shù)）評(píng)定結(jié)果

從表3 可以看出，目前出廠及水源水的拉森腐蝕指數(shù)均大于0.2，鑄鐵管網(wǎng)已造成一定的腐蝕，但是由于長(zhǎng)期通水表面已形成致密層而處于穩(wěn)定狀態(tài)。但若切換水源，由于水質(zhì)、水利條件的改變，有可能會(huì)破壞原有的管垢，經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)形成氫氧化鐵膠體顆粒，產(chǎn)生“黃水” 問(wèn)題。查找相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，高拉森腐蝕指數(shù)的水取代低拉森腐蝕指數(shù)的水源時(shí)較易發(fā)生 “黃水”。因此，由表3 可知，地表水源的拉森腐蝕指數(shù)比A 水廠、D 水廠的指數(shù)較高，同時(shí)是B水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠、H 水廠指數(shù)的3～8 倍。從水質(zhì)的穩(wěn)定性和腐蝕性來(lái)看，若進(jìn)行水源切換，則B 水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠所涉及管網(wǎng)有可能出現(xiàn)“黃水” 問(wèn)題；A 水廠、D 水廠所涉及管網(wǎng)可能出現(xiàn) “黃水” 問(wèn)題的可能性較其他水廠小；H 水廠所涉及管網(wǎng)由于前期是地表水水源，已經(jīng)形成了較致密的保護(hù)層，切換成地下水源后由于拉森系數(shù)僅為0.327，不會(huì)破壞原有的管垢，再進(jìn)行水源切換后（切換成地表水），出現(xiàn)“黃水” 的可能性較小。

3 水源切換條件下管網(wǎng)“黃水” 的控制方法

國(guó)內(nèi)對(duì)于由水源切換導(dǎo)致的管網(wǎng) “黃水” 的控制方法均有成功案例，形成了比較成熟的技術(shù)方案，管網(wǎng)“黃水” 的控制主要采用控制管網(wǎng)腐蝕速率的機(jī)理：穩(wěn)定性低的管網(wǎng)切換為強(qiáng)腐蝕性水后，新水源腐蝕性較強(qiáng)的水（較高硫酸根質(zhì)量濃度）誘發(fā)鐵腐蝕產(chǎn)物釋放速率增加，同時(shí)鐵氧化菌為優(yōu)勢(shì)菌，加速腐蝕，腐蝕產(chǎn)物大量釋放，產(chǎn)生 “黃水”，隨著腐蝕進(jìn)行，管垢趨于穩(wěn)定，鐵還原菌成優(yōu)勢(shì)菌，腐蝕作用被抑制，“黃水” 消失。基于該機(jī)理，通過(guò)研究及不斷實(shí)踐，提出了水源切換時(shí)防控管網(wǎng)“黃水” 的綜合技術(shù)方案，詳情見(jiàn)表4。

表4 水源切換時(shí)防控管網(wǎng)黃水的綜合技術(shù)方案

由于水源切換工程未設(shè)置水源混合池（無(wú)法改變?cè)此磧侗壤⑺巹姿猁}緩釋劑、純堿）投加及中間加氯裝置，若水源切換工程通水后出現(xiàn)管網(wǎng)“黃水” 的情況時(shí)，應(yīng)把“管網(wǎng)應(yīng)急排放沖洗” 作為首選方案。

4 結(jié)論

目前，西部某市長(zhǎng)期以地下水水源為主，供水管網(wǎng)系統(tǒng)為鑄鐵管材，經(jīng)國(guó)內(nèi)大量研究表明，地下水源管垢特征為表面薄腐蝕垢層幾毫米或者不足1 mm，水源切換后管垢表面鈍化層較易被腐蝕性較強(qiáng)的水破壞。由于影響管網(wǎng)中鐵釋放的主要因素有水力運(yùn)行條件和水質(zhì)條件，水力條件是不可預(yù)測(cè)的，水質(zhì)條件易于監(jiān)測(cè)。由于前期收集的數(shù)據(jù)存在一定的局限性及盲區(qū)，本評(píng)估僅對(duì)拉森腐蝕指數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并結(jié)合文獻(xiàn)資料及國(guó)內(nèi)水源切換條件下水質(zhì)問(wèn)題的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)水源切換管網(wǎng)出現(xiàn)“黃水” 進(jìn)行可能性評(píng)估，結(jié)論如下。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，西部某市出廠及水源水的拉森腐蝕指數(shù)均大于0.2，鑄鐵管網(wǎng)已造成一定的腐蝕，但是由于長(zhǎng)期通水表面已形成致密層而處于穩(wěn)定狀態(tài)。若切換水源，由于水質(zhì)、水利條件的改變，有可能會(huì)破壞原有的管垢。

根據(jù)查找相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，高拉森腐蝕指數(shù)的水取代低拉森腐蝕指數(shù)的水源時(shí)較易發(fā)生 “黃水”。因此，從水質(zhì)的穩(wěn)定性和腐蝕性來(lái)看，若進(jìn)行水源切換，則B 水廠、C 水廠、E 水廠、F 水廠、G 水廠所涉及管網(wǎng)有可能會(huì)出現(xiàn)“黃水” 問(wèn)題，A 水廠、D 水廠所涉及管網(wǎng)出現(xiàn)“黃水” 問(wèn)題的可能性較其他水廠小。

H 水廠所涉及管網(wǎng)由于前期是地表水水源，已經(jīng)形成了較致密的保護(hù)層，切換成地下水源后由于拉森系數(shù)僅為0.327，將不會(huì)破壞原有的管垢，再進(jìn)行水源切換后（切換成地表水），出現(xiàn) “黃水” 的可能性較小。

結(jié)合文獻(xiàn)資料可知，若出現(xiàn)管網(wǎng) “黃水” 不進(jìn)行干預(yù)處理，這一現(xiàn)象將持續(xù)到管壁表面形成新的穩(wěn)定表面層，“黃水” 才會(huì)消失，則持續(xù)時(shí)間會(huì)長(zhǎng)，且時(shí)間不定。當(dāng)原有管垢平衡被破壞后，即使將水質(zhì)恢復(fù)至原有水質(zhì)，“黃水” 問(wèn)題仍然會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，建立新的平衡時(shí)間較長(zhǎng)（數(shù)日甚至數(shù)月）。

水源切換工程未設(shè)置水源混合池、藥劑（純堿、磷酸鹽緩沖劑）投加及中間加氯裝置，通水后若出現(xiàn)管網(wǎng)“黃水” 的情況時(shí)，應(yīng)把“管網(wǎng)應(yīng)急排放沖洗”作為首選方案。如果仍不能解決 “黃水” 問(wèn)題，應(yīng)組織專業(yè)人員進(jìn)行查明原因，以便提出最有效的解決方案。

根據(jù)管網(wǎng)“黃水” 產(chǎn)生機(jī)理， 影響管網(wǎng)中鐵釋放的主要因素為水力運(yùn)行條件和水質(zhì)條件，雖然水質(zhì)條件易于監(jiān)測(cè)，但是水力條件復(fù)雜多變、不可預(yù)測(cè)，且水質(zhì)數(shù)據(jù)收集存在一定的局限性，因此本評(píng)估僅根據(jù)拉森腐蝕指數(shù)判斷管網(wǎng)“黃水” 出現(xiàn)的可能性。